【正文】 能對(duì)頻重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 譜進(jìn)行連續(xù)性或周期性感知。 第四節(jié) 本章小結(jié) 頻譜感知技術(shù)不僅是實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無(wú)線電通信的一個(gè)首要環(huán)節(jié)，更是保證授權(quán)用戶(hù)通信不被干擾的重要技術(shù)之一。 目前，傳統(tǒng)的頻譜感知技術(shù)主要包括能量檢測(cè) (ED)、循環(huán)平穩(wěn)特征檢測(cè) (CFD)、波形檢測(cè) (WD)以及匹配濾波檢測(cè) (MFD)等方法。在無(wú)法獲得主用戶(hù)發(fā)射機(jī)信號(hào)相關(guān)信息的情況下，該方法是最優(yōu)的。因此， ED 方法的感知性能不僅對(duì)噪聲的不確定性十分敏感，而且還受 SU 與 PU 之間距離因素的嚴(yán)重影響。該方法能從 SU 用戶(hù)接收信號(hào)中提取出主用戶(hù)發(fā)射機(jī)信號(hào)的循環(huán)特征，這些循環(huán)特征是由發(fā)射機(jī)信號(hào)本身的統(tǒng)計(jì)特性如：數(shù)學(xué)期望和自相關(guān)值的周期性所表現(xiàn)出來(lái)的，而這些循環(huán)特征與噪聲的統(tǒng)計(jì)特性是不相同的。 當(dāng)發(fā)射機(jī)信號(hào)已知時(shí)，匹配濾波方法 (MFD)就是最優(yōu)的檢測(cè)方法， MFD 方法是一種信噪比 SNR 意義上的最優(yōu)檢測(cè)方法。由于 CR 要對(duì)種類(lèi)如此繁多的信號(hào)進(jìn)行處理，這將大大增加 MFD 算法的計(jì)算復(fù)雜度，致使整個(gè)系統(tǒng)的功耗非常高。因此，相對(duì)其它幾種傳統(tǒng)感知方法而言， WD 感知方法的整體性能最優(yōu)。 表 傳統(tǒng)的頻譜感知方法的感知精度及復(fù)雜度比較 感知算法 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 匹配濾波感知 檢測(cè)時(shí)間短，已知授權(quán)用戶(hù) 信號(hào)信息時(shí)檢測(cè)精度高 需要先驗(yàn)信息，需要精確同步 能量感知 實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，不需要先驗(yàn)信 息，計(jì)算量較小 受噪聲不確定性影響大，檢測(cè) 時(shí)間較長(zhǎng)，不能區(qū)分信號(hào)類(lèi)型 循環(huán)平穩(wěn)感知 計(jì)算復(fù)雜度高 可以區(qū)分噪聲和信號(hào)類(lèi)型，檢 測(cè)靈敏度高 通過(guò)以上分析可知，傳統(tǒng)的頻譜感知方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，如表 11 所示。因此，能否對(duì)寬帶無(wú)線頻譜進(jìn)行可靠、準(zhǔn)確、快速的感知是認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能否從理論走向現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的決定性因素之 一。事實(shí)上，主用戶(hù)的信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中不可避免的要受到多徑、陰影衰落以及本地干擾等因素的影響，這樣就可能造成認(rèn)知用戶(hù)所獲取的主用戶(hù)的信號(hào)過(guò)于微弱而導(dǎo) 致判斷錯(cuò)誤，從而造成對(duì)主用戶(hù)的干擾。而在分散式的結(jié)構(gòu)中，各個(gè)參與協(xié)作的認(rèn)知用戶(hù)間相互交流認(rèn)知信息，并做出最后判決。以有效改善認(rèn)知用戶(hù)的頻譜感知性能。 ()nx 的協(xié)方差矩陣也可以表示成 ( ) ( )Hx n x n??? ??xRE 。 ? ?( ) ( ) ( 1 ) ( 1 ) Tn s n s n s n N? ? ? ?S (23) ? ?( ) ( ) ( 1 ) ( 1 ) Tn x n x n x n N? ? ? ?X (24) ? ?( ) ( ) ( 1 ) ( 1 ) Tn w n w n w n N? ? ? ?W (25) 由 (21)式的信號(hào)模型可以得到 01::H X WH X S W??? (26) 信號(hào)及噪聲的時(shí)延統(tǒng)計(jì)協(xié)方差矩陣為 ? ?*X XX?RE (27) ? ?*S SS?RE (28) 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 ? ?*W WW?RE (29) X S W??R R R (210) 因?yàn)?()wn 是 WGN，我們可以得到 : 2W W N??RI ， NI 是 NN 單位矩陣。 PCA 感知算法是利用接收信號(hào)采樣協(xié)方差的最大特征向量來(lái)代表信號(hào)的特征，無(wú)需知道主用戶(hù)的先驗(yàn)信息，而且能夠?qū)⒃肼暫托盘?hào)區(qū)分開(kāi)來(lái)，并得到很好的檢測(cè)性能。認(rèn)知節(jié)點(diǎn)對(duì) PU 信號(hào)的檢測(cè)是一個(gè)二元假設(shè)檢驗(yàn)問(wèn)題： 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 ? 01 0 , 1 , 2 , , 1: x ( n ) ( n ) ,: x ( n ) s ( n ) ( n ) nNHH ? ? ????? (21) 在（ 21）式中 : 0H 假設(shè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)中只存在噪聲； 1H 假設(shè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)中既存在噪聲又存在 ＰＵ 信號(hào)； ? ?12( ) ( ) ( ) ( ) TMn n n n? ? ??η 是 ＣＲ 接收端的加性高斯白噪聲矢量 ,其均值為 0 、協(xié)方差矩陣為 2I? ，其中， 2? 為噪聲功率 ,I 為 M 階單位矩陣 。在認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)對(duì)于已授權(quán)用戶(hù)信號(hào)不具備任何先驗(yàn)條件的應(yīng)用場(chǎng)景下，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)僅利 用接收信號(hào)協(xié)方差矩陣特征值及特征向量的檢測(cè)器。通常采用兩種方式實(shí)現(xiàn)頻譜的合作檢測(cè)，集中式和分散式。因此，探討可靠性高、復(fù)雜度低的、符合實(shí)際應(yīng)用的新型頻譜感知方法是 CR 技術(shù)重要的、也是極具挑戰(zhàn)性的研究課題之一?？傮w而言，傳統(tǒng)的頻譜感知方法往往都需要主用戶(hù)信號(hào)或噪聲的某些先驗(yàn)知識(shí)，這在實(shí)際情況下是很難獲得的。換言之， WD 算法要求完全知曉主用戶(hù)信號(hào)的所有信息，這一前提條件非?？量痰模趯?shí)際情況下無(wú)法滿(mǎn)足。其中， ED 方法的算法復(fù)雜度最低，但其檢測(cè)精度也最差； MF 方法的感知準(zhǔn)確度最高，但是，算法復(fù)雜度卻最高。但是， MFD 方法需要將發(fā)射機(jī)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)后才能判斷主用戶(hù)是否存在。但是， CFD 方法的感知時(shí)間較長(zhǎng)，且對(duì) ADC(Analog to Digital Converter)的處理速度以及系統(tǒng)的信號(hào)處理能力均提出了較高要求，大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。原因是，在檢測(cè)強(qiáng)相關(guān)信號(hào)時(shí)，由于信號(hào)具有相關(guān)性，可以利用這種先驗(yàn)知識(shí)，采用其它傳統(tǒng)的檢測(cè)方法所得檢測(cè)性能要優(yōu)于 ED 方法，即此時(shí)采用能量檢測(cè)法不是最優(yōu)的。而 且， ED 方法的判決門(mén)限與噪聲相關(guān)，當(dāng)噪聲波動(dòng)較大時(shí)， ED 算法的感知性能將急劇惡化。能量檢測(cè)法通過(guò)將某頻段內(nèi) SU 接收到信號(hào)的能量或功率與一個(gè)預(yù)先設(shè)定的判決門(mén)限相比較，根據(jù)比較結(jié)果來(lái)判決出該頻段內(nèi)是否有主用戶(hù)存在。由于單節(jié)點(diǎn)感知的局限性，隨后介紹了合作式頻譜感知的概念及思想，對(duì)目前經(jīng)典的融合準(zhǔn)則做了深入的理論及仿真研究。于是，這些認(rèn)知用戶(hù)便能利用從傳感網(wǎng)絡(luò)獲得的頻譜占用信息，選擇最優(yōu)信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，由于外部感知節(jié)點(diǎn)無(wú)需移動(dòng)，且無(wú)需認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提供能量，因此，外部節(jié)點(diǎn)合作頻譜感知方法也大大降低了認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的功耗。在這種頻譜感知方法中，外部代理節(jié)點(diǎn)執(zhí)行頻譜感知功能，并由它通過(guò) 廣播的方式將頻譜占用的信息傳送給認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)。 一種分布式合作感知方法，該方法中各認(rèn)知用戶(hù)只共享最后的判決結(jié)果，而無(wú)需傳送大量中間結(jié)果，減輕了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的負(fù)載。在分 布式合作感知的情形下，各認(rèn)知節(jié)點(diǎn)獨(dú)立地進(jìn)行本地判決，并相互交換各自的感知信息。這勢(shì)必會(huì)大大增加系統(tǒng)的運(yùn)行成本，造成大量的硬件開(kāi)銷(xiāo)。當(dāng)參與合作感知的認(rèn)知用戶(hù)節(jié)點(diǎn)數(shù)增加時(shí)，則會(huì)相應(yīng)的增加感知節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的帶寬，造成系統(tǒng)感知性能下降。然后，中心節(jié)點(diǎn)將這些頻譜空閑信息通過(guò)廣播的方式傳送給各個(gè)認(rèn)知用戶(hù)，或者直接控制各認(rèn)知用戶(hù)的通信行為。而且，合作頻譜感知還可以解決隱蔽終端問(wèn)題，減少感知時(shí)間。但事實(shí)上，此時(shí)主用戶(hù)接收機(jī)卻正在認(rèn)知用戶(hù)的通信范圍內(nèi)工作，認(rèn)知用戶(hù)的通信必然會(huì)嚴(yán)重影響到主用戶(hù)的正常通 信，這是不允許出現(xiàn)的。據(jù)此，認(rèn)知用戶(hù)就可避開(kāi)主用戶(hù)接收機(jī)當(dāng)前正在使用的頻段，而選擇其它空閑頻譜進(jìn)行通信。 對(duì)干擾溫度進(jìn)行了全面的分析，量化了干擾溫度界限應(yīng)該如何選擇以及這些選擇對(duì)主用戶(hù)信號(hào)的傳輸范圍產(chǎn)生如何影響等。為此，可以利用在通信網(wǎng)絡(luò)廣泛分布的大量傳感器獲取的信息，采用多抽頭的方法實(shí)現(xiàn)干擾溫度功率譜估計(jì)。否則，認(rèn)知用戶(hù)將會(huì)對(duì)主用戶(hù)的正常的、合法的通信造成影響。與此類(lèi)似，美國(guó) FCC 的下屬機(jī)構(gòu) SPTF 也借用了此概念，并采用“干擾溫度”來(lái)衡量接收機(jī)接收到來(lái)自其它發(fā)射機(jī)和干擾源所產(chǎn)生的單位帶寬內(nèi)的平均功率。其表達(dá)式如下： , ( , )() IIc P f BT f B kB? (19) 其中 , ( , )IcP f B 表示在中心頻率為 cf 、帶寬為 B 時(shí)的平均干擾功率，單位為瓦特。另外，干擾的影響往往是發(fā)生在信號(hào)的接收機(jī)端而非發(fā)射機(jī)端。 第二節(jié) 基于主用戶(hù)接收機(jī)信號(hào)檢測(cè)的頻譜感知方法 一、 基于干擾溫度的感知方法 在通常情況下，控制干擾的行為一般都是在信號(hào)發(fā)射端進(jìn)行的。因此，從 SNR 意義的角度來(lái)說(shuō)， MF 檢測(cè)法是最優(yōu)的頻譜檢測(cè)方法。目前，峰值檢測(cè)及最大似然比檢測(cè)法進(jìn)一步發(fā)展了循環(huán)平穩(wěn)特征檢測(cè)法，并進(jìn)一步提高了檢測(cè)性能。因此，只有當(dāng) SU 接收信號(hào)中存在 PU 發(fā)射機(jī)信號(hào)時(shí)，接收信號(hào)的自 相關(guān)函數(shù)才表現(xiàn)出周期性的特點(diǎn)。因此，利用循環(huán)平穩(wěn)特征分辨出噪聲信號(hào)和主用戶(hù)發(fā)射機(jī)信號(hào)，并能辨別出主用戶(hù)發(fā)射機(jī)信號(hào)的類(lèi)型。比如，主用戶(hù)發(fā)射信號(hào)的統(tǒng)計(jì)量具有周期性的特征，這是因?yàn)橹饔脩?hù)發(fā)射信號(hào)中的調(diào)制率、載波頻率等本身就具有周期性的緣故。 噪聲的波動(dòng)對(duì)波形檢測(cè)法的檢測(cè)性能沒(méi)有任何影響，而且，當(dāng)觀測(cè)次數(shù) N 增大時(shí)，其性能也不會(huì)受到 SNR 墻的限制。 根據(jù)式 (11)模型可得，采用波形檢測(cè)法時(shí)，其檢測(cè)量為： 1R e ( ) s * ( k )NkM y k???? ????? (14) 其中， *表示共軛。 二、波形檢測(cè) (相關(guān)檢測(cè) ) 在無(wú)線通信系統(tǒng)中，經(jīng)常會(huì)利用傳輸波形的某些模式去實(shí)現(xiàn)例如控制、同步、均衡或其它功能等。另外，在 ED 方法中，判決門(mén)限的選取還受 SU 與 PU 距離等因素的影響。同時(shí)，為了提高檢測(cè)概率，減 小對(duì) PU 干擾的概率，判決門(mén)限值 ? 卻是越低越好。 fP 與 dP 的判決表達(dá)式表示如下： ? ? ? ?? ? ? ?01, / 2()2,fdmmP P Y HmP P Y H Q??? ? ??????? (13) 其中 ,? 表示信噪比 SNR,m TW? 表示時(shí)間帶寬積 , ()? 、 (,)? 分別表示完全和非完全伽瑪函數(shù)。0H 假設(shè) SU 接收到的信號(hào)中只有噪聲；而 1H 則假設(shè) SU 接收到的信號(hào)中存在 PU 發(fā)射機(jī)信號(hào)。 第一節(jié) 主用戶(hù)發(fā)射機(jī)信號(hào)檢測(cè)的頻譜感知 根據(jù)認(rèn)知用戶(hù)所掌握的主用戶(hù)先驗(yàn)知識(shí)、檢測(cè)復(fù)雜度以及精度等要求的不同，傳統(tǒng)的基于單個(gè)主用戶(hù)發(fā)射機(jī)信號(hào)檢測(cè)的頻譜 感知方法可分為以下幾種： ① 能量檢測(cè) (Energy Detection, ED) ② 波形檢測(cè) (Waveform Detection,WD)或相關(guān)檢測(cè) (Coherent Detection,CD) ③ 循環(huán)平穩(wěn)特征檢測(cè) (Cyclostationarity Feature Detection, CFD) ④ 匹配濾波檢測(cè) (MatchedFiltering Detection, MFD) 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 一、能量檢測(cè) 能量 檢測(cè)是使用最為普遍的一種頻譜感知方法。因此，即使在主用戶(hù)發(fā)射機(jī)信號(hào)存在的情況下，只要某段頻譜內(nèi)不存在主用戶(hù)接收機(jī)信號(hào)，都可確定該段頻譜未被主用戶(hù)占用，即存在空閑頻譜。只有通過(guò)頻譜感知， CR 才可以感知到周?chē)鸁o(wú)線電磁環(huán)境參數(shù)的變化情況，實(shí)時(shí)地獲取無(wú)線頻譜占用的信息數(shù)據(jù)， CR 根據(jù)這些信息，將通信信道切換到最適合的空閑頻譜上去，并實(shí)時(shí)地、自適應(yīng)地調(diào)整相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)以適應(yīng)新信道電磁特性的要求，在不影響授權(quán)用戶(hù)正常通信的情況下，保證認(rèn)知用戶(hù)的通信質(zhì)量。并討論了認(rèn)知無(wú)線電的基本技術(shù)和無(wú)線電技術(shù) 在多方面的發(fā)展與應(yīng)用； ② 第 2 章介紹了當(dāng)前領(lǐng)域內(nèi)的頻譜感知方法，并對(duì)主要的幾種方法進(jìn)行了研究和分析。本文主要是從單節(jié)點(diǎn)和合作式的方面來(lái)認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的頻譜感知，提出了在目前領(lǐng)域內(nèi)的幾種頻譜檢測(cè)方法和算法。 這就是說(shuō)這是非常困難的要保證無(wú)線局域網(wǎng)的工作頻段不受這類(lèi)設(shè)備 的干擾。 ⒊ 認(rèn)知無(wú)線電在 WLAN 中的應(yīng)用 目前無(wú)線局域網(wǎng)（ WLAN， Wireless Local Area Network）主流是 以 標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的無(wú)線技術(shù)。 因?yàn)閭鹘y(tǒng)窄帶系統(tǒng)與 UWB 系統(tǒng)間存在著無(wú)法避免的干擾，將 UWB 技術(shù)與 CR技術(shù)相結(jié)合用來(lái)解決干擾問(wèn)題也已成為最近幾年大家的研究熱點(diǎn)。跟其他的 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 相比， 空中接 口的關(guān)鍵問(wèn)題是共存問(wèn)題，例如偵聽(tīng)門(mén)限、響應(yīng)時(shí)間等一些機(jī)制則還要做大量的研究。 的結(jié)構(gòu)是采用了集中式網(wǎng)絡(luò)控制的結(jié)構(gòu)，它當(dāng)中有一個(gè)功能相當(dāng)于一般基站的控制中心，主要是負(fù)責(zé)收集頻譜的感知信息，并分析頻譜當(dāng)前的使用狀況，再處理認(rèn)知用戶(hù)的請(qǐng)求，當(dāng)然認(rèn)知用戶(hù)需要向控制中心的數(shù)據(jù)庫(kù)報(bào)告功率水平、調(diào)制方式、自己的位置等等信息， 最后會(huì)由控制中心給認(rèn)知用戶(hù)來(lái)分配空閑頻譜。所以， CR 一定會(huì)在目前各類(lèi)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中表現(xiàn)出無(wú)與倫比的應(yīng)用潛力。在解決頻譜共享及復(fù)用這些問(wèn)題上， CR 具備非常強(qiáng)大的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。而且，重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)能夠通過(guò)自我的調(diào)節(jié)，以達(dá)到完全適應(yīng)不同的通信網(wǎng)絡(luò)各技術(shù)要求指標(biāo)和條件，它讓與其它通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)協(xié)同工作的能力得到簡(jiǎn)化了。并且，緊急通信的系統(tǒng)需要的