认知无线电中合作频谱感知方法的研究毕业论文

认知无线电中合作频谱感知方法的研究毕业论文第一章绪论第一节认知无线电的研究意义和背景信息时代的到来，使得无线频谱在现代社会成为不可或缺的的珍贵资源。

无线频谱目前处于主要由国家统一分配授权使用状态。

且一般一个频段只供一个独立的无线通信系统使用。

这一种静态无线频谱的管理方式，简单有效，避免了许多不同无线通信系统之间的相互干扰。

可是这些已经被分配的授权频段和非授权频段中存在频谱资源的利用不平衡。

第一，在整个频谱资源中，授权频谱就占用了很大的一部分，使得很多频段处于空闲的状态；第二，整个频谱资源中，可开放使用的非授权频段只占用很小的一部分，可在频段上的用户却很多，业务量大，这些无线电频谱段，已基本趋于饱和状态。

因此在信息网络和无线移动通信高速发展的现在，频谱资源的匮乏问题就越来越严重。

所以，找寻更佳有效的频谱的管理方式，来充分利用不同时间，不同地域的空闲频谱，用来解决日益增长的频谱需求间的矛盾，成为现在人们不断重视的问题。

为解决以上问题人们现在的基本思路就是尽可能的的不断提高现有的已分配频谱的利用率。

【2】所以，人们提出了认知无线电这一概念。

认知无线电的基本理念是：具备认知能力的无线通信的设备，可依照“伺机（Opportunistic Way）”方式以接入授权的频段，且动态使用这频谱。

这种出现在频域、时域和空域未利用的频谱资源被称作“频谱空穴”。

认知无线电（CR , Cognitive Radio）这一技术的出现发展给解决无线资源频谱的贫乏提供了一条新的路径。

【3】CR是让允许认知用户自己适应感知授权频段的频谱空穴，机会式利用在时间和空间上的频谱空穴来进行信号的传输，来提高频谱的利用率。

CR的核心概念是让无线通信设备具备发现存在的“频谱空穴”且能够合理有效的利用频谱空穴的能力。

CR可以使无线通信系统设备不经过授权，即可使用在通信上传输性能更好，频带宽的频段。

这能够平衡通信系统的成本以及性能。

且带宽的无线通信系统能够具备更大动态围的业务传输特性，这正有利于在宽频段的动态围机会式传输。

由此可得，不断引入认知的机制，不仅可以更佳有效的去提升将来无线通信系统频谱的利用率这一问题，更加可以解决无线频谱在技术和各种应用上的迫切需求。

第二节认知无线电的概念在认知无线电不断发展的历程里，人们对于认知无线电的具体定义以及它所具备的功能的认知存在不同观点。

这当中最具有代表性的是以 Mitola 为首的，代表瑞典皇家科学院以及美国联邦通信委员会（FCC）所持的观点；其他的观点还有以 Rieser 为首的维吉利亚技术中心和英国伯明翰大学 Simon Haykin 等人他们所认为的观点。

CR这一概念最开始是由Joseph Mitola他提出的[2]，Mitola认为用软件来定义无线电（SDR, Software Defined Radio）是实现认知无线电的最理想的平台。

此后，认知无线电让让软件定义无线电从盲目执行预置的程序，变换为智能去代理无线电领域。

CR是指无线电其的工作状态，他能用无线电知识描述语言（RKRL, Radio Knowledge Representation Language），【4】通过基于用户本身需求的自动推理和网络系统智能交流。

所以其核心是具备学习的能力，且能够和四周环境来交换信息，能够感知及利用在这个空间上的可用频谱，它能够降低甚至限制冲突的发生。

所以它的认知功能实现主要是在应用层或者更高层。

FCC 他们提出的认知无线电则是相对简化的一个版本，它只建议只要是可以具备自适应感知能力的某种任何无线电都能够叫做认知无线电。

他们提出去采取认知无线电技术以实现开放频谱系统，就是让合法的授权用户具备优先权，那些具备认知功能的非授权用户则可以在不影响授权用户的前提下机会式接入。

另一位科学家Rieser[3] 则认为Mitola 他所提出的那基于人工智能的认知系统，会受限于硬件或平台自身的计算能力，并且它不能适应快速变化的网络。

所以他们指出认知无线电不一定非需要软件定义无线电来支撑，他们根据基于遗传算法的生物启示认知模型来对传统无线电的系统物理层和介质接入控制层（MAC）去进行建模，发现它更适用可在快速部署的灾后应急通信系统。

一位教授Simon Haykin [4] 结合Mitola 和FCC他们对认知无线电的观点，终于在 2005 年里又一次重新定义了认知无线电的概念。

他的观点表示，认知无线电是个智能的无线通信系统，不但可以感知四周的环境，而且能够利用智能技术在周围环境里学习，再通过及时的改变系统操作参数（如传输的功率、调制技术以及载波的频率），来使部能够适应无线信号变化，它能够在任一时间、任一地点高度可靠的去通信，有效的利用频谱。

第三节认知无线电技术的国外发展现状认知无线电这一技术的实现离不开频谱管理政策的支持。

这些几年很多频谱政策管制部门，像美国联邦通信委员会（FCC）就对认知无线电技术给予了大量支持[1]。

在2002 年12 月，FCC他们提出非授权频段用户如果想在授权频段使用，应具有识别未占用频段的能力；继而在2003 年 11 月，FCC则提出了一个新的干扰指标值用于量化和管理——干扰温度这一概念，用来扩展人们在移动通信和卫星网络频段的非授权操作；同年 12 月，FCC就发布了《使用认知无线电技术促进频谱利用的通知》，这个相当于对美国电波法的《FCC规则第 15 章》进行了修正，且专门成立了认知无线电正式工作组。

FCC的观点是，在当前最适合认知无线电技术的是UHF中分配给电视广播业务应用的 6MHz频段。

因为这个频段在美国利用率的低，它在通过允许不同免许可设备来使用这个频段，不但提高频率的利用率，还推广了宽带无线接入业务。

在不同频谱管制部门的管理下，更多的国际标准化组织开始制定系列标准来推动认知无线电的发展[1]。

IEEE就在2004年11月成立IEEE802.22正式工作组，这个工作组是全球第一个基于认知无线电技术的全球空中接口标准化正式组织；因此IEEE802.22 也被称作无线区域网络（WRAN, Wireless Regional Area Network）。

它的系统工作的频段是54MHz~862MHzVHF/UHF上未使用的TV信道，它的工作模式是点到多点。

它的目的旨在以无干扰的方式去使用已分配给电视广播业务的那些频段。

它通过研究基于认知无线电的物理层、空中接口和介质访问控制（MAC）层，在将分配给电视广播业务的VHF/UHF频带（北美为 54MHz~862 MHz）的频率作为来宽带接入频段。

这几年来，不少国研究机构都开始关注和开发认知无线电技术。

比如国家 863 计划就在 2005年首次支持了认知无线电技术的研究。

在 2008 年的 868 重大课题研究中，我国就对认知无线电的研究工作提供了三个项目的明确研究，且这当中每个项目的经费为 800 万元。

我国不少认知无线电技术的研究在频谱政策管制部门、标准化组织及国研究机构的共同努力下，取得了一定的进展。

在现在，国外一些大学和许多科研机构都正投入到认知无线电技术的研究中[1]。

这当中最具有代表性的是在美国国防高级研究计划署资助下一代通信（XG）这一项目，这一项目主要是在研究认知无线电系统的方法及关键技术。

它能够在认知无线电技术的基础上实现动态频谱的应用；此外，维吉尼亚无线通信技术中心则主要是注重基于遗传算法的认知模型它的研究和在认知无线电节点引擎实验床上的研究；英国移动电信技术虚拟中心早就开始转向认知无线电的研究当中了，他们的多模终端研究小组和布里斯托尔大学通信系统研究中心有一起合作进行了自适应射频技术的探究；不少大学，比如荷兰的代尔夫特大学、德国柏林技术学院、美国加州大学伯克利分校等都有进行认知无线电这一方面的研究。

第四节认知无线电的关键技术认知无线电技术它是可以通过人工智能的支持，来感知无线通信周围的环境，并基于某种学习和决策的算法，以达到他自身实时自适应的去改变系统工作设备的操作参数，并且它能够动态的检测以及有效的利用那些空闲频谱。

我们下面会对认知无线电的关键技术来作简要介绍。

一、频谱感知技术频谱感知[5] 的主要目的是旨在去发现在时域、频域以及空域上的频谱空穴，再让认知用户以机会方式有效方便的利用这些频谱。

认知用户的概念是指的那些未经授权就使用了只有授权了用户才能使用频谱的用户，它的主用户是那些获得授权使用频谱的用户。

这当中为了不对主用户有干扰，认知用户需要在利用频谱空穴进行通信的过程中，可以快速感知主用户的再次出现，以便能及时进行频谱切换，好腾出信道让给主用户使用，也可以继续使用之前的频段，但它就需要进过调整传输功率或者改变调制的方式来避免对主用户造成干扰。

这个则需要认知无线电系统它能够具备频谱检测功能，可以连续侦听频谱，能提升检测的可靠性。

频谱感知它主要是一个物理层技术问题，它是频谱共享、频谱管理和频谱移动性管理的基础。

总体而言，现在的认知无线电频谱检测技术可以分为这几大类：基于发射机的检测、合作检测以及基于接收机的检测，如图1-1 所示[6] 。

不过在现实生活中的的感知算法里，一般为了提高其检测性能，往往各种方法都会有所融合。

图1.1 频谱感知技术分类 其中发射机检测[7] 又叫作非合作检测，它主要是指匹配滤波器检测、能量检测和循环平稳过程特征检测这三种检测方法。

匹配滤波器检测的因为结构很简单，能够达到较高的检测概率，但是它需要它的授权用户信号为确知信号，所以匹配滤波器检测还是有很大的局限性；能量检测它的实现相对比较简单，因为它需测量的只是在某一频域或某一时域上某一段观测空间接收信号的总能量，以此来判决是否有授权用户的出现。

能量检测是现在应用较广的一种频谱检测的方法，但是它不适合在低信噪比情况下；循环平稳过程特性检测则可以提取到调制信号他的特有特征值，像调制类型、符号速率以及正弦载波等特征值。

以上特性均可以经过分析频谱的相关性函数来检测他们，循环平稳过程特性检测能够从调制信号功率中区别出噪声能量。

这种检测方法不但能够在低信噪比条件下也具备相当良好的检测性能，并且它拥有信号识别功能，但是运算复杂度高。

根据现有的的仿真和分析，发现采用合作检测可提高检测概率。

比如合作侦听就是准许多个认知用户之间来相互交换侦听到的信息，有效的提高频谱的检测能力。

合作检测一般可以分为集中式和分布式两种进行方式。

集中式指的是系统的各个感知节点将本地的感知结果送到基站或者在接入点就一同进行数据融合，做出判决；分布式指的则是先在多个节点间相互交换感知的信息，再各个节点独立判决。

基于发射机的检测有基于干扰温度感知的检测和本振泄露检测这两种。

二、频谱分配技术认知无线电是用动态频谱分配（DSA, Dynamic Spectrum Allocation ）的方案[8]。