1、认知无线电中频谱感知技术研究Matlab仿真免费分解毕业设计（论文）目：认知无线电中频谱感知技术研究专 业:学生姓名:班级学号:指导教师:指导单位:20分太坑爹了。老子放个免费的日期： 年 月 日至 年 月 日无线业务的持续增长带来频谱需求的不断增加，无线通信的发展面临着前 所未有的挑战。无线电频谱资源一般是由政府统一授权分配使用，这种固定分 配频谱的管理方式常常会出现频谱资源分配不均，甚至浪费的情形，这与日益 严重的频谱短缺问题相互矛盾。认知无线电技术作为一种智能频谱共享技术有 效的缓解了这一矛盾。它通过感知时域、频域和空域等频谱环境，自动搜寻已 授权频段的空闲频谱并合理利用，达到提高现有频
2、谱利用率的目的。频谱感知 技术是决定认知无线电能否实现的关键技术之一。本文首先介绍了认知无线电的基本概念，对认知无线电在WRAN系统、UWB 系统及WLAN系统等领域的应用分别进行了讨论。在此基础上，针对实现认知 无线电的关键技术从理论上进行了探索，分析了影响认知网络正常工作的相关 因素及认知网络对授权用户正常工作所形成的干扰。从理论上推导了在实现认 知无线电系统所必须面对的弱信号低噪声比恶劣环境下，信号检测的相关方法 和技术，并进行了数字滤波器的算法分析，指出了窗函数的选择原则。接着详 细讨论了频谱检测技术中基于发射机检测的三种方法：匹配滤波器检测法、能 量检测法和循环平稳特性检测法。为了检
3、验其正确性，借助 Matlab工具，在Matlab平台下对能量检测和循环特性检测法进行了建模仿真，比较分析了这两 种方法的检测性能。研究结果表明：在低信噪比的情况下，能量检测法检测正 确率较低，检测性能远不如循环特征检测。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。关键词：感知无线电；频谱感知；匹配滤波器感知；能量感知；合作式感知；ABSTRACTThe devel opment of the wireless bus in ess results in in
4、 creas ing n eeds of the freque ncy. Wireless com muni cati on is facing a challe nge. Radio resource is distributed by the gover nment, which gen erally rises in equality and waste of Radio resource. So, there is a contradiction between the waste and the shortage of Radio resource. The cog nitive r
5、adio, a tech no logy of in tellige nt sp ectrum shari ng, effectively bridges the contradiction. Based on the perception of time domain, freque ncy doma in and airs pace automatic discovery and reas on ably use of free spectrum among distributed spectrum, the cognitive radio improves the utilization
6、 ratio in the existi ng freque ncy. Sp ectrum sensing is one of the sky tech no logies in the cog nitive radio.Based on the introduction of Cognitive Radio(CR) and the discussion of app licati ons of CR in WRAN, UWB and WLAN, the key tech no logies of achievi ng CR were researched in theory and the
7、factors con trolli ng cog nitive n etwork and the in terfere nces raised by cog nitive n etwork in no rmal worki ng of authorized user were an alyzed. The related method and tech no logy of sig nal detecti on was theoretically derived in the severe en vir onment of weak sig nal and low sig nal to no
8、 ise ratio that is must facing to achieve CR. With the algorithm an alysis of digital filter, the selectio n principle of windows function was proposed. Three spectrum detection methods n amely match ing filter detecti on way, en ergy detect ion way and cycle property detect ion way, were in vestiga
9、ti on in great detail. For testi ng and verify ing the correct ion of above results, the detailed modeli ng and simulatio n of en ergy detect ion and cycle property detecti on were comp leted with Matlab and the p erforma nces of that two detecti ons were also comp ared. The results show that the en
10、 ergy detect ion way , in the low SNR , is low and the property of that is very poorer tha n the cycle property detection. And this paper suggested that improvement of algorithm of wi ndow fun ctio n can p romote the p erforma nee of cycle detect ion algorithm.Secon dly, detailed an alysis of the co
11、g nitive radio is also and the key tech no logy research status. Elaborated on spectrum the sensing techniques and concepts Research,then points out the research work in the spectrum sensing some of the main issues of concernaround these issues in depth study also.Key Words： Cognitive Radio； Spectru
12、m Sensing Matched filter Sensing； Energy Sensing； Cooperative Sensing第一章绪论1.1认知无线电的研究背景及意义 1.2认知无线电技术的国内外发展现状 1.2.1国际上和我国认知无线电技术的研究情况1.3全文的主要结构和研究内容 第二章认知无线电技术2.12.22.32.42.5频谱感知技术 频谱分配技术 功率控制技术 认知无线电技术的应用 2.4.1认知无线电在 2.4.2认知无线电在 2.4.3认知无线电在 本章小结 WRAN中的应用.UW孫统中的应用WLAN中的应用.第三章认知无线电频谱感知技术3.13.2频谱感知技术系
13、统模型 单节点频谱感知技术3.2.13.2.23.2.33.2.4匹配滤波器感知 能量感知 循环平稳感知 单节点频谱感知的局限性3.33.4合作式频谱感知技术 3.3.1合作式频谱感知的概念 合作式频谱感知的关键技术3.4.13.4.23.4.3“与”准则“或”准则“K秩”法3.53.6基于干扰温度的感知技术 本章小结 第四章实验仿真4.14.24.34.44.5实验仿真环境 能量检测仿真与结果. 匹配滤波器检测仿真与结果 合作式检测仿真与结果. 本章小结 第五章结束语5.1论文总结89101111111212141718182023262828303031323335373737383941
14、4343错误！未定义书签。参考文献46附录48第一章绪论1.1认知无线电的研究背景及意义随着信息时代的到来，无线频谱已成为现代社会不可或缺的宝贵资源。它 目前主要由国家统一分配授权使用，一个频段一般只能供一个无线通信系统独 立使用，这种静态的无线频谱管理方式，简单而有效的避免了不同无线通信系 统间的相互干扰。但是在这些已分配的授权频段与非授权频段中存在着频谱资 源利用的不平衡性：一方面，授权频段占用了整个频谱资源的很大一部分，但 其中不少频段处于空闲状态；另一方面，开放使用的非授权频段占整个频谱资 源的很少一部分，但在该频段上的用户很多，业务量也很大，无线电频段已基 本趋于饱和。于是在无线和移
15、动通信迅速发展的今天，频谱资源贫乏的问题也 显得日益严重。因此，寻求一种更有效的频谱管理方式，充分利用各地区、各 时间段的空闲频段，缓解不断增长的频谱的需求矛盾，成为人们关注的问题。为了解决上述问题，基本思路就是尽量提高现有已分配频谱的利用率。于 是，认知无线电的概念应运而生。其基本思想是：具有认知功能的无线通信设 备可以按照某种“伺机(Opportunistic Way )”的方式接入授权的频段内，并 动态地利用频谱。这种在空域、时域和频域中出现的未被利用的频谱资源被称 为“频谱空穴”。认知无线电的核心思想就是使无线通信设备具有发现“频谱空 穴”并合理利用这些频谱空穴的能力。认知无线电(CR
16、 Cognitive Radio )技术的兴起和发展为解决无线频谱资 源紧缺的问题提供了全新的途径。它通过允许认知用户自适应地感知授权频段 在时间和空间上的频谱空穴，机会式地利用空穴进行信号传输，达到提高频谱 的利用率的目的。CR还使得无线通信系统可不经授权地使用传输特性更好、带 宽更宽的频段，有利于平衡通信的成本和性能；同时，宽带无线通信系统通常 所具有大动态范围的业务流量特性，正适合于在较宽的动态可用频段内进行机 会式传输。因此，引入认知机制不仅是提高未来无线通信系统频谱利用问题的 有效途径，也是技术和应用上的迫切需求。1.2认知无线电技术的国内外发展现状1.2.1国际上和我国认知无线电技
17、术的研究情况在认知无线电的发展过程中，对于认知无线电的定义和其功能的认识存在 不同的观点。其中具有代表性的是 Mitola、SimonHaykin及美国联邦通信委员 会FCC勺观点，多种观点各有偏重，相互补充。根据国内外的研究情况，一般来说，认知无线电频谱感知技术可以分为基 于发射机的检测、合作(协作)检测、基于干扰的检测和基于接收机的检测这几 大类。当然，在实际的感知算法中，为了提高检测性能，各种方法会有所融合。从2000年Jose ph MiOtla提出了认知无线电(CR,Cog ntive Radio)的概念， 短短6年，认知无线电技术受到了许多工业组织，大学，研究中心，企业的支 持和推
18、进，他们认为CR技术是继软件定义无线电(SDR)技术后的另一个大事件。 许多著名研究机构和大学的研究中心都开始了对认知无线电理论、实现方式和 实际应用的研究；各标准化组织和行业联盟也纷纷开展相关的研究， 并且开始着手制定认知无线电的标准和协议。著名通信理论专家 Sim on Hakin在2005年2月JSACi nCommu nicatio ns上 发表了关于认知无线电的综述性文章“ Cog ni tive Radio:Brai n-Emp oweredWireless Communications ”，开始了国际性的认知无线电技术研究。随后 Berkeley、Virgi nia、Steve
19、ns等大学研究所和软件无线电论坛等研究组织纷 纷展开研究，Rutgers大学Winlab实验室还进行了认知无线电平台的开发。目 前，国外大学和一些科研机构也开始投入认知无线电技术的研究当中。其中具 有代表性的是：(a)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；(b)维吉尼亚无线通信技术中心主要关注基于遗传算法的认知模型的研究 及认知无线电节点引擎实验床的研发；(c)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
20、研究；(d)欧洲通信协会资助的DRiVE OverDRiVE和TRUST 目主要关注在混合 的多无线电网络中频谱的动态分配和流最控制，该协会同时资助的端到端重配 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，对基于认知无线电应用的市场模型、认知无线电网络的定价策略和计费策略也进行了初步研究；(e)此外，美国加州大学伯克利分校、荷兰的代尔夫特大学、德国柏林技术 学院等也有关于认知无线电方面的研究。认知无线电技术的实现需要频谱管理政策的支持。近几年一些频谱政策管 制部门，如美国联邦通信委员会(FCC)、英国通信办公室(Ofcom)对该技
21、术给予 了积极的支持。2002年12月，FCC旨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的指标值一干扰温度的概 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 ；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。近两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“ Cognitive Radios Conferen
22、ce ”，和2005年11月份召开的动态频谱接入(DySPAN会议。前者的主要议题为：对 于认知无线电的频谱政策一军事和商业要求，从软件定义的无线电发展到认知 无线电，用于研发自适应频谱管理的工具和技术：智能天线、 传感器和接收机，自适应调制和波形技术等；动态频谱接入 (DyS PAN会议的主要议题是基于认知 无线电的动态频谱分配和接入技术，会议发表了 80多篇文章。美国国防高级研究计划局(DAR PAE.经率先进行了如何更有效地利用频谱 资源的问题的研究。XG计划正在开发允许多用户共享使用频率的技术。XG计划的研究目标是：(1)开发实现灵活频谱分配的技术：检测并描述RF环境:辨认未使用频谱(
23、“机会”)；分配并开发“机会”。(2) 开发基于软件的实现灵活政策的政策机制 ：定义抽象的行为，例如：“信道可以在t秒内腾出来”；所有的行为都必须是可描述的，设备的每一个 操作模式都是对应着一条特定的策略；于软件，即策略约束可以通过下载软件 来实现。经过第一阶段和第二阶段的研究，XG计划取得了以下成果：收集并分析了 多种情况下的RF环境;开发了体积小、高性能的传感器；开发了策略语言和无 线电接口定义；设计了三种可行性方案以实现干扰避免、网络操作和集合。目前进行的第三阶段的研究有：在原有电台上运用XG技术，集成无线电台、 自适应算法、传感器部件、策略控制和无线电软件；继续开发关键的策略控制 技术
24、；进行更多的现场演示。E2R是欧洲委员会第六框架项目的一个综合性项目，是“ 3G以后无线移动系统和平台”的战略目标的核心项目。e2r系统可为多种空中接口、协议和应用提供通用的平台和相关的工作环境，通过基于认知算法的可升级和可重配置的架构来优化资源利用；同时可重 配置性可以灵活地修改相关设备的软件设置，提高网络和设备的性能。E2R系统要求实现12个系统功能：服务级协议，安全，干扰，下载，设备 重配置，重配置管理，服务适应，垂直移交，服务供应，系统监测，动态资源 管理，频谱转移。目前E2R项目正处于第二阶段，E2R2于2006年1月1日启 动。BWR是由产业公司、加利福尼亚大学伯克利分校的电子工程
25、和计算机科学 系的师生，以及吉规模系统研究中心的研究人员三方合作的研究团体，致力于 研究低功耗高度集成CMO的实现和先进的通信算法。BWR对认知无线电的研究致力于制定认知无线电策略和与开发相关的技术 议题。具体的研究有以下几个方面：认知无线电的物理层，认知无线电的多用户， 认知无线电的试验平台，认知无线电的 MACS计，认知无线电规则。研究中心正在开发一个认知无线电测试平台，在物理层和数据链路层实现 了六个系统功能和两个控制信道。六个系统功能分别为物理层的频谱检测、信 道估计、数据发射，数据链路层的群管理、链路管理， MAC介质接入控制）；两个控制信道分别是用于群管理的全局控制信道 （UCC）
26、以及特定群内用户使用的群控制信道（GCCWINLAB198年成立于新泽西州的大学，属于工业大学合作的研究中心，主 要致力于无线技术的研究，特别是下一代无线技术的研究。WINLAB4认知无线电领域的研究项目有“开放频率使用的认知无线电”和“认知无线电平台”。开放频率使用的认知无线电项目启动于 2004年秋，与朗讯科技合作，用认 知无线电算法和架构研究无线频率开放的使用。主要研究议题包括：共享频率链 接的调度算法、定价、频谱仲裁和干扰避免机制。认知无线电平台于2004年9月启动，WINLABW贝尔实验室，朗讯科技和 乔治亚工学院合作的认知无线电硬件平台项目，目标是开发一个以网络为中心 的认知无线电
27、平台，包含一个三频段灵活 RF前端，快速频谱扫描，灵活多带宽 的OFD碉制的软体无线电台，协议处理的分组引擎，处理频谱政策和频谱控制 的嵌入式CPUCWT是 一个学科间交叉的研究中心，由维吉尼亚工学院的五个学院的师生 组成。致力于在无线网络和相关系统、部件上进行多学科间的创新。CTV在认知无线电方面主要有两个项目：美国国家科学基金的“无线网络的 实现技术一TV认知引擎”，主要开发并测试一个使用认知无线电技术的系统原 型，在未使用的TV频道中进行类似于VHF的未许可操作，研究合法无线电和认 知无线电相互协作的网络行为；美国国家司法协会的“全球协作的公共安全认知 无线电的原型”，主要建立认知无线电
28、模型，识别三个通用的互不兼容的公共 安全波形标准，并且相互协作。TV正在计划构建一个大型的认知无线电网络（超过1000个节点），现在正 处于初步计划阶段。下面主要介绍ITU、软件无线电论坛和IEEE相关工作的进展。ITU关于认知无线电的研究工作目前仍隶属于 ITU-R 8A工作组中的软件无线电研究课题。因为软件无线电不足以涵盖认知无线电的所有范畴， 所以ITU-R于2006年3月提出一项新的建议将认知无线电单独作为一个研究课题进行研究 这说明ITU已经充分认识到认知无线电技术在未来通信发展中的重要意义。2003年8月，软件无线电论坛就开始探讨放松当前严格的频谱划分政策的 可能性，研究通过开发新
29、的智能无线电设备从而提高频谱利用效率。该论坛于 2004年10月成立了认知无线电工作组，专门开展有关认知无线电技术研究。 鉴于软件无线电论坛的特殊任务，该工作组主要致力于开展认知无线电平台的 分析和多模式调整功能的研究。IEEE于2004年11月正式成立IEEE802.2工作组-无线区域网络，这是第 一个世界范围的基于认知无线电技术的空中接口标准化组织。系统将分配给电 视广播的VHF/UHF频带的频率用作宽带访问线路，以支持未许可的认知无线电 设备使用未占用的TV频带。WRA设备的关键是无需频率许可，与电视等已有 的主要用户共存。当主要用户工作时，WRAr不占用相应频段；当检测到某些频 段没有
30、被主要用户使用时， WRA设备可以自动使用这些频率资源；WRA设备在 工作期间发现主要用户在相同频段开始工作时，将迅速退让出相应频段。计划207年IEEE802.2将要制定的是无线通信的 PHY层与入L人C层规格，数据通信 频率为Mbit/秒-数十Mbit/秒o802.2标准工作组于2005年9月完成了对 WRAN 的功能需求和信道模型文档，2006年开始对各个公司提交的提案进行审议和合 并，并于2006年3月形成了最终的合并提案作为编写标准的基础， 下半年完成标准化作业，预计 2008年最终的标准将会被批准。802.16h 工802.16 系WIMA由于缺乏可用频段，专门成立了致力于解决共存
31、问题的 作组，可以使WIMAXS用于UHF下电视频段，利用认知无线电技术使 列标准可以在许可频段获得应用。802 .2和802.16h都只是认知无线电的简单应用，为了进一步研究认知无 线电IEEE于2005年成立了正EE1900标准组，进行与下一代无线通信技术和高 级频谱管理技术相关的电磁兼容研究。该工作组对于认知无线电技术的发展和 与其它无线通信系统的协调与共存有着极其重要的意义。认知用户相比主要用户具有更低的频谱接入优先权。为不对主要用户造成 有害干扰，认知用户需能够独立地检测出空闲频谱及主要用户的出现。这就要 求认知用户能够实时地连续侦听频谱，以提高检测的可靠性。为对主要用户不 造成有害
32、干扰，可靠检测概率要求达到 99.9%。早期的检测方法有采用导频信号和周期平稳过程特征检测等，但检测性能 会随着多径和阴影衰落引起的接收信号强度的减弱而降低，另外检测能力本身CR网络通过也有一定的限制lln ,因此为实现可靠检测需要探索新的方法。目前的仿真和分 析表明，采用合作分集的方法可达到上述的可靠检测概率要求。合作侦听允许 多个认知用户之间相互交换侦听信息，这可显著提高频谱的侦听和检测能力。 Can esan等人提出在多用户单载波和多用户多载波情况下，集中式引入放大中继合作分集协议，可减少检测时间，从而提高网络的灵活性。考虑 到实际网络中中继节点发送功率有限的情况， Can esan等人又进一步对分布式CR网络分集增益的提高进
