【正文】 .......................... 25 加權合作方案 ...................................................... 25 加權合作性能 ...................................................... 26 仿真和結果分析 .................................................... 28 結束語 ..................................................... 30 致 謝 ..................................................... 31 參考文獻 .................................................... 32 附錄 ....................................................... 33 南京郵電大學通達學院 20xx 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 1 第一章 緒 論 論文研究背景 目前隨著無線通信業(yè)務需求的快速增長，可用頻譜資源變得越來越稀缺。因此近幾年來，能夠對不可再生的頻譜資源實現(xiàn)再利用的頻譜共享技術受到了人們的廣泛關注。認知無線電是一種智能的無線通信技術，它能夠連續(xù)不斷地感知周圍的通信環(huán)境，通過對環(huán)境信息的分析 、理解和判斷，然后通過無線電知識描述語言 （ RKRL） 自適應地調整其內部的通信參數(shù)（如發(fā)射功率、工作頻率、編碼方式等）以適應環(huán)境的變化。 在中心式的合作感知方法中，中心節(jié)點負責收集其通信信號覆蓋范圍內的各認知用戶傳輸過來的感知信息，并將這些信息按照某種算法進行數(shù)據融合，判決出所關心的頻段內是否存在主用戶發(fā)射機信號，從而確定出空閑的頻譜資源 ；分布式是指認知系統(tǒng)中認知用戶之間相互交流檢測信息，并且各自做出最終的判南京郵電大學通達學院 20xx 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 2 決 ； 在基于外部節(jié)點的頻譜感知方法中，外部代理節(jié)點執(zhí)行頻譜感知功能，并由它通過廣播的方式將頻譜占用的信息傳送給認 知無線電網絡。 論文的結 構安排如下： 第 二 章闡述認知無線電的概念、 研究現(xiàn)狀 、 應用以及認知無線電應具備的功能 。 第 五 章論述了 基于加權的認知無線電檢測融合技術 ， 簡述了基于能量檢測的單用戶認知檢測以及合作 檢測，引出加權合作檢測的方法，重點論述了加權合作的方案以及加權合作的性能，最后對基于加權的頻譜檢測融合技術進行了MATLAB 仿真 。 實際上 ， 認知無線電技術是對頻譜資源從時間、空間和頻率等多維度的重復利用和共享。近幾年來一些頻譜政策管理部門，如美國聯(lián)邦通信委員會（ FCC）等對該技術給予了 積極的支持。美國加州大學伯克利分校無線研究中心主要進行認知無線電物理層的設計研究，并且與柏林技術大學共同開發(fā) CORVUS項目，通過建立認知無線電測試床對各種頻譜偵聽技術合和算法進行試驗仿真和性能分析。典型的例子有：工作于 45MHz左右的無繩電話系統(tǒng)采用一種信道自動選擇機制避免使用已占用的信道；免授權的個人通信業(yè)務 (PCS, Personal Communication Service)設備在傳輸數(shù)據之前預先偵聽頻譜的占用情況，以避免對其他的免授權設備造成干擾；工作于 5GHz頻段的 ，采用動態(tài)頻率選擇 (DFS, Dynamic Frequency Selection)和發(fā)送功率控制 (TPC, Transmit Power Control)機制，避免與雷達信號的干擾。一種認識的代表是以Mitola為首的瑞典皇家科學院，他們強調軟件定義無線電 (SDR, Software Defined Radio)是 認知無線電 實現(xiàn)的理想平臺。 Rieser指出認知無線電 不一定需要 軟件定義無線電 的支撐，采用基于遺傳 算法的生物啟發(fā)認知模型對傳統(tǒng)無線電系統(tǒng)的物理層和媒體接入控制 (MAC, Media Access Control) 子層的演進過程建模，更適用于可快速部署的災難通信系統(tǒng)。針對頻譜利用率低的現(xiàn)狀， FCC提出采用 認知無線電 技術實現(xiàn)開放頻譜系統(tǒng)，即合法的授權用戶（也稱主用戶）具有高的優(yōu)先權接入頻譜， 而具有 認知無線電 功能的非授權南京郵電大學通達學院 20xx 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 5 用戶（也稱次用戶或認知用戶）可在對授權用戶不造成干擾的情況下機會接入頻譜。 認知無線電 的實現(xiàn)不一定需要 軟件定義無線電 的支撐，但如果借助于 軟件定義無線電 ，則 認知無線電 會具有更多潛在的優(yōu)勢。 隨著網絡密度的增大和服務要求吞吐量的提高，無線 Mesh網需要更高的處理能力。 IEEE 工作組授權開發(fā)一個共同操作的點到多點的空中接口（即物理層和 MAC 層）標準，該標準用于現(xiàn)存廣播電視所在的頻段，用于基于 CR 的 WRAN。 更為困難的一點是 , 由于廣播電視用戶多為啞終端 ， 即僅僅完成接收功能。如果說檢測是信息的獲取 ， 那么分析就是對相關信息的初步處理。 推理和學習 由于當前無線頻譜環(huán)境的復雜性 ， 簡單的檢測、推理和分析可能無法獲得較好的傳輸性能。當前這一部分研究相對來講更為滯后。 頻譜檢測的任務就是尋找合適的頻譜 空穴 并反饋至發(fā)送端進行頻譜管理和功率控制。其中基于導頻檢測相對簡單，易于實現(xiàn)。但由于信號的先驗知識的條件受限，如果這些信號信息不準確，該檢測方法的性能會受到很大影響，難以在實際環(huán)境中使用。 如果一個隨機過程 )(tX 的均值和自相關函數(shù)都體現(xiàn)周期性，且周期與信號的周期相同，我們就說 )(tX 是廣義循環(huán)平穩(wěn)的，即滿足： )()( tTt mmxx ?? （ 27） )2,2()2,2( ???? ??????? ttTtTt RRxx （ 28） 因為自相關函數(shù)具有周期特性，因此可以展開為傅里葉級數(shù)： tJXx eRttR ??????? ???? 2)()2,2( （ 29） 其中 )(??XR 是傅里葉級數(shù)的系數(shù)，由下式計算得到： dtettTR tJTT xX R ???? ? ??? ???? 222)2,2(1)( （ 210） )}({ ??XR 被稱為循環(huán)自相關函數(shù)， ,...)2,1,0(, ??? nTn 稱為信號的循環(huán)頻率，其 中 1?n 是稱為基本循環(huán)頻率。但是 ,循環(huán)平穩(wěn)特征檢測的計算復雜度較高。 傳統(tǒng)的信號檢測方法都是基于能量檢測的。最后將得到的能量計算值與設置的門限相比較，超過判決門限，就認為該頻段內有主用戶的存在。但是它需要一個主用戶愿意“幫助”認知用戶的前提。 1 1 1j j j j j jV W V W W V? ? ?? ? ? ? ? （ 218） 其中， Wj是 Vj在 Vj+1空間的補，為第 j級小波空間，對應于 2j+1△ω至 2j+2△南京郵電大學通達學院 20xx 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 13 ω的子頻帶。 k和 j反映了小波函數(shù) 時域上的平移量。離散小波包變換能滿足這樣的要求。 (a) 離散小波變換二級分解 (b) 離散小波包變換二級分解 圖 離散小波變換和離散小波包變換的二級分解 (a) 離散小波變換二級分解的頻域劃分 (b) 離散小波包變換二級分解的頻域劃分 圖 離散小波變換和離散小波包變換二級分解的頻譜劃分 通過離散小波變換或者離散小波包變換，我們可以得到接收信號在各子頻帶的分 布狀況，進而判斷各子頻帶是否已被占用，從而完成空閑頻譜的檢測。 （ 5） 高階統(tǒng)計量檢測 高階統(tǒng)計量檢測方法是一種基于高斯噪聲的奇次高階矩為零的原理對接收信號的奇次高階矩進行加工形成檢驗統(tǒng)計量，與門限比較來進行二元判決的檢測方南京郵電大學通達學院 20xx 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 14 法?；谶@個基本原理，就可以通過計算接收信號采樣的奇次階矩，來判別其中是否存在確定性信號或非對稱分布隨機信號。但是在噪聲概率密度函數(shù)不對稱的條件下，該方法將不再適用。另外，早期的檢測方法有周期平穩(wěn)過程特征檢測，但并不能滿足可靠的檢測概率要求。 （ 2） 本振泄露的檢測 現(xiàn)有射頻無線電系統(tǒng)中，接收機是基于超外差接收機的結構設計的。由于遠距離的本振泄漏功率很弱，且是動態(tài)變化的，所以此檢測算法是距離受限的。因此目前基于 CR的 DSA的研究主要基于頻譜共 享池 (Spectrum Pooling)這一策略。由于認知用戶 本質上是一個自治的智能代理，目前的研究大多集中于動態(tài)分布式資源分配方面。但這種基于合作的方法強調系統(tǒng)的整體有效性，必要時需犧牲局部性能。這對于能量受限的通信系統(tǒng)，如 Ad Hoc、無線傳感器網絡等并不適用。 無論是基于合作的方法還是基于規(guī)則的方法，大多是用來解決多個認知用戶之間如何選擇頻譜以最大化利用率的問題。前者是只要頻譜池有空閑的子信道，主用戶就可以選擇空閑信道而不中斷認知用戶的通信；后者是主用戶并不考慮認知用戶是否占用信道，只要需要就占用原信道。一種可行的方法是將測量到的主用戶接收機信號的本地信噪比 (SNR, Signal to Noise Ratio)近似為認知用戶與主用戶間的距離，從而相應的調整認知用戶的發(fā)射功率。 對于既存在合作又存在競爭的多址 CR系統(tǒng)，為避免多用戶的沖突問題，分布式功率控制的研究更為重要。若不考慮競爭現(xiàn)象，可看作純合作對策，這樣該問題就簡化為一個最優(yōu)控制理論問題，但限制了問題的許多方面。分析表明迭代注水法更適用于多用戶環(huán)境，可通過增加遺憾意識的學習機制提高其性能，以支持更多用戶接入。由于多徑衰落和陰影效應的影響，單認知用戶檢測可靠性低，因此合作頻譜感知被提出。 圖 合作頻譜檢測的必要性 在圖 中，主用戶發(fā)射機的覆蓋范圍為 R ，處在這個范圍 內的主用戶接收機都能正常接收到發(fā)射機的信號。 合作頻譜檢測是相對于單個用戶的本地頻譜檢測算法而言的，參與合作頻譜檢測的認知用戶都是采用基于主用戶發(fā)射端檢測方法的。然后，中心節(jié)點將這些頻譜空閑信息通過廣播的方式傳送給各個認知用戶，或者直接控制各認知用戶的通信行為。為了解決這個問題， 研究者們提 出先將各感知節(jié)點的本地判決結果量化成一位二進制數(shù) (硬判決 )，接著只允許那些可信度高的認知節(jié)點將其本地硬判決結果傳送給數(shù)據融合中心，然后由中心節(jié)點進行進一步判決。 頻譜 感知 經過以上分析可知，合作頻譜感知方法確實可以大大地提高頻譜感知性能。由于分布式合作感知方法無需中心節(jié)點且硬件花銷小，因此，分布式合作感知方法要比中心式的合作感知方法更具優(yōu)勢。 研究者們 提出了一種分布式合作頻譜感知的認知無線電架構體系，在這個架構體系中 ，各認知用戶通過共享無線電特征參數(shù)來提高整個系統(tǒng)的檢測性能。在這種頻譜感知方法中，外部代理節(jié)點執(zhí)行頻譜感知功能，并由它通過廣播的方式將頻譜占用的信息傳送給認知無線電網絡。同時，由于外部感知節(jié)點無需移動，且無需認知無線網絡提供能量，因此，外部 節(jié)點合作頻譜感知方法也大大降低了認知無線網絡的功耗。于是，這些認知用戶便能利用從傳感網絡獲得的頻譜占用信息，選擇最優(yōu)信道進行數(shù)據傳輸。特征級合作指的是合作單元把從傳感器所獲取的相關參數(shù)組合形成一個特征矢量，并在此基礎上進行決策。軟判決在檢測性能上相對于硬判決有一定的提高，但是傳送原始的測量數(shù)據需要消耗大量帶寬，相對于性能上的提升，系統(tǒng)的代價就顯的過大了，因此硬判決相對于軟判決更適合于認知無線電系統(tǒng)。 使用該融合規(guī)則 ,檢測概率和虛警概率分別為 ： ?? ??? ni did PP 1 )1(1 （ 31） ?? ??? ni fif PP 1 )1(1 （ 32） 式中， n為參加合作的 認知用戶數(shù)， Pdi表示第 i個認知 用戶的檢測概率， Pfi 表示第 i個認知用戶的虛警概率。使用該融合規(guī)則 ， 檢測概率 和虛警概率分別： ??? ni did PP 1 （ 33） ??? ni fif PP 1 （ 34） “與”融合規(guī)則的優(yōu)點是對主用戶的干擾較低 ,缺點是頻譜利用率低 ， 單個節(jié)點的判決結果對整個協(xié)作判決影響較大。然后把軟判決結果發(fā)送到處理中心。 (2) 似然比算法 似然比算法采用似然值作為檢測的依據是一種完全的軟判決算法。 部分用戶合作 有些時候參與合作檢測的用戶可能處于深度衰落或遮擋中，或者由于周圍存在著較強的干擾，無法對授權信號做出準確的檢測 。于是把一些不可靠用戶的檢測所得的結果忽略掉，采用部分合作的方法可以進一步提高認知系統(tǒng)的檢測性能的。在線用戶數(shù)量一定的情況下，選擇參與融合的用戶站的數(shù)量將會影響到系統(tǒng) 的檢測性能。采用固定虛警概率準則設計，即固定虛警概率 pf，且假設所有用戶的檢測器沒有差別，則單個用戶的虛警概率