【正文】 ............................................................................. 45 附錄 1 主要源程序 ......................................................................................................... 46 附錄 2 外文翻譯 .............................................................................................................. 54 （論文） 第 1 頁 共 68 頁 前 言 隨著信息時(shí)代的到來 ，無線頻譜已成為現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的寶貴資源。 為了盡量提高現(xiàn)有已分配頻譜的利用率 ， 認(rèn)知無線電的概念應(yīng)運(yùn)而生 。 認(rèn)知無線電能從根本上解決因頻譜的固定分配政策導(dǎo)致的對(duì)頻譜資源利用不合理的問題 ， 為解決如何在有限頻譜資源條件下提高頻譜使用率這一無線通信難題開辟了一條新的途徑。 其中，頻譜感知技術(shù)是認(rèn)知無線電最基本、最關(guān)鍵的技術(shù)之一 。 本 文 以單用戶能量檢測(cè)方法為基礎(chǔ)， 分析各性能參數(shù)之間的關(guān)系。 由于無線通信的特殊環(huán)境，信號(hào)傳播過程中存在多徑、陰影效應(yīng)等干擾因素，因此 單個(gè) 認(rèn)知用戶可能會(huì)出現(xiàn) 較低的檢測(cè)概率，從而加劇了對(duì)于授權(quán)用戶的干擾。 這時(shí)， 提出 分析 了 基于數(shù)據(jù)融合的協(xié)作頻譜感知方法 ，分析研究數(shù)據(jù)融合的協(xié)作檢測(cè)對(duì)用戶檢測(cè)性能的影響。 本文首先分析了認(rèn)知無線電技術(shù)的概念、國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和常用的頻譜感知技術(shù)。然后重點(diǎn)分析研究了頻譜感知過程中單用戶 能量檢測(cè)的 性能。最后針對(duì)于單用戶能量檢測(cè)受到信道衰落、陰影效應(yīng)和噪聲不確定性等因素的影響產(chǎn)生性能下降 ， 引入了基于數(shù)據(jù)融合的協(xié)作頻譜感知方法 ， 并分析其性能。 具體安排如下： 第一章介紹課題研究的背景知識(shí) ， 研究?jī)?nèi)容的必要性、重要性以及本論文研究的主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排 。 第二章研究認(rèn)知無線電中的頻譜感知技術(shù) ， 對(duì)認(rèn)知無線電中比較常用的頻譜感知技術(shù)進(jìn)行研究 ， 并分析其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。 第三章研究單用戶下的 能量檢測(cè)的本地頻譜檢測(cè) 性能分析 。 第四章研究多用戶下的數(shù)據(jù)融合的頻譜感知技術(shù) 的性能分析 。 第五章對(duì) 全文的工作進(jìn)行了總結(jié) ， 并對(duì)未來的工作進(jìn)行了展望。 （論文） 第 2 頁 共 68 頁 第 1 章 緒 論 研究的背景和意義 隨著信息時(shí)代的到來 ， 無線頻譜已成為現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的寶貴資源。它目前主要由國(guó)家統(tǒng)一分配授權(quán)使用 ， 一個(gè)頻段一般只能供一個(gè)無線通信系統(tǒng)獨(dú)立使用 ， 這種靜態(tài)的無線頻譜管理方式 ， 簡(jiǎn)單 而有效的避免了不同無線通信系統(tǒng)間的相互干擾。但是在這些已分配的授權(quán)頻段與非授權(quán)頻段中存在著頻譜資源利用的不平衡性：一方面 ， 授權(quán)頻段占用了整個(gè)頻譜資源的很大一部分 ， 但其中不少頻段處于空閑狀態(tài)；另一方面 ， 開放使用的非授權(quán)頻段占整個(gè)頻譜資源的很少一部分 ， 但在該頻段上的用戶很多 ， 業(yè)務(wù)量也很大 ， 無線電頻段已基本趨于飽和。于是在無線和移動(dòng)通信迅速發(fā)展的今天 ， 頻譜資源貧乏的問題也顯得日益嚴(yán)重。 許多已分配的頻帶在很多的時(shí)間段內(nèi)都是閑置的 ， 尤其是在頻率需求非常緊張的數(shù)百 MHz～ 3GHz無線頻帶中 ， 一 些 頻帶大部分時(shí)間內(nèi)并沒有 用戶使用 ， 另有些偶爾才被利用 ， 其他頻帶使用競(jìng)爭(zhēng)則相對(duì)很激烈。圖 11所示的是伯克利大學(xué) (Berkeley)無線研究中心的實(shí)際測(cè)量結(jié)果 ， 結(jié)果表明 ， 大部分的已經(jīng)分配給固定用戶的頻譜在大量的時(shí)間里都是低效使用的 ， 而這種情況并非偶然。根據(jù) FCC(美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì) )調(diào)查顯示 ， 有15％到 85％的已分配頻譜資源只是被偶爾占用或者地域性占用。 下圖為使用分辨率為 20KHz、 30176。 角的天線 ， 于中午時(shí)分在加州伯克利市市區(qū)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果 [1]。 圖 11 0～ 6 GHz的功率譜密度分布圖 （論文） 第 3 頁 共 68 頁 通過觀察發(fā)現(xiàn) ， 3GHz及以上的頻段 幾乎沒有被使用。其中 ， 34GHz的頻段利用率只有 %， 45GHz 的頻段利用率甚至只有 %。而 3GHz以下頻段 ， 根據(jù)伯克利無線研究中心（ Berkeley Wireless Research center， BWRC)的研究報(bào)告發(fā)現(xiàn) ， 頻譜資源在時(shí)域及頻域上有多達(dá) 70%未被充分利用。 面對(duì)目前頻譜資源緊張現(xiàn)狀 ， 首先需要重新認(rèn)識(shí)頻譜。國(guó)際上新觀點(diǎn)認(rèn)為 ， 頻譜是一種抽象的資源 ， 對(duì)其利用效率的高低取決于所采用的技術(shù) ， 需要詳細(xì)探討能充分利用頻譜資源的高效頻譜利用技術(shù) [2]。令人欣慰的是 ， 近年來新技術(shù)的迅猛發(fā) 展為頻譜高效利用提供了可能。這里從不同角度和方面總結(jié)了目前提高頻譜利用率技術(shù) ， 如圖 12所示。 提 高 頻 譜 利 用 率 技 術(shù)提 高 頻 譜 效 率 技 術(shù) 頻 譜 共 享 技 術(shù)自 適 應(yīng)編 碼自 適 應(yīng)調(diào) 制多 天 線技 術(shù)多 載 波技 術(shù)動(dòng) 態(tài) 頻 譜 分 配（ D S A )免 許 可 開 放 接 入 （ 如I S M ,U N I I 頻 段 ）分 級(jí) 共 享 接 入U(xiǎn) n d e r l a y 接 入（ 如 U W B )O v e r l a y 接 入（ 如 O S A ）認(rèn) 知 無 線 電 （ C R ) 圖 12 提高頻譜利用率的技術(shù) 然而 ， 由于移動(dòng)終端天線尺寸和功率的限制 ， 可以用于無線接入的頻段十分有限 。在提高頻譜效率方面 ， 目前碼分多址 (Code Division Multiple Access， CDMA)空中接口技術(shù) ， 如高速下行分組接入 (High speed Downlink Package Access， HSDPA)可以達(dá)到lbit/s/Hz的頻譜 效率 ， 將來正交頻分復(fù)用 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)和多輸入多輸出 (Multiple Input Multiple Output， MIMO)技術(shù)的應(yīng)用也只能達(dá)到34bit/s/Hz的頻譜效率。 34倍頻譜效率的提高對(duì)于人們成百上千倍的帶寬需求增長(zhǎng)是微不足道的。因而 ， 尋求一種更有效的頻譜管理方式 ， 充分利用各地區(qū)、各時(shí)間段的空閑頻段 ， 緩解不斷增長(zhǎng)的頻譜的需求矛盾 ， 成為人們關(guān)注的問題。 （論文） 第 4 頁 共 68 頁 什么是認(rèn)知無線電 為了解決上述問題 ， 基本思路就是 盡量提高現(xiàn)有已分配頻譜的利用率。于是 ， 認(rèn)知無線電的概念應(yīng)運(yùn)而生。 認(rèn)知無線電技術(shù)的基本出發(fā)點(diǎn)就是：為了提高頻譜利用率 ， 具有認(rèn)知功能的無線通信設(shè)備可以按照機(jī)會(huì)接入的方式 ， 在不影響授權(quán)頻段正常通信的基礎(chǔ)上 ， 在已授權(quán)頻段的空閑頻段內(nèi)動(dòng)態(tài)地利用頻譜資源。這種應(yīng)用一定要建立在已授權(quán)頻段沒有被利用或只有很少的通信業(yè)務(wù)在活動(dòng)的基礎(chǔ)上。這種在空域、時(shí)域和頻域中出現(xiàn)的可以被利用的頻譜資源被稱為 “ 頻譜空洞 ” 。認(rèn)知無線電的核心思想就是使無線通信設(shè)備具有發(fā)現(xiàn) “ 頻譜空洞 并合理利用的能力。認(rèn)知無線電能從根本上解決因頻譜的固定分配政策導(dǎo) 致的對(duì)頻譜資源利用不合理的問題 ， 為解決如何在有限頻譜資源條件下提高頻譜使用率這一無線通信難題開辟了一條新的途徑。 當(dāng)非授權(quán)通信用戶通過 “ 借用 ” 的方式使用已授權(quán)的頻譜資源時(shí) ， 必須保證自身的通信不會(huì)影響到其它已授權(quán)用戶的通信。要做到這一點(diǎn) ， 非授權(quán)用戶必須按照一定的規(guī)則來使用所發(fā)現(xiàn)的 “ 頻譜空洞 ” 。在認(rèn)知無線電中 ， 這樣的規(guī)則是以某種機(jī)器可理解的形式 (如 XML語言 )加載到通信終端上。由于這些規(guī)則可以隨時(shí)根據(jù)頻譜的利用情況、通信業(yè)務(wù)的負(fù)荷與分布等進(jìn)行不斷地調(diào)整 ， 因此通過這些規(guī)則頻譜管理者就能以更為靈活的方式來管理寶貴的 頻譜資源。 從以上介紹可以看出 ， 為了提高頻譜利用率需要充分利用檢測(cè)到的 “ 頻譜空洞 ，這是認(rèn)知無線電技術(shù)的一項(xiàng)基本應(yīng)用。但是 ， 作為一個(gè)全新概念提出的認(rèn)知無線電 ， 其涵蓋面則更為廣泛。 認(rèn)知無線電最初的概念是由瑞典皇家科學(xué)院 Joseph Mitola博士提出的 ， 是對(duì)軟件無線電的進(jìn)一步的擴(kuò)展。認(rèn)知無線電采用無線電領(lǐng)域的基于模型的方法對(duì)控制無線電頻譜使用的規(guī)則 (如射頻頻段、空中接口、協(xié)議以及空間和時(shí)間模式等 )進(jìn)行推理 ， 通過無線電知識(shí)表示語言 (RKRL)表述無線電規(guī)則、設(shè)備、軟件模塊、電波傳播特性、網(wǎng)絡(luò)、用戶需求和應(yīng)用 場(chǎng)景的知識(shí) ， 以增強(qiáng)個(gè)人業(yè)務(wù)的靈活性 ， 使軟件無線電技術(shù)能更好地滿足用戶需求。 認(rèn)知無線電的基本定義可歸納為：認(rèn)知無線電是可以感知外界通信環(huán)境的智能通信系統(tǒng)。認(rèn)知無線電系統(tǒng)通過學(xué)習(xí) ， 不斷地感知外界的環(huán)境變化 ， 并通過自適應(yīng)地調(diào)整其自身內(nèi)部的通信機(jī)理來達(dá)到對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)。這樣的自適應(yīng)調(diào)整一方面是為了改進(jìn)系（論文） 第 5 頁 共 68 頁 統(tǒng)的穩(wěn)定性 ， 另一方面是為了提高頻譜資源的利用率。由此可以總結(jié)出認(rèn)知無線電所具有的特點(diǎn)是： (1)對(duì)環(huán)境的感知能力； (2)對(duì)環(huán)境變化的學(xué)習(xí)能力； (3)對(duì)環(huán)境變化的自適應(yīng)性； (4)通信質(zhì)量的高可靠性； (5)對(duì) 頻譜資源的充分利用； (6)系統(tǒng)功能模塊的可重構(gòu)性； 國(guó)內(nèi)外認(rèn)知無線電技術(shù)的研究現(xiàn)狀 隨著認(rèn)知無線電的發(fā)展 ， 世界各國(guó)的頻譜管制部門、標(biāo)準(zhǔn)化組織、研究機(jī)構(gòu)和行業(yè)聯(lián)盟紛紛展開相關(guān)研究。 IEEE、 ITU、軟件無線電論壇等標(biāo)準(zhǔn)化組織和行業(yè)聯(lián)盟接納了該技術(shù)并先后制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)以推動(dòng)認(rèn)知無線電技術(shù)的發(fā)展。 20xx年 12月 ， FCC指出非授權(quán)頻段設(shè)備應(yīng)該具備能夠識(shí)別未占用頻譜的能力； 20xx年 11月 ， FCC提出了新的量化和管理干擾的指標(biāo)值 —— 干擾溫度的概念； 20xx年 12月 ， FCC正式成立了認(rèn)知無線電工 作組； 20xx年 5月 ， FCC建議認(rèn)知無線電可在 TV廣播頻段內(nèi)操作 ， 并認(rèn)為最適合應(yīng)用認(rèn)知無線電技術(shù)的是 UHF中分配給電視廣播業(yè)務(wù)的 6MHz頻段。 20xx年 10月 ， 正式批準(zhǔn)了關(guān)于引入認(rèn)知無線電技術(shù) ， 使用認(rèn)知無線電設(shè)備的法規(guī)。 20xx年 10月 ， IEEE正式成 立 IEEE 802． 22工作組 —— 無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò) (WRAN)工作組。這是世界上第一個(gè)基于認(rèn)知無線電技術(shù)的空中接口標(biāo)準(zhǔn)化組織 ， 其目的是研究基于認(rèn)知無線電的物理層、媒體訪問控制 (MAC)層和空中接口 ， 以無干擾的方式使用已分配給電視廣播的頻段。目前物理層和媒體 訪問控制 (MAC)層的標(biāo)準(zhǔn)制定工作正在進(jìn)行中 ， 已完成了對(duì) WRAN的功能需求和信道模型文檔。目前可見的研究成果是一些有關(guān) WRAN標(biāo)準(zhǔn)的提案及 20xx年 5月初步形成的草案；該系統(tǒng)工作在甚高頻／超高頻 (VHF／ UHF)(北美為 54 MHz一 862 MHz)頻段上未使用的 TV信道。 國(guó)內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)也較早的投入了認(rèn)知無線電的研究 ， 對(duì)認(rèn)知無線電的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。最有代表性且影響最大的是美國(guó)國(guó)防部高等研究計(jì)劃署的下（論文） 第 6 頁 共 68 頁 一代通信計(jì)劃 (XG， neXt Generation Program)， 于 20xx年成立 XG工作組 ， 著眼于開發(fā)認(rèn)知無線電的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)頻譜管理標(biāo)準(zhǔn)。 XG網(wǎng)絡(luò)也叫動(dòng)態(tài)頻譜接入網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò) ， 能夠使多個(gè)用戶通過自適應(yīng)機(jī)制共享頻譜 ， 通過各種不同的無線架構(gòu)和動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù)給移動(dòng)用戶提供高的帶寬。近兩年國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)也開始關(guān)注 CR技術(shù) ， 對(duì) CR系統(tǒng)中的協(xié)作技術(shù)及跨層設(shè)計(jì)技術(shù)、空間信號(hào)檢測(cè)和分析及 QoS保證機(jī)制等方面開始了研究。 認(rèn)知無線電技術(shù)提供給認(rèn)知用戶以機(jī)會(huì)接入共享頻譜的能力 ， 可以使用戶做到以下幾點(diǎn)： (1)確定哪些頻譜可以使用 ， 認(rèn)知用戶在某一個(gè)授權(quán)頻段上工作時(shí)實(shí)時(shí)地檢測(cè)授權(quán)用戶的出現(xiàn) ， 即頻譜感 知。 (2)能夠選擇最好的可用信道 ， 這通過頻譜分析和頻譜決策來實(shí)現(xiàn)。 (3)能和其他用戶協(xié)作接入信道 ， 即頻譜共享。 (4)檢測(cè)到授權(quán)用戶時(shí)迅速的騰出信道 ， 即頻譜移動(dòng)性。 目前 ， 認(rèn)知無線電技術(shù)的研究大都集中在物理層和 MAC層的功能上 ， 主要包括頻譜感知技術(shù)、頻譜管理技術(shù)和頻譜共享技術(shù)。這些方面的研究也取得了重要的進(jìn)展。對(duì)于更高層如網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層的技術(shù) ， 雖然目前還沒有深入的研究 ， 但是已經(jīng)引起了研究人員越來越多的關(guān)注。同時(shí)認(rèn)知無線電技術(shù)中的頻譜移動(dòng)性管理、認(rèn)知無線電的安全技術(shù)和認(rèn)知無線電的跨層設(shè)計(jì)也引起研究 人員的興趣。 （論文） 第 7 頁 共 68 頁 第 2 章 認(rèn)知無線電中的頻譜感知技術(shù) 認(rèn)知無線電頻譜感知研究 根據(jù)上一章對(duì)認(rèn)知無線電基本概念的闡述可知 ， 認(rèn)知無線電需要具備在很廣的頻率范圍內(nèi)感知周圍環(huán)境的能力。感知頻譜環(huán)境體現(xiàn)了認(rèn)知無線電最顯著的特征：能夠感知并分析特定區(qū)域的頻段 ， 找出適合通信的頻譜空穴 ， 利用特定的技術(shù)和處理 ， 在不影響已有通信系統(tǒng)的正常工作 前 提下進(jìn)行工作。認(rèn)知無線電設(shè)備