【正文】 不確定性的問題。提出了一種基于進化博弈的分布式合作頻譜感知方法，該方法將合作頻譜感知看作成一個進化博弈問題，并解決了在無融合中心節(jié)點的認知無線網(wǎng)絡(luò)中如何將多個認知用戶進行合作來實現(xiàn)頻譜感知功能的問題。然而，分布式合作頻譜感知方法也有一個顯著的缺點，那就是算法復(fù)雜度較高，要求每個認知節(jié)點有很強信號處理能力。但是，當參與合作感知的各個認知用戶從屬于不同服務(wù)對象時，他們將會優(yōu)先考慮提高自己本身業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)容量，而對合作頻譜感知貢獻度降低，進而影響到整個合作頻譜感知性能。 由于中心式合作感知方法需要一個中心節(jié)點來收集各SU本地感知信息，并將這些信息按照某種融合算法進行數(shù)據(jù)融合，進而實現(xiàn)頻譜感知。對該合作感知方法的檢測概率及虛警概率進行了詳細分析。針對前一種情況，根據(jù)合作網(wǎng)絡(luò)中是否有融合中心節(jié)點，可將合作感知方法分為：中心式的和分布式的兩種合作感知方法。因此，單個認知用戶感知結(jié)果的可靠性及性能是相當?shù)偷?。當接收信號的信噪比SNR非常低時，將會出現(xiàn)噪聲墻現(xiàn)象，如果此時的SNR低于該噪聲墻，即使經(jīng)過了長時間的觀測采樣也不能獲得可靠的頻譜檢測性能。該方法通過檢測主用戶接收機射頻前端所泄漏的本地振蕩功率（如果存在本地振蕩功率，則說明接收機在工作），實現(xiàn)對給定頻譜內(nèi)是否存在主用戶接收機進行檢測。利用一種隱形的馬爾可夫模型(Hidden Markov Model, HMM)對認知無線電網(wǎng)絡(luò)中干擾溫度的動態(tài)特性進行了研究。 在授權(quán)頻譜內(nèi)進行的任何數(shù)據(jù)傳輸，只要其產(chǎn)生的干擾超過了主用戶接收機的干擾溫度界限，它都會對主用戶的正常通信造成嚴重影響和干擾。干擾溫度界限是指在某一空間范圍內(nèi)，主用戶接收機在給定的某頻段內(nèi)進行通信時所能容許的最大干擾極限值。因此，干擾溫度可等效為單位帶寬內(nèi)，接收天線處所得到的射頻功率，用開氏溫標來衡量。干擾溫度定義為單位帶寬內(nèi)，接收天線處所獲得的、即將傳輸給接收機的射頻功率。限制干擾設(shè)備發(fā)射功率的傳統(tǒng)方法是，在距離發(fā)射機的一定范圍內(nèi)，通過某種方法控制發(fā)射機的發(fā)射功率，使其值不高于某個設(shè)定的噪聲門限即可。但是，匹配濾波器法所必需的采樣次數(shù)仍然隨著SU接收機信噪比SNR的降低而增加，所以，在匹配濾波器法中，存在一個噪聲墻的問題。匹配濾波檢測器通過將已知的主用戶信號與SU接收到的信號進行相關(guān)運算，即可檢測出主用戶信號是否存在。當SU接收信號中不存在PU發(fā)射機信號，只有噪聲時，CSD函數(shù)就不會出現(xiàn)尖峰值，原因是噪聲信是非循環(huán)平穩(wěn)信號。 在循環(huán)特征檢測方法中，接收信號的循環(huán)譜密度(Cyclic Spectral Density, CSD)函數(shù)可通過下式求?。?= (17)其中 (18) 是循環(huán)自相關(guān)函數(shù)(Cyclic Autocorrelation Function, CAF), 表示循環(huán)頻率，是數(shù)學期望，*表示共軛。利用這些循環(huán)平穩(wěn)特征可以設(shè)計一個檢測器來區(qū)分循環(huán)平穩(wěn)特征信號與非循環(huán)平穩(wěn)特征信號(比如：平穩(wěn)噪聲信號)。這是因為能量檢測法的檢測性能對噪聲的不確定性非常敏感，且隨SNR的降低，其感知時間呈二次方的速度增長，而波形檢測法的感知時間隨SNR的降低呈線性增長趨勢。 波形檢測法不僅適用于時域，而且在頻域同樣也適用。即使在無法完全獲得主用戶所有信息的情況下，只要能從SU接收信號中提取出PU發(fā)射波形的某些傳輸模式，就能通過將接收信號與已知的備份信號進行相關(guān)運算，即可判決出給定頻譜內(nèi)是否存在主用戶發(fā)射機信號。反之，則越高。在ED方法中，判決門限與噪聲方差 有關(guān)，由于噪聲存在不確定性，這就造成ED的檢測性能對噪聲的不確定性十分敏感。因此，一種好的頻譜檢測器應(yīng)該是檢測概率高，而虛警概率低。ED檢測器的性能可由虛警概率(Probability of false alarm)以及檢測概率(Probability of detection)來衡量。假設(shè)SU接收PU發(fā)射機信號的模型如 (11)其中, 表示在時刻SU 接收到的信號。然而，在實際情況下，CR 是很難檢測到我們所關(guān)心的頻譜內(nèi)是否存在主用戶正在接收主用戶發(fā)射機信號的。如果存在主用戶接收機，則表示該段頻譜正在被主用戶占用，為了避免對主用戶的干擾，此時，認知用戶必須立即退出該段頻譜；反之，則表示該段頻譜未被主用戶占用，認知用戶可以接入該段頻譜進行通信。③ 第3章主要是構(gòu)建認知無線電合作頻譜感知模型，提出基于最大特征值的合作頻譜感知的研究方案；④ 第4章主要是在計算機上完成算法性能的仿真，并且在虛警概率一定的情況下，比較合作感知方案的性能并做出性能評價；⑤ 第5章總結(jié)全文，且展望了頻譜感知技術(shù)的進一步。文中建立認知無線電合作頻譜感知的系統(tǒng)模型和信號模型，明確合作頻譜感知的目標和性能評估方法；是根據(jù)接收信號協(xié)方差矩陣的特征值和特征向量，設(shè)計相應(yīng)的全局變量融合生成算法，將兩種檢驗假設(shè)下的全局檢測變量盡可能地進行最大化分離；最后進行計算機仿真，完成一套完整的合作頻譜感知鏈路的仿真代碼。以CR的方面來看。目前的無線局域網(wǎng)標準中， 系列標準正在被廣泛的應(yīng)用[19]。如若將兩者相結(jié)合，既能通過距離、功率和所要求的數(shù)據(jù)率來進行頻譜優(yōu)化，以解決UWB共存的問題；又能解決CR在實現(xiàn)上遇到的比如復(fù)雜射頻、前端設(shè)計等難題，UWB技術(shù)能提供幫助。最先將CR技術(shù)應(yīng)用在UWB系統(tǒng)中就是提出認知超寬帶無線電技術(shù)（CUWB）時[15]，他的提出是為了可以實現(xiàn)在多頻帶正交頻分復(fù)用（MBOFDM，MultiBand Orthogonal Frequency Division Multiplexing）和直序列超寬帶（DSUWB，DirectSequence UWB）這兩種UWB標準之間的互通。 空中接口所具有的重要特性就是其靈活性和自適應(yīng)性[15]。它能夠作為寬帶訪問線路通過利用CR技術(shù)將分配給電視廣播的VHF/UHF頻帶。所以，認知無線電可為迅速增長的各種數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)提供額外的帶寬及功能豐富的通信服務(wù)。因著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，其中特別是無線局域網(wǎng)WLAN(Wireless Local Area Network)和無線城域網(wǎng)WMAN(Wireless Metropolitan Area Network)一類的無線通信技術(shù)和增值業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，讓大家能夠同時在享受到超寬帶、快捷、高效的服務(wù)的時候，也給許多網(wǎng)絡(luò)運營商們帶來了豐厚的利潤。而且，CR通信設(shè)備能夠提供包括語音、視頻及各種文字等多種類型的無線通信業(yè)務(wù)。二、公共安全及應(yīng)急通信領(lǐng)域認知無線電的網(wǎng)路，具有加強公共安全，提高應(yīng)急通信能力。一般，在一些時間和空間里，因為有很多授權(quán)頻譜沒有被PU使用而處在空閑狀態(tài)上，這一情況使得CR可以充分利用這些空閑頻譜通過采取動態(tài)頻譜介入技術(shù)，它能夠減輕頻譜的擁塞，提高在軍事通信網(wǎng)絡(luò)上的的信息容量。并且，在頻譜共享的時候，CR系統(tǒng)所顯現(xiàn)出的及時自我判決力也使中心式頻譜管理者的負擔大大減輕了。另一種實現(xiàn)功率控制的方法是以信息論為基礎(chǔ)的的迭代注水法，它的基本思路是將系統(tǒng)的信道當成若干平行的獨立子信道的集合，這當中各個子信道的增益則將由對應(yīng)的奇異值決定他們。一般在不考慮非合作對策的情況下，將系統(tǒng)看成完全的合作對策，這時功率控制就簡化為一個最優(yōu)控制的問題了。這兩種情況非別是給定的干擾溫度和可用頻譜的空穴數(shù)量。在多用戶CR系統(tǒng)工作中協(xié)作和以先進的頻譜為基礎(chǔ)的管理功能，能夠?qū)⑾到y(tǒng)的工作性能提高，它還能夠支持更多用戶的接入。根據(jù)分配架構(gòu)的不同，頻譜分配技術(shù)可以分為集中式和分布式兩大類[18]。 Peng和Zheng[12] 指出有種基于標簽類的機制，它可識別出不同用戶的優(yōu)先級，可以改善性能達到 50%多。合作式的頻譜分配側(cè)重的是各個認知用戶行為對其他用戶產(chǎn)生的影響；非合作式的頻譜分配只需考慮自己的行為。當前CR的DSA研究主要是針對頻譜池（Spectrum Pooling）[9]這一快，它的基本理念是將一些分配到不同業(yè)務(wù)的頻譜合并組成個公共的頻譜池，并且把整個頻譜池劃分成為若干子信道。集中式指的是系統(tǒng)的各個感知節(jié)點將本地的感知結(jié)果送到基站或者在接入點就一同進行數(shù)據(jù)融合，做出判決；分布式指的則是先在多個節(jié)點間相互交換感知的信息，再各個節(jié)點獨立判決。這種檢測方法不但能夠在低信噪比條件下也具備相當良好的檢測性能，并且它擁有信號識別功能，但是運算復(fù)雜度高。頻譜感知發(fā)射機感知合作式感知基于干擾溫度的感知匹配濾波感知能量感知循環(huán)平穩(wěn)感知 頻譜感知技術(shù)分類其中發(fā)射機檢測[7] 又叫作非合作檢測，它主要是指匹配濾波器檢測、能量檢測和循環(huán)頻譜感知頻譜感知平穩(wěn)過程特征檢測這三種檢測方法。這個則需要認知無線電系統(tǒng)它能夠具備頻譜檢測功能，可以連續(xù)偵聽頻譜，能提升檢測的可靠性。我們下面會對認知無線電的關(guān)鍵技術(shù)來作簡要介紹。 在現(xiàn)在，國外一些大學和許多科研機構(gòu)都正投入到認知無線電技術(shù)的研究中[1]。 這幾年來，不少國內(nèi)研究機構(gòu)都開始關(guān)注和開發(fā)認知無線電技術(shù)。 ，這個工作組是全球第一個基于認知無線電技術(shù)的全球空中接口標準化正式組織； 也被稱作無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（WRAN, Wireless Regional Area Network）。在2002 年12 月，F(xiàn)CC他們提出非授權(quán)頻段用戶如果想在授權(quán)頻段內(nèi)使用，應(yīng)具有識別未占用頻段的能力；繼而在2003 年 11 月，F(xiàn)CC則提出了一個新的干擾指標值用于量化和管理——干擾溫度這一概念，用來擴展人們在移動通信和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)頻段的非授權(quán)操作；同年 12 月，F(xiàn)CC就發(fā)布了《使用認知無線電技術(shù)促進頻譜利用的通知》，這個相當于對美國電波法的《FCC規(guī)則第 15 章》進行了修正，且專門成立了認知無線電正式工作組。一位教授Simon Haykin [4] 結(jié)合Mitola 和FCC他們對認知無線電的觀點，終于在 2005 年里又一次重新定義了認知無線電的概念。FCC 他們提出的認知無線電則是相對簡化的一個版本，它只建議只要是可以具備自適應(yīng)感知能力的某種任何無線電都能夠叫做認知無線電。此后，認知無線電讓讓軟件定義無線電從盲目執(zhí)行預(yù)置的程序，變換為智能去代理無線電領(lǐng)域。由此可得，不斷引入認知的機制，不僅可以更佳有效的去提升將來無線通信系統(tǒng)頻譜的利用率這一問題，更加可以解決無線頻譜在技術(shù)和各種應(yīng)用上的迫切需求。CR的核心概念是讓無線通信設(shè)備具備發(fā)現(xiàn)存在的“頻譜空穴”且能夠合理有效的利用頻譜空穴的能力。認知無線電的基本理念是：具備認知能力的無線通信的設(shè)備，可依照“伺機（Opportunistic Way）”方式以接入授權(quán)的頻段內(nèi)，且動態(tài)使用這頻譜。因此在信息網(wǎng)絡(luò)和無線移動通信高速發(fā)展的現(xiàn)在，頻譜資源的匱乏問題就越來越嚴重。且一般一個頻段只供一個獨立的無線通信系統(tǒng)使用。為了能夠克服“頻譜空穴”，在空域、時域和頻域中更加高效的利用無線頻譜，提高利用率。采用固定頻譜分配方式雖然利于頻譜管理機構(gòu)管理，但由于無線多媒體技術(shù)未來的發(fā)展前景是高速化的，而固定分配方式下頻譜利用率較低，相互的不適應(yīng)迫使人們急于采取先進技術(shù)努力提高無線頻譜的利用效率。美國聯(lián)邦通信委員會的研究報告指出，造成現(xiàn)有頻譜資源緊缺的主要因素包括不合理的頻譜管理及不良的分配策略。在依據(jù)接收信號信噪比最大化的設(shè)計準則和約束條件下，能基于特征值和特征向量的、具有最優(yōu)檢測性能的合作頻譜感知檢測變量，即構(gòu)建基于接收信號的主分量（principal ponent）的合作頻譜感知最優(yōu)全局檢測變量融合方案，實現(xiàn)非相關(guān)檢測方式下的最優(yōu)頻譜感知性能。其次還詳細的分析認知無線電的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)。而頻譜感知是構(gòu)建認知無線電系統(tǒng)的前提之一，所以認知無線電中合作頻譜感知方法的研究就顯得尤為重要，論文重點研究認知無線電中的頻譜感知技術(shù)，主要內(nèi)容有:本文首先介紹了認知無線電的基本概念，全面總結(jié)已有認知無線電頻譜感知技術(shù)的原理、特點和性能。該算法在認知無線電系統(tǒng)對于已授權(quán)用戶(Licensed User, LU)信號不具備任何先驗條件的應(yīng)用場景下，僅利用接收信號協(xié)方差矩陣特征值及特征向量的檢測器。想要挖掘更多的無線頻譜資源成為熱點研究。為了保護頻段，頻譜管理機構(gòu)將大小固定的頻譜塊之間余留一定的間隔，同時獲取授權(quán)資格的各類運營商對頻譜的使用也有固定的期限，當期限截止時，這些頻譜塊將會被重新指派。更多實測研究表明，以下的頻段未能充分利用的部分占70%，而以上的頻段則幾乎都未被使用。無線頻譜目前處于主要由國家統(tǒng)一分配授權(quán)使用狀態(tài)。第一，在整個頻譜資源中，授權(quán)頻譜就占用了很大的一部分，使得很多頻段處于空閑的狀態(tài)；第二，整個頻譜資源中，可開放使用的非授權(quán)頻段只占用很小的一部分，可在頻段上的用戶卻很多，業(yè)務(wù)量大，這些無線電頻譜段，已基本趨于飽和狀態(tài)?！?】所以，人們提出了認知無線電這一概念?！?】CR是讓允許認知用戶自己適應(yīng)感知授權(quán)頻段的頻譜空穴，機會式利用在時間和空間上的頻譜空穴來進行信號的傳輸，來提高頻譜的利用率。且?guī)挼臒o線通信系統(tǒng)能夠具備更大動態(tài)范圍的業(yè)務(wù)傳輸特性，這正有利于在寬頻段的動態(tài)范圍內(nèi)機會式傳輸。CR這一概念最開始是由Joseph Mitola他提出的[2]，Mitola認為用軟件來定義無線電（SDR, Software Defined Radio）是實現(xiàn)認知無線電的最理想的平臺。所以它的認知功能實現(xiàn)主要是在應(yīng)用層或者更高層。所以他們指出認知無線電不一定非需要軟件定義無線電來支撐，他們根據(jù)基于遺傳算法的生物啟示認知模型來對傳統(tǒng)無線電的系統(tǒng)物理層和介質(zhì)接入控制層（MAC）去進行建模，發(fā)現(xiàn)它更適用可在快速部署的災(zāi)后應(yīng)急通信系統(tǒng)。這些幾年很多頻譜政策管制部門，像美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）就對認知無線電技術(shù)給予了大量支持[1]。 在不同頻譜管制部門的管理下，更多的國際標準化組織開始制定系列標準來推動認知無線電的發(fā)展[1]。它通過研究基于認知無線電的物理層、空中接口和介質(zhì)訪問控制（MAC）層，在將分配給電視廣播業(yè)務(wù)的VHF/UHF頻帶（北美為 54MHz~862 MHz）的頻率作為來寬帶接入頻段。我國不少認知無線電技術(shù)的研究在頻譜政策管制部門、標準化組織及國內(nèi)研究機構(gòu)的共同努力下，取得了一定的進展。第四節(jié) 認知無線