基于无线电之频谱感知计算分析
第1章 绪论
课题背景及意义
频谱资源是一种非常珍贵的自然资源，它不是取之不尽、用之不竭
的。作为业内一直以来关注的焦点，近年来的;需求和供应的缺口;更是让
频谱资源不断拉响警报。目前，解决频谱资源危机的方法主要有两种：一
种是开发和利用新的频段，另一种是提高现有频段的利用率。第一种方法
很难实行，因为不同频段的无线电波具有各自不同的传输特性：低频段传
播特性优良，传输距离远，但要求设备尤其是天线尺寸较大；高频段的主
要传播方式为视距传输，相对低频段有更大的路径损耗，但天线等设备尺
寸较小。因此，各种无线业务都拥有自己的黄金频段。统计表明，目前3G
Hz以下的频谱资源已经被各国的无线资源管理部门分配将尽。
认知无线电的定义及原理
认知无线电技术具有以下两方面的能力，调整自身的工作参数，如
工作频率、调制方式、发射功率等。FCC的观点更容易让工业界人士接受
，认为其更能兼顾认知网络以及硬件设备的融合性。
2005年，加拿大皇家学会成员Haykin教授在文献[8]中如下定义认知无线
电：
CR经过理解并建模来学习周围的环境，并动态调整其内部状态以适应周围
环境的变化，包括调整某些操作参数，如发射功率、载波频率和调制方法
。系统的两个主要目标是：随时随地高度可靠的通信和有效的频谱利用。
他认为认知过程始于被动的频谱感知而终于做出的响应，整体的认知任务
构成了一个完整的认知循环。
................
第2章 认知无线电中频谱感知技术
频谱感知概述
无线通信的频带资源没有得到充分利用，最早于上世纪 20
年代，且与有名的;泰坦尼克号;事件有关。认知无线电(CR)这项技术的提
出，为提高频谱利用率开辟了一条非常有希望的路径，其出发点在于从频
域、以及空域的多维空间，我们称之为频谱空穴。见图 2-
1。次要用户在认知无线电中的优先级较低，授权用户随时随地的出现都
会迫使次要用户退出当前信道或切换到其他频段，以不影响主用户的正常
通信。因此，次要用户需要不断感知周围无线电环境的变化，发现频谱空
穴并避开主用户，这就需要高效、可靠的频谱感知[13][14]。
单节点感知
检测概率表征了认知用户在主用户存在，而虚警概率表征了当主用
户不存在时，认知用户却误以为主用户存在的机率，大的虚警概率将使认
知用户不能及时接入闲置的授权频带，造成频谱资源浪费。显然，我们希
望检测概率最大，而虚警概率最小。故在频谱感知的检测方法上常采用奈
曼一皮尔逊准则，即在定的虚警概率条件下，选择合适的检测算法或融合
准则，使检测概率达到最大，或者漏检概率达到最小。
信号在实际环境中的传播会受到加性噪声、乘性噪声等的影响，为了简化
分析，本文主要考虑加性高斯白噪声的情况，实际上，目前大多数文献也
都是基于此类噪声进行分析[18] 。
第3章 噪声功率不确定下的能量检测及其改进算法
....................... 21
噪声功率不确定性对能量检测算法的影响
.................................................... 21
噪声功率不确定性对单节点能量检测的影响
...................................... 21
噪声功率的不确定性对协作能量检测硬合并的影响
.......................... 24 第4章
基于随机矩阵理论的频谱感知算法
....................................................... 32
平均能量与协方差最小特征值比值的感知算法(APME)
.............................. 32 系统模型
................................. 32 第5章
认知无线电中安全的协作频谱感知
............................................. 46
认知无线电中安全问题简述
............................................................ 46
;安全威胁下的协作频谱感知性能分析
................................................ 48
第5章 认知无线电中安全的协作频谱感知
认知无线电中安全问题简述
如图5-
1所示，在一个由5个次用户组成的认知网络中，分别存在一个;永远有和
一个永远相反的恶意用户。当频谱处于空闲状态时，中间三个正常用户向
融合中心发送真实的感知结果，而两个恶意用户则发送.那么融合中心在
收到的5个本地结果中，有两个是错误的，这就大大增加了融合中心做出
错误判决的风险。从攻击的效果来看，PUE攻击与SSDF攻击有些类似，即P
UE攻击也是通过影响;自己能力范围内的次要用户向融合中心发送错误的
感知数据来最大化自己的利益。这两类恶意用户所发送的单一的感知结果
，可能与真实的感知结果相反也可能相同，而;永远相反;却一直发送相反
的感知结果，所以,永远相反类型的恶意用户能够给融合中心带来更大更
坏的影响。基于此，本文只讨论永远相反这一类型的恶意用户。
安全威胁下的协作频谱感知性能分析
在性能分析的仿真中，我们将本地的虚警概率设为，检测概率设
为，是为了保证本地的检测结果具有比较高的可信度，同时也使恶意
用户的数据篡改能够对融合中心起到一定的攻击作用；否则，如果连本地
的检测结果都不可信，那正常的合法用户与恶意用户之间就没有什么区别
了，这也是所有基于信誉值的算法的一个前提。由图5-2 图5-3和图5-
4可以看到，随着恶意用户比例的提高，准则下融合中心的虚警概率上升
明显，检测概率一直保持在1这个量值；准则下，虚警概率上升，检测概
率则呈现下降趋势；在性能分析的仿真中，我们将本地的虚警概率Pf,i设
为，检测概率设为，是为了保证本地的检测结果具有比较高的可信
度，同时也使恶意用户的数据篡改能够对融合中心起到一定的攻击作用；
否则，如果连本地的检测结果都不可信，那正常的合法用户与恶意用户之
间就没有什么区别了，这也是所有基于信誉值的算法的一个前提。由图&;
5-2、图 5-3和图 5-
4可以看到，随着恶意用户比例的提高，准则下融合中心的虚警概率上升
明显，检测概率一直保持在1这个量值；准则下，虚警概率上升，检测概
率则呈现下降趋势. ..............
结论
目前静态的频谱分配政策限制了频谱资源的充分利用，认知无线电
在不干扰主用户的前提下，通过对频谱空穴的二次利用，能够提高频谱利
用率。频谱感知是认知无线电得以实现的前提，也是本文的主要研究对象
，总结全文 工作如下
1.本文首先介绍了认知无线电的基本原理和国内外研究现状，总结了频谱
感知领域内典型的的感知方案，比较了各自的优缺点和使用范围。其中，
单节点感知易于实现，而协作感知拥有更高的准确性。总结了频谱感知的
难点和挑 战。 2.
能量检测应用广泛，但性能会因为噪声功率不确定性的存在而严重下降。
本文分析了噪声功率不确定性对能量检测的具体影响，讨论了基于发送不
确定区域检测统计量的双门限改进算法，能够在一定程度上解决噪声不确
定性的带来的问题。 .............. 参考文献（略）
