【正文】 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)。一般，在一些時(shí)間和空間里，因?yàn)橛泻芏嗍跈?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(dòng)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。 另一種實(shí)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(dāng)成若干平行的獨(dú)立子信道的集合，這當(dāng)中各個(gè)子信道的增益則將由對(duì)應(yīng)的奇異值決定他們。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。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 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]。合作式的頻譜分配側(cè)重的是各個(gè)認(rèn)知用戶行為對(duì)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。集中式指的是系統(tǒng)的各個(gè)感知節(jié)點(diǎn)將本地的感知結(jié)果送到基站或者在接入點(diǎn)就一同進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，做出判決；分布式指的則是先在多個(gè)節(jié)點(diǎn)間相互交換感知的信息，再各個(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)立判決。 圖 頻譜感知技術(shù)分類 其中發(fā)射機(jī)檢測(cè) [7] 又叫作非合作檢測(cè)，它主要是指匹配濾波器檢測(cè)、能量檢測(cè)和循環(huán) 平穩(wěn)過程特征檢測(cè)這三種檢測(cè)方法。我們下面會(huì)對(duì)認(rèn)知無線電的關(guān)鍵技術(shù)來作簡(jiǎn)要介紹。 這幾年來，不少國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)都開始關(guān)注和開發(fā)認(rèn)知無線電技術(shù)。 在 20xx 年 12 月， FCC 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(shí)別未占用頻段的能力；繼而在 20xx 年 11 月， FCC 則提出了一個(gè)新的干擾指標(biāo)值用于量化和管理 —— 干擾溫度這一概念，用來擴(kuò)展人們?cè)谝苿?dòng)通信和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)頻重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 段的非授權(quán)操作；同年 12 月， FCC 就發(fā)布了《使用認(rèn)知無線電技術(shù)促進(jìn)頻譜利用的通知》，這個(gè)相當(dāng)于對(duì)美國(guó)電波法的《 FCC 規(guī)則第 15 章》進(jìn)行了修正，且專門成立了認(rèn)知無線電正式工作組。 FCC 他們提出的認(rèn)知無線電則是相對(duì)簡(jiǎn)化的一個(gè)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(rèn)知無線電。由此可得，不斷引入認(rèn)知的機(jī)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。認(rèn)知無線電的基本理念是：具備認(rèn)知能力的無線通信的設(shè)備，可依照“伺機(jī)（ Opportunistic Way）”方式以接入授權(quán)的頻段內(nèi)，且動(dòng)態(tài)使用這頻譜。且一般一個(gè)頻段只供一個(gè)獨(dú)立的無線通信系統(tǒng)使用。采用固定頻譜分配方式雖然利于頻譜管理機(jī)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(jìn)技術(shù)努力提高無線頻譜的利用效率。在依據(jù)接收信號(hào)信噪比最大化的設(shè)計(jì)準(zhǔn)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(cè)性能的合作頻譜感知檢測(cè)變量，即構(gòu)建基于接收信號(hào)的主分量（ principal ponent）的合作頻譜感知最優(yōu)全局檢測(cè)變量融合方案，實(shí)現(xiàn)非相關(guān)檢測(cè)方式下的最優(yōu)頻譜感知性能 。而頻譜感知是構(gòu)建認(rèn)知無線電系統(tǒng)的前提之一，所以認(rèn)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(diǎn)研究認(rèn)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(rèn)知無線電的基本概念，全面總結(jié)已有認(rèn)知無線電頻譜感知技術(shù)的原理、特點(diǎn)和性能。想要挖掘更多的無線頻譜資源成為熱點(diǎn)研究。更多實(shí)測(cè)研究表明， 3GHz 以下的頻段未能充分利用的部分占 70%，而 3GHz 以上的頻段則幾乎都未被使用。第一，在整個(gè)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(gè)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)。 【 3】 CR 是讓允許認(rèn)知用戶自己適應(yīng)感知授權(quán)頻段的頻譜空穴，機(jī)會(huì)式利用在時(shí)間和空間上的頻譜空穴來進(jìn)行信號(hào)的傳輸，來提高頻譜的利用率。 CR 這一概念最開始是由 Joseph Mitola 他提出的 [2]， Mitola 認(rèn)為用軟件來定義無線電（ SDR, Software Defined Radio）是實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無線電的最理想的平臺(tái)。所以他們指出認(rèn)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(rèn)知模型來對(duì)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(jìn)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)。 在不同頻譜管制部門的管理下，更多的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織開始制定系列標(biāo)準(zhǔn)來推動(dòng)認(rèn)知無線電的發(fā)展 [1]。我國(guó)不少認(rèn)知無線電技術(shù)的研究在頻譜政策管制部門、標(biāo)準(zhǔn)化組織及國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)的共同努力下，取得了一定的進(jìn)展。 這當(dāng)中為了不對(duì)主用戶有干擾，認(rèn)知用戶需要在利用頻譜空穴進(jìn)行通信的過程中，可以快速感知主用戶的再次出現(xiàn)，以便能及時(shí)進(jìn)行頻譜切換，好騰出信道讓給 主用戶使用，也可以繼續(xù)使用之前的頻段，但它就需要進(jìn)過調(diào)整傳輸功率或者改變調(diào)制的方式來避免對(duì)主用戶造成干擾。以上特性均可以經(jīng)過分析頻譜的相關(guān)性函數(shù)來檢測(cè)他們，循環(huán)平穩(wěn)過程特性檢測(cè)能夠頻譜感知 發(fā)射機(jī)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 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 從調(diào)制信號(hào)功率中區(qū)別出噪聲能量。DSA 可以在不干擾主用戶正常工作的前提下，完成對(duì)認(rèn)知用戶的頻譜空穴接入，以此提高頻譜利用率。 還有 Nie[11]等人通過基于博弈論的應(yīng)用擴(kuò)展，分別去解析了在合作用戶和非合作用戶兩種情況下系統(tǒng)的性能，他們提出了基于合作的 DSA 在提高全網(wǎng)的性能上的可能性。一般在多址接入 CR 信道環(huán)境里面，主要使用協(xié)作機(jī)制的辦法，包含的內(nèi)容有規(guī)則及協(xié)議和協(xié)作的 Adhoc 網(wǎng)絡(luò)這兩方面。多用戶 CR 系統(tǒng)的功率控制問題可以看 作一個(gè)對(duì)策論問題。這能力使 得 CR 系統(tǒng)可以提高授權(quán)頻譜的利用率極大的，能夠提供更高帶寬的無線通信服務(wù)為用戶。所以， CR 可以在軍事上提供無縫且安全的、自適應(yīng)、高效的無線通信的服務(wù)，這讓它在軍 事領(lǐng)域方面有著非常寬廣的應(yīng)用前景。 三、商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域 認(rèn)知無線電技術(shù)最具有發(fā)展的潛力、最為重要的應(yīng)用領(lǐng)域是商業(yè)及無線技術(shù)領(lǐng)域。 ⒈ 認(rèn)知無線電在 WRAN 中的應(yīng)用 工作組在 20xx 年成立，它又被稱為無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（ WRAN）。 ⒉ 認(rèn)知無線電在 UWB 系統(tǒng)中的應(yīng)用 與 CR 應(yīng)用前景緊密相連的一項(xiàng)技術(shù)是超寬帶（ UWB， Ultra Wideband）無線技術(shù)，它是當(dāng)今眾多媒體寬帶無線通信中最具有前途的候選方案中一種。 WLAN 大多設(shè)備工作在免授權(quán)的頻段，這就導(dǎo)致隨著無線局域網(wǎng)的普及發(fā)展，免授權(quán)頻段的通信業(yè)務(wù)必將非常繁忙，此時(shí)工作頻段將不能滿足新的業(yè)務(wù)要求，我們采用 CR 技術(shù)就能夠解決因 WLAN 頻段擁擠而造成的可用頻譜資源缺乏問題。并針對(duì)認(rèn)知無線電的頻譜感知單節(jié)點(diǎn)感知進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析，在分別介紹了頻譜感知中具有重要作用的匹配濾波器 感知和能量感知的原理以及合作式頻譜感知技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)和算法。 理論上，頻譜檢測(cè)最有效的方法就是在認(rèn)知用戶的 通信范圍內(nèi)，檢測(cè)我們所關(guān)心的頻譜上是否有主用戶接收機(jī)存在。特別是在無法獲得足夠有關(guān) PU發(fā)射機(jī)信號(hào)先驗(yàn)信息的情況下， ED 方法是最優(yōu)的，而且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。 由以上分析可知，檢測(cè)概率過低將會(huì)增加對(duì) PU 通信造成干擾的概率；而虛警概率過高，則會(huì)大大降低頻譜的利用率。 SU 離 PU 越遠(yuǎn)， PU 信號(hào)衰減越厲害， SU 處接收的 PU 信號(hào)也就越弱，則此時(shí)的判決門限也應(yīng)越低。當(dāng)主用戶不存在的情況下，該檢測(cè)量為： 1R e ( ) s * (k)NkM n k???? ????? (15) 類似地，當(dāng)存在主用戶信號(hào)時(shí)，波形檢測(cè)法的檢測(cè)量為 211( ) R e ( ) s* ( k)NNkkM s k n k?????? ?????? (16) 將檢測(cè)量 M 與預(yù)先設(shè)定的判決門限 M? 進(jìn)行比較即可判決出給定的頻譜內(nèi)是否存在主用戶信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)頻譜感知功能。這些主用戶發(fā)射機(jī)信號(hào)中內(nèi)在具有的周期性特性被稱之為循環(huán)平穩(wěn)特征。當(dāng)循環(huán)頻率等于 PU 信號(hào)的基本頻率時(shí)， CSD 函數(shù)就會(huì)出現(xiàn)很多尖峰值。由于 MF檢測(cè)法對(duì) SU 接收信號(hào)的采樣次數(shù)較少，因此，與其它傳統(tǒng)的頻譜檢測(cè)法相比， MF檢測(cè)法能在較短的時(shí)間內(nèi)就可獲得一定的檢測(cè)性能，比如，較低的漏檢概率(Probability of missed detection)及虛警概率。為了解決這種問題，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)的下屬機(jī)構(gòu) SPTF 提出了一種全新的干擾評(píng)估度量標(biāo)準(zhǔn) —— “干擾溫度(Interference temperature)”，目的是為了評(píng)估接收機(jī)端在保證正常通信不受影響的情況下，其對(duì)干擾所能容忍的范圍。 FCC 在定義干擾溫度的基礎(chǔ)上，又進(jìn)一步建立了“干擾溫度界限 (Interference temperature limit)”的概念。多抽頭方法還可以權(quán)衡估計(jì)過程中產(chǎn)生的偏差與方差，進(jìn)而獲得近似最優(yōu)的估計(jì)性能。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 第三節(jié) 合作頻譜感知方法 由于受到多經(jīng)衰落、隱蔽終端以及噪聲、干擾等諸多不確定性因素的影響，頻譜感知性能將會(huì)顯著下降。 合作頻譜感知方法的合作對(duì)象，既可以是認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的認(rèn)知用戶本身，也可以是認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)外的感知節(jié)點(diǎn)。為了解決這個(gè)問題，提出先將各感知節(jié)點(diǎn)的本地判決結(jié)果量化成一位二進(jìn)制數(shù) (硬判決 )，接著只允許那些可信度高的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)將其本地硬判決結(jié)果傳送給數(shù)據(jù)融合中心，然后由中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步判決。由于分布式合作感知方法無需中心節(jié)點(diǎn)且硬件花銷小，因此，分布式合作感知方法要比中心式的合作感知方法更具優(yōu)勢(shì)。這種基于外部節(jié)點(diǎn)的頻譜感知算法解決了頻譜感知任務(wù)由認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部認(rèn)知用戶完成的問題，徹底解放了認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的認(rèn)知用戶，使得網(wǎng)內(nèi)的認(rèn)知用戶可專注于傳輸各種無線通信數(shù)據(jù)，而不必為頻譜感知額外增加網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的開銷。在 IEEE WRAN 標(biāo)準(zhǔn)中，這種基于外部節(jié)點(diǎn)的合作感知方法也被建議用來檢測(cè)主用戶信號(hào)。 ED 方法具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、算法復(fù)雜度低等諸多優(yōu)點(diǎn)。 另一種常用的感知方式為循環(huán)平穩(wěn)特征檢測(cè) (CFD)。而且， MFD 方法必須得預(yù)先準(zhǔn)確獲 得有關(guān)主用戶發(fā)射機(jī)信號(hào)的特征信息，比如：帶寬、載波頻率、調(diào)制方式、脈寬以及幀格式等。因此， WD 感知方法很少得到真正的應(yīng)用。 第三章 基于信號(hào)主分量提取合作頻譜感知 在通信過程中，主用戶與認(rèn)知用戶間是非合作的 ,因此頻譜檢測(cè)工作的實(shí)施只能靠認(rèn)知用戶截取主用戶信號(hào)來達(dá)到檢測(cè)主用戶出現(xiàn)的目的。具體地，依據(jù)接收信號(hào)信噪比最大化的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和約束條件，設(shè)計(jì)基于特征值和特征向量的、具有最優(yōu)檢測(cè)性能的合作頻譜感知檢測(cè)變量，即構(gòu)建基于接收信號(hào)的主分量的合作頻譜感知最優(yōu)全局檢測(cè)變量融合方案，實(shí)現(xiàn)非相關(guān)檢測(cè)方式下的最優(yōu)頻譜感知性能。由式 (21)的感知模型中首先將接收到得信號(hào) 可 取 N 個(gè)時(shí)延采樣數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)組成 N 維的向量。 ()sn 為接收端接收到的 PU 信號(hào)，其均值為 0、協(xié)方差矩陣( ) ( )Hs n s n??? ??sRE ，其中， ??H 表示矩陣轉(zhuǎn)置， ??E 表示期望。在集中式結(jié)構(gòu)中，認(rèn)知系統(tǒng)的基站作為認(rèn)知融合中心，將該區(qū)域內(nèi)認(rèn)知用戶的本地頻譜檢測(cè)結(jié)果匯總起來，并做出最終判決。除此之外，目前的頻譜感知算法還存在各種各樣的挑戰(zhàn)，比如，硬件設(shè)備無法滿足要求、隱蔽終端問題、寬帶頻譜感知問題、檢測(cè)能力問題以及合作感知算法中的數(shù)據(jù)融合問題等。波形檢測(cè)法的復(fù)雜度相對(duì)較低，感知精度又最高。另外， CFD 還需要知道主用戶發(fā)射機(jī)信號(hào)的某些先驗(yàn)知識(shí)（如周期特征等）。另外，如前所述，由于信號(hào)的衰減，也與 SU 離 PU 距離相關(guān)。最后對(duì)基于干擾溫度的頻譜 感知的概念、思想及目前的研究現(xiàn)狀做了介紹。 一種基于傳感網(wǎng)絡(luò)的頻譜感知架構(gòu)。一種分布式合作頻 譜感知的認(rèn)知無線電架構(gòu)體系，在這個(gè)架構(gòu)體系中，各認(rèn)知用戶通過共享無線電特征參數(shù)來提高整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)性能。 二、 分布式合作感知方法 經(jīng)過以上分析可知，合作頻譜感知方法確實(shí)可以大大地提高頻譜感知性能。 一種硬判決 (又稱二進(jìn)制判決 )的合作感知方法，由于只將各認(rèn)知用戶感知結(jié)果的二進(jìn)制信息傳輸給中心節(jié)點(diǎn)，因此， 該方法減輕了信道衰落對(duì)感知結(jié)果的影響，提高了系統(tǒng)的檢測(cè)性能。造成這種現(xiàn)象的原因是因?yàn)殡[蔽終端的存在，妨礙了認(rèn)知用戶對(duì)主用戶發(fā)射機(jī)信號(hào)的檢測(cè)。 二、 基于本地振蕩器泄漏功率的感知方法 一種直接檢測(cè)主用戶接收機(jī)信號(hào)的頻譜感知方法。因此，干擾溫度界限實(shí)際上描述的是，在保證不影響主用戶正常通信的條件下，認(rèn)知用戶與主用戶共享某段授權(quán)頻譜時(shí)，主用戶接收機(jī)對(duì)認(rèn)知用戶接入該段頻譜后對(duì)其產(chǎn)生干擾的容忍程度。 10k ??? 為波爾茲曼常量，單位為焦 /開。發(fā)射端通過調(diào)整發(fā)射功率、帶外輻射以及信號(hào)發(fā)射機(jī)的位置來實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾程度的控制。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 四、匹配濾波 在認(rèn)知用戶已知主用戶有關(guān)先驗(yàn)信息的情況下，最優(yōu)的頻譜檢測(cè)方法就是匹配濾波法。與能量檢測(cè)法將時(shí)間域的信號(hào)能量作為檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)