認知無線電頻譜感知干擾理論與方法研究.pdf

1、在傳統(tǒng)的頻譜資源固定分配的框架下，人們致力于調(diào)制、編碼、多天線等技術(shù)的研究，以期能夠提高頻譜使用效率。然而這些技術(shù)均無法擺脫香農(nóng)限容量的束縛。隨著無線通信業(yè)務需求的日益增長，頻譜資源緊缺已逐漸成為制約無線通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。另一方面，大量的實測結(jié)果顯示：已分配的頻譜資源閑置現(xiàn)象十分普遍，總體利用效率低下。正是基于這樣的背景，具備頻譜動態(tài)接入能力的認知無線電技術(shù)，為有效解決頻譜需求與閑置之間的矛盾開辟出一條新的途徑，被譽為下一代無線通信領(lǐng)

2、域的“大事件”。
　　頻譜感知技術(shù)是認知無線電的核心技術(shù)，是其走向?qū)嶋H應用的基石。它賦予了認知無線電設(shè)備在不影響授權(quán)頻段內(nèi)合法用戶正常通信的前提下，發(fā)現(xiàn)并利用空閑頻譜資源進行機會通信的能力。不過，這種“先感知，后接入”的頻譜使用規(guī)范，在提高頻譜效率的同時，也給認知無線電系統(tǒng)帶來了新的安全隱患：頻譜感知干擾。頻譜感知干擾，指在頻譜感知階段，通過人為注入干擾信號，誤導認知無線電對所處環(huán)境的頻譜使用狀態(tài)做出錯誤的判斷，進而導致系統(tǒng)頻譜使

3、用效率的下降。
　　由此，如何認知這一新的干擾形式；它與哪些系統(tǒng)因素有關(guān)；如何量化它對認知無線電系統(tǒng)造成的影響，如最大可達性能損失等；這一系列問題的研究是設(shè)計安全的頻譜感知技術(shù)的重要理論依據(jù)。目前，學術(shù)界對該課題的研究尚處于起步階段，未有系統(tǒng)、理論的研究成果。
　　論文針對認知無線電頻譜感知干擾理論與方法的研究，分兩個部分：
　　首先，基于干擾功率受限的約束條件，研究了最優(yōu)頻譜感知干擾的理論與方法。包括：
　　(

4、1)研究了加性高斯白噪聲環(huán)境中的最優(yōu)感知干擾問題。具體有：以最小化認知無線電系統(tǒng)可用帶寬為目標，針對能量檢測為頻譜感知方式的認知無線電網(wǎng)絡，推導了感知干擾機的最優(yōu)干擾策略為，等功率、部分頻段干擾；分析了最優(yōu)感知干擾效果與頻譜感知相關(guān)參數(shù)的關(guān)系，得知感知干擾效果隨虛警概率和累積時間帶寬積成正比例關(guān)系；通過理論分析與仿真驗證得知：感知干擾會減少認知無線電系統(tǒng)可用帶寬，在感知干擾機的功率足夠大時，認知無線電系統(tǒng)甚至面臨無法提供可用帶寬進行通信

5、，即系統(tǒng)癱瘓的危險；
　　(2)研究了大尺度衰落環(huán)境中的最優(yōu)感知干擾問題。具體有：采用與加性高斯白噪聲環(huán)境下類似的思路與方法，推導出大尺度衰落環(huán)境下的最優(yōu)干擾策略仍為，等功率、部分頻段干擾；通過理論分析與仿真驗證，分析了在該衰落環(huán)境中的感知干擾效果隨認知無線電系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)變化的情況；
　　(3)研究了小尺度衰落環(huán)境中的最優(yōu)感知干擾問題。具體有：推導了該環(huán)境下最優(yōu)感知干擾模型仍為，干擾機總功率受限的約束條件下，最小化系統(tǒng)的可用

6、帶寬；考慮到模型中目標函數(shù)為干擾功率的非凸、非線性含參積分，無法得到最優(yōu)解的閉合表達式，從目標函數(shù)和約束條件均具有可分離的特性出發(fā)，通過引入整數(shù)約束條件，提出一種通用(適用所有類型的小尺度衰落，如瑞利、萊斯、Nakagammi衰落等)全局最優(yōu)的混合整數(shù)線性算法；基于該算法，首先分析了小尺度衰落環(huán)境下，最優(yōu)感知干擾的性能上界，得到結(jié)論：對于衰減因子二階矩為1的獨立、同分布衰落信道，最優(yōu)感知干擾性能上界(已知信道瞬時狀態(tài)信息)漸進趨近于加性

7、高斯白噪聲環(huán)境中的最優(yōu)感知干擾性能，并從物理機制上解釋了該現(xiàn)象；其次得到獨立、同分布瑞利衰落信道下最優(yōu)感知干擾的可行性策略(僅已知信道統(tǒng)計狀態(tài)信息)為，等功率、部分頻段干擾，并對其性能進行了分析；
　　認知用戶在完成頻譜感知后，即可接入可用頻段傳輸數(shù)據(jù)，此時可能面臨傳統(tǒng)的通信干擾(指在用戶通信的頻段上發(fā)射干擾信號，阻止目標用戶信息的有效傳輸)。忽略干擾能量/功率受限的約束，干擾機可以隨意地在感知時段實施感知干擾，在數(shù)據(jù)傳輸時段實施

8、通信干擾，以達到最優(yōu)干擾效果。然而，一個現(xiàn)實的問題是：實際環(huán)境中的干擾機總是能量有限的，如何將這有限的能量分配于兩種干擾方式達到最優(yōu)的干擾效果呢？顯然這個問題對于是否有必要繼續(xù)深入研究感知干擾理論具有舉足輕重的意義。為此，論文第二部分對該問題進行了解答，包括：
　　(1)研究了基本認知網(wǎng)絡環(huán)境中，能量受限的認知干擾機對實施頻譜感知干擾與通信干擾如何抉擇以達到最優(yōu)干擾效果的問題。具體有：以最小化認知網(wǎng)絡平均總吞吐量為目標，建立起吞吐

9、量與感知干擾信號、通信干擾信號以及網(wǎng)絡所需頻段數(shù)等參數(shù)之間的聯(lián)系，給出最優(yōu)化數(shù)學模型；為簡化求解復雜度，提出了兩步驟子優(yōu)化方案，即，先在感知時段實施最優(yōu)頻譜感知干擾，再在數(shù)據(jù)傳輸時段實施最優(yōu)通信干擾，并通過數(shù)值仿真得到認知干擾機的最優(yōu)攻擊策略：基于感知干擾與通信干擾的戰(zhàn)術(shù)聯(lián)合，即部分能量用于頻譜感知干擾，剩余能量用于通信干擾；
　　(2)研究了更為實際的CDMA-CR(使用碼分多址的認知無線電)網(wǎng)絡環(huán)境中，能量受限的認知干擾機的最

10、優(yōu)干擾策略與性能。具體有：以 CDMA-CR系統(tǒng)平均總吞吐量為干擾機的性能指標，通過給出平均總吞吐量與感知干擾、通信干擾信號之間的關(guān)系，建立了能量受限認知干擾機的最優(yōu)化數(shù)學模型；仍然采用兩步驟子優(yōu)化算法，通過數(shù)值仿真分析了不同場景下的最優(yōu)干擾策略與性能；更進一步地，分析了感知干擾、通信干擾能力隨系統(tǒng)參數(shù)的不同變化規(guī)律，由此給出最優(yōu)干擾策略隨系統(tǒng)參數(shù)變化的趨勢。
　　論文關(guān)于認知無線電頻譜感知干擾理論與方法的研究，填補了因頻譜感知使