摘 要

随着无线通信技术的飞速发展，匮乏的无线频谱资源逐渐满足不了人们通信的需求，在这样的背景下，认知无线电的出现让当前的频谱资源紧张形势有了新的转机，认知无线电可以动态地探索并利用频谱空洞，以此将频谱的有效利用率提高。频谱感知是认知无线电技术的前提和核心技术，研究频谱感知技术具有着十分重要的意义。

本文结合压缩感知和序贯检测技术提出了一种序贯压缩频谱感知算法，利用压缩样本对经典的序贯检测算法进行了优化，通过序贯检测的结果来判断是否需要应用压缩感知技术，一方面减少了压缩感知重构算法的开销，另一方面利用序贯检测使宽带感知的质量得到了提升，同时，本文还提出加入深度感知算法来加速对信道状态的感知决策。

通过在MATLAB中对算法的仿真表明，序贯压缩频谱感知算法提高了系统的检测速率，降低了检测失败率，改善了感知性能，取得了良好的效果。

关键词：认知无线电；宽带感知；压缩感知；序贯检测

Abstract

With the wireless communication technology rapidly developing, the scarce wireless spectrum resources are gradually unable to meet the needs of people's communication. Under such a background, the emergence of cognitive radio has provided brand new chances for the current situation of tight spectrum resources. Cognitive radio can dynamically explore spectrum holes, as a result, the effective utilization of spectrum is optimized. The research of spectrum sensing is of great importance for the reason that it is the core technology and basis of cognitive radio technology.

This paper proposes a sequential compressed spectrum sensing algorithm combining compressed sensing and sequential detection technology. We optimize the classic sequential detection algorithm with compressed samples. The result of sequential detection is used to determine whether compressed sensing technology needs to be applied. In this way, the overhead of the compressed sensing reconstruction algorithm is greatly reduced, and the quality of wideband sensing is proved by sequential detection as well. At the same time, this paper also proposes an in-depth sensing algorithm to accelerate the perception decision of the channel state.

The results of the simulation in MATLAB confirm that the sequential wideband compressed sensing proposed in this paper reduces the detection delay and ratio of detection failure, improved the sensing and has a good performance in the end.

Key Words：Cognitive radios；wideband sensing；compressed sensing；sequential detection

目 录

第1章 绪论 1

1.1 频谱感知的目的与意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3本文的研究内容及安排 4

第2章 宽带频谱感知技术的方案研究 5

2.1 压缩感知技术 5

2.1.1 引言 5

2.1.2 信号的稀疏表示 6

2.1.3 编码测量 6

2.1.4信号的重构 7

2.2 频谱感知中的序贯检测 7

2.2.1 频谱感知模型及指标 7

2.2.2 序贯检测SPRT 8

2.3 方案研究 9

2.4 本章小结 10

第3章 宽带频谱感知部分算法实现 11

3.1 CoSaMP重构算法 11

3.2 基于压缩采样数据的宽带序贯检测算法(GCD-SPRT) 12

3.3 本章小结 15

第4章 基于压缩感知的宽带频谱感知技术 16

4.1 序贯宽带压缩感知算法 16

4.2 MATLAB仿真 17

4.3 本章小结 19

第5章 总结与展望 20

5.1 本文总结 20

5.2 研究展望 20

参考文献 22

致 谢 24

第1章 绪论

1.1 频谱感知的目的与意义

随着信息时代的飞速发展，通信技术不断进步，无线通信已经成为了人们生活中不可或缺的一部分。随着移动通信从单一的语音业务发展到多媒体业务，4G、5G以及超宽带等技术的不断涌现与成熟，人们对无线频谱资源的需求量迅猛增长。目前，授权频段和非授权频段作为无线频谱资源的两大类，授权频段可以被授权主用户(Primary User, PU)自由使用，也就是说主用户可以随时接入该频段，不受外界干扰，而非授权用户(Secondary User, SU)则没有权利使用该频段。非授权频段也被称为开放频段，可以被所有用户使用。由于政府将大量的频谱资源归为授权频段，开放频段的数量远远少于授权频段，经过频谱的固定分配，开放频谱资源的使用出现拥挤甚至日趋饱和，而授权频段的利用率却极低，整个频谱资源分配情况十分不平衡。根据美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission, FCC)2002年发布的报告显示，美国0~6GHz无线频谱资源利用率为15%-85%^[1]，也就是说，已经被分配的频段资源没有得到充分利用，存在严重的浪费现象。另一项由美国加州大学伯克利分校无线研究中心进行的调查结果如图1.1所示^[2]，在伯克利地区，最适合无线通信的0~3GHz资源在频段上仅被利用了30%，3~4GHz的无线频谱资源利用率仅有0.5%，4~5GHz频段利用率甚至只有0.3%，3~6GHz的资源基本处于闲置状态。由此可见，现有的固定频谱分配方式存在很大的弊端，阻碍了无线通信的发展进步。提高频谱利用率的任务迫在眉睫。

在这样的情况下，认知无线电技术(Cognitive Radio，CR)的出现让频谱拥堵与利用率低的问题有了转机。法律规定“只要具备认知无线电功能，即使是其用途未获许可的无线终端，也能使用需要无线许可的现有无线频带”，这为新的无线资源管理技术奠定了法律基础。认知无线电的核心思想是让认知用户寻找授权频段中主用户没有使用的频段，即频谱空洞，一旦有频谱空洞被检测到，次级用户就可以在完全不干扰主用户信号传输的前提下，利用频谱空洞，从而提升频谱资源的利用率，实现对授权频谱的“二次利用”。为了达到这个目标，认知用户需要对频谱进行实时和准确的感知，判断频谱的占用情况，并且保证不干扰主用户的通信，如果在次级用户利用频谱空洞时有主用户重新出现，次级用户需要迅速撤离当前使用的信道。除此之外，在实际的通信环境中，由于信号衰落和噪声等各种因素的干扰，频谱感知的性能无疑会受到一定的影响^[3]。因此，频谱感知是认知无线电技术实现的前提和核心技术，频谱感知的效果可以直接影响整个系统。为了解决无线频谱使用效率低下问题，同时为了实现未来高速认知数据的传输，研究认知无线电的宽带频谱感知技术具有重要的现实意义。