【正文】 本章小結 本章首先介紹高斯白噪聲信道中基于能量檢測的頻譜檢測比較前沿的算法 ， 然后討論幾種常見衰落信道情況下的檢測性能 ， 最后分析得出單用戶頻譜感知的不足。 在實際中 ，應當根據具體的要求來合理選擇判決門限值。 能量檢測各 參數之間 關系的研究 Pd和漏檢概率 Pf的影響 （ a）實驗中 ， 取理想高斯信道為研究對象 ， 時間帶寬積 m=2， 信噪比 SNR=10dB。特別是 萊斯 衰落信道 ， 在 3種環(huán)境的對比中對接收信號造成的影響最大。 取信噪比 SNR=5dB、 1dB、0dB， K=1。 （論文） 第 22 頁 共 68 頁 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比 圖（ 35）比較了 AWGN和 Rayleigh衰落信道下能量檢測的性能。由式 (311)可求得瞬時 SNR下的檢測概率 ， 利用其概率分布求得平均檢測概率 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。所以在 CR實際應用中 ， 通常要求 CR系統檢測性能達到虛警概率 Pf小于 ，同時漏檢概率小于 （檢測概率高于 ） ， 以滿足高頻譜利用率的同時避免對授權用戶的有害干擾。()/1NNDssrPQrQ???????? ?? ? （ 38） （論文） 第 17 頁 共 68 頁 隨著22s?? （即 SNR ） 的增加 ， 2NQ? 函數的自變量減少 ， DP 增 大 。 }39。首先可知： 22()~ NTx ?? ， 在 0H 下 ， 222() ~ NsTx ????， 在 1H 下。 如果似然比超過門限或者： 10( 。 （論文） 第 15 頁 共 68 頁 第 3 章 單用戶 頻譜感知的性能分析 上一章中 ， 我們提到能量檢測法是一種常用的發(fā)射機檢測法 ， 并對這種方法的基本原理進行了介紹。 由于無使用許可的認知無線電用戶之間的協同檢測可以大大減少單個用戶檢測具有的不確定性 ， 因此理論上協同檢測更加準確。而且 ， 發(fā)射機檢測模式不能阻止“隱蔽終端”這個問題。 通常對周期平穩(wěn)信號的分析是基于信號周期自相關函數和周期功率譜密度函數。即使這樣任何帶內的干擾都會使判決出現錯誤 ， 容易將衰落的、比較微弱的信號排除在外 ， 而將幅度較大的脈沖噪聲或突發(fā)干擾檢測為信號。 如果能量檢測 應用在非衰落環(huán)境中 ， 及信道增益如式 (23)中所示 ， 那么檢測到授權用戶信號的概率和錯誤判定警報的概率分別為 [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 ， uQ 是普通 Marcum Q函數 ， m為時間帶寬積。這種方法適用于對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。 基于發(fā)射機檢測 檢測頻譜空穴最有效的方法就是檢測在認知用戶通信范圍以內是否有主用戶在接收數據 ， 然而在實際中認知無線電要直接測量主發(fā)射機和主接收機間的信道往往很困難。這種接收機端干擾溫度檢測模型實現的最大困難在于如何有效地測量干擾溫度。 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。 頻 譜 感 知 技 術單 節(jié) 點 頻 譜 感 知 協 作 頻 譜 感 知主 用 戶 發(fā) 射 機 檢 測 主 用 戶 接 收 機 檢 測能量檢測匹 配濾 波器 檢測循 環(huán)平 穩(wěn)特 征檢 測本 振泄 露檢 測基 于干 擾溫 度檢 測集中式協作檢測分布式協作檢測 （論文） 第 8 頁 共 68 頁 圖 21 頻譜感知技術的主要分類 目前 ， 通過檢測接收機信號和干擾溫度來實現頻譜感知的研究工作比較少 ， 大部分是通過對發(fā)射機信號的檢測來判斷頻譜的占用情況 ， 達到頻譜感知的效果 。 （論文） 第 7 頁 共 68 頁 第 2 章 認知無線電中的頻譜感知技術 認知無線電頻譜感知研究 根據上一章對認知無線電基本概念的闡述可知 ， 認知無線電需要具備在很廣的頻率范圍內感知周圍環(huán)境的能力。 認知無線電技術提供給認知用戶以機會接入共享頻譜的能力 ， 可以使用戶做到以下幾點： (1)確定哪些頻譜可以使用 ， 認知用戶在某一個授權頻段上工作時實時地檢測授權用戶的出現 ， 即頻譜感 知。 20xx年 10月 ， IEEE正式成 立 IEEE 802． 22工作組 —— 無線區(qū)域網絡 (WRAN)工作組。認知無線電采用無線電領域的基于模型的方法對控制無線電頻譜使用的規(guī)則 (如射頻頻段、空中接口、協議以及空間和時間模式等 )進行推理 ， 通過無線電知識表示語言 (RKRL)表述無線電規(guī)則、設備、軟件模塊、電波傳播特性、網絡、用戶需求和應用 場景的知識 ， 以增強個人業(yè)務的靈活性 ， 使軟件無線電技術能更好地滿足用戶需求。認知無線電能從根本上解決因頻譜的固定分配政策導 致的對頻譜資源利用不合理的問題 ， 為解決如何在有限頻譜資源條件下提高頻譜使用率這一無線通信難題開辟了一條新的途徑。 34倍頻譜效率的提高對于人們成百上千倍的帶寬需求增長是微不足道的。其中 ， 34GHz的頻段利用率只有 %， 45GHz 的頻段利用率甚至只有 %。但是在這些已分配的授權頻段與非授權頻段中存在著頻譜資源利用的不平衡性：一方面 ， 授權頻段占用了整個頻譜資源的很大一部分 ， 但其中不少頻段處于空閑狀態(tài)；另一方面 ， 開放使用的非授權頻段占整個頻譜資源的很少一部分 ， 但在該頻段上的用戶很多 ， 業(yè)務量也很大 ， 無線電頻段已基本趨于飽和。最后針對于單用戶能量檢測受到信道衰落、陰影效應和噪聲不確定性等因素的影響產生性能下降 ， 引入了基于數據融合的協作頻譜感知方法 ， 并分析其性能。 為了盡量提高現有已分配頻譜的利用率 ， 認知無線電的概念應運而生 。 它 作為一種革命性的智能頻譜共享技術 ， 已成為無線通信領域新的研究熱點 。spectrum sensing。 這時， 提出 分析 了 基于數據融合的協作頻譜感知方法 ，分析研究數據融合的協作檢測對用戶檢測性能的影響。 第五章對 全文的工作進行了總結 ， 并對未來的工作進行了展望。 下圖為使用分辨率為 20KHz、 30176。這里從不同角度和方面總結了目前提高頻譜利用率技術 ， 如圖 12所示。這種應用一定要建立在已授權頻段沒有被利用或只有很少的通信業(yè)務在活動的基礎上。 從以上介紹可以看出 ， 為了提高頻譜利用率需要充分利用檢測到的 “ 頻譜空洞 ，這是認知無線電技術的一項基本應用。 IEEE、 ITU、軟件無線電論壇等標準化組織和行業(yè)聯盟接納了該技術并先后制定了一系列標準以推動認知無線電技術的發(fā)展。最有代表性且影響最大的是美國國防部高等研究計劃署的下（論文） 第 6 頁 共 68 頁 一代通信計劃 (XG， neXt Generation Program)， 于 20xx年成立 XG工作組 ， 著眼于開發(fā)認知無線電的實際標準和動態(tài)頻譜管理標準。這些方面的研究也取得了重要的進展。 圖 21是根據國內外的研究情況總結的頻譜感知技術的主要分類 [3]。因此 ， FCC 和美國加州大學伯克利分校的學者分別提出了以接收機為中心的干擾溫度估計和本振泄露檢測方法。定義為 [5] , ( , )() IcIc P f BT f B kB? (21) 式中 ， k是波茲曼常數 ， k = 10?23 J / K ， IT 為噪聲溫度 ， ( , )IcP f B 是帶寬為 B ， 頻點 cf 處的干擾的平均功率。 （論文） 第 10 頁 共 68 頁 假設授權接收機分布密度為 2/Dkm ， 總信道數為 M認知無線 電干擾半徑為 R， 則認知無線電用戶至少可以找到一個空閑信道的概率為 111{ ( 1 ) ( 1 ) } ( 1 )2DM s r r D rrsMD sp q qsr????? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ??? （ 22） 式中 2 6 2/ (10 )q R m?? 。在認知無線電設備中使用匹配濾波器 ， 實際上完成的是解調主用戶的信號 ， 這樣認知用戶就必須知道主用戶的物理層和 MAC層信息 ， 如調制方式、時序、脈沖波形及數據包格式等 ， 利用這些信息來實現與待測信號在時域和頻域上的同步 ， 從而解調信號。能量檢測方法對信號沒有作任何假設 ， 是一種盲檢算法。 雖然能量檢測法簡單易行并且不需要被檢測信號任何的先驗知識 ， 但它固有的缺陷限制了它的使用。雖然數據是隨機的 ， 但是這些調制后的信號的均值和自相關函數都具有周期性 ， 因而稱其為周期平穩(wěn)特性 [12](Cyclostationarity)。當然 ， 它比能量檢測器更加復雜并且需要更長的觀測時間。協同檢測的結構可以是集中式的 ， 也可以是分布式的。另外 ， 在協同檢測中 ， 由于不同節(jié)點的靈敏度和檢測時間不同 ， 在結合這些節(jié)點所檢測的信息的時候要采取加權結合的方式 。在基于能量檢測的頻譜感知方法的研究可以看作是以下的二元檢測問題： 01: ( ) ( ) , 0 , 1 , . . . , 1: ( ) * ( ) ( ) , 0 , 1 , . . . , 1H X n w n n NH X n h s n w n n N? ? ?? ? ? ? （ 31） 其中 ， 信號 ()sn 是均值為 0， 方差為 2s? 的高斯過程 ， 假定噪聲 nw 是均值為 0， 方差為 2? 高斯過程 ， 它與信號是相互獨立的。 [ 2 l n l n ( ) ]sssrr? ? ? ?? ? ???? ?， 則判決 1H 成立 。{ 。r r? ? ， 則式（ 37）為 222222239。當 SNR=0時 ， 能量檢測性能比較令人滿意 ， 正確檢測概率十分接近 100%—— 對于認知無線電來說 ， 這樣的檢測是十分可靠的。能量檢測在高信噪比條件下的檢測性能明顯優(yōu)于低信噪比條件 ， 當 SNR= 5dB時檢測性能便達到了 450線的下界 ，這說明能量檢測適用于強主用戶信號的檢測 ， 在弱主用戶信號檢測中并不能保證滿足檢（論文） 第 20 頁 共 68 頁 測性能的要求。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致了信號能量的減弱。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。萊斯因子系數 m=5。反之 ， 則判為信號不存在 D0 ， 檢測結果設為 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仿真 Ns次 ， 最后統計檢測結果 1的個數 N1 ，也就是檢測到信號的次數 。判決門限越低 Pd越高 ， 同時影響 Pf相應增大。 (2)如果感知用戶與主用戶發(fā)射機之間存在障礙物遮擋 ， 那么該用戶將受到陰影效應影響 ， 檢測不到主用戶發(fā)射機的信號。而由于多徑衰落和遮蔽的影響 ， 信號的強度可能大大降低 ，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)點能接收到來自不同路徑的信號 ， 增加了信號強度的多樣性。 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際應用場景中仍然不能達到較高的檢測性能 ， 總體而言 ， 其主要存在三個方面的不足。 （ b） 實驗中 ， 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)） 。 第三步 預先設定虛警概率 Pf=， 通 過式（ 311）可得檢測門限 r， 計算 N點取樣檢測統計量 T。 下 面我 給出了單一認知用戶在 3種不同衰落信道中的接收機工作特性 對比 曲線。 在相同的虛警概率下 ， 瑞利衰落導致能量檢測器的漏檢概率大大增加