认知无线电网络协作频谱感知效率及鲁棒性研究

摘要

近来，动态频谱接入策略吸引了诸多关注。该策略允许非授权用户在不对授权用户造成干扰的前提下，以“伺机”方式利用空闲授权频段，从而大幅提高频谱资源的利用效率。认知无线电技术被认为是实现动态频谱接入策略的一种主流方案。该技术能够自动对无线环境进行检测，识别和利用当前未被使用的授权频段，并能够在授权用户返回时及时退出这些频段。
　　 为了有效利用空闲带宽，同时尽可能地避免对授权用户造成干扰，采用认知无线电技术的非授权用户必须能够快速准确地实施频谱感知。由于无线信道的不确定性，以及非授权用户本身硬件条件的限制，单靠一个非授权用户很难达到令人满意的频谱感知效果。为了解决这个问题，协作式频谱感知作为一种有效的解决方案被提了出来。通过利用位于不同空间位置的非授权用户所带来的空间分集增益，协作式频谱感知能够显著提高频谱感知的可靠性。
　　 然而限于协作式频谱感知本身的技术特点和实施成本，其在认知无线电网络中的应用还存在着如下待解决的问题：
　　 参与协作感知的用户需要把本地感知结果回传到数据融合节点，这将产生时间开销。如何灵活处理该时间开销会对协作频谱感知性能产生重大影响。
　　 当前大部分研究都假设授权频段状态在执行协作频谱感知时是稳定的。但是，授权频段状态完全有可能在频谱感知执行过程中发生变化，这将对协作感知带来挑战。
　　 在协作感知中，恶意节点会向数据融合中心传送虚假的感知信息，这将不可避免地降低协作频谱感知性能。提高协作感知的鲁棒性是一个亟待解决的问题。
　　 针对上述问题，本文的研究将从以下三个方面展开：(1)基于流水线架构的协作频谱感知机制研究；(2)基于多进程并行检测的数据融合算法研究；(3)基于加权序贯似然比检测的协作频谱感知鲁棒机制研究。
　　 本文的工作得到了国家自然科学基金“自组织认知无线电网络关键技术研究”(No.60602029)和“基于网络效用最大化的无线传感器网络研究”(No.60772088)，以及武汉市青年科技晨光计划项目“认知无线电网络关键技术研究”（200750731261）
　　 的资助。
　　 针对上述问题，本文取得的研究成果包括如下几个方面：
　　 1.基于流水线架构的协作频谱感知机制：在本研究工作中，每个感知周期内消耗在本地感知结果回传上的时间不再单纯被视为一种开销，而是被看作一种能够用来提高频谱感知效能的资源。本研究创新性地将流水线架构引入了协作频谱感知。在该架构下，不同次级用户的本地频谱感知操作和结果回传操作能够并行地执行。该协作感知机制的主要目的是：通过灵活利用回传时间开销，将频谱检测操作从感知时段延伸到本地结果回传时段，从而大幅提高用于频谱检测的时间窗口宽度。
　　 2.基于多进程并行检测的数据融合算法：本研究的主要目的是在上一研究的基础上提出一种能与流水线架构相配合的数据融合算法。该数据融合算法以序贯似然比检测技术为原型，通过引入多进程并行检测机制，能够对授权频段状态的变化作出快速反应，并根据频谱状态跳变点发生的位置动态调整自身融合过程，实现对频谱状态跳变点的主动跟踪。该多进程并行检测机制能够进一步发挥频谱检测窗口增宽所带来的性能优势，从而实现对流水线架构工作潜力的充分发掘。
　　 3.基于加权序贯似然比检测的协作频谱感知鲁棒机制：在前述研究工作的基础上，本研究进一步提出一个用于增强协作感知鲁棒性的鲁棒机制。该鲁棒机制以加权似然比检测技术为核心，以基于滑动检测窗口的信誉记录机制和基于双门限判决的分段权值分配机制作为辅助手段，能够在保证协作感知运行效率和减少误判概率的前提下有效应对不同复杂程度的虚假感知信息攻击。通过与上述流水线架构以及多进程融合算法相配合，该鲁棒机制能够进一步提高本文协作感知方案的完整性和实用性。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

2 认知无线电频谱感知技术概述

3 基于流水线架构的协作频谱感知机制

4 基于多进程并行检测的数据融合算法

5 基于加权序贯似然比检测的协作频谱感知鲁棒机制

6 总结与展望

致　　　谢

参考文献

附录. 攻读博士学位期间发表论文目录