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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流混沌键控通信系统设计80585954.精品文档.邮电大学毕业设计（论文）设计（论文）题目：认知无线电中合作频谱感知方法的研究摘 要随着无线通信业务的快速增长，日益增长的频谱需求与有限的频谱资源之间的矛盾已成为制约无线通信发展的主要瓶颈之一。而频谱感知是构建认知无线电系统的前提之一，所以认知无线电中合作频谱感知方法的研究就显得尤为重要，论文重点研究认知无线电中的频谱感知技术，主要内容有:本文首先介绍了认知无线电的基本概念，全面总结已有认知无线电频谱感知技术的原理、特点和性能。其次还详细的分析认知无线电的国内外研究现状及关键技术。详细阐述了频谱感
2、知技术的研究现状和概念，并指出了目前频谱感知研究工作中受到关注的一些主要问题，围绕这些问题进行了深入研究。针对认知无线电中经典频谱感知算法（能量检测、算术几何平均、信号特征值子空间、最大特征值检测）存在不同程度缺陷的问题，为了进一步提高频谱感知算法的检测性能，提出了基于信号主分量提取的合作频谱感知算法PCA(Principal Component Analysis)感知。该算法在认知无线电系统对于已授权用户(Licensed User, LU)信号不具备任何先验条件的应用场景下，仅利用接收信号协方差矩阵特征值及特征向量的检测器。在依据接收信号信噪比最大化的设计准则和约束条件下，能基于特征值和特
3、征向量的、具有最优检测性能的合作频谱感知检测变量，即构建基于接收信号的主分量（principal component）的合作频谱感知最优全局检测变量融合方案，实现非相关检测方式下的最优频谱感知性能。仿真结果表明该算法方案能够显著地改善认知无线网络的协作频谱感知性能。【关键词】认知无线电 频谱感知 能量感知 合作式感知 信号检测ABSTRACTWith the rapid growth of wireless communications business, the increasing spectrum demand and the contradiction between the limi
4、ted spectrum resources has become one of the main bottleneck restricting the development of wireless communication. the thesis focuses on the cognitive radio spectrum sensing technology, the main contents are as follows:And, in view of the key technologies to realize cognitive radio has carried on t
5、he exploration from the theory, analyses the energy test in the ideal and fading channel environment perception of authorized user signal performance and the shortage of multiple cognitive user collaboration awareness and diversity reception technology into energy, an improved algorithm is put forwa
6、rd. Improved spectrum sensing algorithm preserves the energy test both the characteristics of easy to implement and without a priori information, and can effectively improve the reliability of detection. Respectively under the environment of the channel performance simulation and analysis.Aiming at
7、classical spectrum sensing algorithm in cognitive radio (energy detection, geometric average arithmetic, signal subspace, maximum eigenvalue detection) problems existing defects of different level, in order to further improve the detection performance of spectrum sensing algorithm, is proposed based
8、 on cooperative spectrum sensing signal Principal Component extraction algorithm of PCA (Principal Component Analysis).The algorithm in cognitive radio system for authorized users (Licensed User, LU) signal does not have any prior conditions of application scenarios, only based on the received signa
9、l covariance matrix eigenvalue and eigenvector of the detector. In according to the design of the received signal SNR maximization criterion and constraint conditions, can be based on the eigenvalue and eigenvector with optimal detection performance of cooperative spectrum sensing variables, namely
10、the building of the brain that receives signals based on principal component (principal component), the optimal global cooperative spectrum sensing detection variable fusion schemes, and realize the related detection under the way of the optimal spectrum sensing performance. The simulation results s
11、how that the algorithm scheme can significantly improve the cognitive wireless network collaborative spectrum sensing performance.【Key words】 Cognitive radio Spectrum perception Energy awareness Collaborative perception cover optimization目 录前言目前，由于各类多媒体技术越来越普遍应用于生活，无线用户数量急剧增加，使可利用的频谱资源稀缺。想要挖掘更多的无线频谱
12、资源成为热点研究。美国联邦通信委员会的研究报告指出，造成现有频谱资源紧缺的主要因素包括不合理的频谱管理及不良的分配策略。固定分配频谱是现阶段各类频谱管理部门最常见的分配方式，即将无线频谱分成固定大小的频谱块。通过使特定无线频谱块与特定无线接入网络一一对应的方式使无线通信系统得到相应的频谱分配。为了保护频段，频谱管理机构将大小固定的频谱块之间余留一定的间隔，同时获取授权资格的各类运营商对频谱的使用也有固定的期限，当期限截止时，这些频谱块将会被重新指派。采用固定频谱分配方式虽然利于频谱管理机构管理，但由于无线多媒体技术未来的发展前景是高速化的，而固定分配方式下频谱利用率较低，相互的不适应迫使人们急
13、于采取先进技术努力提高无线频谱的利用效率。为了努力使无线频谱的利用率提高，人们采用了诸如多天线技术、（数字输入、分散式输出）技术和链路自适应技术等先进的无线通信领域理论及技术，但提高效果并不理想。同时研究发现，在广泛的授权频段中，无线频谱利用率极低的部分大多为传播特性良好的低频频谱。更多实测研究表明，以下的频段未能充分利用的部分占70%，而以上的频段则几乎都未被使用。为了能够克服“频谱空穴”，在空域、时域和频域中更加高效的利用无线频谱，提高利用率。公司的博士率先提出认知无线电（,）【1】的概念。第一章 绪论第一节 认知无线电的研究意义和背景信息时代的到来，使得无线频谱在现代社会成为不可或缺的的
14、珍贵资源。无线频谱目前处于主要由国家统一分配授权使用状态。且一般一个频段只供一个独立的无线通信系统使用。这一种静态无线频谱的管理方式，简单有效，避免了许多不同无线通信系统之间的相互干扰。可是这些已经被分配的授权频段和非授权频段中存在频谱资源的利用不平衡。第一，在整个频谱资源中，授权频谱就占用了很大的一部分，使得很多频段处于空闲的状态；第二，整个频谱资源中，可开放使用的非授权频段只占用很小的一部分，可在频段上的用户却很多，业务量大，这些无线电频谱段，已基本趋于饱和状态。因此在信息网络和无线移动通信高速发展的现在，频谱资源的匮乏问题就越来越严重。所以，找寻更佳有效的频谱的管理方式，来充分利用不同时
15、间，不同地域的空闲频谱，用来解决日益增长的频谱需求间的矛盾，成为现在人们不断重视的问题。为解决以上问题人们现在的基本思路就是尽可能的的不断提高现有的已分配频谱的利用率。【2】所以，人们提出了认知无线电这一概念。认知无线电的基本理念是：具备认知能力的无线通信的设备，可依照“伺机（Opportunistic Way）”方式以接入授权的频段内，且动态使用这频谱。这种出现在频域、时域和空域未利用的频谱资源被称作“频谱空穴”。认知无线电（CR , Cognitive Radio）这一技术的出现发展给解决无线资源频谱的贫乏提供了一条新的路径。【3】CR是让允许认知用户自己适应感知授权频段的频谱空穴，机会式
16、利用在时间和空间上的频谱空穴来进行信号的传输，来提高频谱的利用率。CR的核心概念是让无线通信设备具备发现存在的“频谱空穴”且能够合理有效的利用频谱空穴的能力。CR可以使无线通信系统设备不经过授权，即可使用在通信上传输性能更好，频带宽的频段。这能够平衡通信系统的成本以及性能。且带宽的无线通信系统能够具备更大动态范围的业务传输特性，这正有利于在宽频段的动态范围内机会式传输。由此可得，不断引入认知的机制，不仅可以更佳有效的去提升将来无线通信系统频谱的利用率这一问题，更加可以解决无线频谱在技术和各种应用上的迫切需求。第二节 认知无线电的概念在认知无线电不断发展的历程里，人们对于认知无线电的具体定义以及
17、它所具备的功能的认知存在不同观点。 这当中最具有代表性的是以 Mitola 为首的，代表瑞典皇家科学院以及美国联邦通信委员会（FCC）所持的观点；其他的观点还有以 Rieser 为首的维吉利亚技术中心和英国伯明翰大学 Simon Haykin 等人他们所认为的观点。CR这一概念最开始是由Joseph Mitola他提出的2，Mitola认为用软件来定义无线电（SDR, Software Defined Radio）是实现认知无线电的最理想的平台。此后，认知无线电让让软件定义无线电从盲目执行预置的程序，变换为智能去代理无线电领域。CR是指无线电其内的工作状态，他能用无线电知识描述语言（RKRL,
18、 Radio Knowledge Representation Language），【4】通过基于用户本身需求的自动推理和网络系统智能交流。所以其核心是具备学习的能力，且能够和四周环境来交换信息，能够感知及利用在这个空间上的可用频谱，它能够降低甚至限制冲突的发生。所以它的认知功能实现主要是在应用层或者更高层。FCC 他们提出的认知无线电则是相对简化的一个版本，它只建议只要是可以具备自适应感知能力的某种任何无线电都能够叫做认知无线电。他们提出去采取认知无线电技术以实现开放频谱系统，就是让合法的授权用户具备优先权，那些具备认知功能的非授权用户则可以在不影响授权用户的前提下机会式接入。另一位科学家R
19、ieser 3 则认为Mitola 他所提出的那基于人工智能的认知系统，会受限于硬件或平台自身的计算能力，并且它不能适应快速变化的网络。所以他们指出认知无线电不一定非需要软件定义无线电来支撑，他们根据基于遗传算法的生物启示认知模型来对传统无线电的系统物理层和介质接入控制层（MAC）去进行建模，发现它更适用可在快速部署的灾后应急通信系统。一位教授Simon Haykin 4 结合Mitola 和FCC他们对认知无线电的观点，终于在 2005 年里又一次重新定义了认知无线电的概念。他的观点表示，认知无线电是个智能的无线通信系统，不但可以感知四周的环境，而且能够利用智能技术在周围环境里学习，再通过及
20、时的改变系统操作参数（如传输的功率、调制技术以及载波的频率），来使内部能够适应无线信号变化，它能够在任一时间、任一地点高度可靠的去通信，有效的利用频谱。第三节 认知无线电技术的国内外发展现状认知无线电这一技术的实现离不开频谱管理政策的支持。这些几年很多频谱政策管制部门，像美国联邦通信委员会（FCC）就对认知无线电技术给予了大量支持1。在2002 年12 月，FCC他们提出非授权频段用户如果想在授权频段内使用，应具有识别未占用频段的能力；继而在2003 年 11 月，FCC则提出了一个新的干扰指标值用于量化和管理干扰温度这一概念，用来扩展人们在移动通信和卫星网络频段的非授权操作；同年 12 月，
21、FCC就发布了使用认知无线电技术促进频谱利用的通知，这个相当于对美国电波法的FCC规则第 15 章进行了修正，且专门成立了认知无线电正式工作组。FCC的观点是，在当前最适合认知无线电技术的是UHF中分配给电视广播业务应用的 6MHz频段。因为这个频段在美国利用率的低，它在通过允许不同免许可设备来使用这个频段，不但提高频率的利用率，还推广了宽带无线接入业务。 在不同频谱管制部门的管理下，更多的国际标准化组织开始制定系列标准来推动认知无线电的发展1。 IEEE就在2004年11月成立IEEE802.22正式工作组，这个工作组是全球第一个基于认知无线电技术的全球空中接口标准化正式组织；因此IEEE8
22、02.22 也被称作无线区域网络（WRAN, Wireless Regional Area Network）。它的系统工作的频段是54MHz862MHzVHF/UHF上未使用的TV信道，它的工作模式是点到多点。它的目的旨在以无干扰的方式去使用已分配给电视广播业务的那些频段。它通过研究基于认知无线电的物理层、空中接口和介质访问控制（MAC）层，在将分配给电视广播业务的VHF/UHF频带（北美为 54MHz862 MHz）的频率作为来宽带接入频段。 这几年来，不少国内研究机构都开始关注和开发认知无线电技术。比如国家 863 计划就在 2005年首次支持了认知无线电技术的研究。在 2008 年的 8
23、68 重大课题研究中，我国就对认知无线电的研究工作提供了三个项目的明确研究，且这当中每个项目的经费为 800 万元。我国不少认知无线电技术的研究在频谱政策管制部门、标准化组织及国内研究机构的共同努力下，取得了一定的进展。 在现在，国外一些大学和许多科研机构都正投入到认知无线电技术的研究中1。这当中最具有代表性的是在美国国防高级研究计划署资助下一代通信（XG）这一项目，这一项目主要是在研究认知无线电系统的方法及关键技术。它能够在认知无线电技术的基础上实现动态频谱的应用；此外，维吉尼亚无线通信技术中心则主要是注重基于遗传算法的认知模型它的研究和在认知无线电节点引擎实验床上的研究；英国移动电信技术虚
24、拟中心早就开始转向认知无线电的研究当中了，他们的多模终端研究小组和布里斯托尔大学通信系统研究中心有一起合作进行了自适应射频技术的探究；不少大学，比如荷兰的代尔夫特大学、德国柏林技术学院、美国加州大学伯克利分校等都有进行认知无线电这一方面的研究。第四节 认知无线电的关键技术认知无线电技术它是可以通过人工智能的支持，来感知无线通信周围的环境，并基于某种学习和决策的算法，以达到他自身实时自适应的去改变系统工作设备的操作参数，并且它能够动态的检测以及有效的利用那些空闲频谱。我们下面会对认知无线电的关键技术来作简要介绍。一、 频谱感知技术频谱感知5 的主要目的是旨在去发现在时域、频域以及空域上的频谱空穴
25、，再让认知用户以机会方式有效方便的利用这些频谱。认知用户的概念是指的那些未经授权就使用了只有授权了用户才能使用频谱的用户，它的主用户是那些获得授权使用频谱的用户。这当中为了不对主用户有干扰，认知用户需要在利用频谱空穴进行通信的过程中，可以快速感知主用户的再次出现，以便能及时进行频谱切换，好腾出信道让给主用户使用，也可以继续使用之前的频段，但它就需要进过调整传输功率或者改变调制的方式来避免对主用户造成干扰。这个则需要认知无线电系统它能够具备频谱检测功能，可以连续侦听频谱，能提升检测的可靠性。频谱感知它主要是一个物理层技术问题，它是频谱共享、频谱管理和频谱移动性管理的基础。总体而言，现在的认知无线
26、电频谱检测技术可以分为这几大类：基于发射机的检测、合作检测以及基于接收机的检测，如图1-1 所示6 。不过在现实生活中的的感知算法里，一般为了提高其检测性能，往往各种方法都会有所融合。频谱感知发射机感知合作式感知基于干扰温度的感知匹配滤波感知能量感知循环平稳感知图1.1 频谱感知技术分类其中发射机检测7 又叫作非合作检测，它主要是指匹配滤波器检测、能量检测和循环频谱感知频谱感知平稳过程特征检测这三种检测方法。匹配滤波器检测的因为结构很简单，能够达到较高的检测概率，但是它需要它的授权用户信号为确知信号，所以匹配滤波器检测还是有很大的局限性；能量检测它的实现相对比较简单，因为它需测量的只是在某一频
27、域或某一时域上某一段观测空间内接收信号的总能量，以此来判决是否有授权用户的出现。能量检测是现在应用较广的一种频谱检测的方法，但是它不适合在低信噪比情况下；循环平稳过程特性检测则可以提取到调制信号他的特有特征值，像调制类型、符号速率以及正弦载波等特征值。以上特性均可以经过分析频谱的相关性函数来检测他们，循环平稳过程特性检测能够从调制信号功率中区别出噪声能量。这种检测方法不但能够在低信噪比条件下也具备相当良好的检测性能，并且它拥有信号识别功能，但是运算复杂度高。根据现有的的仿真和分析，发现采用合作检测可提高检测概率。比如合作侦听就是准许多个认知用户之间来相互交换侦听到的信息，有效的提高频谱的检测能
28、力。合作检测一般可以分为集中式和分布式两种进行方式。集中式指的是系统的各个感知节点将本地的感知结果送到基站或者在接入点就一同进行数据融合，做出判决；分布式指的则是先在多个节点间相互交换感知的信息，再各个节点独立判决。基于发射机的检测有基于干扰温度感知的检测和本振泄露检测这两种。二、 频谱分配技术认知无线电是用动态频谱分配（DSA, Dynamic Spectrum Allocation）的方案8。DSA可以在不干扰主用户正常工作的前提下，完成对认知用户的频谱空穴接入，以此提高频谱利用率。当前CR的DSA研究主要是针对频谱池（Spectrum Pooling）9这一快，它的基本理念是将一些分配到
29、不同业务的频谱合并组成个公共的频谱池，并且把整个频谱池划分成为若干子信道。非授权用户能够临时的占用频谱池里面的空闲信道。针对频谱池策略的DSA主要的功能是将信道利用率最大化和提高用户接入的公平性，并且DSA能够协调管理授权用户与非授权用户他们间信道的接入。按照频谱分配行为间的不同，频谱分配能够分成合作式和非合作式这两类。合作式的频谱分配侧重的是各个认知用户行为对其他用户产生的影响；非合作式的频谱分配只需考虑自己的行为。为了规定用户在选择频谱上的协商机制，Mitola10提出一个标准的初始框架关于无线礼仪协议。它制定了在主用户与认知用户间选择频谱的协商机制，其中主要包含了补偿的协议、租用频谱的协
30、议以及频谱使用的优先级协议等等。 还有Nie11等人通过基于博弈论的应用扩展，分别去解析了在合作用户和非合作用户两种情况下系统的性能，他们提出了基于合作的DSA在提高全网的性能上的可能性。 Peng和Zheng12 指出有种基于标签类的机制，它可识别出不同用户的优先级，可以改善性能达到 50%多。Cao则得出了基于本地讨价还价（Local Bargaining）的算法，这算法采取公平的业务保证机制，有效的提高了频谱利用率，大大降低了操作系统的复杂性13。他还得出了一种频谱分配方案基于规则的，这方案的思路是用户经过观察本地的干扰码型，依照先前设定的适用在不同环境的规则独立决策以此来选择信道，它会
31、在性能复杂度和通信成本上得到折中。它可能会使得系统在性能上有所下降，可是在通信上过载的现象则明显减少。根据分配架构的不同，频谱分配技术可以分为集中式和分布式两大类18。集中式算法由集中单元控制频谱分配和接入的过程，计算复杂度高；分布式算法中每个认知用户都参与频谱分配决策，多采用启发式分配方法，收敛法是其中一项很重要的性能指标，它主要体现了算法对系统变化的适应能力。三、 功率控制技术 在CR通信系统里功率控制的实现是按照分布式来进行的，以扩大系统的工作的范围，提高接收机性能，造成其他的用户干扰的主要理由是而每个用户的发射功率，所以，功率控制也是CR的关键技术之一5。一般在多址接入CR信道环境里面
32、，主要使用协作机制的办法，包含的内容有规则及协议和协作的Ad-hoc网络这两方面。在多用户CR系统工作中协作和以先进的频谱为基础的管理功能，能够将系统的工作性能提高，它还能够支持更多用户的接入。但这个系统里除了拥有协作，还存在竞争。在限制了给定的网络资源情况下，它可以允许其他用户一同工作。所以必须考虑以下两种限制情况，在这样的系统中发送功率控制。这两种情况非别是给定的干扰温度和可用频谱的空穴数量。在目前情况下对策论和信息论是解决功率控制这个难题的主要技术。对策论8是针对研究决策主体行为，产生直接相互作用时的决策以及考虑决策的均衡问题，对策论可以划分为两类，分别为合作对策和非合作对策。多用户CR
33、系统的功率控制问题可以看作一个对策论问题。一般在不考虑非合作对策的情况下，将系统看成完全的合作对策，这时功率控制就简化为一个最优控制的问题了。当然在现实生活中完全合作在多用户系统是不可能实现的，因为每个用户都在尽可能将自己的功率最大化，这让功率控制被归结到非合作对策当中。现在的主流技术是拿Markov来对策进行分析，Markov对策它会将多步对策当成是一个随记的过程，并且把传统的Markov对策扩展到了拥有多个参与者的分布式决策中。因此多用户CR系统的功率控制问题可以把它当成是对Markov对策进行分析和解决。另一种实现功率控制的方法是以信息论为基础的的迭代注水法，它的基本思路是将系统的信道当
34、成若干平行的独立子信道的集合，这当中各个子信道的增益则将由对应的奇异值决定他们。在使用了这种算法后，发送端就会在增益比较多的子信道上给分配更多的能量，但是在衰减厉害的子信道上就只分配给较少的能量了，有时甚至都不给分配能量，它能在在整体上充分利用现有资源，并可以达到传输容量的最大化。第五节 认知无线电的应用前景认知无线电系统拥有通过检测、感知、监视周围无线射频环境再根据外界环境的变化及时的地调整自己操作参数的能力。这能力使得CR系统可以提高授权频谱的利用率极大的，能够提供更高带宽的无线通信服务为用户。并且，在频谱共享的时候，CR系统所显现出的及时自我判决力也使中心式频谱管理者的负担大大减轻了。所
35、以，以上这些优点使得认知无线电技术在未来具有极其广阔的应用前景。CR技术的应用能够包括军事领域、公共安全领域、应急通信以及商业应用等诸多范围和领域。一、军事领域 在目前，由于频谱的固定分配政策，让能够用在军事通信的无线频谱资源变得越来越贫乏，使得无线军事通信受到了极大的限制在容量上。一般，在一些时间和空间里，因为有很多授权频谱没有被PU使用而处在空闲状态上，这一情况使得CR可以充分利用这些空闲频谱通过采取动态频谱介入技术，它能够减轻频谱的拥塞，提高在军事通信网络上的的信息容量。此外，在军事领域上，因为频率的弹性捷变，CR可以将不同无线的标准进行融合，这大大提高了抗干扰的能力，并且能够保护己方通
36、信的安全。于此同时，CR还能够感知机会接入的路径，在不同的频段内采用随机接入的形式进行通信，能够起到影响敌方监听，并保护己方通信的秘密，它能够提高军事通信的安全。所以，CR可以在军事上提供无缝且安全的、自适应、高效的无线通信的服务，这让它在军事领域方面有着非常宽广的应用前景。二、公共安全及应急通信领域认知无线电的网路，具有加强公共安全，提高应急通信能力。在一个国家或地区遭受到自然灾害或恐怖袭击的时候，且本地的通信基础设施也遭到了毁灭性的破坏，这时就急需建立个应急通信网络，用来帮助使搜救行动能顺利展开。并且，紧急通信的系统需要的是非常宽的无线频谱以用来传送数量巨大的通信数据流，其中包括语音、视频
37、及其它各种文字数据等等。CR则能够自动识别无线频谱的是否占用，当它发现空闲频谱时能够自动实现无线频谱的配置，这一能力就使得CR能够在其它通信设施遭到损坏的时候还能够提供可靠有效的无线通信服务。而且，CR通信设备能够提供包括语音、视频及各种文字等多种类型的无线通信业务。并且，CR可以为搜救人员提供多种频谱以供选择以及可靠、安全的宽带无线通信信道，它大大提高了系统的信息吞吐量，有效的降低了通信传输的延迟，给抢救伤员赢取了宝贵的时间。而且，认知无线电网络能够通过自我的调节，以达到完全适应不同的通信网络各技术要求指标和条件，它让与其它通信网络系统协同工作的能力得到简化了。三、商业应用领域认知无线电技术
38、最具有发展的潜力、最为重要的应用领域是商业及无线技术领域。因着无线通信技术的快速发展，其中特别是无线局域网WLAN(Wireless Local Area Network)和无线城域网WMAN(Wireless Metropolitan Area Network)一类的无线通信技术和增值业务的飞速发展，让大家能够同时在享受到超宽带、快捷、高效的服务的时候，也给许多网络运营商们带来了丰厚的利润。所有因素又反过来促进无线通信技术以更高、更快的速度去发展，但这也使得本来就贫乏的无线频谱变得更加拥挤，这就可能导致一些新的无线通信技术没有频谱使用或者需要和其它通信系统来共享无线频谱这些情况。在解决频谱共
39、享及复用这些问题上，CR具备非常强大的领先优势。因着CR可以及时识别信道的是否占用，并且能够根据环境里的信道的使用情况来实现无线信道间动态的切换功能，这就能够继续给予认知用户稳定、可靠的无线通信服务。所以，认知无线电可为迅速增长的各种数据通信业务提供额外的带宽及功能丰富的通信服务。且信道的自适应及动态切换也能够帮助避免频谱冲突及在调换设备时的巨大开销。所以，CR一定会在目前各类无线通信网络系统中表现出无与伦比的应用潜力。 认知无线电在 WRAN 中的应用 IEEE802.22 工作组在2004 年成立，它又被称为无线区域网络（WRAN）。它能够作为宽带访问线路通过利用CR技术将分配给电视广播的
40、VHF/UHF频带。 IEEE802.22 是种规定了点到多点（一般指单个基站到多认知用户）的无线空中接口1516。IEEE802.22的结构是采用了集中式网络控制的结构，它当中有一个功能相当于一般基站的控制中心，主要是负责收集频谱的感知信息，并分析频谱当前的使用状况，再处理认知用户的请求，当然认知用户需要向控制中心的数据库报告功率水平、调制方式、自己的位置等等信息，最后会由控制中心给认知用户来分配空闲频谱。当一般的电视用户想要使用频谱时，控制中心则会及时从数据库中挑出空频谱并告知其认知用户进行切换，以及数据库内容的更新。基于CR的IEEE802.22 空中接口所具有的重要特性就是其灵活性和自
41、适应性15。它对其物理层的要求是需要保持在低复杂性并且能够提供高性能：一般的基站可以根据自己接收到的通信信息，来动态地去调整编码和调制；并且为了不对电视广播业务造成影响，它还要求了发射功率的动态范围至少控制为 30dB。跟其他的IEEE标准相比，IEEE802.22 空中接口的关键问题是共存问题，例如侦听门限、响应时间等一些机制则还要做大量的研究。 认知无线电在 UWB 系统中的应用与CR应用前景紧密相连的一项技术是超宽带（UWB，Ultra Wideband）无线技术，它是当今众多媒体宽带无线通信中最具有前途的候选方案中一种。最先将CR技术应用在UWB系统中就是提出认知超宽带无线电技术（CU
42、WB）时15，他的提出是为了可以实现在多频带正交频分复用（MB-OFDM，Multi-Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing）和直序列超宽带（DS-UWB，Direct-Sequence UWB）这两种UWB标准之间的互通。CUWB一般是联合认知无线电和超宽带技术的主要优点来结合以设计研究出一种智能的无线系统，这是是一种以频谱感知为基础的具备灵活波形和自适应辐射掩膜（或发射功率谱密度）的新型超宽带系统。因为传统窄带系统与UWB系统间存在着无法避免的干扰，将UWB技术与CR技术相结合用来解决干扰问题也已成为最近几年大家的研究热点。UWB无线
43、技术具有的优点有抗干扰能力灵活、测距精准、高通信容量、抗多径衰落和能定位等等，可是解决频谱资源短缺的最有效的方法还是CR技术则是通过智能频谱管理来运行。如若将两者相结合，既能通过距离、功率和所要求的数据率来进行频谱优化，以解决UWB共存的问题；又能解决CR在实现上遇到的比如复杂射频、前端设计等难题，UWB技术能提供帮助。以CR思想的UWB为基础的无线技术的发展能很大的促进智能网络和设备的优化发展，它将真正形成以用户为中心的无线通信世界，这是具有重大的理论和实际意义的。 认知无线电在 WLAN 中的应用目前无线局域网（WLAN，Wireless Local Area Network）主流是以 I
44、EEE802.11 标准为基础的无线技术。WLAN 大多设备工作在免授权的频段，这就导致随着无线局域网的普及发展，免授权频段的通信业务必将非常繁忙，此时工作频段将不能满足新的业务要求，我们采用 CR 技术就能够解决因 WLAN 频段拥挤而造成的可用频谱资源缺乏问题。目前的无线局域网标准中，IEEE802.11 系列标准正在被广泛的应用19。可是还存在着其他的设备在IEEE802.11a无线局域网标准所使用的 5GHz频段中，比如雷达。这就是说这是非常困难的要保证无线局域网的工作频段不受这类设备的干扰。所以IEEE802.11 工作组就制定了IEEE802.11h标准。以CR的方面来看，IEEE
45、802.11h无线局域网标准就可以当成是CR技术在无线局域网上的初步应用。第六节 全文的主要研究内容本文先是介绍了认知无线电的概念和以及三个关键技术，且对无线电频谱感知几个技术进行了分别讨论。本文主要是从单节点和合作式的方面来认知无线电技术的频谱感知，提出了在目前领域内的几种频谱检测方法和算法。并针对认知无线电的频谱感知单节点感知进行了较为详细的分析，在分别介绍了频谱感知中具有重要作用的匹配滤波器感知和能量感知的原理以及合作式频谱感知技术的关键技术和算法。文中建立认知无线电合作频谱感知的系统模型和信号模型，明确合作频谱感知的目标和性能评估方法；是根据接收信号协方差矩阵的特征值和特征向量，设计相
46、应的全局变量融合生成算法，将两种检验假设下的全局检测变量尽可能地进行最大化分离；最后进行计算机仿真，完成一套完整的合作频谱感知链路的仿真代码。 主要研究工作有： 第1章主要介绍了认知无线电的背景和意义，认知无线电技术在国内外的发展现状。并讨论了认知无线电的基本技术和无线电技术在多方面的发展与应用； 第2章介绍了当前领域内的频谱感知方法，并对主要的几种方法进行了研究和分析。总结了对基于发射机感知的三种频谱感知方法：匹配滤波器感知法、能量感知法和合作式感知法作了详细的讨论。 第3章主要是构建认知无线电合作频谱感知模型，提出基于最大特征值的合作频谱感知的研究方案； 第4章主要是在计算机上完成算法性能
47、的仿真，并且在虚警概率一定的情况下，比较合作感知方案的性能并做出性能评价； 第5章总结全文，且展望了频谱感知技术的进一步。第二章 认知无线电中频谱感知技术根据前面分析可知，频谱感知技术在认知无线电技术中扮演着十分重要的角色，是实现动态频谱接入、频谱共享、频谱分配以及频谱管理等其它认知无线电技术功能的前提和先决条件。只有通过频谱感知，CR才可以感知到周围无线电磁环境参数的变化情况，实时地获取无线频谱占用的信息数据，CR根据这些信息，将通信信道切换到最适合的空闲频谱上去，并实时地、自适应地调整相应的技术参数以适应新信道电磁特性的要求，在不影响授权用户正常通信的情况下，保证认知用户的通信质量。理论上
48、，频谱检测最有效的方法就是在认知用户的通信范围内，检测我们所关心的频谱上是否有主用户接收机存在。如果存在主用户接收机，则表示该段频谱正在被主用户占用，为了避免对主用户的干扰，此时，认知用户必须立即退出该段频谱；反之，则表示该段频谱未被主用户占用，认知用户可以接入该段频谱进行通信。之所以说这种基于主用户接收机检测的频谱感知方法是最有效的，这是因为主用户发射机信号在一些应用场合往往总是存在的（比如广播电视信号），而只有当主用户接收机同时也存在的情况下，才能真正确定该段频谱被主用占用，而那种检测到某段频谱内存在主用户发射机信号就认为该段频谱被主用户占用的频谱感知方法是不准确的。因此，即使在主用户发射机信号存在的情况下，只要某段频谱内不存在主用户接收机信号，都可确定该段频谱未被主用户占用，即存在空闲频谱。此时，认知用户可以使用该段频谱。然而，在实际情况下，CR 是很难检测到我们所关心的频谱内是否存在主用户正在接收主用户发射机信号的。因此，目前所采用的频谱感知方法几乎都是基于主用户发射机信号检测法。第一节 主用户发射机信号检测的频谱感知根据认知用户所掌握的主用户先验知识、检测复杂度以及精度等要求的不同，传统的基于单个主用户发射机信号检测的频谱感知方法