随着无线通信技术的飞速发展,频谱资源的稀缺已经成为提升 现有各种通信系统以及发明新型通信系统的瓶颈,而另一方面当前采取的静态的频谱管理方式却导致频谱使用的效率非常低下。为了提高频谱利用率,研究人员提出 了认知无线电技术。在认知无线电系统中,次要用户通过频谱感知发掘时域、空域和频域上的传输机会,然后根据环境和频谱条件的变化,通过软件无线电的功能迅 速调整其工作参数充分利用可能出现的机会进行通信,从而提高频谱的利用效率。为了使认知无线电成功地实现动态频谱接入的目的,可靠的频谱感知模块具有举足 轻重的地位,同时也是本文研究内容的中心,创新性成果如下:1.分析了认知无线电系统中多径衰落信道下,能量检测器的鲁棒性,得到了能量检测器由微小噪声 不确定度引起的信噪比墙(SNR wall),分析与仿真结果表明多径衰落导致能量检测器具有更高的信噪比墙。当次要用户接收到的主要用户信号的信噪比低于信噪比墙时,无论将检测时间延长 多久都不能实现鲁棒的检测,因此多径衰落会进一步限制能量检测器在认知无线电中的应用。2.为了克服能量检测器的缺陷并提高检测效率,首先提出了一种基于 序贯检测的合作频谱感知算法并优化了算法所需的平均感知时间,得到了系统能达到的最小平均感知时间以及此时系统应满足的参数设置条件。其次,针对大尺度认 知无线电网络,提出了一种高效的基于序贯概率比检测的频谱感知算法。该算法在认知无线电网络所有的次要用户中选择一组有较高接收信噪比的次要用户对主要用 户信号进行合作检测。理论分析和仿真结果表明该算法需要较少的次要用户参与合作频谱感知,因此需要较少的数据传输开销,因而算法也具有较高的能量效率。最 后,在认知无线电系统中,次要用户可能有较高的传输时延要求,此时次要用户必须在每一帧规定的感知时隙内做出判决,然而序贯检测所需的检测时间是随实际接 收信号的变化而变化的随机变量。基于此,为了在提高平均感知速度的同时避免个别情况下所需感知时间过长的情况发生,提出了一种基于截断序贯检测的频谱感知 算法。该算法在有限的感知时间内,能够在满足系统感知性能要求的同时缩短所需的平均感知时间。3.除了感知算法的设计,在频谱感知中感知时间的设置也是一 个重要的问题。因此我们讨论了在频谱感知时间一定的情况下,如何将感知时间分配到多个考察频段上使次要用户获得最大的通信机会。对每个频段上主要用户有充 分保护的条件下,我们将感知时间分配问题建模成一个线性约束优化问题,通过验证目标函数Hessian矩阵的负定性证明了感知时间分配问题是一个凸优化问 题,然后给出了基于罚函数法和牛顿法的搜索算法找到最优的时间分配并得到了最大的传输机会。4.在认知无线电网络中,恶意用户的存在不可避免。为了对抗恶 意用户对合作频谱感知协议的攻击,在建立认知无线电网络威胁模型的基础上,分析了网络中存在恶意用户时合作频谱感知算法性能的下降程度,并提出了一种基于 信誉的加权合作频谱感知算法。在该算法中,融合中心首先为网络中的每个次要用户分配一个信誉值,依据每个次要用户的历史检测结果更新其信誉值,然后将信誉 值映射为每个次要用户的加权因子,最后进行加权融合及判决。仿真结果表明,在有恶意用户威胁的环境下基于信誉的加权合作频谱感知算法优于传统的合作频谱感 知算法。