能量有效的协作频谱感知方案的设计与性能研究
在如今频谱资源急剧匮乏的网络时代，认知无线电成为不可或缺的关键技术，频谱感知作为其基础技术扮演着至关重要的角色。协作频谱感知在实际无线环境中不仅能够避免单用户感知导致的隐藏终端问题，还能够提高系统的感知性能，因而被广泛研究。此外,随着人们对“绿色通信”的关注，如何在保证认知无线电系统性能的同时尽可能地降低系统能耗成为学者们关注的研究方向。本论文研究了一种能量有效的协作频谱感知算法。该算法基于双门限能量检测技术，首先作为认知中继的N个次用户进行感知预判，然后选出能量值在两门限之外的M个用户继续感知，其余N-M个次用户进入休眠状态；在第二个阶段选出能量值小于第一门限的K个次用户发送编码信号到融合中心，且不需要公共控制信道，而剩余的M-K个次用户进入休眠状态。论文首先通过建立系统模型以及信号模型，理论推导分析了所提方案的能耗公式以及相应的感知性能公式，通过数值仿真表明该方案能够在保证频谱感知性能的条件下，通过减少参与感知用户数的方法，节省系统的感知能耗。
目录
摘要 I
ABSTRACT II
第一章 绪论 1
1.1课题背景 1
1.2认知无线电概述 1
1.2.1认知无线电概念 1
1.2.2认知无线电的研究现状 3
1.3本论文研究现状及需要解决的问题 6
1.3.1本论文研究现状 6
1.3.2本论文需要解决的问题 8
1.4本论文的主要研究内容及结构安排 8
1.4.1本论文的主要研究内容 8
1.4.2本论文的结构安排 9
第二章 频谱感知技术 10
2.1引言 10
2.2单节点频谱感知技术 10
2.2.1 能量检测技术 11
2.2.2匹配滤波器检测技术 12
2.2.3循环平稳特征检测技术 12
2.3多节点协作频谱感知 13
2.3.1协作频谱感知的融合算法 13
2.3.2 分布式和集中式协作频谱感知 15
2.3.3基于中继协议的协作频谱感知 16
2.4从能量有效的角度考虑频谱感知的常用方法 17
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
2.5本章小结 18
第三章 能量有效的协作频谱感知方案 19
3.1引言 19
3.2系统模型 20
3.3信号模型 21
3.4ROC性能分析 26
3.4.1 ROC性能分析 26
3.4.2对主用户的干扰分析 28
3.5本章小结 29
第四章 能量有效的协作频谱感知方案数值仿真及分析 30
4.1引言 30
4.2各参量固定时能耗变化 32
4.3给定条件变化对系统能耗的影响 33
4.4信号检测开销变化对系统能耗的影响 34
4.5距离变化对系统能耗影响 36
4.6本章小结 37
第五章 总结与展望 38
5.1总结 38
5.2展望 38
参考文献 40
致谢 43
附录 44
一、 仿真代码主要语句 44
二、 本科期间主要创新工作与成果 49
第一章 绪论
1.1课题背景
信息时代的到来，信息通信技术（ICT，Information and Communication Technology）逐步在人们的工农业生产、经济社会等方面占据了重要地位。无线通信技术以更为便利的优势吸引了更多的关注，蓝牙通信、无线传感网等无线通信系统和业务不断涌现于生活，而这些无疑需要消耗更多的频谱资源。众所周知，虽然频谱资源理论上是无限的，但可用于无线通信应用的频谱资源十分有限，这就激发了不断增长的无线通信需求与有限的频谱资源之间的矛盾，从而制约当代无线通信发展[1]。
目前，绝大部分无线电频段都已授权给各种商用和军用无线通信系统[2]，从而使新无线电系统的研发与使用受到束缚，而大量的实际测量和调查表明，在当前固定的频谱分配的模式下，已分配频谱的有效使用率极其低下[3]。因此，认知无线电技术（cognitive radio, CR）得以催生，通过动态频谱共享，最大限度地提高频谱资源利用率。
现如今，能源问题日渐被人们所关注，通信领域的节能也自然而然吸引人们的眼球。降低能量消耗、提高能量效率的“绿色”通信系统已经成为未来通信系统设计的重要目标。作为一种新型的无线网络，认知无线网在提升频谱效率的同时，也必须关注其能量效率问题。
1.2认知无线电概述
1.2.1认知无线电概念
认知无线电（CR, Cognitive Radio）的概念首先由Joseph Mitola于1999年8月在IEEE Personal Communications杂志上首次明确的提出，并系统地阐述了认知无线电的基本原理[4]。认知无线电是在软件无线电（software defined radio,SDR）的基础上发展起来的一种智能无线电技术，它能够感知外部无线电环境，并通过重配置自身的系统操作参数，如功率、编码和载波调制等无线操作参数，使得系统能够自适应外部环境的变化，提高系统频谱利用率的无线通信系统。
此外，美国联邦通信委员会也对认知无线电给出了如下定义[5]：认知无线电是一种可以和外部运行环境进行交互，并以此来调整自身发射机参数的无线电。文献[6]概述了认知无线电的主要功能：1）频谱感知，用来检测频谱空洞以实现无有害干扰的频谱共享机制；2）频谱管理（SM，Spectrum Management），用来捕获最佳的可用频段以满足用户通信要求；3）频谱转换，用来实现频谱过渡期间的无缝通信要求；4）频谱共享，用来保证频谱调度的公平性[6]。
Joseph Mitola博士在文献[4]中提出了一种基于学习和推理的认知循环（Cognitive Cycle）模型，认知无线电通过分析来自外部环境的激励以确认其通信任务的内容,其主要步骤包括：观察，学习，计划，决策和执行，具体如图11所示。
国际电子电气工程界著名学者Simon Hayki也给出了一种认知环，其整个认知过程主要的认知功能有：1）无线电场景分析；2）信道识别；3）功率控制和动态频谱管理，如图 12 所示，其中接收机负责响应功能1）和功能2），发射机则负责功能3）[7]。
图11 Mitola提出的认知循环
图12 Haykin提出的认知环
根据频谱共享方法的不同,认知无线电又可分为两大类:填充式认知无线电和下垫式认知无线电[8]。简而言之,填充式认知无线电中，认知用户(CU, Cognitive User)仅被允许利用检测到的频谱空洞进行通信，而下垫式认知无线电则仅允许认知用户在保证主用户服务质量不受影响的条件下,使用所有可用的已授权频段。
综上所述，认知无线电技术允许未授权的认知用户，也称为次用户(SU, Secondary User)，通过频谱感知检测授权频段在给定时段或区域是否空闲，若空闲则在保证主用户（PU, Primary User）通信质量的前提下，使用空闲的授权频段（即分配给授权主用户的频段）进行数据通信，从而使得主次用户能够实现动态共享无线频谱资源，提升无线频谱资源的利用率。
目录
摘要 I
ABSTRACT II
第一章 绪论 1
1.1课题背景 1
1.2认知无线电概述 1
1.2.1认知无线电概念 1
1.2.2认知无线电的研究现状 3
1.3本论文研究现状及需要解决的问题 6
1.3.1本论文研究现状 6
1.3.2本论文需要解决的问题 8
1.4本论文的主要研究内容及结构安排 8
1.4.1本论文的主要研究内容 8
1.4.2本论文的结构安排 9
第二章 频谱感知技术 10
2.1引言 10
2.2单节点频谱感知技术 10
2.2.1 能量检测技术 11
2.2.2匹配滤波器检测技术 12
2.2.3循环平稳特征检测技术 12
2.3多节点协作频谱感知 13
2.3.1协作频谱感知的融合算法 13
2.3.2 分布式和集中式协作频谱感知 15
2.3.3基于中继协议的协作频谱感知 16
2.4从能量有效的角度考虑频谱感知的常用方法 17
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
2.5本章小结 18
第三章 能量有效的协作频谱感知方案 19
3.1引言 19
3.2系统模型 20
3.3信号模型 21
3.4ROC性能分析 26
3.4.1 ROC性能分析 26
3.4.2对主用户的干扰分析 28
3.5本章小结 29
第四章 能量有效的协作频谱感知方案数值仿真及分析 30
4.1引言 30
4.2各参量固定时能耗变化 32
4.3给定条件变化对系统能耗的影响 33
4.4信号检测开销变化对系统能耗的影响 34
4.5距离变化对系统能耗影响 36
4.6本章小结 37
第五章 总结与展望 38
5.1总结 38
5.2展望 38
参考文献 40
致谢 43
附录 44
一、 仿真代码主要语句 44
二、 本科期间主要创新工作与成果 49
第一章 绪论
1.1课题背景
信息时代的到来，信息通信技术（ICT，Information and Communication Technology）逐步在人们的工农业生产、经济社会等方面占据了重要地位。无线通信技术以更为便利的优势吸引了更多的关注，蓝牙通信、无线传感网等无线通信系统和业务不断涌现于生活，而这些无疑需要消耗更多的频谱资源。众所周知，虽然频谱资源理论上是无限的，但可用于无线通信应用的频谱资源十分有限，这就激发了不断增长的无线通信需求与有限的频谱资源之间的矛盾，从而制约当代无线通信发展[1]。
目前，绝大部分无线电频段都已授权给各种商用和军用无线通信系统[2]，从而使新无线电系统的研发与使用受到束缚，而大量的实际测量和调查表明，在当前固定的频谱分配的模式下，已分配频谱的有效使用率极其低下[3]。因此，认知无线电技术（cognitive radio, CR）得以催生，通过动态频谱共享，最大限度地提高频谱资源利用率。
现如今，能源问题日渐被人们所关注，通信领域的节能也自然而然吸引人们的眼球。降低能量消耗、提高能量效率的“绿色”通信系统已经成为未来通信系统设计的重要目标。作为一种新型的无线网络，认知无线网在提升频谱效率的同时，也必须关注其能量效率问题。
1.2认知无线电概述
1.2.1认知无线电概念
认知无线电（CR, Cognitive Radio）的概念首先由Joseph Mitola于1999年8月在IEEE Personal Communications杂志上首次明确的提出，并系统地阐述了认知无线电的基本原理[4]。认知无线电是在软件无线电（software defined radio,SDR）的基础上发展起来的一种智能无线电技术，它能够感知外部无线电环境，并通过重配置自身的系统操作参数，如功率、编码和载波调制等无线操作参数，使得系统能够自适应外部环境的变化，提高系统频谱利用率的无线通信系统。
此外，美国联邦通信委员会也对认知无线电给出了如下定义[5]：认知无线电是一种可以和外部运行环境进行交互，并以此来调整自身发射机参数的无线电。文献[6]概述了认知无线电的主要功能：1）频谱感知，用来检测频谱空洞以实现无有害干扰的频谱共享机制；2）频谱管理（SM，Spectrum Management），用来捕获最佳的可用频段以满足用户通信要求；3）频谱转换，用来实现频谱过渡期间的无缝通信要求；4）频谱共享，用来保证频谱调度的公平性[6]。
Joseph Mitola博士在文献[4]中提出了一种基于学习和推理的认知循环（Cognitive Cycle）模型，认知无线电通过分析来自外部环境的激励以确认其通信任务的内容,其主要步骤包括：观察，学习，计划，决策和执行，具体如图11所示。
国际电子电气工程界著名学者Simon Hayki也给出了一种认知环，其整个认知过程主要的认知功能有：1）无线电场景分析；2）信道识别；3）功率控制和动态频谱管理，如图 12 所示，其中接收机负责响应功能1）和功能2），发射机则负责功能3）[7]。
图11 Mitola提出的认知循环
图12 Haykin提出的认知环
根据频谱共享方法的不同,认知无线电又可分为两大类:填充式认知无线电和下垫式认知无线电[8]。简而言之,填充式认知无线电中，认知用户(CU, Cognitive User)仅被允许利用检测到的频谱空洞进行通信，而下垫式认知无线电则仅允许认知用户在保证主用户服务质量不受影响的条件下,使用所有可用的已授权频段。
综上所述，认知无线电技术允许未授权的认知用户，也称为次用户(SU, Secondary User)，通过频谱感知检测授权频段在给定时段或区域是否空闲，若空闲则在保证主用户（PU, Primary User）通信质量的前提下，使用空闲的授权频段（即分配给授权主用户的频段）进行数据通信，从而使得主次用户能够实现动态共享无线频谱资源，提升无线频谱资源的利用率。
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