【正文】 的擴(kuò)展。這樣的自適應(yīng)調(diào)整一方面是為了改進(jìn)系（論文） 第 5 頁 共 68 頁 統(tǒng)的穩(wěn)定性 ， 另一方面是為了提高頻譜資源的利用率。 20xx年 10月 ， 正式批準(zhǔn)了關(guān)于引入認(rèn)知無線電技術(shù) ， 使用認(rèn)知無線電設(shè)備的法規(guī)。目前可見的研究成果是一些有關(guān) WRAN標(biāo)準(zhǔn)的提案及 20xx年 5月初步形成的草案；該系統(tǒng)工作在甚高頻／超高頻 (VHF／ UHF)(北美為 54 MHz一 862 MHz)頻段上未使用的 TV信道。近兩年國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)也開始關(guān)注 CR技術(shù) ， 對 CR系統(tǒng)中的協(xié)作技術(shù)及跨層設(shè)計(jì)技術(shù)、空間信號檢測和分析及 QoS保證機(jī)制等方面開始了研究。 (4)檢測到授權(quán)用戶時迅速的騰出信道 ， 即頻譜移動性。同時認(rèn)知無線電技術(shù)中的頻譜移動性管理、認(rèn)知無線電的安全技術(shù)和認(rèn)知無線電的跨層設(shè)計(jì)也引起研究 人員的興趣。不準(zhǔn)確或者延時的頻譜感知結(jié)果會給授權(quán)用戶帶來有害干擾 ， 頻譜感知技術(shù)作為認(rèn)知無線電系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)之一 ， 是認(rèn)知無線電系統(tǒng)能否得到推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。協(xié)作檢測是指多個認(rèn)知用戶相互合作執(zhí)行的檢測 ， 分為集中式協(xié)作檢測和分布式協(xié)作檢測。對頻譜感知的研究也主要集中在本地檢測算法和感知結(jié)果的處理兩個方面。然而 ， 由于不可預(yù)料的新干擾源的出現(xiàn) ， 干擾實(shí)際上也可能發(fā)生在接收機(jī)范圍內(nèi)。換一句話說 ， 干擾溫度模型是對多個射頻信號能量進(jìn)行積累 ，獲得其最大容量的對應(yīng)信號數(shù)量作為判別門限。 干擾溫度模型在接收機(jī)處設(shè)定干擾溫度限 ， 用來表示接收機(jī)所能承受的最大干擾范圍。 本振泄露功率控制 當(dāng)主用戶的位置未知時 ， Wild 等人提出一種本振泄露功率檢測 [7]的方法。而且需要在授權(quán)用戶周圍安置傳感節(jié)點(diǎn) ， 實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜。一般地 ， 認(rèn)知無線電發(fā)射機(jī)檢測方法主要有三種：匹配濾波器檢測、能量檢測、周期平穩(wěn)過程特性檢測。匹配濾波器檢測方法最大的優(yōu)點(diǎn)是可以在很短時間內(nèi)完成同步來提高信號的處理增益 ， 缺點(diǎn)是要求認(rèn)知用戶掌握每一類主用戶的各種信息。 實(shí)際上 ， 能量檢測是在一定頻帶范圍內(nèi)作能量積累 ， 如果積累的能量高于一定的門限 ， 則說明信號的存在；如果低于一定的門限 ， 則說明僅有噪聲。 帶 寬 濾 波 器（ W )x ( t )2()? 2x ( t) 20 01 ()TV dt??? ?輸 入VK0H 1 圖 23 能量檢測器框 圖 設(shè)加性高斯白噪聲（ AWGN， Additive White Gauss Noise）信道下 ， 認(rèn)知用戶接收信號的二元假設(shè)檢測模型表示為 [9]： 01: ( ) ( ): ( ) ( ) ( )H x t n tH x t h s t n t??? (23) 其中 n(t)為加性高斯白噪聲 ， s(t)表示主用戶發(fā)射的信號 ， x(t)表示認(rèn)知無線電接收到的信號 ， h是信道的增益 ， 假設(shè) ， 0H 指在某個頻段不存在主用戶信號 ， 1H 指在某個頻段存在主用戶信號。 在文獻(xiàn) [11]中 ， 能量檢測器考慮了多徑衰落的因素。認(rèn)知無線電接收機(jī)在感知周圍無線電環(huán)境時 ， 由于授權(quán)用戶的存在而引起認(rèn)知無線電接收機(jī)周圍噪聲和干擾的等級是不斷變化的 ， 這就要求能量檢測的判決門限也是不斷變化的。最后 ， 能量檢測法無法檢測擴(kuò)頻信號 ， 如直接序列擴(kuò)頻和跳頻擴(kuò)頻信號。周期平穩(wěn)特征 檢測法最主要的優(yōu)點(diǎn)就是它能夠把噪聲能量和已調(diào)信號的能量區(qū)分開來 ， 這是因?yàn)樵肼暿且粋€寬帶的、靜態(tài)的、沒有相關(guān)性的信號 ， 而已調(diào)信號具有頻譜相關(guān)性和周期性。因此在功率譜密度函數(shù)中頻率重疊頻譜區(qū)域在周期功率譜密度函數(shù)中就不再重疊。在多數(shù)情況下 ， 認(rèn)知無線電與授權(quán)用戶的網(wǎng)絡(luò)在物理上分隔開來的 ， 因此 ， 在發(fā)射機(jī)檢測中 ， 認(rèn)知無線電不能避免由于不知道授權(quán)用戶接收機(jī)位置和信息而造成的干擾 ， 如圖 24(a)所示。 （論文） 第 14 頁 共 68 頁 圖 24 發(fā)射機(jī)檢測 中的問題示意 在非合作檢測中 ， 認(rèn)知無線電獨(dú)立地檢測授權(quán)用戶的發(fā)射信號。相應(yīng)的 ， 分布模式則要求認(rèn)知無線電用戶交互各自的感知信息。然而在資源受限制的網(wǎng)絡(luò)中 ， 協(xié)同檢測方式會對網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生負(fù)面影響 ， 因?yàn)樵谶@種方式下 ， 節(jié)點(diǎn)匯集了大量的信息 ， 這些信息需要傳遞給基站或者節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行相互交換。分別 進(jìn)一步討論了它們各自的基本原理 ， 為進(jìn)一步研究打下理論基礎(chǔ)。 理想信道下能量檢測法的算法分析 能量檢測是在高斯噪聲背景下應(yīng)用最廣泛的檢測方法 ， 它適用于任何形式的信號類型 ， 而且只需要很少的主用戶信號先驗(yàn)知識。 頻譜感知的任務(wù)就是要區(qū)分以上兩種不同的假設(shè) ， 從而判定在該時刻、該頻段范圍是否存在授權(quán)用戶在通信。 根據(jù)文中的模型假定 ， 在 0H 條件下 ， 2~ (0, )xN? ；在 1H 條件下 ， 22~ (0, )sxN ??? ，于是有： 1222022 212202 211e xp [ ( ) ]2( )[ 2 ( ) ]() 11e xp [ ( ) ]2( 2 )NNnssNNnxnLxxn??? ? ????????? ?????? （ 32） （論文） 第 16 頁 共 68 頁 對 ()Lx 去自然對數(shù)： 2 122 2 2 2 2022 122 2 2 201 1 1( ) l n ( ) ( ) ( )221l n ( ) ( ) ( )22NnssNsnssNl x x nN xn?? ? ? ? ???? ? ? ?????? ? ????????? （ 34） 因此 ， 若 1 20( ) ( ) 39。 下面確定檢測性能。 因此 ， 根據(jù)（ 35）得 200222{ ( ) 39。()FANP P T x r HT x rPHrQ????????? （ 36） 2122{ ( ) 39。 39。39。由式（ 36 ， 38)得： 21222( / 2()1sFADsQ P NPQ????? ??? (39) 1 1 1 1 22 { [ ( ) ( ) ] ( ) }FA DDN Q P Q P S N R Q P? ? ? ?? ? ? (310) 由（ 39 ， 310）可得 ， 在 在理想高斯白 噪聲的條件下對能量檢測器中檢測信 噪 比、虛警概率、檢測概率及信噪比和取樣數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行 仿真。 (2) 在一定信噪比情況下 ， 隨著虛警概率 Pf的增大 ， 檢測 概率 Pd也相應(yīng)提高 ， 誤警概率也增大。 圖 33為 能量檢測器在 AWGN信道下的接收機(jī)工作特性曲線 (ROC curves)， 取信噪比SNR= 5dB、 0dB、 3dB、 8dB。由式 (311)可知 ， 在衰落信道下虛警概率 Pf與 SNR獨(dú)立 ， 其值不變。將式 (313) 代入 （ 312） ，并作變量代換 2x ?? ， 求得能量檢測器在 Rayleigh衰落信道下的平均檢測概 率 .dRayP 為 22 1 2 ( 1 )22. 001 1 1 1( ) ( ) [ ]! 2 ! 2 ( 1 )mmnmd R a y nnP e e enn??? ?? ? ????? ??? ? ????? ? ? ? ? ??? （ 314） 圖 33為 能量檢測器在 Rayleigh信道下的 ROC曲線 ， 取信噪比 SNR= 3dB、 1dB、 0dB、1dB， m=5。根據(jù)根據(jù)式（ 39）和式（ 314） ， 得出高斯信道與瑞利信道之間的 Pf與 Pm關(guān)系。 在相同的虛警概率下 ， 瑞利衰落導(dǎo)致能量檢測器的漏檢概率大大增加 ， 即檢測性能大幅度降低。 圖 （ 35） 為 Rician衰落信道下能量檢測器的 ROC曲線。 下 面我 給出了單一認(rèn)知用戶在 3種不同衰落信道中的接收機(jī)工作特性 對比 曲線。 （論文） 第 24 頁 共 68 頁 102101100106105104103102101100虛警概率 Pf漏檢概率Pm a w g n t h e o r yr a y l e i g h t h e o r yr i c i a n 圖 37 單一認(rèn)知用戶在不同衰落信道中的 ROC曲線 圖 (37)的對比可以發(fā)現(xiàn) ， 在瑞利和 萊斯 衰落下 ， 認(rèn)知用戶的檢測性能因?yàn)檩^強(qiáng)的衰落而變差 ， 在這 2種信道中 ， 頻譜檢測更困難一些。 第三步 預(yù)先設(shè)定虛警概率 Pf=， 通 過式（ 311）可得檢測門限 r， 計(jì)算 N點(diǎn)取樣檢測統(tǒng)計(jì)量 T。圖（ 37）中我的仿真次數(shù)達(dá)到 10000次 ， 而當(dāng)減少仿真次數(shù)至 1000次時 ， 仿真效果如下圖： （論文） 第 26 頁 共 68 頁 104103102101100104103102101100虛警概率 Pf漏檢概率Pm a w g n s i mr a y l e i g h s i ma w g n t h e o r yr a y l e i g h t h e o r y 圖 39 高斯信道與瑞利信道的理論與實(shí)際仿真比較（仿真次數(shù)為 1000次） 由（ 38）與（ 39）對比可得仿真次數(shù)對信道的仿真非常重要 ， 直接關(guān)系到檢測的準(zhǔn)確性。 （ b） 實(shí)驗(yàn)中 ， 取理想瑞利信道為研究對象 ， 時間帶寬積 m=5， 信噪比線性變化 ，門限依次取 r=15， 16， 17， 18， 可得出圖（ 310(b)） 。如果 Pf過高 ， 由于虛假警報(bào)會使認(rèn)識用戶丟失許多頻譜利用的機(jī)會 ， 將會導(dǎo)致頻譜利用率變低。 單用戶頻譜感知的不足 盡管存在多種本地檢測算法 ， 但是單用戶頻譜感知在實(shí)際應(yīng)用場景中仍然不能達(dá)到較高的檢測性能 ， 總體而言 ， 其主要存在三個方面的不足。而一個需要高于主用戶接收機(jī) 30dB檢測靈敏度的認(rèn)知無線電用戶需要達(dá)到檢測 113dBm信號的水平 ， 這已經(jīng)低于典型熱噪聲的功率水平 (106dBm)， 實(shí)際中將很難實(shí)現(xiàn)正確檢測。而由于多徑衰落和遮蔽的影響 ， 信號的強(qiáng)度可能大大降低 ，在這種情況下 ， 合作檢測性能往往更好 ， 這是由于在這種方式下參與合作的節(jié)點(diǎn)能接收到來自不同路徑的信號 ， 增加了信號強(qiáng)度的多樣性。得出結(jié)論： 在衰落信道下 ， 有必要采取合作頻譜檢測來提高檢測性能。 (2)如果感知用戶與主用戶發(fā)射機(jī)之間存在障礙物遮擋 ， 那么該用戶將受到陰影效應(yīng)影響 ， 檢測不到主用戶發(fā)射機(jī)的信號。 N對檢測概率 Pd的影響 根據(jù)式（ 39） ， 我們可以容易做出采樣點(diǎn)數(shù) N對檢測概率 Pd的關(guān)系曲線。判決門限越低 Pd越高 ， 同時影響 Pf相應(yīng)增大。門限從 030線性變化。反之 ， 則判為信號不存在 D0 ， 檢測結(jié)果設(shè)為 0 （論文） 第 25 頁 共 68 頁 第四步 按照前面的步驟蒙特卡羅隨機(jī)仿真 Ns次 ， 最后統(tǒng)計(jì)檢測結(jié)果 1的個數(shù) N1 ，也就是檢測到信號的次數(shù) 。 瑞利信道和高斯信道實(shí)際仿真驗(yàn)證 這一節(jié)我利用 Monte Carlo仿真方法 [15]， 構(gòu)建仿真模型： 第一步 生成待檢測信號 ， 這里我們假設(shè)授權(quán)信號為 BPSK調(diào)制信號 ， 通過調(diào)節(jié)信號載波的幅度來控制信號的平均功率 2s? ， 從而改變信噪比 SNR。萊斯因子系數(shù) m=5。 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 100 . 10 . 20 . 30 . 40 . 50 . 60 . 70 . 80 . 91虛警概率 Pf檢測概率Pd S N R = 0S N R = 5S N R = 1 0 圖 36 Rician衰落信道下能量檢測器的 ROC曲線 由（ 36）圖可知 ， Rician信道檢測性能介于 AWGN信道和 Rayleigh信道之間。因此 ， 在衰落信道下 ， 有必要采取合作頻譜檢測來提高檢測性能。在自由度和信噪比相同的情況下 ， AWGN信道下的性能明顯優(yōu)于 Rayleigh信道。與圖（ 33）比較可得 ， 在相同的 SNR和虛警概率約束條件下 ， 能量檢測器在衰落信道 Rayleigh下的檢測性能要比 AWGN信道差 ， 這是由于多徑衰落導(dǎo)致了信號能量的減弱。利用式 (312)可分別對能量檢測在 Rayleigh和 Rician衰落信道下的平均檢測概率 Pd進(jìn)行求解。能量檢測在高信噪比條件下的檢測性能明顯優(yōu)于低信噪比