工程硕士专题讲座(认知无线电)
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• 基本思想：对接收信号实施双门限能量检测，若统计量大于上门限，
判决为“存在”；若统计量小于下门限，判决为“不存在”，若统
计量Fra Baidu bibliotek于上下门限之间，再进行循环平稳特征检测
• 判决门限Th用期望检测概率回推，引入一个不可靠区范围调整因子k，
上门限为k×Th，下门限为Th/k，k依据实际检测概率自适应步进调整
开放 (Free License)
频谱浪费严重：3GHz以下频段，时间和空间平均利用率低 解决途径之二：认知无线电——提高频谱利用率
认知无线电概念
（Concept of Cognitive Radio）
• 2007年至今，围绕认知无线电的研究如火如荼 学术界：找到了无线通信技术新的发展方向和热点研究内容 监管部门：调整了频谱使用规则，引导其商用（美国、英国、加拿 大、日本、新加坡、韩国等）
• 美国 FCC 认为： CR 是一种通过与通信环境交互获取无线电背景知识， 继而调整传输参数，最终实现无线传输的设备。主体是SDR，但认知
无线电设备不一定必须具有软件或现场可编程能力。FCC 关注认知无
线电如何提高频谱利用率——认知终端
• Rieser 教授认为：CR 采用基于遗传算法的生物启发认知模型对传统无
接 收 功 率
Y轴
频谱空穴
授权 信号
干扰温度门限
原始噪声底限 接收机与发射机间距离
关键技术之二：认知引擎
（Cognitive Engine）
• 认知引擎通过感知模块获得环境信息，基于用户服务需求和频
谱规则指导物理层重构和高层优化，并将优化结果作为学习经
验，指导新业务优化 • 认知引擎实现认知循环中的感知、学习和决策任务 ，支持3种功 能：基于多目标的端到端QoS优化功能、跨层优化功能、基于过 去经验的学习功能
（Definition of CRN）
• 认知无线电网络（cognitive radio network, CRN）：基于认知无线电
技术构建的无线通信网络
• CRN的终端节点和接入点在 PHY、MAC、NWK及应用层都具有：认
知能力+学习能力+重构能力
• CRN能感知网络当前状态，根据端到端目标，利用学习机制实时调
•
通过匹配滤波（最佳接收）使接收信噪比最大，利用发射信
号的先验知识，如调制模式、脉冲形状、时序、数据格式等
生成本地信号，与测量获得的接收信号做相关运算。优点是
响应快，检测概率高，但需要已知每种主用户类型，资源占
用大，实现复杂度高
pd P(Y / H1 ) Qm ( 2 , )
•
循环相关系数
•
循环功率谱
pd P(Y / H1 ) Qm ( 2 , )
循环平稳检测法
（Cyclostationary Detection）
•
•
检测统计量
在循环频率 处，假设检验
右移 / 2
x ( n)
FFT 左移 / 2
1/ N
频域平滑
pd P(Y / H1 ) Qm ( 2 , )
准确选择
• 门限值很大程度上受到未知噪声电平的影响，因此在低信噪比
环境的检测性能较低
pd P(Y / H1 ) Qm ( 2 , )
循环平稳检测法
（Cyclostationary Detection）
• 利用通信信号的二阶循环平稳特性实施频谱感知
•
•
自相关函数为
傅里叶级数展开
异质频谱：授权、开放；时变性；空间差异性
异构网络：网络架构、覆盖范围、支撑业务、实现方式
免授权频段 频谱经纪站 认知用户 授权频段1 主网络 接入 CRN接 入 CR CR基站 基站 其它CRN CR ad hoc 接入 主用户
主用户 主用户 授权频段2
认知用户
主网络
分布式认知网络
集中式认知网络
•
和
是完整和不完整Gamma函数，
是普遍Marcum Q函数
• 在Rayleigh衰落信道环境中，检测概率为：
x(t )
带通滤 波器
()
2
T
Y
0
H1 H0
pd P(Y / H1 ) Qm ( 2 , )
能量检测法
（Energy Detection）
• 能量检测法无需信号的先验信息，实现简单，但判决门限难以
理
• IEEE认为：CR是能感知外部环境的智能无线通信技术，能从环境 中学习，并根据环境变化动态调整内部状态，以适应外部环境的 变化，其认知功能可以采用人工智能或简单控制机制实现——智 能控制
认知无线电定义
（Definition of Cognitive Radio）
• 认知无线电都具有两种功能：认知功能和重构功能 认知功能：认知无线电能与周围环境进行交互，进而选择合适的通 信参数以适应变化的频谱资源和网络环境 重构功能：认知无线电能在不改变系统硬件的前提下重新配置系统 的发射参数，如传输功率、调制方式、传输频段等
主用户接收端检测
能量检测
匹配滤波 器检测
循环平稳 检测
协方差特 征值检测
振荡器功率 泄漏检测
基于干扰 温度检测
pd P(Y / H1 ) Qm ( 2 , )
能量检测法
（Energy Detection）
• 非相干检测，直接对时域信号采样求模、平方、积分获得检测统计量
• 在AWGN信道环境中，检测概率和虚警概率分别为：
Cognitive Engine Reconfigurable Node Orient
Observe Learn Plan
Outside world
Act Decide
VT-CWT认知引擎
（美国弗吉尼亚工学院无线通信中心）
• 无线信道遗传算法模块：实现无线信道和射频环境的数学建模 • 认知系统监控模块：负责检测通信状况，决定系统是否需要重构，并
• 认知无线电是一种智能频谱共享技术，依靠人工智能的支
持，感知无线通信环境，依据学习和决策算法，实时自适
应的改变工作参数（频点、功率、调制、编码），动态检
测和有效利用空闲频谱
理论上允许在时域、频域和空域上进行多维的资源共享
认知无线电定义
（Definition of Cognitive Radio）
认知环模型和认知引擎的关系
（Cognitive Cycle vs Cognitive Engine）
• 认知环模型分为内部循环和外部循环 • 外部循环完成系统重构和自适应功能
• 内部循环实现学习功能，将历史决策结果作为先验信息，得出经验指
导外部循环过程 • 认知引擎实现内部循环，即分析、计划、学习和决策阶段
集中式协同检测：参与协同的各节点完成独立检测后，将检测结果
发送给中心处理节点，由中心节点以某种方式合并，再分析和判决 获得最终结果
pd P(Y / H1 ) Qm ( 2 , )
融合准则
（Fusion Criterion）
• 软融合：各认知节点或部分节点不进行本地判决，而是将检测结果
关键技术之一：频谱感知
（Spectrum Sensing）
• 频谱感知：包括频谱检测、频谱分析和频谱判决，是认知无线电实现 频谱共享、频谱管理的前提
• 感知：周期性检测主用户占用频谱的状态和特点，获得“频谱空穴”
或可用资源，并伺机接入候选可用频谱
• 频谱感知方法
本地检测
频谱感知
协作检测
主用户发射端检测
专题讲座 认知无线电及其关键技术
重庆大学 通信工程学院
冯文江 Email: fengwj@cqu.edu.cn
认知无线电概念
（Concept of Cognitive Radio）
• 背景
随着无线通信业务的快速增长，频谱需求和资源有限之间的矛盾
越来越突出——“频谱危机” 解决途径之一：寻求更高效的传输方式（MIMO、高阶调制、AMC 等）——提高频谱效率 频谱使用政策：授权(固定)、ISM (Industrial Scientific and Medical)
协同检测法
（Cooperative Detection）
• 联合分布于不同空间位置的多个认知节点单独执行本地检测，然后
利用融合处理算法处理，能提高检测性能，避免隐藏终端
分布式协同检测：参与协同的各节点首先进行独立检测，然后将检
测结果广播发送，收到检测结果的节点以某种方式合并，再分析和
判决获得最后结果
若求和结果大于等于K，判定占用，否则，判定空闲
pd P(Y / H1 ) Qm ( 2 , )
干扰温度模型
（Interference Temperature Model）
• 干扰温度用于量化和管理无线环境中的干扰源，干扰温度限规定了 在某频带和特定地理位置满足接收者需求的最差场合的无线传输环 境特征
标准化组织：纷纷制定和发布新的通信标准（802.22、ECMA392、
802.11af、802.16h、802.15.4m）
制造商：找到了新的、巨大的、潜在的商机
运营商：用较少的投入提供通信服务，获得更大的收益
认知无线电定义
（Definition of Cognitive Radio）
整资源配置，利用感知到的网络状态信息形成规划、决策和行动
• CRN是一种能够感知当前网络状态，并据此进行规划、调整和采取
适当行动的网络
认知无线电网络定义
(Network Architecture of CRN)
• 构成认知无线电网络的三要素：网络组件、异质频谱、异构网络 网络组件：主用户网络+认知用户网络
控速率以及信号幅度和相位等 功率谱相同而调制类型不同的通信信号具有不同的循环功率谱，可用 于信号辨识和调制模式识别
pd P(Y / H1 ) Qm ( 2 , )
自适应双门限频谱检测法
（Adaptive Double-threshold Spectrum Sensing）
认知无线电的目标是通过认知功能和重构功能获取通信资源，以提
高频谱利用率
认知无线电基本原理
(Principle of CR)
• 通过分析外部环境提供的激励认识通信任务的内容；通过接收和发 送内容的分析选择解决方式
• 一种目标驱动的框架结构
• 观察-思考-行动：认知环模型（Mitola）
认知无线电网络定义
线电系统的物理层和媒体接入控制层 (PHY+MAC)的演进过程建模—— 认知引擎
认知无线电定义
（Definition of Cognitive Radio）
• Haykin教授认为：CR是一个智能无线通信系统，它能够感知外界
环境，并利用人工智能技术从环境中学习，通过实时改变传输参
数，使其内部状态适应无线通信环境统计特性的变化——信号处
(●)2
ADC
T
Y
0
判断Y的 范围
Y 1 Y 2
H1 H0
判决
x(t )
带通滤 波器
xk
2 Y 1
循环平稳 特征检测 判决
或门 输出 结果
pd P(Y / H1 ) Qm ( 2 , )
匹配滤波器检测
（Matched Filter Detection）
传送至融合中心，由融合中心进行加权求和并与特定门限比较，得
到判决结果。其融合策略有：
等增益合并（EGC）：融合中心为每个检测结果等分配权重，即等权
重求和。此法处理简单，但异常数据会影响判决性能
最大比合并（MRC）：融合中心依据各个检测结果的可靠度分配合并
权重。此法检测性能好，但如何评价可靠度需要另定规则 • 软融合将判决集中至融合中心，检测性能好，但通信开销大
循环平稳检测法
（Cyclostationary Detection）
• 循环功率谱的性质 信号的循环平稳特征离散分布在循环频率轴上，即在循环频率处循环
功率谱会出现谱峰，而噪声信号不具有循环平稳性。通信信号的循环
平稳特性具有优良的抗噪性能
循环功率谱还包含了调制信号的相关信息：载波频率、信号带宽、键
pd P(Y / H1 ) Qm ( 2 , )
融合准则
（Fusion Criterion）
• 硬融合：每个认知节点独立完成本地判决，然后将判决结果发送至融
合中心，融合中心综合各认知节点的判决结果做出最终判决。其融合
策略有“或”、“与”和“K秩”三种。 • “与”融合准则：融合中心对所有本地判决结果执行逻辑“与”运算 后做最终判决，能减小虚警概率，但也降低了检测概率 • “或”融合准则：融合中心对所有本地判决结果执行逻辑“或”运算 后做最终判决，能提高检测概率，但也增大了虚警概率 • “K”秩融合准则：融合中心对本地判决结果求和，并与预设值K比较，
判决为“存在”；若统计量小于下门限，判决为“不存在”，若统
计量Fra Baidu bibliotek于上下门限之间，再进行循环平稳特征检测
• 判决门限Th用期望检测概率回推，引入一个不可靠区范围调整因子k，
上门限为k×Th，下门限为Th/k，k依据实际检测概率自适应步进调整
开放 (Free License)
频谱浪费严重：3GHz以下频段，时间和空间平均利用率低 解决途径之二：认知无线电——提高频谱利用率
认知无线电概念
（Concept of Cognitive Radio）
• 2007年至今，围绕认知无线电的研究如火如荼 学术界：找到了无线通信技术新的发展方向和热点研究内容 监管部门：调整了频谱使用规则，引导其商用（美国、英国、加拿 大、日本、新加坡、韩国等）
• 美国 FCC 认为： CR 是一种通过与通信环境交互获取无线电背景知识， 继而调整传输参数，最终实现无线传输的设备。主体是SDR，但认知
无线电设备不一定必须具有软件或现场可编程能力。FCC 关注认知无
线电如何提高频谱利用率——认知终端
• Rieser 教授认为：CR 采用基于遗传算法的生物启发认知模型对传统无
接 收 功 率
Y轴
频谱空穴
授权 信号
干扰温度门限
原始噪声底限 接收机与发射机间距离
关键技术之二：认知引擎
（Cognitive Engine）
• 认知引擎通过感知模块获得环境信息，基于用户服务需求和频
谱规则指导物理层重构和高层优化，并将优化结果作为学习经
验，指导新业务优化 • 认知引擎实现认知循环中的感知、学习和决策任务 ，支持3种功 能：基于多目标的端到端QoS优化功能、跨层优化功能、基于过 去经验的学习功能
（Definition of CRN）
• 认知无线电网络（cognitive radio network, CRN）：基于认知无线电
技术构建的无线通信网络
• CRN的终端节点和接入点在 PHY、MAC、NWK及应用层都具有：认
知能力+学习能力+重构能力
• CRN能感知网络当前状态，根据端到端目标，利用学习机制实时调
•
通过匹配滤波（最佳接收）使接收信噪比最大，利用发射信
号的先验知识，如调制模式、脉冲形状、时序、数据格式等
生成本地信号，与测量获得的接收信号做相关运算。优点是
响应快，检测概率高，但需要已知每种主用户类型，资源占
用大，实现复杂度高
pd P(Y / H1 ) Qm ( 2 , )
•
循环相关系数
•
循环功率谱
pd P(Y / H1 ) Qm ( 2 , )
循环平稳检测法
（Cyclostationary Detection）
•
•
检测统计量
在循环频率 处，假设检验
右移 / 2
x ( n)
FFT 左移 / 2
1/ N
频域平滑
pd P(Y / H1 ) Qm ( 2 , )
准确选择
• 门限值很大程度上受到未知噪声电平的影响，因此在低信噪比
环境的检测性能较低
pd P(Y / H1 ) Qm ( 2 , )
循环平稳检测法
（Cyclostationary Detection）
• 利用通信信号的二阶循环平稳特性实施频谱感知
•
•
自相关函数为
傅里叶级数展开
异质频谱：授权、开放；时变性；空间差异性
异构网络：网络架构、覆盖范围、支撑业务、实现方式
免授权频段 频谱经纪站 认知用户 授权频段1 主网络 接入 CRN接 入 CR CR基站 基站 其它CRN CR ad hoc 接入 主用户
主用户 主用户 授权频段2
认知用户
主网络
分布式认知网络
集中式认知网络
•
和
是完整和不完整Gamma函数，
是普遍Marcum Q函数
• 在Rayleigh衰落信道环境中，检测概率为：
x(t )
带通滤 波器
()
2
T
Y
0
H1 H0
pd P(Y / H1 ) Qm ( 2 , )
能量检测法
（Energy Detection）
• 能量检测法无需信号的先验信息，实现简单，但判决门限难以
理
• IEEE认为：CR是能感知外部环境的智能无线通信技术，能从环境 中学习，并根据环境变化动态调整内部状态，以适应外部环境的 变化，其认知功能可以采用人工智能或简单控制机制实现——智 能控制
认知无线电定义
（Definition of Cognitive Radio）
• 认知无线电都具有两种功能：认知功能和重构功能 认知功能：认知无线电能与周围环境进行交互，进而选择合适的通 信参数以适应变化的频谱资源和网络环境 重构功能：认知无线电能在不改变系统硬件的前提下重新配置系统 的发射参数，如传输功率、调制方式、传输频段等
主用户接收端检测
能量检测
匹配滤波 器检测
循环平稳 检测
协方差特 征值检测
振荡器功率 泄漏检测
基于干扰 温度检测
pd P(Y / H1 ) Qm ( 2 , )
能量检测法
（Energy Detection）
• 非相干检测，直接对时域信号采样求模、平方、积分获得检测统计量
• 在AWGN信道环境中，检测概率和虚警概率分别为：
Cognitive Engine Reconfigurable Node Orient
Observe Learn Plan
Outside world
Act Decide
VT-CWT认知引擎
（美国弗吉尼亚工学院无线通信中心）
• 无线信道遗传算法模块：实现无线信道和射频环境的数学建模 • 认知系统监控模块：负责检测通信状况，决定系统是否需要重构，并
• 认知无线电是一种智能频谱共享技术，依靠人工智能的支
持，感知无线通信环境，依据学习和决策算法，实时自适
应的改变工作参数（频点、功率、调制、编码），动态检
测和有效利用空闲频谱
理论上允许在时域、频域和空域上进行多维的资源共享
认知无线电定义
（Definition of Cognitive Radio）
认知环模型和认知引擎的关系
（Cognitive Cycle vs Cognitive Engine）
• 认知环模型分为内部循环和外部循环 • 外部循环完成系统重构和自适应功能
• 内部循环实现学习功能，将历史决策结果作为先验信息，得出经验指
导外部循环过程 • 认知引擎实现内部循环，即分析、计划、学习和决策阶段
集中式协同检测：参与协同的各节点完成独立检测后，将检测结果
发送给中心处理节点，由中心节点以某种方式合并，再分析和判决 获得最终结果
pd P(Y / H1 ) Qm ( 2 , )
融合准则
（Fusion Criterion）
• 软融合：各认知节点或部分节点不进行本地判决，而是将检测结果
关键技术之一：频谱感知
（Spectrum Sensing）
• 频谱感知：包括频谱检测、频谱分析和频谱判决，是认知无线电实现 频谱共享、频谱管理的前提
• 感知：周期性检测主用户占用频谱的状态和特点，获得“频谱空穴”
或可用资源，并伺机接入候选可用频谱
• 频谱感知方法
本地检测
频谱感知
协作检测
主用户发射端检测
专题讲座 认知无线电及其关键技术
重庆大学 通信工程学院
冯文江 Email: fengwj@cqu.edu.cn
认知无线电概念
（Concept of Cognitive Radio）
• 背景
随着无线通信业务的快速增长，频谱需求和资源有限之间的矛盾
越来越突出——“频谱危机” 解决途径之一：寻求更高效的传输方式（MIMO、高阶调制、AMC 等）——提高频谱效率 频谱使用政策：授权(固定)、ISM (Industrial Scientific and Medical)
协同检测法
（Cooperative Detection）
• 联合分布于不同空间位置的多个认知节点单独执行本地检测，然后
利用融合处理算法处理，能提高检测性能，避免隐藏终端
分布式协同检测：参与协同的各节点首先进行独立检测，然后将检
测结果广播发送，收到检测结果的节点以某种方式合并，再分析和
判决获得最后结果
若求和结果大于等于K，判定占用，否则，判定空闲
pd P(Y / H1 ) Qm ( 2 , )
干扰温度模型
（Interference Temperature Model）
• 干扰温度用于量化和管理无线环境中的干扰源，干扰温度限规定了 在某频带和特定地理位置满足接收者需求的最差场合的无线传输环 境特征
标准化组织：纷纷制定和发布新的通信标准（802.22、ECMA392、
802.11af、802.16h、802.15.4m）
制造商：找到了新的、巨大的、潜在的商机
运营商：用较少的投入提供通信服务，获得更大的收益
认知无线电定义
（Definition of Cognitive Radio）
整资源配置，利用感知到的网络状态信息形成规划、决策和行动
• CRN是一种能够感知当前网络状态，并据此进行规划、调整和采取
适当行动的网络
认知无线电网络定义
(Network Architecture of CRN)
• 构成认知无线电网络的三要素：网络组件、异质频谱、异构网络 网络组件：主用户网络+认知用户网络
控速率以及信号幅度和相位等 功率谱相同而调制类型不同的通信信号具有不同的循环功率谱，可用 于信号辨识和调制模式识别
pd P(Y / H1 ) Qm ( 2 , )
自适应双门限频谱检测法
（Adaptive Double-threshold Spectrum Sensing）
认知无线电的目标是通过认知功能和重构功能获取通信资源，以提
高频谱利用率
认知无线电基本原理
(Principle of CR)
• 通过分析外部环境提供的激励认识通信任务的内容；通过接收和发 送内容的分析选择解决方式
• 一种目标驱动的框架结构
• 观察-思考-行动：认知环模型（Mitola）
认知无线电网络定义
线电系统的物理层和媒体接入控制层 (PHY+MAC)的演进过程建模—— 认知引擎
认知无线电定义
（Definition of Cognitive Radio）
• Haykin教授认为：CR是一个智能无线通信系统，它能够感知外界
环境，并利用人工智能技术从环境中学习，通过实时改变传输参
数，使其内部状态适应无线通信环境统计特性的变化——信号处
(●)2
ADC
T
Y
0
判断Y的 范围
Y 1 Y 2
H1 H0
判决
x(t )
带通滤 波器
xk
2 Y 1
循环平稳 特征检测 判决
或门 输出 结果
pd P(Y / H1 ) Qm ( 2 , )
匹配滤波器检测
（Matched Filter Detection）
传送至融合中心，由融合中心进行加权求和并与特定门限比较，得
到判决结果。其融合策略有：
等增益合并（EGC）：融合中心为每个检测结果等分配权重，即等权
重求和。此法处理简单，但异常数据会影响判决性能
最大比合并（MRC）：融合中心依据各个检测结果的可靠度分配合并
权重。此法检测性能好，但如何评价可靠度需要另定规则 • 软融合将判决集中至融合中心，检测性能好，但通信开销大
循环平稳检测法
（Cyclostationary Detection）
• 循环功率谱的性质 信号的循环平稳特征离散分布在循环频率轴上，即在循环频率处循环
功率谱会出现谱峰，而噪声信号不具有循环平稳性。通信信号的循环
平稳特性具有优良的抗噪性能
循环功率谱还包含了调制信号的相关信息：载波频率、信号带宽、键
pd P(Y / H1 ) Qm ( 2 , )
融合准则
（Fusion Criterion）
• 硬融合：每个认知节点独立完成本地判决，然后将判决结果发送至融
合中心，融合中心综合各认知节点的判决结果做出最终判决。其融合
策略有“或”、“与”和“K秩”三种。 • “与”融合准则：融合中心对所有本地判决结果执行逻辑“与”运算 后做最终判决，能减小虚警概率，但也降低了检测概率 • “或”融合准则：融合中心对所有本地判决结果执行逻辑“或”运算 后做最终判决，能提高检测概率，但也增大了虚警概率 • “K”秩融合准则：融合中心对本地判决结果求和，并与预设值K比较，