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1、南京航空航天大学毕业设计寒假学习报告题 目：无线认知网络中的频谱感知技术研究学院：电子信息工程学院专业：信息工程班级：0410204学号：041020414姓名：陈伟光指导教师：陈晓明填表日期：2014年 2月 15日一、研究背景：1. 无线通信的发展背景：作为21世纪的标志，信息产业正在以令人惊叹的速度蓬勃发展。在上世纪90年代，有线网络的普及，使得普通家庭也可以享受到网上冲浪的乐趣。但是有线网络却有着诸多限制，于是人们将目光转移到了无线网络。因此，在人们对无线通信的迫切需求下，无线通信技术在20世纪末到21世纪初的几年中迅猛发展，从模拟通信发展到数字通信，从窄带发展到宽带，甚至超宽 带，从
2、过去单纯的语音业务发到现在的云端服务等大数据业务，而且这种需求还在逐步的扩大， 新业务也会伴随着新的需求而出现，它们将把许多以前只能在电影中看到的场景搬到现实中来， 提供给用户前所未有的体验。2. 认知无线电的提出背景：随着无线通信业务的不断升级，作为一种不可再生资源的无线频谱资源就显得日益稀缺。目前，频谱资源还处于依靠政府的固定分配方式分配给使用者，这种方式是的频谱利用率很低，已分配的大量频谱资源被大量浪费，根据SSC ( Shared Spectrum Company)进行的NFS频谱占用检测项目中对各个频带占用情况的统计结果，3GHz频段以下已分配的频谱资源占用率普遍很低，占用率最高的
3、TV频段也只有25%，大部分的频带占用率不足10%。由此可见，3GHz频段以下已分配频谱资源在大部分时间内处于闲置状态，造成了频谱资源的严重浪费。Measured Spedrum Occupancy Avefecf over Six LocationsRM Atnui others 3054 HHzTV2战RC-别翱训ii Ar traffitCntnil, Aao 付鼻 Be k恤 FwdMoUe AjnMeu <JirW5 138-174 MK TV7-13 174-216 HFt KartnvMobte rnieu. others 2i6-Z?5 Uft F吹 MoWe MO OV
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6、W M86-2W MH?Spedrum Ocxuptncr如何在现有的FCC频谱分配机制下， 改变当前频谱资源浪费严重的状况成为研究的热点，各（Cog nitive Radio种机构也投入了大量的资金进行相关的研究。在这种情况下，认知无线电CR)运而生。二、国内外研究现状及发展趋势认知无线电/认知无线网络起源于Joseph Mitola攻读博士期间的研究工作，在其博士论文中，Mitola 将认知无线电定义为“the integration of model-based reasoning with softwareradio tech no logies "，认为认知无线电是智能计算
7、和无线通信这两个学科交叉融合的产物。随 后，美国的FCC和DARPA分别启动了多项计划，对认知无线电和动态频谱接入问题进行深入研究；欧盟的端到端重配置计划(E2R: End to End Reco nfigurability Project)也启动了对认知概念在技术和经济领域等各方面问题的研究。Sim on Hakin在2005年发表了关于认知无线电的著名文章" Cognitive radio: brain-empowered wireless communications”，主要从信号处理和自适应过程的角度对认知无线电技术的框架结构进行了较为完善的分析。此后，许多有名的大学和研究机
8、构也展开了相关技术的研究和实验平台的开发，认知无线电的概念也被扩展为认知无线网络，指利用认知原理来提高各种资源（频谱、功率等）使用效率的无线网络。在频谱 管理部门的带动下，一些标准化组织也先后开展了一系列标准制定工作以推动该技术的发展。目前涉及认知无线电/认知无线网络标准制订的组织和行业联盟主要是美国电气电子工程师学会（IEEE）、国际电信联盟（ITU ）和软件无线电论坛 （SDR Forum）等。认知无线网络中，主（授权）用户指那些对某段频谱的使用具有高优先级或合法授权的用户，次级用户是指那些低优先级的用户。 次级用户对频谱的使用不得对主用户造成干扰，因此要求其能快速、可靠地感知主用户使用授
9、权频谱的情况。次级用户必须具备认知能力， 因而称其为认知用户，在网络结构中则表示为认知节点。 认知用户的频谱感知主要包括在某个频段上检测主用户存在与否（主用户信号检测） 和估计认知用户对主用户接收机可能造成的附加干扰（干扰温度估计）两个任务。更进一步的可能要求是频谱感知还应区分主用户信号的种类（空中接口分类）。目前大部分频谱感知的研究都集中在最重要的主用户信号检测上。1. 频谱感知的基本方法主用户信号检测的单节点频谱感知基本方法通常分为三类：第一类为相干检测。如果知道主用户信号的结构特征（如导频、前导或同步消息等），匹配滤波器加门限检测的方法是最优的主用户信号检测方法。相干检测可获得精确的频谱
10、感知结果，但其缺点也很明显，必须知道主用户信号的先验知识，而且当认知无线网络运行在很宽的频段上时，实现许多类型的授权信号的相干检测成本太高，几乎不可实现。第二类为能量检测。在感兴趣频段上测量某段观测时间内接收信号的总能量，如果能量低于某个设定门限则声明该频段为白空间。与相干检测相比，能量检测需要更长的感知时间以达到同样的感知效果，但低成本、易实现的特性使其受到认知无线网络中频谱感知技术的青睐。以上基于信号检测技术的两种频谱感知方法，有很好的理论基础，性能分析已比较完 善。第三类为特征检测。能量检测的最大缺点是它不能区分接收到的能量是来自主用户信 号还是噪声，在低信噪比环境中的频谱感知结果尤其不
11、可靠。在主用户信号的载波频率、 调制类型或循环前缀等某些特征已知时，利用信号的期望和自相关函数呈现岀来的周期性 （循环平稳谱相关特性），可将信号能量与噪声能量区分开来，突破能量检测的瓶颈。文 献还分析实际情况下有限的数据长度对循环谱特征检测的影响。实现复杂度远高于能量检 测是制约特征检测在频谱感知中应用的最主要缺点。此外，2003年底FCC频谱政策工作组提岀了干扰温度模型，意在对无线环境中的干 扰源进行量化和管理。干扰温度限提供了特定地理位置在某一感兴趣频段上接收机能够顺 利工作的最差环境的特征描述。根据干扰温度模型，认知用户若能确定其对主用户接收机 造成的附加干扰量并加以限制，使主用户接收机
12、所受的总干扰（含噪声）不超过干扰温度 限，则认知用户可与主用户运行在同一频段上。可以看岀，基于主用户信号检测的频谱感 知意在避开主用户，而基于干扰温度模型的频谱感知则试图与主用户同时并存于同一个频 段，这是两者最大的区别。文献定义了已知和未知主用户信号参数时干扰温度的理想模型 和一般模型，并从通信容量的角度分析了如何来最优地选择认知系统的工作带宽和发送功 率。但干扰温度模型存在两个需要解决的难题：其一为在主用户发送信号存在的情况下如 何测定其接收机的噪声水平，其二为在主用户接收机位置未知的情况下如何估计认知用户 对它可能产生的干扰。降低问题难度的一种可能办法是让主用户系统来辅助认知系统的频 谱
13、感知，如文献中要求主用户接收机在工作过程中持续发送指示信号。另一个需要考虑到 的是，认知用户和主用户共存于同一个频段时，认知系统的通信过程中也会受到授权系统 的干扰，所以认知系统能获得的通信容量可能非常有限。2. 协同频谱感知认知无线网络可通过对多节点感知信息的协同处理来提高频谱感知的效果，这被称为协同(协作、合作)频谱感知。频谱感知性能主要由感知范围、检测时间、检测概率、虚警概率等几个相互关联的指标来衡量，协同频谱感知可利用空间分集增益改善上述指标，解决单节点感知中难以克服的多径深衰落、阴影衰落和隐终端等难题 4，同时也可减轻对单个节点感知灵敏度的要求，降低实现成本。现协同频谱感知的方式有两
14、种，即中心式和分布式。中心式感知：中心单元收集各认知节点的感知信息，负责识别可用频谱，并将频谱可用信息广播给各认知节点或直接控制认知节点的通信参数。分布式感知：认知节点彼此之间共享感知信息，但独立判断各自的可用频谱。与中心式感知相比，分布式感知的优点是不需要基础结构网络，部署更灵活些。无论中心式还是分布式感知，就协同频谱感知的研究内容而言，主要包含以下两个方面：1) 认知节点感知信息的合并处理，即考虑信息融合问题；2) 感知信息传递过程的合作，即考虑中继传输问题。三、寒假学习体会寒假的一个月以来，根据毕业设计任务书的指导，我通过南航网上图书馆和互联网查阅相关资料，并了解了课题的相关背景和国内外主要研究方向，对整个课题有了个基础的大致了解。在网上查阅资料的过程，是对信息检索，快速发现并筛选有效信息能力的一个锻炼，同时，书写学习报告过程中的语言概括和组织能力同样将会是我以后踏上工作岗位的一笔宝贵财富。本学期是我大学最后的时光， 我一定会认真做好毕业设计，在这半年中锻炼自己独立思考，学习和研究的能力，为自己的大学时光画上一个圆满的句号，也为自己的职业生涯开一个好头！