【正文】 所具有的特點(diǎn)是： (1)對(duì)環(huán)境的感知能力； (2)對(duì)環(huán)境變化的學(xué)習(xí)能力； (3)對(duì)環(huán)境變化的自適應(yīng)性； (4)通信質(zhì)量的高可靠性； (5)對(duì) 頻譜資源的充分利用； (6)系統(tǒng)功能模塊的可重構(gòu)性； 國(guó)內(nèi)外認(rèn)知無線電技術(shù)的研究現(xiàn)狀 隨著認(rèn)知無線電的發(fā)展 ， 世界各國(guó)的頻譜管制部門、標(biāo)準(zhǔn)化組織、研究機(jī)構(gòu)和行業(yè)聯(lián)盟紛紛展開相關(guān)研究。 20xx年 10月 ， IEEE正式成 立 IEEE 802． 22工作組 —— 無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò) (WRAN)工作組。 國(guó)內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)也較早的投入了認(rèn)知無線電的研究 ， 對(duì)認(rèn)知無線電的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。 認(rèn)知無線電技術(shù)提供給認(rèn)知用戶以機(jī)會(huì)接入共享頻譜的能力 ， 可以使用戶做到以下幾點(diǎn)： (1)確定哪些頻譜可以使用 ， 認(rèn)知用戶在某一個(gè)授權(quán)頻段上工作時(shí)實(shí)時(shí)地檢測(cè)授權(quán)用戶的出現(xiàn) ， 即頻譜感 知。 目前 ， 認(rèn)知無線電技術(shù)的研究大都集中在物理層和 MAC層的功能上 ， 主要包括頻譜感知技術(shù)、頻譜管理技術(shù)和頻譜共享技術(shù)。 （論文） 第 7 頁(yè) 共 68 頁(yè) 第 2 章 認(rèn)知無線電中的頻譜感知技術(shù) 認(rèn)知無線電頻譜感知研究 根據(jù)上一章對(duì)認(rèn)知無線電基本概念的闡述可知 ， 認(rèn)知無線電需要具備在很廣的頻率范圍內(nèi)感知周圍環(huán)境的能力。為了探測(cè)主要用戶占據(jù)頻譜的情況 ， 最有效的探測(cè)方式就是探測(cè)認(rèn)知無線電通信范圍內(nèi)的主要用戶信號(hào) ， 所以已有的一些信號(hào)檢測(cè)方法、頻譜分析方法都可以借鑒過來作為研究?jī)?nèi)容。 頻 譜 感 知 技 術(shù)單 節(jié) 點(diǎn) 頻 譜 感 知 協(xié) 作 頻 譜 感 知主 用 戶 發(fā) 射 機(jī) 檢 測(cè) 主 用 戶 接 收 機(jī) 檢 測(cè)能量檢測(cè)匹 配濾 波器 檢測(cè)循 環(huán)平 穩(wěn)特 征檢 測(cè)本 振泄 露檢 測(cè)基 于干 擾溫 度檢 測(cè)集中式協(xié)作檢測(cè)分布式協(xié)作檢測(cè) （論文） 第 8 頁(yè) 共 68 頁(yè) 圖 21 頻譜感知技術(shù)的主要分類 目前 ， 通過檢測(cè)接收機(jī)信號(hào)和干擾溫度來實(shí)現(xiàn)頻譜感知的研究工作比較少 ， 大部分是通過對(duì)發(fā)射機(jī)信號(hào)的檢測(cè)來判斷頻譜的占用情況 ， 達(dá)到頻譜感知的效果 。 基于接收機(jī)檢測(cè) 由于認(rèn)知用戶無法檢測(cè) 主 用戶接收機(jī)的存在 ， 認(rèn)知用戶機(jī)會(huì)式占用頻譜會(huì)干擾其輻射范圍內(nèi)主用戶接收機(jī)無法正常解碼 ， 出現(xiàn)隱藏終端問題。 基于此 ， 20xx 年底 FCC推薦了一種新的量化和管理干擾源的模型 [4]， 即干擾溫度(Interference Temperature)模型 ， 如圖 22所示。 （論文） 第 9 頁(yè) 共 68 頁(yè) 圖 22 干擾濕度模型 干擾溫度的概念等同于噪聲溫度 ， 用來度量干擾功率和所占的帶寬大小。這種接收機(jī)端干擾溫度檢測(cè)模型實(shí)現(xiàn)的最大困難在于如何有效地測(cè)量干擾溫度。當(dāng)主用戶接收機(jī)工作時(shí) ， 接收的高頻信號(hào)經(jīng)過本地振蕩器后會(huì)產(chǎn)生特定頻率的信號(hào) ， 一些信號(hào)不可避免的從天線泄露出去 ， 該方法就是通過檢測(cè)主用戶接收機(jī)射頻前端發(fā)射的本振泄露功率來發(fā)現(xiàn)是否有泄露信號(hào) ， 從而判斷主用戶是否在工作。 基于發(fā)射機(jī)檢測(cè) 檢測(cè)頻譜空穴最有效的方法就是檢測(cè)在認(rèn)知用戶通信范圍以內(nèi)是否有主用戶在接收數(shù)據(jù) ， 然而在實(shí)際中認(rèn)知無線電要直接測(cè)量主發(fā)射機(jī)和主接收機(jī)間的信道往往很困難。 匹配濾波器檢測(cè) 匹配濾波器是信號(hào)檢測(cè)中的一種比較常用的方法 [8]， 因?yàn)樵谳敵龆怂軌蚴菇邮招盘?hào)的信噪比最大化。這種方法適用于對(duì)主用戶信息比較了解的頻譜環(huán)境中 ， 例如超高頻的電視頻段等。能量檢測(cè)的出發(fā)點(diǎn)是信號(hào)加噪聲的能量大于噪聲的能量。 如果能量檢測(cè) 應(yīng)用在非衰落環(huán)境中 ， 及信道增益如式 (23)中所示 ， 那么檢測(cè)到授權(quán)用戶信號(hào)的概率和錯(cuò)誤判定警報(bào)的概率分別為 [10] 10( / ) ( 2 , )( , / 2)( / )()d r ufrP P Y H QuP P Y Hu? ? ???? ? ??? ? ?? (24) 其中 ， λ是信噪比 ， Γ（ ?）和 Γ(? ， ?)是完整和不完整 Gamma函數(shù) ， uQ 是普通 Marcum Q函數(shù) ， m為時(shí)間帶寬積。在這種情況下 ， 由于信道衰落的原因 ， 信道增益 h是變化的 ， 檢測(cè)概率 dP 便與瞬時(shí)信噪比有關(guān)了 ， 即 0 ( 2 , ) ( )uP d Q f d??? ? ??? ? （ 25） 其中 ， ()f?? 是在衰落情況下的信噪比的概率分布函數(shù)。即使這樣任何帶內(nèi)的干擾都會(huì)使判決出現(xiàn)錯(cuò)誤 ， 容易將衰落的、比較微弱的信號(hào)排除在外 ， 而將幅度較大的脈沖噪聲或突發(fā)干擾檢測(cè)為信號(hào)。 周期平穩(wěn)特征檢測(cè) 調(diào)制信號(hào)通常都經(jīng)過了載波、脈沖序列、重復(fù)性擴(kuò)展、調(diào)頻及周期前綴等耦合處理 ，使已調(diào)信號(hào)具有了內(nèi)在的周期性。 通常對(duì)周期平穩(wěn)信號(hào)的分析是基于信號(hào)周期自相關(guān)函數(shù)和周期功率譜密度函數(shù)。由于具有相同功率譜密度函數(shù)的不同調(diào)制方式的信號(hào)的譜相關(guān)函數(shù)不同 ， 而噪聲和干擾不具有頻譜相關(guān)特性 ， 因此可以用周期譜密度函數(shù) 從噪聲和干擾中檢測(cè)信號(hào)。而且 ， 發(fā)射機(jī)檢測(cè)模式不能阻止“隱蔽終端”這個(gè)問題。而這里提出的協(xié)同檢測(cè)中 ， 多個(gè)認(rèn)知無線電用戶檢測(cè)到的信息相互合并 ， 用來檢測(cè)授權(quán)用戶。 由于無使用許可的認(rèn)知無線電用戶之間的協(xié)同檢測(cè)可以大大減少單個(gè)用戶檢測(cè)具有的不確定性 ， 因此理論上協(xié)同檢測(cè)更加準(zhǔn)確。而且 ， 協(xié)同檢測(cè)方式也不能解決由于不知道授權(quán)用戶接收機(jī)位置信息而造成的不確定性。 （論文） 第 15 頁(yè) 共 68 頁(yè) 第 3 章 單用戶 頻譜感知的性能分析 上一章中 ， 我們提到能量檢測(cè)法是一種常用的發(fā)射機(jī)檢測(cè)法 ， 并對(duì)這種方法的基本原理進(jìn)行了介紹。能量檢測(cè)器的設(shè)計(jì)本質(zhì) 是一個(gè)假設(shè)檢驗(yàn)問題 ， 其檢測(cè)性能利用檢測(cè)概率 Pd 和虛警概率 Pf進(jìn)行衡量。 如果似然比超過門限或者： 10( 。NnT x x n r????? （ 35） 其中2 2 2 22 2 2()39。首先可知： 22()~ NTx ?? ， 在 0H 下 ， 222() ~ NsTx ????， 在 1H 下。 }( ) 39。 }39。39。()/1NNDssrPQrQ???????? ?? ? （ 38） （論文） 第 17 頁(yè) 共 68 頁(yè) 隨著22s?? （即 SNR ） 的增加 ， 2NQ? 函數(shù)的自變量減少 ， DP 增 大 。 2 0 1 8 1 6 1 4 1 2 1 0 8 6 4 2 000 . 10 . 20 . 30 . 40 . 50 . 60 . 70 . 80 . 91信噪比 S N R / d B檢測(cè)概率，Pd P f a = 0 . 1P f a = 0 . 0 1P f a = 0 . 0 0 1P f a = 0 . 0 0 0 1P f a = 0 . 0 0 0 0 1 圖 31 能量檢測(cè)器性能（ N=100） （論文） 第 18 頁(yè) 共 68 頁(yè) 4 0 3 5 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 5 012345678910S N R / d B P f = 0 . 1 , P d = 0 . 9log10(N) 圖 32 取樣的復(fù)雜度（信噪比與采樣點(diǎn)數(shù)的關(guān)系） 由圖（ 31）所示的 5條曲線和圖（ 32）可知 : (1) 在恒虛警概率（ CFAR） 情況下 ， 隨著信噪比的增加 ， 檢測(cè)概率 Pd也隨著增加。所以在 CR實(shí)際應(yīng)用中 ， 通常要求 CR系統(tǒng)檢測(cè)性能達(dá)到虛警概率 Pf小于 ，同時(shí)漏檢概率小于 （檢測(cè)概率高于 ） ， 以滿足高頻譜利用率的同時(shí)避免對(duì)授權(quán)用戶的有害干擾。 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(cè)概率Pd S N R = 5S N R = 0S N R = 3S N R = 8 圖 33 AWGN信道 能量檢測(cè)器的 ROC曲線 由上圖可知 ， 能量檢測(cè)器的檢測(cè)性能隨 SNR的增加而改善 ， 這是因?yàn)樵谙嗤肼晽l件下 ， 信號(hào)能量隨 SNR增加而增大 ， 從而改善了檢測(cè)性能。由式 (311)可求得瞬時(shí) SNR下的檢測(cè)概率 ， 利用其概率分布求得平均檢測(cè)概率 Pd為： 0( 2 , ) ( )uP d Q f d??? ? ??? ? (312) 其中 ， ()f?? 是在衰落情況下的信噪比的概率分布函數(shù)。 （論文） 第 21 頁(yè) 共 68 頁(yè) 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(cè)概率Pd S N R = 3S N R = 0S N R = 3S N R = 1 0 圖 34 Rayleigh衰落信道下能量檢測(cè)器的 ROC曲線 由圖（ 34）可知 ， 在 Rayleigh衰落信道下能量檢測(cè)器的檢測(cè)性能仍隨 SNR的增加而改善。 （論文） 第 22 頁(yè) 共 68 頁(yè) 104103102101100104103102101100虛警概率 Pf漏檢概率Pm a w g n ( S N R = 8 )r a y l e i g h ( S N R = 1 5 )r a y l e i g h ( S N R = 1 0 ) 圖 35 高斯信道與瑞利信道之間的對(duì)比 圖（ 35）比較了 AWGN和 Rayleigh衰落信道下能量檢測(cè)的性能。為使平均漏檢概率小于 0. 01 ， 虛警概率要大于 0. 9 ， 檢測(cè)概率要小于 0. 1 ， 這會(huì) 導(dǎo)致頻譜利用率大幅下降。 取信噪比 SNR=5dB、 1dB、0dB， K=1。平均信噪比 r和時(shí)間帶寬積 u分別等于 10 dB和 5。特別是 萊斯 衰落信道 ， 在 3種環(huán)境的對(duì)比中對(duì)接收信號(hào)造成的影響最大。如果 Tr， 則判為信號(hào)存在 D1 ， 將檢測(cè)結(jié)果設(shè)為 1。 能量檢測(cè)各 參數(shù)之間 關(guān)系的研究 Pd和漏檢概率 Pf的影響 （ a）實(shí)驗(yàn)中 ， 取理想高斯信道為研究對(duì)象 ， 時(shí)間帶寬積 m=2， 信噪比 SNR=10dB。 （論文） 第 27 頁(yè) 共 68 頁(yè) 0 5 10 15 20 25 3000 . 10 . 20 . 30 . 40 . 50 . 60 . 70 . 80 . 91t h r e s h o l d ( m = 2 , S N R = 1 0 d B ) PdPf 圖 310（ a） AWGN信道下判決門限對(duì)檢測(cè)概率 Pd和漏檢概率 Pf的影響 2 0 1 5 1 0 5 0 5 10 15 2000 . 10 . 20 . 30 . 40 . 50 . 60 . 70 . 8. 91S N R / d BPd 門限為 10門限為 15門限為 20門限為 25 圖 310（ b） Rayleigh信道下 判決門限對(duì)檢測(cè)概率 Pd和漏檢概率 Pf的影響 （論文） 第 28 頁(yè) 共 68 頁(yè) 從圖（ 310）中我們可以看出 ， 不管在理想信道（ AWGN） 還是接近于實(shí)際的信道（ Rayleigh） 中 ， 在信 噪比一定情況下 ， 判決門限 r的選擇對(duì)檢測(cè)概率 Pd和漏檢概率 Pf均有影響。 在實(shí)際中 ，應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體的要求來合理選擇判決門限值。 （論文） 第 29 頁(yè) 共 68 頁(yè) (1)現(xiàn)有的頻譜感知基本上都是通過檢測(cè)主用戶發(fā)射機(jī)信號(hào)來實(shí)現(xiàn)的 ， 在這種情況下 ， 采用單用戶進(jìn)行頻譜感知將無法避免隱藏終端問題 [16]。 本章小結(jié) 本章首先介紹高斯白噪聲信道中基于能量檢測(cè)的頻譜檢測(cè)比較前沿的算法 ， 然后討論幾種常見衰落信道情況下的檢測(cè)性能 ， 最后分析得出單用戶頻譜感知的不足。根據(jù)認(rèn)知用戶間共享信號(hào)的類型 ，聯(lián)合檢測(cè)算法可以分為