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21 世纪通信网络技术丛书 移动通信前沿技术系列 认知无线电网络技术及应用认知无线电网络技术及应用 Cognitive Radio Network Technologies and Applications 郭彩丽 冯春燕 曾志民 著 Publishing House of Electronics Industry 北京BEIJING 内 容 简 介 认知无线电作为有望解决无线频谱资源紧缺难题的技术，目前已成为业界极为关注和研究的热点。本书从认知无线电的基本思想的提出到目前国内外积极开展研究的过程中，就如何准确感知频谱，如何进行干扰估测，如何使用和组建认知无线电网络，如何将认知无线电推向实际应用展开了详细的论述。本书包括10 章，内容涵盖了认知无线电和认知无线电网络的基础知识和关键技术，包括频谱感知、物理传输技术、无线资源管理、路由技术及传输协议、跨层设计及优化、网络安全，认知无线电网络应用，最后展望了未来无线通信系统中认知无线电技术的研究及应用前景。本书可作为高等院校通信等相关专业高年级本科生或研究生教材，以及通信新技术培训参考书，也可作为从事无线通信领域研究的科研人员与工程技术人员的技术参考用书。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 认知无线电网络技术及应用/郭彩丽,冯春燕,曾志民著.北京：电子工业出版社，2010.7（21 世纪通信网络技术丛书移动通信前沿技术系列）ISBN 978-7-121-11213-3 I.认.郭 冯 曾.无线电通信通信网.TN92 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2010）第 122571 号 策划编辑：田宏峰 责任编辑：窦 昊 特约编辑：牛雪峰 印 刷：北京天宇星印刷厂 装 订：三河市皇庄路通装订厂 出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7871 092 1/16 印张：23.25 字数：595 千字 印 次：2010 年 7 月第 1 次印刷 印 数：4 000 册 定价：59.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务热线：（010）88258888。出 版 说 明 通信网络技术是当今发展最快、应用最广和最前沿的通信领域之一。通信技术发展到今天，已经不再是传统意义上充满神秘色彩的深奥技术了，它已经与日常的应用密不可分。可以说，网络的出现，使通信技术得以有了广阔的用武之地。正是由于有了固定电话网、移动通信网和 Internet，使通信技术的应用在这些平台上有了用武之地，渗透到我们日常生活的方方面面。为了促进和推动我国通信产业的发展，电子工业出版社通信分社特策划了一套21 世纪通信网络技术丛书。这套丛书根据不同的层面,又细分为三个系列：移动通信前沿技术系列、3GPP LTE 无线通信新技术系列和网络通信与工程应用系列。移动通信前沿技术系列是从移动通信技术（3G 技术）的应用现状与发展情况出发，全面介绍当今移动通信领域涉及的关键技术与热点技术，例如，软件无线电；移动 IP 技术；移动数据通信；WCDMA；TD-SCDMA；cdma2000；移动通信系统网络规划与优化；智能天线技术；认知无线电技术；WiMAX、WiFi、ZigBee 宽带无线接入技术；UWB 技术；UMTS技术；Ad Hoc 技术等。3GPP LTE 无线通信新技术系列是以 3GPP 中 LTE 标准的关键技术在无线、宽带、高速、资源中的有效管理和利用，以及在 B3G/4G 无线通信领域中的应用为主。LTE 作为 3G技术的一个重要的长期演进计划，代表了国际无线通信领域的最新发展需求和解决方案，例如，基于 OFDM 的上、下行（HSxPA）的多址接入技术、随机接入技术、多天线 MIMO 技术、多链路自适应技术、多播技术、功率控制技术、宽带无线网络的安全性、可移动性、可管理性、高效信源与信道编码和调制 MQAM 技术等。网络通信与工程应用系列是以技术为先导，以构建网络的体系结构、标准、协议为目标所开展的对现代无线、移动、宽带通信网络的规划与优化，以及结合工程应用的方向所提出来的。例如，无线网状网、WLAN、无线传感器网络、3G/B3G/4G 通信网工程设计与优化、卫星移动通信网、三网融合技术、网络安全新技术与新策略、RFID 应用网络、下一代基于 SIP 的统一通信、光网络与光通信等。本套丛书依托各高等院校在通信领域从事科研、教学、工程、管理的具有丰富的理论与实践经验的专家、教授；各研究院所的研究员；国内有一定规模和研发实力的科技公司的研发人员，以及国外知名研究实验室的专家、学者等组成编写和翻译队伍，力求实现内容的先进性、实用性和系统性；力求内容组织循序渐进、深入浅出、理论阐述概念清晰、层次分明；力求很强的可读性和可操作性。本套丛书的主要读者对象是广大从事通信网络技术工作的各科研院所和公司的广大工程技术人员；各高等院校的专业教师和研究生；刚走上工作岗位的大学毕业生；以及与此相关的其他学科的技术人员。本套丛书从 2008 年上半年开始将陆续推出，希望广大读者能关注它，多对本套丛书提出宝贵意见与建议，欢迎通过电子邮箱 进行探讨、交流和指正，以便今后为广大读者奉献更多、更好的优秀通信技术类图书。电子工业出版社 通信出版分社 前 言 无线频谱是不可再生的宝贵资源。提高频谱资源利用率以满足日益增长的无线通信业务需求是无线通信领域永恒的课题。可以说，无线通信的发展历史就是解决频谱有效利用的历史。传统提高频谱利用率的方法是采用先进的通信理论与技术，但受限于香农信道容量理论极限值，不能从根本上解决频谱资源紧张问题。随着未来无线通信宽带化的发展趋势，WiMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access）、LTE（Long Term Evolution)、UWB（Ultra-Wide Band）等新技术、新业务不断涌现，频谱需求呈指数迅猛增长。频谱资源的供需矛盾限制了无线通信业务应用的持续发展。与此同时，近期国内外大量研究表明，在传统“条块分割”的静态频谱分配政策下，全球频谱资源的利用表现出高度的不均衡性。一方面，一些非授权频段业务繁忙、占用拥挤；另一方面，一些授权频段，尤其是信号传播特性比较好的低频段，其频谱利用率极低，频谱资源存在巨大“浪费”。这就迫切需要一种新的技术将“浪费”的频谱资源充分利用起来，认知无线电技术应运而生。它通过对授权频谱的“二次利用”，可有效缓解频谱资源紧缺问题，因此被预言为未来最热门的无线技术。认知无线电技术是无线通信发展的一个新的里程碑，其将来的广泛应用必将带来无线通信领域历史性的变革。目前认知无线电的研究正在全世界范围内积极开展，且发展迅速，无论是专家学者还是国内外频率管理委员会、标准化组织、研究机构、企业均给予了极大的关注。但认知无线电技术本身是一个有相当难度的课题，如何准确感知频谱、有效估测干扰，如何组建认知无线电网络，这些问题一直以来都困扰着广大的研究者。在我国大力发展无线通信和急需培养前沿通信专业人才的今天，编写一本结构清晰、内容全面、汇集认知无线电研究进展、体现认知无线电网络关键技术研究难点、充分挖掘认知无线电网络应用前景的参考书，对于推动无线通信的发展具有重要的学术和应用价值。此外，目前在认知无线电领域虽已取得一系列可喜研究成果，但离工业界所期望的能“呼之欲出”的实用还有一段距离。为推动认知无线电技术进一步从目前的研究实验最终走向真正实用，相关的通信企业开发人员也迫切需要一本能够呈现认知无线电网络关键技术及应用研究成果进展的书，以帮助他们全面深入地了解这项新的技术，从而指导实际的工程实践。鉴于上述原因，本书在编著过程中突出以下三点：注重认知无线电网络知识架构的体系性，纳入了认知无线电网络从物理层到应用层所包含的频谱感知、物理传输技术、无线资源管理、路由技术与传输协议、跨层设计及优化、网络安全等技术内容；在书的编著过程中同时注意不局限于原理性介绍，穿插讲述一些认知无线电在未来无线通信中的应用实例，并设立典型的认知无线电网络这一章节，将近几年来无论是在实际网络中已有应用的技术还是在研究中已取得成果的技术均体现在书中；本书在最后一章还引入了认知网络，阐述了认知无线电网络的未来演进趋势，充分体现了内容的新颖性和前瞻性。本书的几位作者均为国内最早从事认知无线电领域的研究人员，本书的内容和素材主要是基于作者所领导的研究室近几年在认知无线电领域的研究成果和积累，包括对国内外发展 和研究现状的最新了解和掌握、与国内外学者交流、承担各种科研项目、教学实践、研究室博士和硕士研究生的学位论文等。编写此书期望能够将作者近几年从事认知无线电技术研究、教学实践过程中积累下来的研究成果与读者分享。本书共分为 10 章。第 12 章介绍认知无线电和认知无线电网络的基础知识；第 38章讲述认知无线电网络的关键技术，包括频谱感知、物理传输技术、无线资源管理、路由技术及传输协议、跨层设计及优化、网络安全；第 9 章介绍了典型的认知无线电网络应用；第10 章讲述了认知网络，并展望了未来无线通信中认知无线电及认知网络的应用前景。本书可作为高等院校通信等相关专业高年级本科生或研究生教材，以及通信新技术培训参考书，也可作为从事无线通信领域研究的科研人员与工程技术人员的技术参考用书。在本书的撰写过程中，王悦、刘芳芳、张旭、徐咏梅、史松松、候志宏、卞宏梁、王圣森、蔺琳等参与了研究实践及部分章节的写作，在此向他们表示衷心的感谢。本书编写得到国家“863”计划重点项目“频谱资源共享无线通信系统”（2009AA011802）、国家自然科学基金项目“基于时域频谱利用概率分布曲线拟合的频谱检测研究”（60772110）、“极化域频谱感知理论与技术研究”（60902047）的大力支持，特此表示感谢。认知无线电技术在不断发展，加之作者的学识有限，书中疏漏不妥之处，恳请读者指正。VII 目 录 第 1 章 概论（1）1.1 无线通信与频谱资源（1）1.2 高效频谱利用技术（2）1.3 频谱共享技术 （3）1.3.1 动态频谱分配（3）1.3.2 免许可开放接入（3）1.3.3 分级共享接入（4）1.4 认知无线电的产生（5）1.5 认知无线电研究现状（6）1.5.1 标准化进展 （6）1.5.2 代表性研究成果（8）1.6 认知无线电与认知无线电网络（9）参考文献（9）第 2 章 认知无线电网络基础（11）2.1 认知无线电技术（11）2.1.1 认知无线电的定义（11）2.1.2 理想认知无线电（12）2.1.3 频谱感知认知无线电（14）2.1.4 认知无线电的物理实现（16）2.1.5 认知无线电在无线通信中的应用（17）2.2 认知无线电网络（24）2.2.1 现存认知无线电网络（25）2.2.2 认知无线电网络关键问题 （27）参考文献（30）第 3 章 频谱感知（31）3.1 概述（31）3.2 频谱感知模型 （31）3.2.1 频谱机会 （32）3.2.2 二元假设频谱感知模型（32）3.3 频谱感知分类 （33）3.3.1 辅助频谱感知（33）3.3.2 独立频谱感知（35）VIII 3.4 基于发射机信号的检测（36）3.4.1 匹配滤波器检测（36）3.4.2 能量检测 （38）3.4.3 循环平稳特征检测（41）3.4.4 协方差盲检测（42）3.4.5 延时相关性检测（43）3.4.6 两步检测 （43）3.5 基于接收机信号的检测（44）3.5.1 基于干扰温度估计的检测 （45）3.5.2 基于接收机本振泄漏的检测（47）3.6 合作检测（49）3.6.1 单用户检测局限性及合作检测增益（49）3.6.2 分布式多用户合作检测（50）3.6.3 协作分集式合作检测（57）3.7 MAC 层及跨层检测（59）3.