宽带频谱感知研究进展

三、多用户的合作宽带感知
前面两篇都是假设每个认知用户感知所有信道，本篇和下
一篇都是感知部分信道，通过合作完成宽带感知。
本文假设每个用户只能感知一个信道，研究每个信道分配
多少用户感知以及在给定用户总数木的情况下感知多少信 道合适。目标是最大化认知吞吐量，最小化功耗
MCKP问题 求解
Konstantinos Koufos, Kalle Ruttik and Riku Jäntti, ” Distributed Sensing in Multiband Cognitive Networks”, IEEE TRANSACTIONS ON WIRELESS COMMUNICATIONS, VOL. 10, NO. 5, MAY 2011
二、多信道感知参数设计
基本思想：传统的参数优化没有考虑邻信道干扰，本文在
数字域消除邻信道干扰基础上进行参数的优化。
宽带参数
邻信道干扰产生原因：1、泄露；2、滤波器获得
Tsung-Han Yu, Oussama Sekkat, Santiago Rodriguez-Parera,Dejan Markovic, and Danijela Cabric, ” A Wideband Spectrum-Sensing Processor With Adaptive Detection Threshold and Sensing Time”, IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS, VOL. 58, NO. 11, NOV. 2011
二、多信道感知参数设计
基本思想：服务质量这里定义为感知延时和通信速率。建
模为：保证中断概率条件下，最小化感知时间。需要联合 优化各信道的感知判决门限。在固定采样(FSS)和序列采样 (SPRT)模式下进行QoS设计。
FSS模式
SPRT模式
Seung-Jun Kim, Guobing Li, and Georgios B. Giannakis，” Multi-Band Cognitive Radio Spectrum Sensing for Quality-of-Service Traffic”, IEEE TRANSACTIONS ON WIRELESS COMMUNICATIONS, VOL. 10, NO. 10, OCTOBER 2011
三、多用户的合作宽带感知
与上文的区别在于干扰限制是对每一个信道而言的，非累
积干扰。
将待优化参量（W，r） 作为染色体，这是一个 矩阵级别的染色体。设 计了相应的选择算子 和 交叉算子。
Michele Sanna and Maurizio Murroni, ” Optimization of Non-Convex Multiband Cooperative Sensing With Genetic Algorithms”, IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN SIGNAL PROCESSING, VOL. 5, NO. 1, FEB. 2011
一、宽带感知的物理层问题
A possible Spectrum Aggregation Receiver
A possible Spectrum Aggregator Transmitter
一、宽带感知的物理层问题
Haiyun Tang，”Some Physical Layer Issue of Wide-band Cognitive Radio Systems”,DySPAN 2005。
五、宽带感知和利用相结合 六、特殊条件下的宽带感知 七、其他感知策略
二、多信道感知参数设计
系统架构
判决门限联 合优化
Zhi Quan, Shuguang Cui,Ali H. Sayed, and H. Vincent Poor，” Optimal Multiband Joint Detection for Spectrum Sensing in Cognitive Radio Networks”, IEEE TRANSACTIONS ON SIGNAL PROCESSING, VOL. 57, NO. 3, MARCH 2009
最佳判决门限是虚 警和漏检的折衷； 最佳感知时间是感 知速度和质量的折 衷。
解决思路：两阶段求解（先固定感知时间求最佳门限；再依据门限优化感知时间）
Pedram Paysarvi-Hoseini, and Norman C. Beaulieu，” Optimal Wideband Spectrum Sensing Framework for Cognitive Radio Systems”, IEEE TRANSACTIONS ON SIGNAL PROCESSING, VOL. 59, NO. 3, MARCH 2011
三、多用户的合作宽带感知
在信道数远大于用户数，每个用户一次只能感知一个信道
的前提下，如何安排用户感知这些信道才能获得尽可能多 的空闲机会？ 不关心单个用户的判决函数和门限，只对上传的0-1判决结 果进行处理，决策‘用户-信道’匹配对。
观测状 态矩阵： 其中， 中心采用OR准则判决：
Siavash Fazeli-Dehkordy, Konstantinos N. Plataniotis and Subbarayan Pasupathy, ” Wide-Band Collaborative Spectrum Search Strategy for Cognitive Radio Networks”, IEEE TRANSACTIONS ON SIGNAL PROCESSING, VOL. 59, NO. 8, AUGUST 2011
二、多信道感知参数设计
干扰消除及参数设计
感知时间：
判决门限：
Fig: Detection procedure for the windowed frequency-domain power detector (W-FPD), the windowed-overlapped frequency-domain power detector (WOFPD), and the proposed multitapwindowed frequency domain power detector (MW-FDP).
最大化认知容量； 保证干扰受限和检测性能。 求解思路：两个参数分开优 化。
Zhi Quan, Shuguang Cui, H. Vincent Poor, and Ali H. Sayed, ” Collaborative Wideband Sensing for Cognitive Radios”, IEEE SIGNAL PROCESSING MAGAZINE NOV. 2008.
宽带频谱感知研究进展
韩 寒 2012-7-7
目录
一、宽带感知的物理层问题
二、多信道感知参数设计
三、多用户的合作宽带感知
四、利用信道相关性信息
五、宽带感知和利用相结合 六、特殊条件下的宽带感知 七、其他感知策略
一、宽带感知的物理层问题
What is the smallest and the largest fragment width possible?
目录
一、宽带感知的物理层问题 二、多信道感知参数设计
三、多用户的合作宽带感知
四、利用信道相关性信息
五、宽带感知和利用相结合 六、特殊条件下的宽带感知 七、其他感知策略
三、多用户的合作宽带感知
合作感知过程：每个用户对每个信道都有一个观测值，融
合中心将所有用户对某一信道k的观测值加权合并与判决门 限比对。这样共有KxN维的权重参量和Kx1的门限参量待定
25kHz ~ 1MHz Chain Options for Few Fragments(频段较少可以one per fragment)
A Study for the Provision of Aggregation of Frequency to Provide Wider Bandwidth Services，QinetiQ Ltd。
一、宽带感知的物理层问题
Power Amplifier Sharing（天线是另一瓶颈）
一、宽带感知的物理层问题
the Most Possible Waveform
还有Error-Control Coding, Out-of-Band Emissions, Link
Budgets, Polar Modulation等问题，详见文献。
一、宽带感知的物理层问题
Antenna Sharing（多天线带来的电磁耦合影响，瓶颈之一）
现在可用的宽带天线可以覆盖100-500MHz，470-800MHz，800MHz-2.5GHz，所 以两三个天线就可以覆盖全频段。
天线共享不适 宜用在发射系 统,原因一： 发射天线没有 接收天线宽； 原因二：现在 的PA和线性化 技术还难以获 得足够的线性 化。
一、宽带感知的物理层问题
Chain Options for Many Fragments
当聚合频段较多时，无法对每一个频段设置独立的chain，宽带chain是可行方案。 但是multiple-tone third-order intermodulation products会带来严重的非线性问题， 而克服这个问题的IP3设备或线性化技术代价昂贵，所以只适合在固定设备上使用。
二、多信道感知参数设计
数学模型
目标：最大化认知用户的吞吐量 约束：保证对每一个主用户的干扰 受限，以及 每个信道上的虚警漏检概率
二、多信道感知参数设计
基本思想：设计多信道的一致感知时间和各信道的判决门
限，目标为最大化单个认知用户的吞吐量，约束为总干扰 受限和各信道的感知能力受限。
仿真结果

三、多用户的合作宽带感知
当前状态为（1，0），采用action2，下一时隙可能的转移
到的状态为：
可能的检 测结果：
一 次 状 态 转 移
状态转移 概率： 新的状态：
三、多用户的合作宽带感知
不限制信道数目（仍是2个用户），综合所有的状态转移。
宽带CR物理层的两个问题：宽带感知和邻信道干扰消除。在感知中区分基于能量的 感知和基于波形的感知两类，但是对宽带没有特殊的区分（流于形式）。
Bo Gao，YalingYang, and Jung-Min ’Jerry’ Park, ”Channel Aggregation in Cognitive Radio Networks with Practical Consideration”, ICC 2011。
三、多用户的合作宽带感知
以两用户为例，说明Markov状态转移过程。
当前时隙中，若信道有一个检测结果为1，下次将不再感知； 当前时隙中，若信道的检测结果都为0，下次也不再 感知。 从而，两用户只可能有以下两种类型信道：
定义状态为：
，表示类型1和类型2信道的数目。
以两个信道为例，只可能出现以下5种action：
实际中的考虑：每 个用户使用的信道数目 有限(b=2)；两个信道相 聚太远聚合代价较大 (delta=4)。 步骤：本地空闲信 道集中发掘可利用的信 道集，之后与收端可用 信道集比对，满足>2即 可。目标：最小化延时
目录
一、宽带感知的物理层问题
二、多信道感知参数设计
三、多用户的合作宽带感知
四、利用信道相关性信息
二、多信道感知参数设计
设计的系统及方法
Fig：Block diagram of the proposed wideband spectrum sensing processor. The processor consists of a multitap-windowed frequencydomain power detector for PSD estimation, sensing-time adaptation for optimal sensing time, and detection-threshold adaptation for desired sensing rate.