认知无线电的频谱检测技术解析
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认知无线电中的频谱检测技术
1、认知无线电的概念 2、频谱检测技术
1.1认知无线电提出的背景
通信的发展尤其是移动通信的迅速发展，无线 系统和通信服务的不断升级，无线电的硬件设 备不断更新。
频谱资源的日益紧张和使用上的浪费。 基于软件无线电基础上提出的认知无线电概念
1.2软件无线电的概念
谱相关函数能区分噪声能量和已调信号能量。
计算复杂度高，需要较长的观测时间。
2.2合作检测
无线环境中存在路径损耗、 阴影效应和多径效应等问 题。
如果存在严重的阴影衰落，CR用户无法检测到主发射 机信号，可能会对住用户造成严重干扰，CR用户间应 进行信息共享。
合作检测可通过中心式或分布式的方式实现。 中心式方式中，CR基站是中心站，收集各个CR用户的
监测信息从而检测频谱空穴。 分布式方式中，各CR用户之间相互交换信息。 缺点是需要额外操作，为实现信息共享而引入二外的
信息流量。
2.3接收机检测
在无线电接收机结构中，本地震荡器(LO) 要对射 频信号进行变频，将信号从高频转换到中频，在 这个转换频率的过程中，一些本地振荡器的能量 会通过天线泄露，CR用户能检测到LO泄漏，就能 得到主接收机使用的频带信息。
放置在主用户的接收机附近安装小型、 低功耗的 传感器节点，可以检测到本地振荡器的能量泄露， 从而判决接收机正在使用的信道情况，再将判决 信息通过独立控制信道反馈CR。
这种方法是基于主用户主动检测的前提。
2.4基于干扰温度的测量
干扰温度是接收天线处射频功率（发射机和噪
声源产生的信号功率）的一种度量。单位为K，
频谱检测的任务就是查找适合认知无线电业务的 白空，同时对工作频段在黑空（或灰空）和白空 之间的转变进行监测。
2频谱检测的方法
2.1发射机检测（非合作检测） 2.2合作检测 2.3接收机检测 2.4基于干扰温度的检测
wk.baidu.com
2.1发射机检测
最有效的方法是检测周围是否有主用户在接收 数据，然而实际中直接测量主发射机和主接收 机之间的信道很困难。
已调信号通常包含正弦载波、脉冲串、扩频序列 或循环前缀，由此导致已调信号具有内在的周期 性。
常用谱相关函数来分析周期平稳信号的特性。
S
x
f
lim lim 1 T t t
1 t / 2 t/2 T X T
t,
f
2
X
T
t,
f
2
dt
式中：XT
t,v
tT /2
x
tT /2
u e j2vudu,为周期频率
缺点是要为每一个主用户信号设计专门的接收 机。
2.1.2能量检测
能量检测不需要知道授权用户的先验知识，只 需测量频域或时域上一段观测空间内接收信号 的总能量来判决是否有授权用户出现，是目前 应用最广的一种频谱检测方式。
缺点是检测门限设置较困难。
X(t)
BPF
平方
积分
门限 判决 比较器
2.1.3周期平稳特征检测
在1992年5月美国电信系统会议上，Jeoeph Mitola首次提出了软件无线电的概念。
软件无线电是指采用固定不变的硬件平台，通 过软件重构升级来实现灵活多变的通信体制和 通信功能的无线电系统。
认知无线电
认知无线电概念最早是由瑞典Joseph Mitola博 士于1999年8月提出的，是对软件无线电功能 的进一步扩展。
认知无线电可以感知周围电磁环境，自适应调 整传输参数（通信频率、发射功率、调制方式、 编码体制等），动态接入暂时闲置的频带，有 效利用频谱空穴。
主用户和CR用户
1.3频谱检测技术
要实现动态频谱接入，首要问题是频谱检测技术， 通过感知并分析特定区域的频段，找出适合通信 的 频谱空穴。
待查的频段分为3种不同的情况：黑空：存在高 功率的干扰；灰空：存在低功率的干扰；白空： 仅存在环境噪声量，包括热噪声、 瞬时反射、 脉冲噪声等。
通常的方法是检测某一频带内是否有主发射机 信号。
基本假设： H0 : x t n t H1 : x t s t n t
由此基本假设，有3种方法可用于发射机检测。
2.1.1匹配滤波器检测
匹配滤波器要求已知主用户信息，包括调制方 式、脉冲形状和数据包格式等。
优点是能以较少的计算时间获得较大的处理增 益。
这种模型实现的最大困难在于如何有效测量干 扰温度。由于主接收机通常是被动的，CR用户 无法知道主接收机的具体位置。
频谱检测是认知无线电的关键技术。
通常，CR网络包含多个CR用户和主用户，甚 至需要和其他CR网络竞争使用频谱，增加了检 测的困难度。
定义如下
Tl fc, B
Pt fc, B
kB
式中：Pt fc, B为以 fc为中心频率、B为带宽的频 谱内平均功率；k为Boltzman常数，其值为
1.38 1023W / Hz / K
干扰温度模型在接收机处设定干扰温度极限， 用来表示接收机所能承受的最大干扰范围。只 要CR用户的信号传输能保证注解手机的干扰温 度在这一范围内，CR用户就可以使用相应频带。
1、认知无线电的概念 2、频谱检测技术
1.1认知无线电提出的背景
通信的发展尤其是移动通信的迅速发展，无线 系统和通信服务的不断升级，无线电的硬件设 备不断更新。
频谱资源的日益紧张和使用上的浪费。 基于软件无线电基础上提出的认知无线电概念
1.2软件无线电的概念
谱相关函数能区分噪声能量和已调信号能量。
计算复杂度高，需要较长的观测时间。
2.2合作检测
无线环境中存在路径损耗、 阴影效应和多径效应等问 题。
如果存在严重的阴影衰落，CR用户无法检测到主发射 机信号，可能会对住用户造成严重干扰，CR用户间应 进行信息共享。
合作检测可通过中心式或分布式的方式实现。 中心式方式中，CR基站是中心站，收集各个CR用户的
监测信息从而检测频谱空穴。 分布式方式中，各CR用户之间相互交换信息。 缺点是需要额外操作，为实现信息共享而引入二外的
信息流量。
2.3接收机检测
在无线电接收机结构中，本地震荡器(LO) 要对射 频信号进行变频，将信号从高频转换到中频，在 这个转换频率的过程中，一些本地振荡器的能量 会通过天线泄露，CR用户能检测到LO泄漏，就能 得到主接收机使用的频带信息。
放置在主用户的接收机附近安装小型、 低功耗的 传感器节点，可以检测到本地振荡器的能量泄露， 从而判决接收机正在使用的信道情况，再将判决 信息通过独立控制信道反馈CR。
这种方法是基于主用户主动检测的前提。
2.4基于干扰温度的测量
干扰温度是接收天线处射频功率（发射机和噪
声源产生的信号功率）的一种度量。单位为K，
频谱检测的任务就是查找适合认知无线电业务的 白空，同时对工作频段在黑空（或灰空）和白空 之间的转变进行监测。
2频谱检测的方法
2.1发射机检测（非合作检测） 2.2合作检测 2.3接收机检测 2.4基于干扰温度的检测
wk.baidu.com
2.1发射机检测
最有效的方法是检测周围是否有主用户在接收 数据，然而实际中直接测量主发射机和主接收 机之间的信道很困难。
已调信号通常包含正弦载波、脉冲串、扩频序列 或循环前缀，由此导致已调信号具有内在的周期 性。
常用谱相关函数来分析周期平稳信号的特性。
S
x
f
lim lim 1 T t t
1 t / 2 t/2 T X T
t,
f
2
X
T
t,
f
2
dt
式中：XT
t,v
tT /2
x
tT /2
u e j2vudu,为周期频率
缺点是要为每一个主用户信号设计专门的接收 机。
2.1.2能量检测
能量检测不需要知道授权用户的先验知识，只 需测量频域或时域上一段观测空间内接收信号 的总能量来判决是否有授权用户出现，是目前 应用最广的一种频谱检测方式。
缺点是检测门限设置较困难。
X(t)
BPF
平方
积分
门限 判决 比较器
2.1.3周期平稳特征检测
在1992年5月美国电信系统会议上，Jeoeph Mitola首次提出了软件无线电的概念。
软件无线电是指采用固定不变的硬件平台，通 过软件重构升级来实现灵活多变的通信体制和 通信功能的无线电系统。
认知无线电
认知无线电概念最早是由瑞典Joseph Mitola博 士于1999年8月提出的，是对软件无线电功能 的进一步扩展。
认知无线电可以感知周围电磁环境，自适应调 整传输参数（通信频率、发射功率、调制方式、 编码体制等），动态接入暂时闲置的频带，有 效利用频谱空穴。
主用户和CR用户
1.3频谱检测技术
要实现动态频谱接入，首要问题是频谱检测技术， 通过感知并分析特定区域的频段，找出适合通信 的 频谱空穴。
待查的频段分为3种不同的情况：黑空：存在高 功率的干扰；灰空：存在低功率的干扰；白空： 仅存在环境噪声量，包括热噪声、 瞬时反射、 脉冲噪声等。
通常的方法是检测某一频带内是否有主发射机 信号。
基本假设： H0 : x t n t H1 : x t s t n t
由此基本假设，有3种方法可用于发射机检测。
2.1.1匹配滤波器检测
匹配滤波器要求已知主用户信息，包括调制方 式、脉冲形状和数据包格式等。
优点是能以较少的计算时间获得较大的处理增 益。
这种模型实现的最大困难在于如何有效测量干 扰温度。由于主接收机通常是被动的，CR用户 无法知道主接收机的具体位置。
频谱检测是认知无线电的关键技术。
通常，CR网络包含多个CR用户和主用户，甚 至需要和其他CR网络竞争使用频谱，增加了检 测的困难度。
定义如下
Tl fc, B
Pt fc, B
kB
式中：Pt fc, B为以 fc为中心频率、B为带宽的频 谱内平均功率；k为Boltzman常数，其值为
1.38 1023W / Hz / K
干扰温度模型在接收机处设定干扰温度极限， 用来表示接收机所能承受的最大干扰范围。只 要CR用户的信号传输能保证注解手机的干扰温 度在这一范围内，CR用户就可以使用相应频带。