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认知无线电论文
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摘要……2Abstract……31绪论……21.1研究的背景与意义……21.2国内外发展状况……31.3论文主要内容与结构安排……42认知无线电基本理论……52.1认知无线电的概念与特征……52.2认知无线电与软件无线电之间的关系……72.3认知无线电的关键技术……82.4频谱感知技术……93认知无线电检测技术……123.1认知无线电频谱检测概述……123.2频谱检测技术……133.2.1匹配滤波器检测法……133.2.2能量检测法……133.2.3静态循环特性检测……143.2.4检测技术的比较……153.3干扰温度模型……164基于能量检测的建模与仿真……184.1建模……184.2仿真结果与分析……194.3有关容量改善技术研究……205结束语……21参考文献……22
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摘要
认知无线电是在软件无线电的基础上发展而来的能够自适应外界环境变化的智能无线电技术。
它的提出时基于无线电用户数量急剧增加，现有的频谱分配严重失衡和频谱资源的溃乏。
认知无线电通过对外界环境的检测、分析、推理、学习等措施，实现特定的系统工作参数上的实时改变，以达到最佳状态。
它具有在不影响其他授权用户的前提下智能地利用空闲的频谱的能力，同时还具有随时随地、智能、高可靠通信的潜能。
频谱感知技术是认知无线电通信的一个重要前提，它可以分为三大部分：
发射机探测，合作探测，基于干扰的探测。
本文通过学习认知无线电相关的定义，原理，然后研究如何有效地探测频谱孔，以提高频谱的利用率，最终间接地改善无线网络的容量。
重点放在频谱感知功能和频谱探测方法。
关键词：
认知无线电；软件无线电；频谱感知；频谱孔；频谱探测
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Abstract
Cognitiveradioisbasedonsoftwareradiodevelopmentcametoadaptivechangesintheexternalenvironmentoftheintelligentradiotechnology.Basedonitsradiowhenasharpincreaseinthenumberofusers,existingaseriousimbalancedspectrumallocationandspectrumresourcesinthelackofcollapse.Cognitiveradiototheexternalenvironmentthroughthedetection,analysis,reasoning,learningandothermeasures,theachievementofspecificoperatingparametersofthesystem'sreal-timechangeinordertoachievethebestcondition.Itiswithoutprejudicetootherauthorizedusersunderthepremiseofthesmartuseofidlecapacityofthespectrum,butalsohasatanytime,intelligent,highlyreliablecommunicationspotential.Spectrumsensingofcognitiveradiotechnologyisanimportantprerequisiteforcommunication,itcanbedividedintothreemainparts:
transmitterdetection,cooperativedetection,detectionbasedoninterferenceInthispaper,thestudyrelatedtothedefinitionofcognitiveradioprinciple,andthenconsiderhowbesttodetectspectrumholes,toimprovespectrumutilization,andultimatelyimproveindirectlythecapacityofwirelessnetworks.Focusonspectrumsensingfunctionandthespectrumdetectionmethod.
Cognitiveradio；softwareradio；spectrumsensing；KeyWords：
spectrumholes；spectrumdetection
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1绪论1.1研究的背景与意义
随着社会的发展和科学技术的不断进步，在最近几十年中，无线通信技术得到了迅速的发展，被广泛的应用于工业、商业、科学、民用、军事等领域。
伴随无线通信所提供的业务量的增加，人们获得的带宽也迅速的增加，移动通信的速率可能提高到上百兆比特每秒。
但是，即使这样也无法满足人们日益增长的无线接入技术。
众所周知，无线电通信频谱是一种非常宝贵的不可再生的自然资源。
它一般是通过政府授权使用，通信系统只能在指定的专有频段上工作，使用专有的调制解调器，信道协议等。
为了实现多种通信标准同时存在，出现了可编程软件的自适应无线电技术，例如软件定义无线电，可以在有限的预定义的频带之间进行切换。
这种系统虽然灵活但缺乏智能。
进几年，无线电用户数量的迅速增加，现有的频带资源分配已经拥挤不堪，频谱资源贫乏问题日益严重。
为了解决这些问题，出现了许多先进的理论和技术，如链路自适应技术、多天线技术等。
但是这些技术仍受到限制。
美国联邦通信委员会的大量研究表明，有些非授权频带如工业，科学，医用以及移动通信频段过于拥挤，而有些频带则经常地空闲。
于是人们就想，如果系统能够自动的感知周围的环境，探测到某一时刻哪些频段是空闲的，并与该频段的第一用户制定好协议。
第一用户没有使用时，其他用户则可以使用。
这样就能极大的提高频谱的利用率。
于是一种革命性，创造性的智能频谱共享技术——认知无线电（CR），有了初步的构想。
认知无线电通过智能频谱管理来解决频谱资源短缺问题，具有认知功能的无线通信设备以特定的方式工作在频谱空穴，打破日益紧张的有限的可分配频谱的“瓶颈”阻碍[1]。
而且，认知无线电的无线链路和网络层具有智能特性，它能在有限的空间里以最好的方式进行高效地传送信息，从而为日益拥挤的无线通信系统和设备实现频谱资源的高效率、共存、兼容、和互用展示了美好的前景[2]。
随着人工智能和信号处理技术的快速发展，认知无线电会对人类社会未来的通信发展起到巨大的推动作用。
认知无线电的思想在通信的许多领域已经得到应用。
如工作在5GHz频段的IEEE802.11a网络，采用动态频率选择（DFS）和发送功率控制（TPC）机制，避免与雷达信号的干扰；高速下行分组接入（HSDPA）和cdma1XEVDO网络采用的认知调制过程，通过确认用户需要的服务，识别用户工作的最佳环境，进而设定最有效地调制方案、数据速率及发送功率等以满足用户的QoS需求等。
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我国农村地区人口密度比较的低，信号覆盖不充分，频谱并没有被高效的利用起来。
因此在不对授权用户影响的情况下，在农村地区采用认知无线电技术提高传输功率是能够实现的。
当然还有其他的市场可以使用WRAN，目前在许多无线电业务中，频段授权用户可以自由的与其他想使用该频段的用户达成自愿协议。
另外，军用通信中也可以利用认知无线电。
由于我国的海陆空三军通信系统工作在不同的频段，采用不同的调制方式，这就使得他们之间通信极差、反应速度慢、带宽窄、速度极低等缺点。
认知无线电作为一种智能平台，它能够自动感知频谱、优化频谱分配、自动进行频谱管理和提高频谱利用率。
军事应用中的认知无线电能够解决频谱紧张、频谱利用率低和电台间相互干扰等难题。
1.2国内外发展状况国内外发展状况
认知无线电这个术语首先是JosephMitola于1999年在软件无线电概念的基础上提出的[3]。
著名通信理论专家SimonHakin在2005年2月JSACinCommunications上发表了关于认知无线电的综述性文章“CognitiveRadio：
Brain-EmpoweredWirelessCommunications”,开始了国际性的认知无线电技术研究。
认知无线电技术也需要频谱管理政策的支持，2002年12月，FCC指出非授权设备应具备能够识别未占用频段的能力；2003年11月，FCC提出新的量化和管理干扰指标—干扰温度的概念。
以扩展在移动和卫星频段的非授权操作；同年12月FCC成立了认知无线电工作组，明确表示支持认知无线电技术并修正了美国的《电波法》[4]；2004年5月FCC建议非授权无线电可在TV广播频段内操作。
与此同时Ofcom也将认知无线电引入其近期的频谱框架概述报告书中。
前几年国际上召开了两个重要的有关认知无线电技术和动态信道分配的会议：
2004年10月份在Washington召开的“CognitiveRadioConference”，和2005年11月份召开的动态频谱接入（Dyspan）会议。
由美国国防高级研究计划署（DARPA）资助的下一代无线通信（XG）项目，主要研究系统方法和关键技术，以实现基于认知无线电技术的动态频谱应用[5]；英国的移动电信技术虚拟中心开始转向认知无线电的研究中，其多模终端研究小组与布里斯托尔大学通信系统研究中心开始联手进行自适应射频技术的研究；欧洲通信协会资助的端到端重配置网络研究（E2R）项目主要研究如何通过端到端重配置网络和软件无线电技术将未来不同类型的无线网络融合起来。
2007年世界无线电大会（WRC）上通过决议，明确IIU-R将对应用认知无线电系统技术和软件无线电是否需要相关管理政策方面的工作进行研究，并根据研究成果在2011年大会中提出软件无线电和认知无线电系统的管理原则和相关条款。
2007年1月，软件无线电论坛会议上，认知无线电与频谱效率工作组决定对FCC相关的一些工作做出回应。
2008年6月，软件无线电论坛召开了第五十
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九届大会，会议把电视空白频道的使用作为一个重要议题。
2008年信息科学部根据通信领域发展需求，在认知无线电领域设立重点项目群，拟支持4-6个重点项目。
本重点项目群旨在研究认知无线电中的关键技术，并通过应用于已有的无线通信系统，如短波、超短波、移动通信与卫星通信等，验证认知无线电技术的潜力，推动个智能无线网络的发展。
该重点项目群下设的四个重点课题有内在的联系，构成一个有机系统。
课题依次为：
无线频谱环境认知理论与技术、基于认知无线电的通信干扰理论与技术、基于认知无线电的中继与协同通信研究、基于认知的无线资源动态管理与应用。
近几年，我国也开始关注该技术。
国家863计划基金在2005年首次支持了认知无线电关键技术的研究。
“863”计划通信高技术研究开发面向“十一五”快速启动引导课题里提到，对认知无线电技术研究包括几个方面：
基本概念、应用需求、关键技术和实现方案。
在2008世界宽带论坛（BBWF）上，中兴通讯创新的SDR产品B8200和R8860获取了国际电工委员会（IEC）颁发的InfoVision大奖。
2009年1月，中兴通讯SDR8000系列产品获中国联通WCDMA一期18个省的网络建设。
中兴通讯SDR基站设备已在中国内地与香港、印度、土耳其等多个国家和地区得到了规模商用，全球商用数量已达35000台。
2009年2月17日，中兴通讯与澳洲Telstra的附属公司——香港最大移动运营商CSLNWM联合宣布于香港合作建设全球首个基于SDR的HSPA+网络，该网络亦是首个采用SDR技术的大型全IP网络。
1.3论文主要内容与结构安排
论文主要讨论了认知无线电领域的基本概念和关键技术，重点研究了频谱感知技术。
其中对能量检测进行了仿真实验，仿真结果表明，该方法可以有效的进行检测。
第1章介绍了本论文的研究目的和意义，认知无线电技术在国内外的发展现状以及本文所研究的主要内容。
第2章讨论了认知无线电的基本概念和特点，简单介绍CR与软件无线电的联系，还研究了频谱感知技。
第3章讲了无线电的检测技术，并比较了个技术的优缺点，还讲了干扰温度模型。
第4章介绍了基于能量检测的模型，并用MATLAB实现仿真研究，分析结果然后得出容量改进措施。
第5章对全文进行总结，并对未来进行展望。
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2认知无线电基本理论
2.1认知无线电的概念与特征
“认知无线电”这个术语最早是由JosephMitolaⅢ在1999年创造的，是对软件无线电技术的一个特殊扩展。
他描述了认知无线电如何通过无线电知识描述语言（RKRL）与通信网络进行智能的交流，以提高用户业务的灵活性。
认知无线电也是一种智能无线电，无线电终端具备足够的智能或认知能力。
通过自动的感知外界的电磁环境，并对其进行检测、分析、推理、学习等，然后根据结果对系统工作参数（如通信频率、发射功率、调制方式、编码体制等）进行实时的改变，以达到最佳匹配效果，即无论何时何地都能达到通信系统的高可靠性和高效的频谱利用率。
JosephMitola博士提出认知无线电的目的是为了解决频谱资源利用率的问题。
当今的无线网络采用的是固定频谱分配政策，政府对无线频谱资源的规划和使用进行了规定，收发机的使用也需要得到政府的许可。
然而，各国的无线电法规制定部门发现频谱资源利用存在严重的不平衡：
一方面授权频段占用了频谱资源的大部分，但是由于某些地区的第一用户不会时时刻刻的使用该频段，因此就出现了许多的授权频段大部分时间处于空闲状态（频谱空穴）；另一方面非授权频段占整个频谱资源的小部分，然而在该频段上的用户量很多，业务非常的拥挤，无线电频段已趋于饱和。
FCC2003年底的NPRM[7]指出目前分配的授权频段的平均利用率在15℅~85℅之间。
对于固定的授权模式，频谱利用率低是必然的。
为了提高频谱利用率，充分的利用暂时空闲的频谱，灵活的改变频谱分配政策和寻找新的技术是很有必要的。
认知无线电就是针对这一问题提出来的，它的主要任务就是能够自主的发现“频谱空穴”，然后对“频谱空穴”进行合理有效地运用。
对于Mitola博士提出来的认知循环过程则是包括一系列的认知学习步骤，它确定了一个主要在应用层、以通信前后环境和定位为基础的认知圈（CognitiveCycle）模型，如图1所示
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定位观察即刻
正常
紧急
制定计划
原始状态外界环境
新状态学习
判决执行
图1Mitola的认知圈图中描述了认知无线电如何与外界环境进行交互信息，由于外界的刺激及变化，导致认知无线电持续的观察环境、自身定位、制定计划、学习、判决并执行的流程。
这些阶段都安置了机器学习能力。
认知无线电通过分析接收到的信息流来观察它所处的环境。
在观察阶段，通过读取温度，压力等传感器来判断用户前后的通信环境。
在图2.1中“正常”表示在一般情况下认知无线电会对输入的信息流产生计划；“紧急”表示网络信号不可恢复的丢失而引起资源的重新分配，例如通过分析输入信息流寻找另外的射频信道；“即刻”表示发生的意外事件能够直接引起执行阶段的反应。
根据定义，CR应具备两大主要特征：
认知能力和重构能力。
认知能力能够使无线电与周围的环境进行交互活动，进而选择最佳的工作参数来适应环境的无线频谱资源。
这一任务一般采用图2所示的认知环来表示，它包括三个主要步骤：
频谱感知、频谱分析和频谱判决。
频谱感知主要是检测频谱空穴，频谱分析主要是估计频谱感知到得频谱空穴的特性，而频谱判决就是根据这些特性和用户的需求来选择适当的频段进行数据传输。
重构能力是指在不改变任何硬件部分的情况下调整传输功率、载频、调制方式等发射参数。
它的核心思想是指在不对授权用户产生影响的前提下，有效地使用空闲频谱。
一旦该频段被授权用户使用CR有2种应对方式：
一是切换到其它空闲频段通信；二是继续使用该频段，但改变发射统率或者调制方案避免对授权用户的有害干扰。
从认知方面来看，认知无线电就像是信号处理和机器学习过程；从重构方面来看，认知无线电看起来就像是软件无线电在执行通过认知能力而获得的任务。
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发射信号
无线环境射频刺激频谱空间信息
射频刺激
频谱判决频谱空间信息信道容量
频谱感知
频谱分析
图2认知环
2.2认知无线电与软件无线电之间的关系
Mitola于1992年5月首次提出软件无线电（SDR）概念，并将其描述为“可重新编程或者可重构类型的无线电系统”。
软件无线电采用具有开放性、标准化、模块化的通信硬件平台，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。
它还有一层含义是“全数字化”，将宽带A/D和D/A向射频（RF）端靠近，由基带移到中频，甚至射频；不仅在基带数字化，而且要在中频以及射频数字化；不仅接收机数字化，发射机也要数字化。
软件无线电系统是一种比较复杂的数字信号处理系统。
它利用高速DSP处理可以实现工作频段、数据格式、通信协议、信道均衡等功能定义和控制的软件。
而且不同的软件有不同的功能，软件可以根据需要进行升级更新。
认知无线电是对软件无线电进一步的拓展，并描述其为“无线数字设备和相关的网络在无线电资源和通信方面具有充分的计算智能来探测用户通信需求，并根据这些需求来提供最适合的无线电资源和无线业务”【8】SDR强调的是采用软件。
方式实现无线电系统信号的处理，其核心是各种灵活的算法和软件；而CR强调的是无线电系统能够自动的感知外界环境的变化，并据此来调整传输参数，实现最佳匹配，其核心是频谱检测技术。
由此可知，CR不仅包括信号处理，还包括根据相应的任务、政策、规则和目标进行推理和规划的高级活动。
认知无线电可以看成是软件无线电与通信侦察、频谱监视和管理的有效结合。
JohnNotor把认知无线电和软件无线电的关系描述为两个交错的圆，如图
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3所示，软件定义无线电自适应于网络环境，而感知无线电自适应于频谱环境。
这两个概念各自独立又彼此相交。
感知无线电以软件无线电平台为依托，具有高度的自适应性和可重配置性，大多数的感知无线电都是SDR
【9】【10】
。
CognitiveRadioAdaptsSpectrumEnvironmentto
SDRAdaptstoNetworkEnvironment
John图3JohnNotor对CR和SDR的比较
2.3认知无线电的关键技术
认知无线电的关键技术比较的多，在此就介绍一下：
频谱侦听、动态频谱分配（DSA）和功率控制。
（1）频谱侦听认知无线电技术能够实时的连续侦听频谱，以提高频谱检频谱侦听测的可靠性。
由于认知用户不是授权用户，为了不对第一用户产生有害干扰，需要能够独立的检测出空闲频谱和授权用户的再次出现。
一般来说，可靠检测概率要求达到99.9℅[11]。
多径和阴影衰落引起的接收信号强度的减弱使得检测性能降低，另外检测能力本身也有一定得限制，所以为了可靠地检测就需要寻找新的方法。
合作侦听允许多个认知用户之间相互交换侦听信息，这样就能明显的提高频谱的侦听和检测能力。
Ganesan等人提出在多用户单载波和多用户多载波情况下，集中式CR网络通过引入放大中继（AF）合作协议，可减少检测时间，从而提高网络的灵活性合作来提高检测能力[13]。
（2）动态频谱分配在目前的动态频谱分配研究领域中，针对具有不同特动态频谱分配征的无线网络中有关动态频谱分配算法已经做了大量的研究工作。
由于实现完全的DSA要受到很多限制[14]，因此采用的频谱共享技术主要是基于频谱统筹策略。
DSA对授权用户和认知用户之间的信道接入可以进行协调和管理。
文献[]提出了标准的无线礼仪协议的初始框架，规定了主用户与认知用户之
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[12]
。
目前公认的一种理想方
案是同时考虑增强无线射频前端灵敏度、利用数字信号处理增益及用户间的
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间选择频谱的协商机制，主要包括租用频谱协议、补偿协议、频谱使用优先级协议等。
当主用户再次出现时也需考虑其与认知用户之间信道接入的方案。
DSA也可以对多个认知用户之间频谱的选择进行协调，以提高频谱的利用率。
对策论（又称博弈论：
GameTheory）能够分析动态分布式资源分配问题。
通过一些学习能力的改进型对策模型分析分布式动态频谱分配算法。
（3）功率控制功率控制保证第一用户不受干扰是CR技术实现频谱共享的前提，但是功率分配却是造成干扰的主要原因，因此需要研究适合于CR技术的分布式功率控制方法。
考虑到授权用户和认知用户之间频谱共享时的功率分配问题，一种方法是将本地信噪比近似的等于认知用户和授权用户间的距离，然后相应的改变发射功率。
对于合作与竞争共存的多址CR系统，分布式功率控制的研究更为重要。
到目前为止，主要应用信息论和对称论来解决功率控制的问题。
目前主流的方法是采用Markov对策进行分析解决。
实现功率控制的另一种方法是迭代注水法，它是基于信息论的方法。
2.4频谱感知技术
频谱感知能力是认知无线电通信的一个重要的前提。
频谱感知是指能够在时域、频域和空域多维空间，对较宽的频段进行连续的侦听，得知频谱的使用情况，检测到频谱孔，使得认知无线电与周围通信环境相适应。
对于认知用户而言，只要发现在时域或者频域里有一段特定频段未被使用，就可以使用该频段进行通信。
认知用户使用空闲频段的前提是不对主用户产生有害干扰，当感知到主用户在使用该频段时，认知用户只能处于空闲状态，反之，则可以进入该频段，这样就有效地提高频谱利用率。
在进行探测时，第一用户的类型不同频谱感知灵敏度要求也不同。
比如，由于GPS接收机的灵敏度比电视接收器的灵敏度要好，电视广播信号就比GPS信号更容易探测到。
因此，认知无线电的灵敏度一般应该超过第一用户接收机的灵敏度（通常要有30~40dB的余量），以避免“隐蔽终端问题”（HiddenTermina
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