认知无线电中频谱感知技术研究+Malab仿真的图和程序.doc

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1、 摘 要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

2、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

3、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 development of the wireless business results in increasing needs of the frequency. Wireless communication is facing a challenge. Radio resource is distributed by t

4、he government, which generally rises inequality and waste of Radio resource. So，there is a contradiction between the waste and the shortage of Radio resource. The cognitive radio, a technology of intelligent spectrum sharing, effectively bridges the contradiction. Based on the perception of time dom

5、ain, frequency domain and airspace，automatic discovery and reasonably use of free spectrum among distributed spectrum，the cognitive radio improves the utilization ratio in the existing frequency. Spectrum sensing is one of the sky technologies in the cognitive radio.Based on the introduction of Cogn

6、itive Radio(CR) and the discussion of applications of CR in WRAN, UWB and WLAN, the key technologies of achieving CR were researched in theory and the factors controlling cognitive network and the interferences raised by cognitive network in normal working of authorized user were analyzed. The relat

7、ed method and technology of signal detection was theoretically derived in the severe environment of weak signal and low signal to noise ratio that is must facing to achieve CR. With the algorithm analysis of digital filter, the selection principle of windows function was proposed. Three spectrum det

8、ection methods namely matching filter detection way, energy detection way and cycle property detection way, were investigation in great detail. For testing and verifying the correction of above results, the detailed modeling and simulation of energy detection and cycle property detection were comple

9、ted with Matlab and the performances of that two detections were also compared. The results show that the energy detection way , in the low SNR , is low and the property of that is very poorer than the cycle property detection. And this paper suggested that improvement of algorithm of window functio

10、n can promote the performance of cycle detection algorithm.Secondly, detailed analysis of the cognitive radio is also and the key technology research status. Elaborated on spectrum the sensing techniques and concepts Research, then points out the research work in the spectrum sensing some of the mai

11、n issues of concern, around these issues in depth study also.Key Words：Cognitive Radio；Spectrum Sensing；Matched filter Sensing；Energy Sensing；Cooperative Sensing；目 录第一章 绪论11.1认知无线电的研究背景及意义11.2认知无线电技术的国内外发展现状11.2.1国际上和我国认知无线电技术的研究情况11.3全文的主要结构和研究内容6第二章 认知无线电技术82.1频谱感知技术82.2频谱分配技术92.3功率控制技术102.4认知无线电技

12、术的应用112.4.1认知无线电在WRAN中的应用112.4.2认知无线电在UWB系统中的应用112.4.3认知无线电在WLAN中的应用122.5本章小结12第三章 认知无线电频谱感知技术143.1频谱感知技术系统模型173.2单节点频谱感知技术183.2.1匹配滤波器感知183.2.2能量感知203.2.3循环平稳感知233.2.4单节点频谱感知的局限性263.3合作式频谱感知技术283.3.1合作式频谱感知的概念283.4合作式频谱感知的关键技术303.4.1“与”准则303.4.2“或”准则313.4.3“K秩”法323.5基于干扰温度的感知技术333.6本章小结35第四章 实验仿真37

13、4.1实验仿真环境374.2能量检测仿真与结果374.3匹配滤波器检测仿真与结果384.4合作式检测仿真与结果394.5本章小结41第五章 结束语435.1论文总结435.2未来研究展望44致 谢错误！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

14、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、

15、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，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

16、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的观点，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Joseph MiOtla提出了认

17、知无线电(CR,Cogntive 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Simon Hakin在2005年2月JSACinCommunications上发表了关于认知无线电的综述性文章“Cognitive Radio:Brain-Empowered Wireless Communicati

18、ons”，开始了国际性的认知无线电技术研究。随后Berkeley、Virginia、Stevens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

19、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；(d)欧洲通信协会资助的DRiVE、OverDRiVE和TRUST项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

20、制部门，如美国联邦通信委员会(FCC)、英国通信办公室(Ofcom)对该技术给予了积极的支持。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的指标值干扰温度的概念。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“

21、Cognitive Radios Conference”，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(DySPAN)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(DARPA)己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

22、并描述RF环境:辨认未使用频谱(“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

23、的策略控制技术；进行更多的现场演示。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。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。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。目前项目正处于第二阶段，于2006年1月1日启动。BWRC是由产业公司、加利福尼亚大学伯克利分校的电子工程和计算机科学系的师生，以及

24、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CMOS的实现和先进的通信算法。BWRC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MAC设计，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)以及特定群内用户使用的群控制信道(G

25、CC)。WINLAB1989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。WINLAB在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，WINLAB与贝尔实验室，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平台，包含一个三频段灵活前端，快速频谱扫描

26、，灵活多带宽的OFDM调制的软体无线电台，协议处理的分组引擎，处理频谱政策和频谱控制的嵌入式CPU。CWT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。CTW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。

27、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

28、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。WRAN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，WRAN不占用相应频段;当检测到某些频段没有被主要用户使用时，WRAN设备可以自动使用这些频率资源; WRAN设备在工作期间发现主

29、要用户在相同频段开始工作时，将迅速退让出相应频段。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。802.2 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，计划207年下半年完成标准化作业，预计2008年最终的标准将会被批准。WIMAX由于缺乏可用频段，专门成立了致力于解决共存问题的802.16h 工作组，可以使WIMAX适用于UHF下电视频段，利用认知无线电技术使802.16 系列标准可以在许可频段获

30、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

31、径和阴影衰落引起的接收信号强度的减弱而降低，另外检测能力本身也有一定的限制，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。Canesan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，Canesan等人又进一步对分布式CR网络分集增益的提高进行了分析。但恻门的研究均假设主要用户的位置已知。当主要用户的位置未知时，Wild等人提出采用本振

32、泄露检测方澎期，通过检测主要用户接收机射频前端发射的本振泄露功率，可准确定位主要用户。此外，最新的研究表明采用物理层和MAC层联合侦听的跨层设计方法可极大地提高频谱侦听能力。这种方法通过增强无线射频前端灵敏度，同时利用数字信号处理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。近几年，国内研究机构也开始关注和跟踪该技术，包括电子科技大学、清华大学、香港科技大学及西安交通大学等。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。目前的研究课题主要集中于认知无线电系统中的合作及跨层设计技术、空间信号检测和分析及QoS保证机制等。在频谱政策、标准化组织及国内外研

33、究机构的推动下，认知无线电技术的研究取得初步进展。1.3全文的主要结构和研究内容本文在介绍了认知无线电的概念和三个关键技术基础之上，对几种无线电频谱感知技术分别进行了讨论。主要从单节点和合作式的角度来认知无线电的频谱感知技术，提出了当前领域内的几种频谱检测方法和算法。针对认知无线电频谱感知的单节点感知进行了详细的分析，并阐述了在频谱感知中具有重要作用的匹配滤波器感知和能量感知的原理以及合作式频谱感知技术的关键技术和算法。最后在Matlab平台下针对不同信噪比的调制信号进行具体的建模仿真，并对合作式协作感知的不同融合准则并对其进行性能分析。主要研究工作有：（1）第1章介绍了无线电的背景和意义，认

34、知无线电技术在国内外的发展现状。（2）第2章讨论了认知无线电的基本技术和无线电技术在多方面的应用。（3）第3章总结了当前领域内的频谱感知方法，并对主要的几种方法进行了研究分析。对基于发射机感知的三种频谱感知方法：匹配滤波器感知法、能量感知法和合作式感知法作了详细的讨论。（4）第4章主要是在Matlab环境下进行了频谱感知算法的仿真，并对单节点频谱感知法和合作式频谱感知法这两种方法进行感知性能的比较。（5）第5章总结全文，并对频谱感知技术的进一步研究进行了展望。59第二章 认知无线电技术认知无线电技术能够依靠人工智能的支持，感知无线通信环境，根据一定的学习和决策算法，实时自适应的改变系统工作参数

35、，动态的检测和有效的利用空闲频谱。下面对认知无线电的关键技术作简要介绍。2.1频谱感知技术实现认知无线电的第一步就是要感知到无线环境中存在的频谱空洞，只有找到了这些频谱空洞才能谈如何有效的利用它们以提高频谱利用率。因此频谱感知技术是实现认知无线电的一个重要基础，也是核心技术之一。频谱感知的目的是发现在时域、频域、空域上的频谱空穴，以便供认知用户以机会方式利用频谱。认知用户是指未经授权使用只有授权用户才能使用的频谱的用户，主用户则是获得授权使用频谱的用户。为了不对主用户造成干扰，认知用户在利用频谱空穴进行通信的过程中，需要能够快速感知主用户的再次出现，及时进行频谱切换，腾出信道给主用户使用，或者

36、继续使用原来频段，但需要通过调整传输功率或者改变调制方式来避免对主用户的干扰。这就需要认知无线电系统具有频谱检测功能，能够实时地连续侦听频谱，以提高检测的可靠性。频谱感知主要是物理层的技术，是频谱管理、频谱共享和频谱移动性管理的基础。就目前来看，人们在这方面取得了很大的进展，各种感知方法层出不穷。单用户感知是最早提出的一类检测方法，它设计复杂度低，采用技术成熟，易于实现。但其性能会随着无线环境中多径和阴影衰落引起的接收信号强度的减弱而降低，另外，检测能力本身也有一定的限制。这样，就出现了合作式的频谱感知方法，它通过综合多个认知用户的感知信息来提高频谱的感知能力，避免“隐蔽终端”的问题，而且可以

37、减少检测时间，从而提高网络的灵活性。最新研究还表明采用物理层和MAC层联合感知的跨层设计方法可极大地提高频谱感知能力。这种方法通过增强无线射频前端灵敏度，同时利用数字信号处理增益及用户间的合作来提高感知能力，正越来越受到人们的关注。另外，美国联邦通信委员会提出了一个新概念-干扰温度。基于这个概念又衍生出了基于干扰温度的感知方法。干扰温度是认知用户在感知频带内已有通信的基础上预测自己的传输将对主用户产生的干扰。只要认知用户造成的干扰温度不超过干扰温度限，感知用户通过调整自己的参数(如发射功率、调制方式等)就可以使用这个频段中的空洞。一般来说，认知无线电频谱检测技术可以分为基于发射机的检测、合作检

38、测和基于接收机的检测这几大类，如图2-1所示。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。发射机检测又称为非合作检测，它主要有匹配滤波器检测、能量检测和循环平稳过程特征检测这三种方法。匹配滤波器检测的结构简单，可以达到很高的检测概率，但是需要授权用户信号为确知信号，因此这种检测方式有很大的局限性；能量检测实现相对比较简单，只需测量频域或时域上一段观测空间内接收信号的总能量来判决是否有授权用户出现，是目前应用较广的一种频谱检测方法，但不适合低信噪比情况；循环平稳过程特性检测可以提取出调制信号的特有特征，如正弦载波、符号速率以及调制类型等。这些特性均通过分析频谱相关性函数来检测

39、，它可以从调制信号功率中区别噪声能量。这种方法不仅在低信噪比条件下具有很好的检测性能，而且具有信号识别能力，只是运算复杂度较高。频谱检测合作检测发射机检测 基于接收机检测 匹配滤波器检测能量检测循环平稳过程特征检测图2-1频谱感知技术的分类根据目前的仿真和分析，采用合作检测的方法可达到高的检测概率。合作侦听允许多个认知用户之间相互交换侦听信息，来提高频谱的侦听和检测能力。合作检测可以采用集中式和分布式的两种方式进行。集中式是指各个感知节点将本地感知结果送到基站或接入点统一进行数据融合，做出决策；分布式则是指多个节点间相互交换感知信息，各个节点独自决策。基于发射机检测包括基于干扰温度的检测和本振

40、泄露检测两种。2.2频谱分配技术认知无线电系统采用动态频谱分配（DSA，Dynamic Spectrum Allocation）方案。DSA能够在不影响主用户正常工作的情况下，实现认知用户对频谱空穴的接入，从而提高频谱的利用率。目前认知无线电技术的DSA研究主要是基于频谱池（Spectrum Pooling）这一策略，其基本思想是将一部分分配给不同业务的频谱合并成一个公共的频谱池，并将整个频谱池划分为若干个子信道。非授权用户可临时占用频谱池里空闲的信道。基于频谱池策略的DSA主要目的是信道利用率的最大化和用户接入的公平性，DSA可协调和管理授权用户与非授权用户之间的信道接入。根据分配行为的不同

41、，频谱分配技术可以分为合作式和非合作式两大类。合作式频谱分配考虑各认知用户行为对其他用户的影响；非合作式则只考虑自己的行为。为规定用户之间选择频谱的协商机制，Mitola提出了标准的无线礼仪协议的初始框架，规定了主用户和认知用户之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。Nie等人基于博弈论的扩展应用，分别分析了合作用户和非合作用户情况下系统的性能，指出基于合作的DSA可以提高全网的性能。Peng和Zheng等人提出了一种基于标签的机制，可以识别用户的优先级，得到50%的性能改善。Cao等人在此基础上提出了本地讨价还价（Local Bargaining）算法，

42、采用公平的业务保证机制，提高频谱利用率，同时降低了系统的复杂性。在文献中提出了一种基于规则的频谱分配方案，其思路是用户通过观察本地干扰码型，依据预先设定的适用于不同场景的规则独立决策选择信道，从而使性能复杂度和通信成本得到折中。这个方案会使系统的性能有轻微的下降，但是通信中的过载现象明显减少。根据分配架构的不同，频谱分配技术可以分为集中式和分布式两大类。集中式算法由集中单元控制频谱分配和接入的过程，计算复杂度高；分布式算法中每个认知用户都参与频谱分配决策，多采用启发式分配方法，收敛法是其中一项很重要的性能指标，它主要体现了算法对系统变化的适应能力。2.3功率控制技术在认知无线电通信系统中功率控

43、制的实现以分布式进行，以扩大系统的工作范围，提高接收机性能，而每个用户的发射功率是造成其他用户干扰的主要原因，因此功率控制是认知无线电系统的关键技术之一。在多址接入的CR信道环境中，主要采用协作机制方法，包括规则及协议和协作的Ad-hoc网络这两方面的内容。多用户的CR系统中的协作工作以及基于先进的频谱管理功能，可以提高系统的工作性能，并支持更多的用户接入。但是这种系统中除了协作，还存在竞争。在给定的网络资源限制下，允许其他用户同时工作。因此在这样的系统中发送功率控制必须考虑以下两种限制，即给定的干扰温度和可用频谱空穴数量。目前解决功率控制这一难题主要技术是对策论和信息论。多用户CR系统的功率

44、控制可以看成一个对策论的问题，对策论是研究决策主体行为发生直接相互作用时的决策以及这种决策的均衡问题，它可划分为合作对策和非合作对策。如果不考虑非合作对策，看成完全的合作对策，这样功率控制则简化成一个最优控制问题。当这种完全的合作在多用户系统中是不可能实现的，因为每个用户都试图最大化自己的功率，使用功率控制被归结为一个非合作对策。目前主流技术是用Markov对策进行分析，Markov对策是将多步对策看作是一个随记过程，并将传统的Markov对策扩展到多个参与者的分布式决策过程。多用户CR系统的功率控制问题就可以看成是Markov对策进行分析解决。实现功率控制的另一种方法是基于信息论的迭代注水法

45、，其基本思想是把系统的信道看作是若干个平行的独立子信道的集合，各个子信道的增益则由其对应的奇异值来决定。使用了该算法后，发送端会在增益较多的子信道上分配更多的能量，而在衰减比较厉害的子信道上分配较少的能量，甚至不分配能量，从而在整体上充分利用现有的资源，达到传输容量的最大化。2.4认知无线电技术的应用2.4.1认知无线电在WRAN中的应用2004年IEEE802.22工作组成立，其别称为无线区域网络（WRAN），利用CR技术将分配给电视广播的VHF/UHF频带作为宽带访问线路。IEEE802.22规定了点到多点（通常指一个基站到多个认知用户）的无线空中接口。IEEE802.22结构采用集中式网

46、络控制结构，其中有一个功能相当于基站的控制中心，它负责收集频谱感知信息，分析频谱使用状况，处理认知用户申请和归还频谱的要求，每个认知用户向控制中心数据库报告其位置、功率水平、调制方式和其他重要信息，由控制中心负责给认知用户分配空闲频谱。当电视用户需要使用频谱时，控制中心立刻从数据库中选出其他空频谱通知认知用户进行切换，同时更新数据库的内容。以认知无线电技术为基础的IEEE802.22空中接口最重要的特性就是灵活性和自适应性。对于物理层的要求是要保持低复杂性的同时提供很高的性能：基站能够根据接收到的信息，动态地调整编码和调制方式；另外为对电视广播业务不造成干扰，还要求发射功率控制的动态范围至少为

47、30dB。与别的IEEE标准相比较，IEEE802.22空中接口的共存问题也很关键，如侦听门限、响应时间等多种机制还需做大量的研究。2.4.2认知无线电在UWB系统中的应用超宽带（UWB，Ultra Wideband）无线技术和系统是与认知无线电应用前景紧密相关的一项技术，它被认为是当今多媒体宽带无线通信中最有前途的候选方案。最初将认知无线电技术应用于UWB系统中就是认知超宽带无线电技术（CUWB）的提出，是为了能够实现在直序列超宽带（DS-UWB，Direct-Sequence UWB）和多频带正交频分复用（MB-OFDM，Multi-Band Orthogonal Frequency Di

48、vision Multiplexing）两种UWB标准的互通。CUWB是结合认知无线电和超宽带技术的主要优点来联合设计研究的一种智能无线系统，是一种基于频谱感知的具有自适应辐射掩膜（或发射功率谱密度）和灵活波形的新型超宽带系统。由于UWB系统与传统窄带系统之间存在着不可避免的干扰，将CR技术与UWB技术相结合来解决干扰问题也成为近几年的研究热点。UWB无线技术具有高通信容量、抗多径衰落、灵活抗干扰能力、精确的测距和定位等优点，而CR技术是通过智能频谱管理来解决频谱资源短缺的最有效的方法。两者相结合，一方面能针对功率、距离和所要求的数据率进行频谱优化，解决UWB的共存问题；另一方面，UWB技术能帮助解决CR实现上遇到的诸如复杂射频前端设计等难题。基于CR思想的UWB无线技术的发展能大大的促进智能网络和设备的发展，形成真正普及和以用户问中心的无线通信世界，具有重大的理论和实际意义。2.4.3认知无线电在WLAN中的应用以IEEE802.11标准为基础的无线技术已成为目前无线局域网（WLAN，Wireless Local Area Network）主流。WLAN设备大多工作在免授权频段，随着无线局域网的普及，免授权频段的通信业务将非常繁忙，几乎达到饱和状态，这样的工作频段已无法满足新的业务要求