基于能量检测的协作频谱感知技术的分析.pdf

Abstracttrust value．The core point of the algorithm is that fusion center not abandons the laterreports but weighed them with a smaller contribution value．After the completion ofevery round，some malicious secondary USer will be discarded．In this thesis，wesimulate the optimization algorithm，the simulation results show that this method Caneffectively improve the whole cognitive network’S performance．At last，in this thesis，we use the MATLAB simulator to evaluate the performanceof the above．mentioned optimization algorithm，and then compare and analyze thesimulation results．Keywords：Cognitive radio；Cooperative Spectrum Sensing；Constant Detection Rate；Constant False．alarm Rate；Detection Error Probability基于能量检测的协作频谱感知技术的研究目录摘要………………………………………………………………………………………………………………．．IAbstract………………………………………………………………………………………………………．．II符号说明……………………………………………………………………………．VI第一章绪论……………………………………………………………………j……11．1研究的背景及意义…………………………………………………………．11．2国内外认知无线电技术的研究现状………………………………………．31．3国内外协作频谱感知技术的研究现状……………………………………．41．4认知无线电技术的主要应用………………………………………………．61．5本文的主要研究内容………………………………………………………．71．6本文的结构及内容安排……………………………………………………．81．7本章小结……………………………………………………………………．8第二章认知无线电中频谱感知技术的概述………………………………………102．1频谱感知技术概述…………………………………………………………lO2．2单节点频谱感知算法………………………………………………………132．2．1能量检测………………………………………………………………………………1 32．2．2匹配滤波检测………………………………………………………．1 622．3周期特性检测………………………………………………………．1 62．2．4单节点频谱感知技术比较…………………………………………．1 72．3协作频谱感知算法…………………………………………………………l 82．3．1单节点频谱感知的局限性…………………………………………．1 82．3．2协作感知分类………………………………………………………．192．3．3中心处理节点融合策略……………………………………………．2 l2．4本章小结……………………………………………………………………22第三章基于门限动态调整的最优协作算法………………………………………233．1概述和问题描述……………………………………………………………233．2改进算法描述………………………………………………………………253．2．1系统模型和能量检测技术…………………………………………．253．2．2协作频谱感知的门限动态调整方法………………………………．27目录3．2．3最优用户数的选择方法……………………………………………．283．3仿真实验……………………………………………………………………293．3．1仿真工具……………………………………………………………．293．3．2仿真参数设置及结果分析…………………………………………．293．4本章小结……………………………………………………………………33第四章基于可信任度的异步协作感知算法………………………………………354．1概述和问题描述……………………………………………………………354．2改进算法描述………………………………………………………………364．2．1本地能量检测及判决………………………………………………．374．2．2中心节点融合策略…………………………………………………．394．3仿真实验……………………………………………………………………404．3．1仿真工具……………………………………………………………．404．3．2仿真参数设置及结果分析…………………………………………．404．4本章小结……………………………………………………………………45第五章总结与展望…………………………………………………………………46参考文献……………………………………………………………………………．48附图表………………………………………………………………………………．52致谢…………………………………………………………………………………．53攻读硕士学位期间的研究成果……………………………………………………．54VFCCPUSUCRSSCRNCSSSDRWRANWLANUWBCSIDSMEDMFDCFDSNRCSDCAFLSFCCFARCDR符号说明Federal Communications CommissionPrimary UserSecondary UserCognitive RadioSpectrum SensingCognitive Radio NetworkCooperative Spectrum SensingSoftware Defined RadioWireless Regional Area NetworkWireless Local Area NetworkUltra WidebIandChannel—state InformationDynamic Spectrum ManagementEnergy DetectorMatched Filter DetectorCyclo—stationary feature DetectorSignal Noise RatioCyclic Spectrum DensityCyclic Autocorrelation FunctionLocal SensingFusion CentreConstant False Alarm RateConstant Derection RateVI第一章绪论第一章绪论1．1研究的背景及意义近些年，随着无线技术的快速发展、无线设备的激增，对无线频谱资源的需求变得越来越旺盛。频谱资源【l】是自然界中不可再生的、有限的资源。现有的频谱分配方案不是很灵活，它由政府相关机构授权给通信系统使用，每个系统必须运行在一个有限的频带内。一方面，大部分的频谱已经被分配，很难找到空白的频段供新业务使用。另一方面，即使频谱被分配给特定的用户使用，但授权用户(也叫初级用户)并不是时时刻刻都使用此频段进行数据的传送。频谱资源的缺乏对无线通信的研究方向产生了巨大的影响。由美国联邦通信委员会(FCC，Federal Communications Commission)的一份报告指出，频谱利用率随时间、地点和频带的不同而相差甚大，其范围为l 5％～8 5％。美国伯克利分校测量频谱使用情况如图1．1所示【2】，从图中可以看出，0--2GHz频谱利用率为30％～60％，而2GHz以上频谱利用率却很低，有些频段利用率甚至连1％都不到，如3Ghz～5GHz频段。其它相关机构也做了调研【31，得出了类似的结论。图1．2描述了不同时|1IJ段0～1GHz范围内的频谱利用率情况。；≯ 1 2 3 4 5 GHz；颁霉(GHz)， 0～l· 1～2． 2～参 3～4·’ 4～5·， 5～6一|剥雳军(％)。， 544t。 35．1， 7．6-j 0．25， 9 128— 4．6p图1．1美国伯克利分校所测频谱使用状况基于能量检测的协作频谱感知技术的研究爱、麓奢毫 30图1．2不同时段的频谱利用率通过扫描无线电频谱将会发现[41：(1)一些频段大部分时间都没有被占用；(2)还有一些频段仅被部分占用；(3)剩余的频段被过分使用。无线电频谱利用率低下的问题引发了科技工作者对频谱空洞的思考。所谓的频谱空洞(SH，Spectrum Hole)是指某个频段被分配给初级用户(PU，Primary User)使用，但是在特定的时间和地点，此频段没有被使用。频谱空洞可以通过次级用户(SU，Secondary User)机会性地接入初级用户此时此刻没有使用的频段而被解决。为了去解决频谱稀缺和频谱利用率低下两者之fbJ的矛盾，认知无线电(CR，Cognitive Radio)作为一种新兴的技术被提出f5】。可是，到目前为止关于认知无线电的定义并没达成广泛的共识，不同的文献中给予了不同的概念【6】。在本文中，我们采用美国联邦通信委员会的定义(FCC)：“认知无线电是能够感知它周围的工作环境、动态的调整发射机参数以获得最大吞吐量和对初级用户造成最小干扰的一个系统“。认知无线电是一种新的技术，通过允许次级用户去使用初级用户没有使用的频段或者与初级用户分享此频段来提高频谱利用率。当次级用户检测到初级用户重新使用该频段时，次级用户必须在一个很短的时间内退出该频段，去搜寻其它没有被初级用户使用的频段进行信息的发送，以免对授权用户造成干扰。认知无线电技术中最重要的组成部分是频谱感知(SS，Spectrum Sensing)。常用的频谱感知技术有匹配滤波器检测、能量检测和周期乎稳过程特征检测【7】，其中能量检测的复杂度和运算量比较低且认知无线电系统缺乏对初级信号结构2蔓神％鬈耋狒≮一u一-u嚣秘篁鬣盛l_嚣o|l瑟一三：l第一章绪论和信息相关知识的了解，所以广受人们关注。通过感知周围的环境，认知系统(也称作次级系统)可以找到空闲频谱，利用此空闲频谱为其覆盖范围内的用户服务，从而有效地提高频谱利用率。为了防止对授权用户造成干扰，认知系统必须不问断地扫描它J下在使用的频段，以防授权用户再次出现。频谱感知的一个巨大挑战是隐藏终端问题，其典型的场景为当次级用户被建筑物所遮挡或者是由于严重的多径衰落时，而此时此刻初级用户却在次级用户附近【8】。由于隐藏终端的存在，次级用户将误认为初级用户此时此刻并不在使用该频谱，从而接入了该频段，对初级用户造成了干扰。为了去解决认知无线电网络中隐藏终端问题，协作频谱感知(CSS，Cooperative Spectrum Sensing)技术被提出。随着协作用户数的增加，频谱感知的性能将会获得极大的提耐9,10,11】。协作频谱感知的优点是可以提高认知无线电网络(CRN，Cognitive Radio Network)的检测性能，同时也降低了各认知用户的检测时间。但是协作感知的缺点是通过信息交换过程而会引入额外的丌销，如感知时延等。文献[10]中对次级用户进行分簇，进行_两级协作来提高协作增益和降低协作开销。总之，对协作感知的研究已经进行了多年，但是在认知无线电应用方面协作感知依然存在一些待解决的问题，是目前的一个研究热点。1．2国内外认知无线电技术的研究现状在1999年的一篇论文中【61，Joseph Mitola III首次给出了认矢II无线}乜的定义，它是对软件无线电的扩展。在随后的一段时间内，不同的机构和学者纷纷对认知无线电进行了定义，其中比较有代表性为Simon Haykin教授和FCC的定义。Simon Haykin教授认为：认知无线电是一个智能的通信系统，它能感知周H；|的环境，使用它内嵌的一系列方法去了解环境，从而动态地调整它的运行参数，如：传输功率、带宽、载波频率和调制方式等。虽然认知无线电技术的研究刊．冈0刚丌始，但目前已有很多机构和标准化组织已加入研究行列，比较有代表性为DARPA、SDR论坛、IEEE。DARPA作为xG项目和其它在研项目的组成成分，币稿!探索认知无线电的许多不同部分。到目前为止DARPA项目的许多成果并没有运J{j到公用的领域。但是，在不久的将来，他们将会公布所取的研究成果。2004年，软件无线电(SDR，基十能量检测的协作频谱感知技术的研究SoftwareDefined Radio)论坛被授权分成两组，分别为：认知无线电工作组和认知无线电专业组。工作组的任务是使认知无线电标准化和将新的技术引入认知无线电中，而专业组的任务是将加入新技术的认知无线电系统商业化。2006年4月份，SDR在美国的旧金山举行了一个认知无线电专题讨论会。IEEE对认知无线电技术也有浓厚的兴趣，它向FCC提交了被推荐的定义。为了让认知无线电获得更快的发展，IEEE已经成立了IEEE 1900组去研究认知无线电的问题。1900．1主要对认知无线电相关术语进行了定义，1900．2主要研究不同认知无线电系统问的共存，1900．3对系统的软件模块进行评估，1900．4提供实际应用。2004年11月，IEEE正式成立了IEEE 802．22工作组，这也是第一个全世界范围的认知无线电技术的标准化组织。它也被称作无线区域网(WRAN，Wireless Regional Area Network)，WRAN工作的频段为54MHz'---862 MHz未使用的电视频段。通过机会性地接入重新使用TV频段，以提高频谱利用率。其它的一些机构也再进行认知无线电的研究，包括欧盟的E2R项目、罗格斯大学WINLAB的“丌放频率使用的认知无线电系统”等。近些年，国内的一些高校和科研机构也丌始跟踪认知无线电技术，包括东南大学、清华大学、西安交通大学、电‘了科技入学和北京邮电大学等。认知无线电技术于2005年首次获得H家重人专项(“863”)项口的支持，该项目主要进行频谱资源共享系统的研发。“认知无线网络基础理论与关键技术研究”项目启动会于2009年在北京召丌。201 1年，山成都I乜了科技人学牵头，完成了863计划项目——“频谱资源共享无线通信系统”，并在卜海进行了“动态频潜资源共享无线通信系统验征网络”的外场测试，完成了小区切换、Rp业务下载和视频点播等业务。固家大力支持认知无线电技术的研究，越来越多的高校和科研机构加入其中，为我固在此领域跻身于1Ic界前列奠定了峰实基础。1．3国内外协作频谱感知技术的研究现状由于噪声的不确定性、衰落$1iN影效应，协作被用米解决频谱感知中此类问题的一种方法。协作频谱感知能降低系统的虚警概率和漏检概率。除此之外，协作【12,13]感知还能解决隐藏的初级用户和减少感知时I’IJj。皋于“先听后接入”原则，文献[14]中对由认知设备埘初级『}j户造成的干扰进行了理沦分析和算法仿真。仿真结果表明即使采用最简单的本地感知也不会对已存的初级用户产生干扰。同时4第一章绪论从仿真结果也可看出，与本地感知相比，协作感知能获得更高的频谱容量增益。协作感知所面临的巨大挑战是要设计出高效的信息分享算法【15,16】。控制信道被用来分享认知用户间的感知结果和信道分配信息。在文献[17，18]中，不同的控制信道的体系结构被提出。文献[19】中研究了基于时分复用接入协议来进行感知数据的交换。认知无线电系统被划分成很多簇，每个簇中认知用户将感知得到的数据在规定的时隙内发给簇头。从网络层面来说，这种协作算法可以减少协议的丌销，但是它会增加时延。文献[13】中提出了用波束形成(beam forming)和定向天线来解决阴影效应。文献[20]中指出，认知系统中所有的次级用户参与协作并不能获得最佳的性能，该文献同时给出了基于系统恒检测和恒虚警时所需的最优用户数，但只给了仿真图，并没有理论推导。协作感知主要有以下三种形式：(1)集中式感知；(2)分布式感知；(3)混合式感知。集中式感知是指中心单元收集各认知设备的感知信息，识别出可用的频谱资源，然后将可用的频谱信息广播给各次级用户。为了降低虚警概率，软判决和硬判决两种融合策略被研究。文献[21】中，认知用户发送已量化过的本地感知结果至中心单元，然后在融合中心利用似然比进行检测。当认知用户数比较多时，所需的带宽将会增加。为了减少带宽，认知用户的本地感知结果被量化成1比特，进一步说，只汇报信任度比较高的认知用户，剔除恶意节点。分布式感知指各认知‘霄点之fuJ彼此分享感知结果。分布式感知比集中式感知更有优势，它不需要骨干网的支持，因此可以降低成本。文献[22】中，GUESS算法被提出，旨在提高分布式感知中各节点问的有效协作。该算法具有较低的复杂度，减少了协议的J陶j。而混合式感知是--4't'既包含集中式，又含有分布式的感知系统。国内的学者们也在协作感知领域进行了广泛深入的研究，并取得了一些成果。文献[23】中，对【!|；|种常用的融合准则进行了性能分析，仿真结果显示贝叶斯准则和最人后验概率准则具有优越性。以双门限检测为基础，根据不同次级用户的信任值彳iH，采取不同的融合准则。理论和仿真结果表明，该算法【24】能明显提升认知无线电网络的检测性能。一种改进的协作感知算法在文献[25】被提出，此算法是基于在相同信噪比下，为了使资源利用率达到最大，所需的最优感知用户数日，从而降低系统的丌销，但是计算公式较复杂，且局限于AND、OR准则。在感知精度满足一定条件的前提下，文献[26]求出了所需最优认知节点数，从而使认知系统达到了较高的增益，该算法可以大大减低算法复杂度，但没考虑授权基于能量检测的协作频谱感知技术的研究信道数对系统性能的影响。1．4认知无线电技术的主要应用自从欧盟提出4G概念后，世界各国的科研机构均在探索可行的技术。为了确保4G服务用户的低成本，认知无线电技术有望用于4G通信，因为认知无线电技术可实现系统不同频段问的数据传输，从而更好地解决目前频谱资源紧张的问题。下面主要从军事和民用领域来介绍认知无线电技术的运用。(1)在军事领域中的应用世界各国军方都非常重视战场频谱分配这一课题的研究。可是，到目前为止军队基本都采用固定的频率分配方式。在战场环境下，各种电子设备短时间内可能聚集于某一地区，扰乱了原先的频率分配计划，从而导致该区域的频谱资源紧张。同时，随着无线技术的快速发展，民用无线电设备的猛增，对频谱资源的需求也变得越来越大。于是有的国家开始将部分的军用频谱划分给民用设备使用，此举措无疑使本来就相对缺乏频谱资源的军用设备更是雪上加霜。而认知无线电技术能动态地利用频谱，可以提高频谱的利用率高达数十倍，从而可以提高整个通信系统的容量。(2)在WRAN中的应用IEEE 802．22工作组(也被称作WRAN工作组)已于2004年10月成立，07年完成了标准化工作。WRAN的核心技术为认知无线电技术，即利用认知无线电技术将感知到的电视广播空闲频段分配给次级用户使用，从而实现频谱的二次利用。可是WRAN也面临着很多挑战：a)为了和初级用户实现共存，需要相应的机制来动态地改变认知网络的发射功率或者频率。b)它的空中接口要具有很好的自适应性。(3)在WLAN中的应用认知无线电技术也可被用于无线局域网(WLAN，Wireless Local AreaNetwork)中。无线局域网设备运行在非授权频段2．4GHz和5．8GHz上，可是在此频段上，可能受到蓝牙、WiFi及其它一些设备的干扰。具有感知功能的无线局域网设备通过对感兴趣的频点进行不问断的扫描，找出最佳的可用频谱，从而使该终端设备获得最好的网络性能。另外，当无线局域网中的设备在进行J下常的通信的同时，进行带内和带外感知，找出恶意攻击终端，从而可以增强网络的安全性。6