【文章內(nèi)容簡介】 方法 (Matched Filtering, MF) [13]﹑循環(huán)平穩(wěn)檢測 (CyclostationarityBased Sensing) [14]等 然而因為無線通信環(huán)境的復雜和時變性，單用戶檢測面臨著檢測率不高﹑衰落和陰影效應等問題， S. Shanker, C. Cordeiro, K. Challapali 等人在文獻 [15]提出的一種基于多用戶協(xié)作的頻譜感知方法 —— 協(xié)作頻譜感知 (Cooperative Spectrum Sensing, CSS)有效地克服了上述問題，也使得頻譜感知技術從單用戶邁向了多用戶協(xié)作的領域 [16][17]。 協(xié)作頻譜感知一般分為兩個步驟：第一，各個次用戶獨立檢測 (也就是本地檢測 )并將檢測 結(jié)果報告給融合中心 (Fusion Center)；第二，融合中心根據(jù)各檢測結(jié)果綜合判決主用戶信號是否存在。當然，次用戶也可以不獨立判決，直接將其感知的信息發(fā)送給融合中心，進行統(tǒng)一判決。 在融合的方法上最初使用 1bit傳送結(jié)果 ,而文章 [18]中提出使用 2bit傳送結(jié)果 ,將判決結(jié)果劃分為四個區(qū)域，用 2bit 表示 ,這樣的劃分使得傳送到融合中心的內(nèi)容中包含檢測量更多的信息 ,降低了錯判﹑漏判的概率，提高了系統(tǒng)檢測的性能；Hefdhallah Sakran 在 20xx 發(fā)表的文章 [19]中提出了使用 3bit 匯報判決結(jié)果，將 結(jié)果劃分為 8 種。而等增益合并 (Equal GainCombining, EGC)算法﹑選擇合并理工大學本科畢業(yè)設計 4 (Selection Combining, SC)算法以及切換保留合 (Switch and Stay Combining ,SSC)算法等軟融合方法都不直接傳送結(jié)果，而將能量值等檢測量發(fā)送給融合中心 [20]。 對于協(xié)作頻譜感知中的融合算法， Z. Chair 的文獻 [21]是最早提出融合算法的學術論文，但當時還未應用于認知無線電；文獻 [22]中詳細研究了融合算法中K 秩算法的性能，而文獻 [23]中則提出了一種增強的決 策融合的算法?；趨f(xié)作感知其他方面的研究中，文獻 [24]提出了一種低開銷低復雜度的基于協(xié)作頻譜感知的能量檢測；文獻 [25]中提出了一種解決匯報信道帶寬問題的方法，使得匯報的信息更加可靠； Ahmed 于 [26]中提出了一種分布式協(xié)作頻譜感知算法 GUESS (Gossiping Updates for Efficient Spectrum Sensing)，該算法體現(xiàn)出了低復雜度以及低協(xié)議開銷。 而為了使得數(shù)據(jù)融合更加有效 ,可將次用戶劃分為幾個小規(guī)模的組 (group)，或?qū)⑦@些組成為簇 (cluster)。每個組有 個擔任領導者角色的次用戶稱為簇頭(Cluster Head ,CH)，組中的其他次用戶稱為簇成員。系統(tǒng)的頻譜檢測是以一種等級制度結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)，通過兩級的次用戶協(xié)作來實現(xiàn)：低一級在簇內(nèi)實現(xiàn) ,高一級的在簇頭之間執(zhí)行。這種頻譜感知的方法稱為分組 (簇 )協(xié)作頻譜感知 [27]。 分組協(xié)作頻譜感知 [28]的優(yōu)點如下： 1)感知性能提高：可以提高檢測概率降低錯誤概率 ,獲得更高的可靠性； 2)感知開銷降低：減少感知開銷 (包括能量消耗﹑時延﹑所占用的帶寬 ) 分組協(xié)作頻譜感知的基本模型如圖 12 所示 : CR2CR3CR1CH1CR1CR2CHn主用戶（PU） n?n?1?1?融合中心lusterCluster n 圖 12 分組協(xié)作頻譜感知的基本模型 論文的主要研究內(nèi)容和章節(jié)安排 本文主要研究的是認知無線電中的協(xié)作頻譜感知技術，將現(xiàn)有國內(nèi)外的頻譜感知技術進行分析討論 ,指出其不足之處，重點研究了能量檢測以及協(xié)作頻譜感知中的各種算法，以及這些算法在各種信道下的性能；在此基礎上提出了一種基理工大學本科畢業(yè)設計 5 于雙門限方法以及分組協(xié)作頻譜感知方法的混合型協(xié)作頻譜感知算法，并進行了對主用戶檢測性能的仿真對比。最后 ,結(jié)合實際情況提出基于硬件平臺的協(xié)作感知仿真方案以及方案中的時隙信道劃分方案。 全文章節(jié)安排如 下： 第 1 章：緒論部分。闡述認知無線電研究的背景和意義，簡要介紹認知無線電的主要關鍵技術和國內(nèi)外對于認知無線電以及頻譜感知的研究現(xiàn)狀，最后給出了論文的主要研究內(nèi)容和章節(jié)安排。 第 2 章：介紹頻譜檢測技術?？偨Y(jié)現(xiàn)有的頻譜檢測技術，具體介紹了本地頻譜檢測方法﹑協(xié)作頻譜感知方法，以及針對寬帶頻譜的快速檢測的壓縮感知方法，并進行了討論。 第 3 章：對協(xié)作頻譜感知技術中的融合算法﹑雙門限法﹑分組協(xié)作頻譜感知技術進行重點闡述，在此基礎上 ,提出了一種混合型協(xié)作頻譜感知算法，并進行了算法仿真和對比。 第 4 章：結(jié)束語，總結(jié)全文 內(nèi)容，并提出下一步的研究方向。 理工大學本科畢業(yè)設計 6 第 2 章 頻譜感知技術 頻譜感知技術作為認知無線電中的重要技術 ， 是認知無線電應用的基礎。由于主用戶沒有義務改變其結(jié)構(gòu)與次用戶共享頻段 ， 認知無線電中的次用戶只能獨立地通過可靠的連續(xù)的頻譜感知對主用戶所在的頻段進行檢測?，F(xiàn)有的頻譜感知技術主要包括發(fā)射機檢測 (也稱為單節(jié)點頻譜感知或本地檢測 )、 協(xié)作頻譜感測以及接收機檢測 ， 如圖 21 所示 ： 頻 譜 感 知 技 術發(fā) 射 機 檢 測協(xié) 作 頻 譜 檢 測接 收 機 檢 測能 量 檢 測匹 配 濾 波器 方 法循 環(huán) 平 穩(wěn)檢 測本 振 泄 漏 檢 測基 于 干 擾 溫 度的 檢 測 圖 21 頻譜檢測技術 本地檢測技術 本地檢測模型 認知無線電應該要區(qū)分主用戶正在使用以及不在使用的頻段 ， 因此 ， 認知無線電應該具有判斷在一定頻段上主用戶是否出現(xiàn)的能力 。 發(fā)送機檢測方法具體是次用戶通過本地觀測對主用戶信號進行檢測 ,也稱為本地檢測 。 具體方法是單個次用戶通過對某一頻段上的信號進行檢測 ,判斷主用戶信號是否存在 。 在本地檢測中 ,假設接收機接收到的信號為 ： )()()( nwnsny ?? （ 21） 其中 , )(ns 是被檢測信號 , )(nw 是信道中的加性高斯白噪聲 (Additive White Gaussian Noise， AWGN)樣值 ， n 是取樣下標 。 當 0)( ?ns 時表示沒有主用戶 。因此本地檢測的基本假設模型是 [29]： ??? ??? )()()(: )()(:10 nwnsnyH nwnyH （ 22） 其中 , 0H 表示信道中不存在主用戶、頻譜未被占用的假設； 1H 表示信道中主用戶出現(xiàn)，此時次用戶必須從占用的頻段中退避，避免對主用戶造成干擾。 考慮頻譜檢測的性能時，一般由檢測概率 dP 及虛警概率弓來描述。 dP 表示在某一頻段，當主用戶真實存在時，檢測到 它存在的概率，因此，檢測概率越大越好 。表示當主用戶不存在、次用戶卻誤認為檢測到主用戶出現(xiàn)在頻段上的概率，虛警概率越小越好，這樣就可以避免未充分使用傳輸機會的情況。 理工大學本科畢業(yè)設計 7 能量檢測 能量檢測方法是 于 1967 年在文獻 [30]中提出，因為其低計算量以及低計算復雜度，成為最常見的頻譜檢測方法；由于不需要主用戶信號的先驗知識，與其他方法相比，它更具有普遍性，適用范圍廣。 能量檢測的實現(xiàn)方式是將接收到的能量與一個預設門限值進行比較后作出最后的判決，原理如圖 22 所示。圖中，將實際接收到的信號通過 帶通濾波器(bandpass filter, BPF)，得到的是濾除帶外干擾后的信號，這樣就只考慮主用戶頻段中的能量，不需要考慮帶外信號。通過平方求和得到能量值，定義能量檢測的檢測量，將此檢測量與設定好的門限進行比較，最終判決主用戶信號存在與否。 B P F 門 限2(.) ??Nn 0判 決????? 10HH 圖 22 能量檢測實現(xiàn)框圖 由上面的分析可知能量檢測的檢測量 Y 為 : ???Nn nyY 02)( （ 23） 其中 N 是觀測到的信號的維數(shù)，也就是信號采樣點的個數(shù) 。 能量檢測方法的檢測概率 dP 及虛警概率fP為 : )(r)Pr(01HY HYPfd ????? ?? （ 24） 其中 ? 是能量檢測算法的判決門限。 假 設 噪 聲 服 從 均 值 為 0 ， 方 差 為 2w? 的高斯 (Gaussian) 分 布 ， 即),0(~)( 2wNnw ?，由 Urkowitz 的可知 Y 符合自由度為 u2 的 2? 分布，即 ?????122022 ),2(,~ HHuu ??? （ 25） 其中 TWu? ,T :觀測時間間隔 ,W :單邊帶寬 ,? :信噪比。 結(jié)合（ 24） ~（ 25） ， 由 Digham 的文獻 [31]可以得到在 AWGN 信道下 ,認知無 線電系統(tǒng)的性能 為 : ),2( ??ud QP ? （ 26） )( )2,( uuPf ??? ? （ 27） 其中),( baQ是 Marcum Q 函數(shù)，,(是不完全 gamma 函數(shù)， )(u? 是gamma 函數(shù)。 當次用戶在大范圍區(qū)域內(nèi)游走時，接收到的信號除了經(jīng)過大尺度衰落 (例如理工大學本科畢業(yè)設計 8 陰影衰落 )，必定也經(jīng)過了疊加在其上面的小尺度衰落 (比如多徑衰落 )。這時，信道增益發(fā)生變化，檢測概率 dP 便與瞬時信噪比 ? 有關，即 : ?? ???? dfQPud )(),2( （ 28） 其中 )(?f 是在衰落環(huán)境下信噪比的概率密度函數(shù) (PDF)。 在一般通信環(huán)境中，接收機與發(fā)射機之間的路徑為非視距的，接收機接收到的信號幅度服從瑞利 (Rayleigh)分布，則信噪比 ? 服從如下 (29)指數(shù) PDF 分布 : ),exp(1)(???? ??f 0?? （ 29） 其中， ? 是平均信噪比。由文獻 [30]可得，瑞利信道下系統(tǒng)的平均檢測概率RaydP的表達式為 : ? ??? ??????? ????? 20 202)1(212 ])1(2!1[)1()2(!1un unuR a yd neene ???? ?? ???? （ 210） 瑞利信道下的虛警概率RayfP的表達式和 AWGN 信道下的相同，見 (27)。 雖然能量檢測簡單易行，但是存在一定的局限性，其不足之處在于 : 1)門限不容易選擇； 2)不易將干擾與主用戶信號、噪 聲區(qū)別開來； 3)在低信噪比 (signaltonoise, SNR)情況下的性能不高； 4)不能很好地檢測擴頻信號。 匹配濾波器方法 能量檢測算法的最大優(yōu)勢在于其簡單易行，適用范圍廣，通常應用在不清楚主用戶先驗知識的情況下；而當主用戶的先驗知識已知時，匹配濾波器檢測方法是最優(yōu)的單用戶信號檢測方法，其主要優(yōu)點是在短時間內(nèi)就可以達到一定的錯檢概率和虛警概率，事實上，在低信噪比的環(huán)境下，對于特定的虛警概率，匹配濾波器所需要的采樣數(shù)是以。)/1( SNRO的復雜度增 長的。 所謂匹配濾波器，是指在輸入信噪比一定的條件下，使得輸出信噪比最大的濾波器。匹配濾波器在信號檢測理論中十分重要。對實信號 )(ts 的匹配濾波器，其沖擊響應如式 (211)所示： )()( 0 ttskth ??? （ 211） 從上式可以看出，匹配濾波器的脈沖響應 )(th 就是輸入信號 )(ts 的鏡像乘上系數(shù) k，從而匹配濾波器 可以使輸出端信噪比達到最大，因此在 AWGN 信道中，匹配濾波器法是一種最優(yōu)檢測算法。 匹配濾波器方法的不足之處在于，需要預先知道發(fā)送信號的結(jié)構(gòu)，解調(diào)出收