协作频谱感知中融合准则方法研究开题报告

毕业设计（论文）开题报告课题名称协作频谱感知中融合准则方法研究学生姓名学号专业班级通信工程一、选题的目的意义随着现在无线通信技术的发展，频谱资源越来越紧张，究其原因，不是频谱少，而是利用率比较低，所以需要在频谱利用上能有更进一步的突破，频谱感知是认知无线电系统的关键技术，并且协作频谱感知可以能够提高频谱的感知的准确性.协作频谱感知综合利用从多个分布式用户收集来的感知数据，有效地提高了检测的可靠性，而利用多个认知用户的感知信息进行融合是其关键技术，所以研究协作感知融合准则是很有必要的。

二，国内外研究综述首先从认知无线电总的情况来看，美国联邦通信委员会的大量研究表明一些非授权频段如工业、科学和医用频段以及适于陆地移动通信的2 GHz左右授权频段过于拥挤，而有些授权频段却经常空闲[1],于是人们想到，如果系统能自动感知所处的频谱环境，通过智能的学习来实时调整适应谰制、编码、信道协议和带宽等传输参数．或者再利用原有指定频段之外的空闲频段，实现多维空间E频谱的接入，这样无疑能极大提高频谱利用率。

于是一种革命性的智能频谱共享技术— —认知无线电(cR)[2]，有了最初的设想.l999年Mitola提出了认知无线电的概念，他认为认知无线电可以使SDR从预置程序的盲目执行者转变成为无线电领域的智能代理．且SDR是认知无线电实现的理想平台[3]。

然而，2004年Rieser指出认知无线电不一定必须有SDR的支撑[4]，他提出基于遗传算法的生物启发认知模型更适于可快速部署的灾难通信系统.相比之下，FCC提出的认知无线电功能则是以上两种认识的一个简化版本[5]。

它建议任意无线电只要能够具有自适应频谱感知功能就可称为是“认知无线电”。

认知无线电技术的实现需要频谱管理政策的支持。

近几年一些频谱政策管制部门，如美国联邦通信委员会(FCC)、英国通信办公室(Ofcom)对该技术给予了积极的支持。

2002年12月，FCC指出非授权设备应具备能够识别未占用频段的能力；2003年11月，FCC提出新的量化和管理干扰的指标值——干扰温度的概念，以扩展在移动和卫星频段的非授权操作；同年12月FCC成立了认知无线电工作组，明确表示支持认知无线电技术并修正了美国的《电波法》；2004年5月FCC建议非授权无线电可在Tv广播频段内操作。

与此同时Ofcom也将认知无线电引入其近期的频谱框架概述报告书中。

一些国际标准化组织也开始着手制定相关标准以推动认知无线电技术的发展。

IEEE 802．22工作组已将认知无线电技术确立为WRAN的核心技术[6]，目标是将分配给电视广播的VHF／UHF频带的空闲频道有效利用作为宽带访问线路.目前，国外大学和一些科研机构也开始投入到认知无线电技术的研究当中。

具有代表性的是由美国国防高级研究计划署(DARPA)资助的下一代无线通信(XG)项目，主要研究系统方法和关键技术，以实现基于认知无线电技术的动态频谱应用；维吉尼亚无线通信技术中心主要关注基于遗传算法的认知模型的研究及认知无线电节点引擎实验床的研发；英国的移动电信技术虚拟中心开始转向认知无线电的研究中，其多模终端研究小组与布里斯托尔大学通信系统研究中心开始联手进行自适应射频技术的研究；欧洲通信协会资助的DRIVE、OverDRiVE和TRUST项目主要关注在混合的多无线电网络中频谱的动态分配和流量控制，该协会同时资助的端到端重配置网络研究(E R)项目主要研究如何通过端到端重配置网络和软件无线电技术将未来不同类型的无线网络融合起来，对基于认知无线电应用的市场模型、认知无线电网络的定价策略和计费策略也进行了初步研究；此外，美国加州大学伯克利分校、荷兰的代尔夫特大学、德国柏林技术学院等也有关于认知无线电方面的研究。

近几年，国内研究机构也开始关注和跟踪该技术，包括电子科技大学、清华大学、香港科技大学及西安交通大学等。

国家863计划基金在2005年首次支持了认知无线电关键技术的研究。

目前的研究课题主要集中于认知无线电系统中的合作及跨层设计技术、空间信号检测和分析及QoS保证机制等。

在频谱政策、标准化组织及国内外研究机构的推动下，认知无线电技术的研究取得初步进展。

具体来说，从结构设计上，早在2004年美国加州大学伯克立分校的Brodersen教授领导的研究组就提出了基于认知无线电方式使用虚拟非授权频谱的CORVUS体系结构[7]，相当于集中式与分布式的结合，还有德国Karlsruhe大学的Fiedrich Jondral等人开展了频谱池相关技术的研究，他们提出了基于正交频分复用(OFDM)的集中式网络结构，日本的Takeo Fujii和Yasuo Suzuki提出了一种基于Ad hoc的分布式网络结构[8].还有，频谱管理领域存在着一些开放性的研究课题。

如完整的频谱分析模型设计：CR网络中使用SNR(信噪比)进行的频谱容量估计在描述频带特征方面是不充分的，同时应用也需求不同的QoS保证，因此基于应用和频谱自适应的频谱决策模型仍然是一个开放性的问题[9].目前频谱共享技术解决方案主要从以下几个方面进行分类：结构、频谱分配行为、频谱接人技术。

基于结构的频谱共享技术。

基于结构的频谱共享技术可分为集中式频谱共享和分布式频谱共享。

集中式频谱共享：集中单元控制频谱分配和接入过程 [10]。

网络中的每个分布式节点都把自己探测感知的频谱信息汇聚到集中控制单元，由控制单元绘制出频谱分配映射图。

分布式频谱共享：主要用于在不能构建集中式[11]。

还有就是，认知无线电通信的一个重要前提是频谱感知。

由于授权用户网络没有义务改变它的结构来与认知无线电网络共享频谱，因此，认知无线电只能独立地、可靠地、通过连续的频谱感知对授权用户进行检测。

频谱感知技术研究到现在，总的来讲，其实现方法可以分为授权用户接收机感知、授权用户发射机感知以及基于干扰温度的感知三大类。

研究者普遍对授权用户发射机感知进行研究。

基于发射机感知的算法主要分为单节点频谱感知与合作式频谱感知。

在单节点感知方面，主要有三类经典的感知方法，分别是能量感知、匹配滤波感知、周期特性感知。

已有许多学者在经典方法的基础上对提高感知有效性做了深入研究。

文献[12]针对能量感知中门限值选取的问题提出了基于双门限的能量感知方法，通过理论分析及仿真研究表明这种方法提高了感知功能的有效性。

文献[13]基于经典的能量感知方法探讨了在噪声不确定条件下对信噪比门限和对检测性能的影响，仿真结果表明能量感知方法是一种有效的感知方法。

文献[14]讨论了利用多分辨率频谱分析的感知原理和实现方法，提出了实现频谱空洞感知的动态门限选取方法，并对频谱分析参数对感知方法的影响做了详细仿真分析，该方法能满足宽频带内高效的感知要求。

一种基于非参数的循环相关感知方法在文献[15]中被提出，它基于复杂的符号函数建立了虚假设条件下感知方法的渐近分布。

该方法与传统的周期平稳感知方法相比具有更好的鲁棒性，特别是在噪声统计量为非高斯或是完全不知的情况下。

针对多径信道下未知信号的能量感知问题，文献[16]展开了讨论，作者通过充分利用平方律结合与平方律选择方法的差异性使得这种情况下的检测能力得到大大提高。

文献[17]研究了利用OFDM符号保护间隔的感知策略。

单节点感知有算法实现简单，方便的优点，但它始终不能应对无线环境中多径、阴影等因素带来的检测概率不高的问题，因此合作式频谱感知成为目前研究的一个热点，它的兴起并不是对单用户感知的淘汰，而是有效的融合多个认知设备进行单用户感知所得到的信息，依靠合作的力量，提高整体的感知准确度。

因此，无论是单用户感知还是合作式感知，对认知无线电的实现都显得尤为有意义。

文献[18．19]提出了或”、“与"和“K秩”等融合算法，在算法中，参与合作的各节点将自身的判决结果，即主用户存在与否(通常用“O”、“1”来表示)，发送到融合中心(又称“中心节点")，融合中心采用各自的规则对这些判决结果合并得出最终判决。

这类算法称为硬合并算法，它实现简单，传输开销小，性能一般。

在软合并算法中，本地节点直接把检测数据或其他有用信息一起传送到中心节点，中心节点用相应的算法融合这些信息。

由于融合中心得到的信息量大，则具有较好的性能，但大量信息又会消耗大量传输带宽，这是需要避免的，“一些文献对此做了深入研究提出了相应的感知方法。

基于硬合并算法，文献[20]通过仿真分析发现最优的融合准则是K／2准则，另外作者通过分析给出了能量感知算法中最优门限值的数学表达形式，以及分析了合作式感知中参与合作的最优本地节点数。

文献[21．22]从不同的角度对合作式感知做了研究，最后都得出结论是合作式感知方法能有效增强感知的有效性。

其中文献[21]在无线衰落环境下对合作式感知做了分析及仿真研究，表明合作的方式能有效的抵制无线环境中的各种不利因素。

文献[22]通过建模分析合作式感知的检测时间和总体灵敏度指出合作式感知与非合作式相比灵敏度得到提高，同时检测时间减少多大35％。

文献[23]提出了宽带频谱感知方法，该方法通过同时感知多个频段，将感知模型转化为一系列优化问题，通过求最优解来提高频谱的利用率并减少对主用户的干扰。

一种理想的合作式感知策略在文献[24]中提出，文章通过线性组合参与合作的单个认知用户的地方统计量来构造总统计量，并提出两种优化策略优化组合系数，也即是组合权重，达到提高合作感知增益的目的。

文献[25．26]考虑到每个参与合作的认知设备的SNR值不同，为了更好的融合它们的信息提高感知有效性及可靠性，通过引入权重，或挑选参与合作的本地节点的方式对融合算法作出了相应的改进。

三、毕业设计（论文）所用的方法1.通过上网和在图书馆翻阅书籍查询相关资料2.首先，构造系统的模型，分析各个重要参数的之间的关系，例如虚警概率与感知时间，或是吞吐量与感知时间的关系，然后利用MATAB 软件对与，或，K秩准则进行仿真，分析比较其性能。

3.论文形式集总四、主要参考文献与资料获得情况[1]P Kolodzy Spectrum Policy Task Force：Findings and Recommendations．International Symposium on Advanced Radio Technologies 0SART)，March2003[2]J．Mitola,Q．Gerald．JR Maguire．Cognitive Radios：Making SoftwareRadios more persona1．IEEE Personal Communications，Augcst 1999：6(4)[3]J．Mitola．Cogn itive radio：An integrated agent architecture for software defined radio：【Ph Dissertation]．Royal Inst Technol (KTn)，Stockholm，Sweden．2O0o[4] C．J．Rieser．Biologically Inspired Cognitive Radio Engine Model UtilizingDistributed Genetic Algorithms for Secure and Robust WirelessCommunications and Networking：[Ph．Dissertation]．Virginia Tech，Blacksburg，VA．Augest 2004[5] FCC—03—322．Facilitating Opportunities for Flexible．Eficient．and Reliable Spectrum Use Employing Cognitive Radio Technologies[ [6] IEEE 802．22 Document．22一O5—0007一xx一0000一RAN—Requirements[7] CHAKRAVARTHY V，NUNEZ A S，STEPHENS J P，eta1．TDCS，OFDM，and MC—CDMA：a brieftutorial[J]．IEEE Connnunieations Magazine，2005，43(9)：1 I一16．[8] URKOWITZ H．Energy detection of unknown deterministic signals[J]．Proceedings ofthe IEEE，1967，55(4)：523-531．[9]AKYILDIZ I E，WON—YEOL LEE，VURAN M C，et a1．Asurvey on spectrum management in cognitive radio networks[J]．Communications Magazine，2008(04)：40-48．[10]SANKARANARAYANAN S，PAPADIMITRATOS P，MISHRE A，et a1．A bandwidth sharing approach to improve licensed spectrum utilization[J]．In Proc．IEEE DYS—PAN，2005：179—288．[11] ZHAO J，ZHENG H，YANG G H．Distributed coordination in dynamic spectrum allocation networks[J]．InProe．IEEE DYSPAN，2005：259—268．[12] Jiang Zhu,Zhengguang Xu，et a1．Double threshold energy detection of cooperativespectrum sensing in cognitive radio．3rd International conference on CrownCom2008．May2008：1-5[13] 殷振华，耿志．基于能量检测的频谱感知方法的介绍．通信技术．2007：11(40)：83-85．[14] 徐世宇，赵知劲，尚俊娜．利用多分辨率频谱分析的频谱感知方法．杭州电子科技大学学报．2008： 3(28)：23-26．[15] J．Lunden,S．A．Kassam，V Koivunen．Nonparametric cyclic correlation based detection for cognitive radio systems．3rd International conference on CrownCom2008．May 2008：1[16] F F．Digham，M．一S．Alouini，M．K．Simon．On the energy detection of urlknow signalsover fading channels．IEEE transactions on communications，January 2007，55(1)：21--24．[17] N Khambekar,L Dong and VChaudhary．Utilizing OFDM guard interval for spectrumsensing．in Proc．IEEE Wireless Communications and Networking Conference，Mar．2007：38．42[18] R．Tandra．Fundamental limit on detection in low SNR．Master’S thesis．University of Califomia,Berkeley,2005．[19] D．Cabric，S．M．Mishra and R．W．Brodersen．Implementation issues in spectrum sensingfor cognitive radios．in Asilomar Conference on Signals，Systems，and Computers，2004：772．776．[20] Wei Zhang，R．K Mallik，K Ben Letaief．Cooperative spectrum Ssensing optimization incognitive radio networks．IEEE ICC’08．May 2008：34 1 l一34 1 5．[21] A Ghasemi，E．S．Sousa．Collaborative spectrum sensing for opportunistic access infading environments．IEEE DySPAN 2005．Nov．2005：1 3 1—1 36．[22] G Ganesan，Ye Li．Agility improvement through cooperative diversity in cognitive radio．IEEE GLOBECOM’05．Dec．2005：2509-2514．[23] Zm Quan，Shuguang Cui，A．H Sayed，H．V Poor Wideband Spectrum Sensing inCognitive Radio Networks．IEEE ICC’08，May 2008：901～906．[24] Z．Quan，S．Cui and A．H．Sayed．An optimal strategy for cooperative spectrum sensing incognitive radio networks．in Proc．IEEE Globecom’07，Nov．2007：2947-295 1，[25] Jookwan Lee，Youngmin Kim，Sunghwan Sohn，Jaemoung Kim．Weighted—cooperativespectrum sensing scheme using clustering in cognitive radio systems．ICACT 2008．Vol 1．Feb．2008：786-790．[26] Yi Zheng，Xianzhong Xie，Lili Yang．Cooperative spectrum sensing based on SNRcomparison in fusion center for cognitive radio．ICACC’09．Jan．2009：212·216五、指导教师审批意见同学的毕业论文主要研究协作频谱感知中融合准则方法对感知性能的影响，选题结合了导师的在研项目，通过广泛地查阅文献，在课题组研究生的指导下，该同学对研究领域的国内外现状有较为全面地了解，在此基础上明确了课题的研究方法和研究内容，研究方法可行、实验条件具备，同意开题。