毕业设计英文翻译认知无线电频谱感知算法仿真Word文件下载.docx
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ImplementationIssuesinSpectrumSensingforCognitiveRadios
认知无线电频谱感知的实现问题
Abstract:
Therearenewsystemimplementationchallengesinvolvedinthedesignofcognitiveradios,whichhaveboththeabilitytosensethespectralenvironmentandtheflexibilitytoadapttransmissionparameterstomaximizesystemcapacitywhileco-existingwithlegacywirelessnetworks.Thecriticaldesignproblemistheneedtoprocessmulti-gigahertzwidebandwidthandreliablydetectpresenceofprimaryusers.Thisplacessevererequirementsonsensitivity,linearity,anddynamicrangeofthecircuitryintheRFfront-end.Toimproveradiosensitivityofthesensingfunctionthroughprocessinggainweinvestigatedthreedigitalsignalprocessingtechniques:
matchedfiltering,energydetection,andcyclostationaryfeaturedetection.Ouranalysisshowsthatcyclostationaryfeaturedetectionhasadvantagesduetoitsabilitytodifferentiatemodulatedsignals,interferenceandnoiseinlowsignaltonoiseratios.Inaddition,tofurtherimprovethesensingreliability,theadvantageofaMACprotocolthatexploitscooperationamongmanycognitiveusersisinvestigated.
摘要：
出现了一些新系统的实施挑战，其涉及认知无线电——具有感知频谱环境下的传输参数既适应能力和灵活性，以最大限度地提高系统容量，同时并存于传统无线网络。
关键设计问题是需要处理多千兆赫宽的带宽，可靠地检测主用户的存在。
这对灵敏度，线性度和在RF前端电路的动态范围有严格要求。
为了通过处理增益而提高无线电灵敏度，我们调查了三种数字信号处理技术的感测功能：
匹配滤波，能量检测和循环平稳特征检测。
我们的分析表明：
由于能够区分调制信号，干扰和噪声在低信噪比，循环平稳特征检测更有优势。
此外，为了进一步提高检测的可靠性，MAC协议，它利用在许多认知用户合作的优势已经在这一块研究很久了。
I.INTRODUCTION
一、介绍
1.
Itiscommonlybelievedthatthereisaspectrumscarcityatfrequenciesthatcanbeeconomicallyusedforwirelesscommunications.Thisconcernhasarisenfromtheintensecompetitionforuseofspectraatfrequenciesbelow3GHz.TheFederalCommunicationsCommission’s（FCC）frequencyallocationchartindicatesoverlappingallocationsoverallofthefrequencybands,whichreinforcesthescarcitymindset.Ontheotherhand,actualmeasurementstakenindowntownBerkeleyarebelievedtobetypicalandindicatelowutilization,especiallyinthe3-6MHzbands.Figure1showsthepowerspectraldensity（PSD）ofthereceived6GHzwide
signalcollectedforaspanof50µ
ssampledat20GS/s[12].ThisviewissupportedbyrecentstudiesoftheFCC’sSpectrumPolicyTaskForcewhoreported[1]vasttemporalandgeographicvariationsintheusageofallocatedspectrumwithutilizationrangingfrom15%to85%.Inordertoutilizethesespectrum‘whitespaces’,theFCChasissuedaNoticeofProposedRuleMaking（NPRM–FCC03-322[2]）advancingCognitiveRadio（CR）technologyasacandidatetoimplementnegotiatedoropportunisticspectrumsharing.
人们普遍认为，有一个频谱稀缺的频率，可以经济地用于无线通信。
从使用3GHz以下频率光谱的激烈竞争开始，它就越来越受到关注。
美国联邦通信委员会（FCC）的频率分配图表显示所有频段都有重叠的分配，这加强了稀缺的现状。
另一方面，在伯克利市中心采取的实际测量被认为是典型的实验结果，从中指出频谱利用率低，特别是在3-6MHz频段。
图1显示接收到的6千兆赫的功率谱密度（PSD）宽信号，50μs的采样在20GS/s的的一个跨度。
这种观点是最近FCC的频谱政策任务组的研究报告，报告称浩瀚时空和地域变化在分配的频谱利用率介乎15％至85％的使用。
为了利用这些频谱'
空白'
，FCC已发出建议规则制定的通知（NPRM-FCC03-322[2]）推进认知无线电（CR）技术，以实现协商或伺机频谱共享的候选人。
2.
Wirelesssystemstodayarecharacterizedbywastefulstaticspectrumallocations,fixedradiofunctions,andlimitednetworkcoordination.Somesystemsinunlicensedfrequencybandshaveachievedgreatspectrumefficiency,butarefacedwithincreasinginterferencethatlimitsnetworkcapacityandscalability.Cognitiveradiosystemsoffertheopportunitytousedynamicspectrummanagementtechniquestohelppreventinterference,adapttoimmediatelocalspectrumavailabilitybycreatingtimeandlocationdependentin“virtualunlicensedbands”,i.e.bandsthataresharedwithprimaryusers.Uniquetocognitiveradiooperationistherequirementthattheradioisabletosensetheenvironmentoverhugeswathsofspectrumandadapttoitsincetheradiodoesnothaveprimaryrightstoanypre-assignedfrequencies.Thisnewradiofunctionalitywillinvolvethedesignofvariousanalog,digital,andnetworkprocessingtechniquesinordertomeetchallengingradiosensitivityrequirementsandwidebandfrequencyagility.
现在无线系统的特点是浪费的静态频谱分配，固定无线功能，以及有限的网络协调。
在未经许可的频带一些系统已经取得了很大的频谱效率，但都面临着限制的网络容量和可扩展性增加的干扰。
认知无线电系统提供使用动态频谱管理技术，以帮助防止干扰，通过创建时间和位置相关的“虚拟免授权频段”，适应当地的即时频谱可用性的机会，例如与主要用户共享频段。
独特的认知无线电操作是有需要的，它使无线电能够通过频谱巨大的大片感知环境，并适应它，纵然无线电对任何预指配频率没有基本权利。
这种新的无线功能将涉及各种模拟设计，数字化和网络处理技术，以满足具有挑战性的射频灵敏度的要求和宽带频率捷变。
3.
Spectrumsensingisbestaddressedasacross-layerdesignproblem.CognitiveradiosensitivitycanbeimprovedbyenhancingradioRFfront-endsensitivity,exploitingdigitalsignalprocessinggainforspecificprimaryusersignal,andnetworkcooperationwhereuserssharetheirspectrumsensingmeasurements.
频谱感知在跨层设计问题上是最好的方法。
认知无线电的灵敏度可以通过增强无线电射频前端的灵敏度，利用数字信号处理增益为特定主用户信号，以及网络合作，用户共享他们的频谱感测的测量得到改善。
4.
Thepaperisorganizedasfollows;
SectionIIdefinesspectrumsensingfunctionandproposesacross-layerapproachforitsimplementation.SectionIIIconsidersRFfront-endandA/Drequirementsforspectrumsensingandanalogtechniquesforfeasibleimplementations.InsectionIVweinvestigatedigitalsignalprocessingtechniquesthatcanimproveradiosensitivityanddetectprimaryusers’presence.SectionVpresentstheresultsfromacooperativesensingscheme,achievablegainsandimplementationissues.Finally,conclusionsarepresentedinSectionVI.
本文结构如下，第二部分定义频谱感知功能，并提出了实施一个跨层的方法。
第三部分讨论频谱感知的射频前端，后端和A/D的要求，与可实现的模拟技术。
在第四部分中，我们研究，可以提高无线电灵敏度和检测主用户的存在的数字信号处理技术。
第五部分提出了从协作感知方案，可实现收益和实施问题的结果。
最后，结论载于第六部分。
II.SPECTRUMSENSING
2、频谱感知
1.
A“CognitiveRadio”isaradiothatisabletosensethespectralenvironmentoverawidefrequencybandandexploitthisinformationtoopportunisticallyprovidewirelesslinksthatbestmeettheusercommunicationsrequirements[2].Whilemanyothercharacteristicshavealsobeendiscussedaspossibleadditionalcapabilities,wewillusethismorerestricteddefinitionandconsiderphysical（PHY）andmediumaccesscontrol（MAC）functionsthatarelinkedtospectrumsensingasillustratedinFigure2
认知无线电是一种无线电，它能够感觉到在很宽的频带内的频谱环境，并利用这些信息来投机提供最能满足用户的通信需求的无线链路。
在许多其他特性也已讨论过作为可能的附加功能时，我们将使用这个更受限制的定义，并考虑物理层（PHY）和介质访问控制（MAC）功能链接到频谱感测，如图2
Sincecognitiveradiosareconsideredlowerpriorityorsecondaryusersofspectrumallocatedtoaprimaryuser,afundamentalrequirementistoavoidinterferencetopotentialprimaryusersintheirvicinity.Ontheotherhand,primaryusernetworkshavenorequirementtochangetheirinfrastructureforspectrumsharingwithcognitivenetworks.Therefore,cognitiveradiosshouldbeabletoindependentlydetectprimaryuserpresencethroughcontinuousspectrumsensing.Forexample,TVbroadcastsignalsaremucheasertodetectthanGPSsignals,sincetheTVreceivers’sensitivityistensofdBsworsethanGPSreceiver.
由于认知无线电被认为是低优先级或分配给主用户频谱的二级用户，一个基本要求是，避免附近的有潜力的主要用户的干扰。
另一方面，主用户网络具有不要求改变他们与认知网络频谱共享的基础设施。
因此，认知无线电应该能够通过不断的频谱感知独立检测主用户的存在。
例如，广播电视信号更容易比GPS信号来检测，因为电视接收器的灵敏度是几十分贝比GPS接收器差。
Ingeneral,cognitiveradiosensitivityshouldoutperformprimaryuserreceiverbyalargemargininordertopreventwhatisessentiallyahiddenterminalproblem.Thisisthekeyissuethatmakesspectrumsensingverychallengingresearchproblem.Meetingthesensitivityrequirementofeachprimaryreceiverwithawidebandradiowouldbedifficultenough,buttheproblembecomesevenmorechallengingifthesensitivityrequirementisraisedbyadditional30-40dB.Thismarginisrequiredbecausecognitiveradiodoesnothaveadirectmeasurementofachannelbetweenprimaryuserreceiverandtransmitterandmustbaseitsdecisiononitslocalchannelmeasurementtoaprimaryusertransmitter.Thistypeofdetectionisreferredtoaslocalspectrumsensingandtheworstcasehiddenterminalproblemwouldoccurwhenthecognitiveradioisshadowed,inseveremultipathfading,orinsidebuildingswithhighpenetrationlosswhileinacloseneighborhoodthereisaprimaryuserwhoseisatthemarginalreception,duetoitsmorefavorablechannelconditions.Eventhoughtheprobabilityofthisscenarioislow,cognitiveradioshouldnotcauseinterferencetosuchprimaryuser.
一般情况下，认知无线电灵敏度应远远胜过主用户接收器，为的是防止出现隐藏终端问题。
这是使频谱感知非常具有挑战性的研究课题的关键问题。
满足每个主接收器的灵敏度要求，宽带无线电将难以足够了，但如果灵敏度的要求是提出额外的30-40分贝的问题就变得更加具有挑战性。
这个利润率是必需的，因为认知无线电没有直接测量主用户接收机和发射机之间的信道，并且必须立足其上的本地信道测量决定主要用户发送。
这种类型的检测被称为本地频谱检测和当认知无线电是阴影，在严重的多径衰落会发生隐藏终端问题的最坏的情况下，在严重的多径衰落，或内部具有高穿透损耗的物体，而在一个近邻域有一个主要用户，其是在边缘接收，由于其更有利的信道条件。
即使这种情况的概率较低，认知无线电应该不会对这样的主用户造成干扰。
Theimplementationofthespectrumsensingfunctionalsorequiresahighdegreeofflexibilitysincetheradioenvironmentishighlyvariable,bothbecauseofdifferenttypesofprimaryusersystems,propagationlosses,andinterference.ThemaindesignchallengeistodefineRFandanalogarchitecturewithrighttrade-offsbetweenlinearity,samplingrate,accuracyandpower,sothatdigitalsignalprocessingtechniquescanbeutilizedforspectrumsensing,cognition,andadaptation.Thisalsomotivatesresearchofsignalprocessingtechniquesthatcanrelaxchallengingrequirementsforanalog,specificallywidebandamplification,mixingandA/DconversionofoveraGHzormoreofbandwidth,andenhanceoverallradiosensitivity.
频谱检测功能的实现也需要高度灵活性，由于无线环境是高度可变，另一个原因是不同类型的主用户系统中存在传播损耗和干扰。
主要的设计挑战是定义射频和模拟结构与线性，采样率，精度和功率之间权利权衡，以使数字信号处理技术可被用于频谱感知，认知和适应。
这也促使了可以放宽对模拟的，特别宽频带放大，混合和超过带宽的GHz或多个A/D转换的挑战性的要求，提高整体的无线电灵敏度的信号处理技术的研究。
III.COGNITIVERADIOFRONTEND
3、认知无线电前端
Therearetwofrequencybandswherethecognitiveradiosmightoperateinanearfuture:
400-800MHz（UHFTVbands）and3-10GHz.TheFCChasnotedthatinthelowerUHFbandsalmosteverygeographicalareahasseveralunused6MHzwideTVchannels.Thisfrequencybandisparticularlyappealingduetogoodpropagationpropertiesforlong-rangecommunications.Furthermore,giventhestaticTVchanne
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