认知无线电中的物理层频谱检测改进算法研究

认知无线电中的物理层频谱检测改进算法研究

刘子琦

北京邮电大学 通信网络综合技术研究所，北京 (100876)

E-mail: liuziqi2006@

摘 要：频谱检测是认知无线电网络(CRN)的关键技术之一，本文对认知无线电网络中物理层频谱检测的算法进行了研究。首先阐述了经典检测算法的应用场景、检测性能和设备实现复杂度，针对经典算法中的问题和不足，并提出一系列其改进型算法，最后指出可能的研究方向。

关键词：认知无线电网络；频谱空穴；频谱检测；物理层检测

中图分类号：TN911.23

1. 引言

随着无线通信技术的飞速发展，可用频谱资源匮乏的问题日益突显，然而在静态频谱分

配政策下的授权频段并没有得到充分利用。认知无线电技术的提出有望解决这一矛盾。在认知无线电技术中，首先需要解决的就是对授权用户进行快速、准确的频谱检测[1]。

在认知无线电网络中，频谱检测的本质是由认知用户来判断某信道中是否存在授权用

户，从而找到可以利用的频谱空穴。同时，认知用户需要通过频谱检测判断授权用户的再次出现，并进行避让，以避免或降低对授权用户的干扰。

2. 频谱检测模型

频谱检测的目的在于发现频谱空穴。为确保不对授权用户造成有害干扰，CR 用户在利

用频谱空穴前首先要检测在其发射辐射范围内没有授权用户正在利用该频谱通信。认知用户通过检测来自授权用户发射机的微弱信号来进行判断认知用户通信范围内是否存在授权用户，进而确定频谱空穴[2]。认知网络需要检测到信噪比很低的授权用户信号才能够保证不干扰授权用户的正常通信，一般要求比授权用户能够正常解码的信噪比低20～30dB [3]。

在加性高斯白噪声（AWGN,Additive White Gauss Noise)信道下，认知用户需要根据接

收到的信号判断授权用户是否存在。发射机频谱检测模型可用二元假设检验模型[4]表示为：

01:[][]1,...,:[][][]1,...,H y k w k k K

H y k x k w k k K = = =+ = (1)

其中0H ，1H 分别表示在特定信道（这里的信道是指广义信道，可代表时隙、频率、码字等）授权用户信号不存在和存在的两种假设，[]y k 表示认知用户接收到的信号序列，[]x k 表示授权用户发送信号序列，()w k 为高斯白噪声，()w k Νσ2 (0,) ，k 为抽样序列索引，K 为抽样点数。采用数理统计的方法，根据不同的检测算法由[]y k 构造相应检测统计量T ，依据判决规则：

10H H T λ >

< (2)

得相应的检测结果，其中λ为判决门限。检测性能一般由检测概率，虚警概率（d P ，f P ）来衡量：检测概率11(/)d P P H H =和虚警概率10(/)f P P H H =。如果d P 过低会增加对授权用户的干扰；f P 过高会导致认知用户的损失一些接入机会，频谱利用率下降。通常用接收机

操作特性曲线ROC(Receiver Operation Characteristic)来表示d P 与f P 的关系。在认知网络中，

考虑到CR 用户的机会接入要保证对授权用户不造成有害干扰，性能指标d P 比f P 显得更为

重要。在IEEE802.22草案中要求：0.1,0.9f d P P ≤≥[5]。

3. 频谱检测算法

认知无线电中物理层频谱检测算法通过检测来自授权用户发射机的微弱信号来判断认

知用户通信范围内是否存在授权用户，进而确定频谱空穴（即已分配给授权用户，但未被其占用的空闲频段）。它与信号解调的不同在于不需要复原信号波形，只需判断授权用户信号的有无。目前的物理层频谱检测检测算法主要包括匹配滤波器检测算法、能量检测算法、循环平稳特征检测算法三种经典检测算法

3.1 匹配滤波器检测

匹配滤波器检测作为最优的信号检测算法，通过相关处理，可以最大化接收信号的信噪

比，利用较少的检测时间获得较大的处理增益。匹配滤波器的实现主要通过对授权信号进行解调或者导频检测实现，前者实现要求认知用户知道授权用户的物理层和MAC 层的先验信息，如：调制方式，冲击波形和包格式，而且需要时间和载波同步，信道均衡对授权信号进行解调，以获取相关增益。实现复杂而且灵活性差；后者实现相对简单，大部分无线通信系统都有导频，前导码，时间同步信号和扩频码等确知信号，这使得匹配滤波器检测大大简化。

[6]

匹配滤波器的检验统计量为：

101

0()[][]H K k H T Y Y k X k λ−=>=<∑ (3)

若在AWGN 信道下，Y(n)为为高斯随机变量，由大数定律，检测统计量亦可近似为高

斯变量，若设λ为判决门限，则d P ，f P 可表示为：

d P Q =

(4) f P Q = (5)

在信噪比远小于1时，满足特定Pd 和Pf 检测所需要的抽样点数的为O （1/SNR ）。匹

配滤波器优点在于达到相同性能指标情况下，所需要的抽样值最少，也就是所需要的检测时

间最短；缺点在于CR 不仅需要为每类授权用户准备一个专门的接收机，

而且需要精确同步。当检测接收机和授权发射机之间存在频域偏移时判决统计量改写为：

11**00[][]~K K jwn j jwn k k T Y k X k e

A e e ϕ−−−−−===∑∑ (6)

如果检测抽样数目大于或与频率偏移周期2pi/W 相当，判决统计量就会降低相关增益最

终将降为零。因此，导频检测的频率偏移限制了检测时间和可以检测到的信号。为了补偿频率偏移的影响，对信号进行连续的模块处理是趋近于最优的处理。

2

1*10[][]M K n k T Y k X nNc k −==⎡⎤=+⎢⎥⎣⎦∑∑ (7)

其中Nc<<2pi/W 是每一个相关块的抽样点数，M 是检测处理块数。总的抽样点数N 为