新一代移動通信技術(shù)9-4-認(rèn)知無線電第二章

2013年7月第二章空閑頻譜感知檢測技術(shù)認(rèn)知無線電技術(shù)與應(yīng)用一、概述內(nèi)容提綱

二、主用戶發(fā)射端檢測三、主用戶接收端檢測

四、協(xié)作檢測

五、感知檢測技術(shù)比較六、其他幾種算法及有待于解決的問題概念

頻譜檢測：感知用戶對外界無線環(huán)境的感知，確定“頻譜空洞(spectrumhole)”待查頻段分為三種情況：黑空：主用戶占用程度高，干擾大，不能被感知用戶使用灰空：被授權(quán)用戶部分占用，存在一定程度的功率干擾，基本不被感知用戶使用白空：未被授權(quán)用戶占用，僅存在環(huán)境噪聲，可以被感知用戶非授權(quán)的使用一、概述圖1頻譜空洞示意圖一、概述檢測周期檢測某感興趣的頻段是否存在主用戶信號，判斷該頻段是否處于空閑狀態(tài)，從而決定該頻段是否可用。周期性的檢測外部無線環(huán)境變化。一、概述圖2檢測和利用空閑頻譜示意圖頻譜檢測算法分類

一、概述圖3主要檢測方法的分類檢測性能的重要參數(shù)高的虛警概率會導(dǎo)致低的頻譜利用率高的漏檢概率會導(dǎo)致檢測不到正處于工作狀態(tài)的主用戶一、概述圖4檢測性能參數(shù)本地檢測中虛警概率本地檢測中檢測概率本地檢測中漏檢概率協(xié)作檢測中虛警概率協(xié)作檢測中檢測概率協(xié)作檢測中漏檢概率

主用戶發(fā)射端檢測是感知用戶通過分析偵聽到的信號中是否存在主用戶信號來判斷主用戶發(fā)射機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)而判斷感興趣的頻譜處于占用狀態(tài)還是空閑狀態(tài)，它是一種假設(shè)主用戶接收端位置未知情況下的檢測。二、主用戶發(fā)射端檢測

感知用戶接收到的信號

主用戶信號

加性高斯白噪聲

h

信道幅度增益

匹配濾波器檢測

最佳使用情況：感知用戶知道主用戶信號的先驗(yàn)信息（如調(diào)制類型、脈沖整形、幀格式等）二、主用戶發(fā)射端檢測圖5匹配濾波器檢測框圖匹配濾波器檢測優(yōu)點(diǎn)最大化信噪比同時達(dá)到較高的處理增益所需時間比較少缺點(diǎn)檢測方法的性能受獲得的主用戶信號的先驗(yàn)信息影響較大相干檢測，對相位同步要求很高計算量較大

二、主用戶發(fā)射端檢測能量檢測在大多數(shù)情況下，匹配濾波器檢測方法要求的信號先驗(yàn)信息以及嚴(yán)格要求的同步都不能滿足，此時可以考慮適用于任何信號且實(shí)施簡單的能量檢測算法。二、主用戶發(fā)射端檢測圖6傳統(tǒng)能量檢測算法框圖能量檢測

傳統(tǒng)能量檢測對于給定的信號帶寬B，需要與信號帶寬相匹配的前濾波，不能夠很容易的進(jìn)行改變，特別是在窄帶信號和正弦波信號中。

周期圖能量檢測方法：通過選擇相應(yīng)的頻率子載波，任意帶寬的信號都可以使用該方法進(jìn)行處理，是經(jīng)典的功率譜估計方法，計算效率高但頻譜分辨率低。二、主用戶發(fā)射端檢測能量檢測二、主用戶發(fā)射端檢測圖7應(yīng)用周期圖的能量檢測算法框圖能量檢測

為一般的MarcumQ函數(shù)

衰落情況下信噪比的概率分布函數(shù)二、主用戶發(fā)射端檢測信道幅度增益h是隨陰影或衰落變化的，此時平均檢測概率：能量檢測對數(shù)正態(tài)陰影衰落二、主用戶發(fā)射端檢測漏檢概率與虛警概率的關(guān)系對應(yīng)圖陰影的存在使得頻譜檢測變得困難越大，能量檢測的性能越不好圖8不同對檢測性能的影響能量檢測瑞利信道二、主用戶發(fā)射端檢測漏檢概率與虛警概率的關(guān)系對應(yīng)圖瑞利信道下能量檢測的性能明顯劣于AWGN下的檢測性能圖9

AWGN與Rayleigh信道下檢測性能對比能量檢測能量檢測中若存在噪聲不確定性，對感知用戶來說有可能發(fā)生不可檢測的現(xiàn)象。即對于給定的噪聲不確定量

xdB，可以計算出一個信噪比的門限值，當(dāng)環(huán)境中的信噪比的值低于該門限值時，無論抽樣的個數(shù)為多少，能量檢測算法都不能判斷出是否存在主用戶信號。二、主用戶發(fā)射端檢測圖10噪聲不確定性能量檢測優(yōu)點(diǎn)：能量檢測算法相對簡單、易實(shí)施是一種非相干檢測，對相位同步要求不高，是一種次優(yōu)的檢測器限制噪聲不確定性的影響檢測門限值的設(shè)定易受到未知的或變化的噪聲的影響不能分辨出有用信號、噪聲和干擾適用于擴(kuò)頻信號、直接序列信號以及跳頻信號二、主用戶發(fā)射端檢測循環(huán)平穩(wěn)特征檢測循環(huán)平穩(wěn)特征檢測：利用主用戶信號的頻譜相關(guān)特性，通過分析信號譜相關(guān)函數(shù)中循環(huán)頻率的特性來確定主用戶信號是否存在。在二元假設(shè)模型中，應(yīng)用循環(huán)平穩(wěn)特征檢測，容易得到如下所示的關(guān)系式：二、主用戶發(fā)射端檢測信道沖擊相應(yīng)的傅立葉變換

循環(huán)頻率為零不存在主用戶信號時的功率譜密度

要檢測的信號的循環(huán)功率譜密度

信號的循環(huán)頻率循環(huán)平穩(wěn)特征檢測優(yōu)點(diǎn)：能夠?qū)⒃肼暤哪芰亢椭饔脩粜盘柕哪芰繀^(qū)分開來可以完全擺脫背景噪聲的影響，在信噪比比較低的情況下也能夠有很好的檢測性能缺點(diǎn)：計算的復(fù)雜度高所要求的觀測時間較長二、主用戶發(fā)射端檢測循環(huán)平穩(wěn)特征檢測循環(huán)特征檢測算法不僅僅可以用來檢測主用戶信號的有無，而且還可以跟其他技術(shù)結(jié)合通過循環(huán)譜分析將每種信號類型獨(dú)特的特征提取出來，來對信號進(jìn)行辨識以提高檢測的性能和效率。利用CDP（cyclefrequencydomainprofile）來檢測信號的有無，然后再通過隱含馬爾可夫模型（hiddenmarkovmodel,HMM）來對信號進(jìn)行進(jìn)一步的辨識。二、主用戶發(fā)射端檢測循環(huán)平穩(wěn)特征檢測二、主用戶發(fā)射端檢測圖11循環(huán)隱含馬爾可夫鏈辨識框圖本振泄漏功率檢測本振泄露功率檢測是根據(jù)主用戶接收機(jī)射頻前端是否存在本地振蕩器泄漏功率進(jìn)行判斷的。目前無線電接收機(jī)基本上都是超外差式接收機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖所示，為了將RF信號下變頻到中頻（IF）信號，需要本地振蕩器。將本振調(diào)諧到一特定頻率并于輸入的RF信號混合，則此RF頻段可下變頻到IF頻段。三、主用戶接收端檢測圖12超外差接收機(jī)結(jié)構(gòu)本振泄漏功率檢測當(dāng)主用戶接收機(jī)工作時，天線接收的高頻信號經(jīng)過接收機(jī)內(nèi)的本地振蕩器后會產(chǎn)生特定頻率的信號，一些信號不可避免的從天線泄露出去，該方法就是通過檢測該泄露信號的有無來判斷接收機(jī)是否在工作。實(shí)際的應(yīng)用中，直接讓感知用戶來檢測本振泄漏功率有點(diǎn)不切實(shí)際，原因有以下兩個方面：對認(rèn)知無線電的接收機(jī)而言，遠(yuǎn)距離的檢測本振泄漏是有困難的本振泄漏功率是變化的，依賴于接受模型和時間，若認(rèn)知用戶利用變化的功率來近似估計主用戶接收機(jī)的話，誤差會很大三、主用戶接收端檢測本振泄漏功率檢測將小的、低成本的傳感器安置在接收端，當(dāng)傳感器檢測到本振泄漏功率時，會以特定的功率通過一個特殊的控制信道（比如可使用420MHZ-450MHZ的未授權(quán)頻段）通知利用該區(qū)域信道的感知用戶，以保證不對主用戶產(chǎn)生干擾。三、主用戶接收端檢測圖13傳感器節(jié)點(diǎn)通知感知設(shè)備示意圖基于干擾溫度的檢測干擾溫度包含原始的噪聲基底和感知用戶產(chǎn)生的干擾，計算公式為：三、主用戶接收端檢測

為在帶寬為B的頻帶內(nèi)，處的平均干擾功率k為波茲曼常數(shù)干擾溫度的單位為開爾文基于干擾溫度的檢測當(dāng)主用戶系統(tǒng)允許感知用戶接入時，感知用戶會對主用戶系統(tǒng)增加新的干擾。但是，只要干擾溫度小于主用戶所能容忍的干擾溫度的最大限（即干擾溫度限），就不會對主用戶系統(tǒng)造成不適當(dāng)?shù)母蓴_，感知用戶就可以借用想使用的頻譜進(jìn)行通信。三、主用戶接收端檢測圖14干擾溫度模型基于干擾溫度的檢測干擾溫度機(jī)制的實(shí)施存在的問題：感知用戶在目前工作效率已經(jīng)很高的主用戶系統(tǒng)中以共享頻譜的方式接入工作的有效性并不高感知用戶可以共享工作的機(jī)會很小感知用戶設(shè)備的引入將會導(dǎo)致主用戶系統(tǒng)噪聲水平增加，減小系統(tǒng)的覆蓋范圍、容量和服務(wù)質(zhì)量共享情況下，干擾溫度的檢測在很多情況下存在困難自我檢測：對授權(quán)用戶產(chǎn)生干擾或降低頻譜資源的利用率間接檢測：受到檢測相關(guān)性和檢測機(jī)安裝位置的限制，在很多場合下無法工作直接檢測：主用戶系統(tǒng)要有測量干擾溫度值的能力三、主用戶接收端檢測協(xié)作檢測的必要性四、協(xié)作檢測圖15協(xié)作檢測的必要性頻譜檢測工作的實(shí)施只能靠感知用戶對主用戶信號的截獲來進(jìn)行檢測。在主用戶信號被截獲的過程中，不可避免的受到多徑、陰影以及本地干擾等因素的影響，造成感知用戶截獲的信號過于微弱而導(dǎo)致錯誤判斷，從而對主用戶系統(tǒng)造成干擾。協(xié)作檢測的分類集中式：在該種結(jié)構(gòu)中，感知系統(tǒng)的基站作為感知融合中心，匯總該區(qū)域內(nèi)的感知用戶的本地頻譜檢測結(jié)果，并做出最終判決。分布式：在該種結(jié)構(gòu)中，各個參與協(xié)作的感知用戶間相互交流感知信息，作出最后的判決。四、協(xié)作檢測協(xié)作檢測的分類四、協(xié)作檢測圖16協(xié)作檢測示意圖融合準(zhǔn)則OR：只要有一個感知用戶支持某判決（

或者

），基站最終判決結(jié)果就判為該判決。該融合方案有較小的漏檢概率和較大的虛警概率。進(jìn)行協(xié)作后的虛警概率和檢測概率分別為：四、協(xié)作檢測K為參加合作的感知用戶數(shù)和分別表示第i個感知節(jié)點(diǎn)的檢測概率和虛警概率融合準(zhǔn)則四、協(xié)作檢測圖17參與協(xié)作的用戶數(shù)量對增益的影響協(xié)作檢測增益是參與協(xié)作用戶數(shù)量的函數(shù)，協(xié)作增益隨著用戶數(shù)量的增加而增大。在給定檢測概率為0.1時，從單個用戶到5個用戶，檢測增益從63%提升到97%，在可靠性上有了很大的提升。融合準(zhǔn)則四、協(xié)作檢測兩感知用戶獨(dú)立衰落時，此時的協(xié)作增益是最大的；當(dāng)二者的距離為20米時，雖然檢測性能跟獨(dú)立衰落時相比受到嚴(yán)重影響，但是仍然優(yōu)于沒有協(xié)作時單個用戶的本地頻譜檢測性能。即檢測概率隨著兩感知用戶距離的增大而單調(diào)增加，增加感知用戶的距離，以此來減小相關(guān)系數(shù)，增加系統(tǒng)檢測的可靠性。圖18陰影相關(guān)性對檢測性能的影響融合準(zhǔn)則四、協(xié)作檢測門限值設(shè)定方式：由融合中心設(shè)定的、各個感知用戶相同的固定門限值各個感知用戶根據(jù)自己所處環(huán)境獨(dú)立進(jìn)行估計而設(shè)定估計門限值情形下的性能明顯優(yōu)于固定門限值時的性能圖19不同門限值設(shè)定方法對協(xié)作增益的影響融合準(zhǔn)則四、協(xié)作檢測2根天線可將檢測性能提升10%，4根天線可以提升25%。但是4根天線時，檢測增益的提升就達(dá)到了飽和狀態(tài)，即使天線數(shù)再增加，性能的改善就很不明顯了圖20天線個數(shù)對協(xié)作增益的影響融合準(zhǔn)則AND：當(dāng)所有的感知用戶都支持某判決時（

或者

），基站最終判決結(jié)果才為該判決。與OR規(guī)則相比該融合方案犧牲了漏檢概率來換取虛警概率的減小。進(jìn)行協(xié)作后的虛警概率和檢測概率分別為：四、協(xié)作檢測K為參加合作的感知用戶數(shù)和分別表示第個感知節(jié)點(diǎn)的檢測概率和虛警概率融合準(zhǔn)則四、協(xié)作檢測圖21協(xié)作檢測中應(yīng)用Chair-Varshney準(zhǔn)則信息融合中心處的融合函數(shù)表示為：1表示最終判決為0表示最終判決為和分別表示第個感知節(jié)點(diǎn)的漏檢概率和虛警概率加權(quán)的序貫檢測方案(WSPRT)序貫檢測(SPRT)也稱為序列檢測，它是一種非固定樣本數(shù)（或固定時間）的檢測，事先不確定觀測時間而是留待檢測過程中確定。它是分段進(jìn)行的，它將觀測過程分成許多持續(xù)期比較小的的階段，階段的數(shù)目是個隨機(jī)變量，具體值要在檢測過程中確定。在每一個小階段終了時，系統(tǒng)要根據(jù)判決規(guī)則做出判斷。傳統(tǒng)的序貫檢測以似然比作為判決統(tǒng)計量：主用戶不存在時的概率質(zhì)量函數(shù)主用戶存在時的概率質(zhì)量函數(shù)四、協(xié)作檢測加權(quán)的序貫檢測方案(WSPRT)在加權(quán)序貫檢測中，檢測統(tǒng)計量可以修正為：四、協(xié)作檢測該方案是一種雙門限值檢測方案，在系統(tǒng)給定虛警概率和漏檢概率的條件下，可以分別求得兩個門限值為：判決準(zhǔn)則為：加權(quán)的序貫檢測方案(WSPRT)適用于存在惡意感知節(jié)點(diǎn)時的檢測，這種節(jié)點(diǎn)謊報周圍的無線環(huán)境狀況已達(dá)到自己的目的。當(dāng)惡意節(jié)點(diǎn)數(shù)量的浮動范圍比較大時（0-100），加權(quán)序貫方案下的檢測概率明顯優(yōu)于其他幾種方案。四、協(xié)作檢測圖22加權(quán)序貫檢測于其他幾種方案的性能比較基于D-S理論的檢測方案和表示感知用戶的本地判決（分別表示判定為

和

）是可信的。表示兩種假設(shè)都有可能，即感知用戶本地判決的不可信性。四、協(xié)作檢測圖23單個感知用戶處的判決結(jié)果分類基于D-S理論的檢測方案基本概率分布(basicprobabilityassignment,BPA)估計計算可信度和不可信度基于D-S證據(jù)理論的可信度融合判決四、協(xié)作檢測圖24基于D-S理論的檢測方案基于D-S理論的檢測方案左圖為采用D-S證據(jù)理論融合方案和采用AND準(zhǔn)則、OR以及單個用戶檢測性能的對比，其中本地頻譜檢測采用的是能量檢測算法，右圖為應(yīng)用D-S證據(jù)理論融合方案與不同信道情況下單個用戶的檢測性能對比。D-S證據(jù)理論融合方案明顯優(yōu)于其他幾種方案。有力的證明了把置信度系數(shù)考慮進(jìn)去是必要的。四、協(xié)作檢測圖25基于D-S證據(jù)理論分布檢測算法的ROC曲線接收端協(xié)助發(fā)射端進(jìn)行檢測四、協(xié)作檢測圖26協(xié)作的另外一種理解協(xié)作檢測方式能夠提高整個感知系統(tǒng)的檢測性能，但是這是以增加網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)為代價的，特別是在資源受限的網(wǎng)絡(luò)中，各個感知節(jié)點(diǎn)執(zhí)行本地頻譜檢測后做出的判決要傳遞給信息融合中心（基站或者是某個感知節(jié)點(diǎn)），占用了系統(tǒng)的資源。此外，協(xié)作檢測也不能解決因?yàn)椴荒艽_定主用戶接收端位置而造成的不確定性。四、協(xié)作檢測五、感知檢測技術(shù)比較主用戶發(fā)射端檢測主用戶接收端檢測是否需要傳感器否是是否需要控制信道是是是否存在隱藏節(jié)點(diǎn)問題是否頻譜利用率低高對檢測能力的要求高低是否需要相互協(xié)作是有合作可以提高性能應(yīng)用環(huán)境室內(nèi)室外環(huán)境皆可主要在室內(nèi)環(huán)境中多步頻譜檢測方法六、其它幾種頻譜檢測算法圖27感知接入系統(tǒng)裝置的功能模塊多步頻譜檢測方法六、其它幾種頻譜檢測算法圖28多步頻譜檢測流程圖多步頻譜檢測方法六、其它幾種頻譜檢測算法圖29MRSS功能模塊框圖在頻譜粗檢測算法中，基于小波變換的多分辨率頻譜檢測(Multi-ResolutionSpectrumSensing,MRSS)被用作第一步的粗檢測。多步頻譜檢測方法六、其它幾種頻譜檢測算法為了進(jìn)一步提高M(jìn)RSS算法的可靠性，可以對多次計算求得平均：為第n個在處計算所得到的MRSS值多步頻譜檢測方法六、其它幾種頻譜檢測算法圖30（a）輸入信號的頻譜圖下圖給出了輸入射頻信號的功率譜密度圖，（b）圖采用的檢測方式的仿真顯示了三種輸入信號的大致形狀，（c）圖的譜檢測方式則比較精確的顯示的三種輸入信號的形狀。MRSS（b）圖所花費(fèi)的時間很短，大概是（c）圖檢測過程所花費(fèi)時間的二十五分之一，可以在分辨率與檢測時間之間做出折中，從而使檢測的性能達(dá)到最佳。圖30（b）MRSS粗頻譜檢測方式圖圖30(c)MRSS細(xì)頻譜檢測方式多步頻譜檢測方法六、其它幾種頻譜檢測算法圖31和情形下性能對比情形下，信號譜更容易辨識而且降低了7dB的噪聲基準(zhǔn)多步頻譜檢測方法六、其它幾種頻譜檢測算法圖32TSD功能模塊圖時間特征TSD(temporalsignaturedetection)技術(shù)在MRSS中被用作第二步的細(xì)檢測。多步頻譜檢測方法六、其它幾種頻譜檢測算法圖33滑動窗積分器的輸出波形輸出波形在802.11a楨結(jié)構(gòu)中每個前導(dǎo)所在的位置上都有峰值。同時，調(diào)制的數(shù)據(jù)信號的相關(guān)值是隨機(jī)的，而且在滑動窗積分器后可以忽略。同過和預(yù)先設(shè)定的門限制進(jìn)行比較，TSD技術(shù)居可以判斷出接收了IEEE802.11a-OFDM信號。基于OFDM的頻譜池中空閑頻譜的檢測頻譜池（SpectrumPooling）在中首先被提出，它的基本思想是將一部分分配給不同業(yè)務(wù)的頻譜合并成一個公共的頻譜池，頻譜池中的頻譜可以是連續(xù)的也可以是不連續(xù)的，整個頻譜池又可劃分為若干個子信道，以此作為頻譜分配的基本單位。因?yàn)镺FDM有高數(shù)據(jù)速率，克服多徑影響等優(yōu)點(diǎn)，目前考慮的頻譜池結(jié)構(gòu)都是基于OFDM的基于OFDM的頻譜池將頻段分成的若干個子載波，用當(dāng)前、當(dāng)?shù)乜衫玫念l譜空洞所對應(yīng)的子載波傳輸感知用戶的數(shù)據(jù)，而將正在活動