【正文】 到的信息 ， 并檢測(cè)頻譜空洞。 h 為信道增益 ， 假設(shè)為理想為 1， N為采樣點(diǎn)數(shù)。 }39。但是當(dāng)信噪比低于 8dB時(shí) ， 檢測(cè)概率 Pd接近于零 ， 所以在低信噪比的情況下 ， 能量檢測(cè)有它固有的缺陷。 在實(shí)驗(yàn)中 ， 取參數(shù) :時(shí)間帶寬積 m=5。圖中同時(shí)給出了加性高斯白噪聲狀態(tài)下的 ROC曲線 ， 以便于對(duì)不同的情況進(jìn)行對(duì)比。 可以分析得到 ， 如果 Pd過低 ， 將會(huì)漏檢大量授權(quán)用戶信號(hào)．這就相當(dāng)于增加了對(duì)授權(quán)用戶的干擾。 （論文） 第 30 頁 共 68 頁 第 4 章數(shù)據(jù)融合的協(xié)作頻譜感知 的性能分析 上章主要針對(duì)發(fā)射機(jī)頻譜感知技術(shù)進(jìn)行了仿真分析 ， 可以看出它們的檢測(cè)性能受到接收到的信號(hào)的強(qiáng)度限制。根據(jù)式（ 311）仿真 Pf和 Pd與判決門限的關(guān)系 ， 可得出圖（ 310(a)） 。根據(jù)文獻(xiàn)可知當(dāng) Rician因子 Kl時(shí) ， Rician信道近似為 AWGN信道 ， 在此信道條件下的 ROC曲線與圖 （ 32） 一致；當(dāng) K1時(shí) ， Rician信道將退化為 Rayleigh信道 ， 在此信道條件下的 ROC曲線與圖 （ 34） 一致。 Rayleigh 衰落信道 Rayleigh衰落信道下的信號(hào)包絡(luò)服從 Rayleigh分布 ， 信噪比 ? 的 PDF為 1( ) e x p ( ), 0f ?????? ? ? （ 313） 其中 2()E? ? ?? 為平均信噪比 ， ? 服從信道的衰落分布。所以 ， 根據(jù)中心極限定理 [13]， 對(duì)于大的 N， 可以用高斯隨機(jī)變量來近似。 2N? 的右拖尾概率分布為 2NQ? 。在這一章中 ， 我們將對(duì)能量檢測(cè)法 的性能 進(jìn)行詳細(xì)研究 。因此 ， 在這種情況下 ， 認(rèn)知無線電需要從其他的用戶那里得到信息并進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè) ， 也就是需要與其他用戶進(jìn)行合作。因此 ， 接收機(jī)無法自適應(yīng)的抵消干擾 ， 另外在信噪比很低時(shí) ， 由于信號(hào)能量都淹沒在噪聲中 ， 這時(shí)能量檢測(cè)法根本無法檢測(cè)出信號(hào)。它無需知道檢測(cè)信號(hào)的任何先驗(yàn)知識(shí) ， 對(duì)信號(hào)類型也不作限制。而且 ， 有效的干 擾溫度測(cè)量要求認(rèn)知用戶測(cè)量其對(duì)所有可能的主接收機(jī)造成的干擾 ， 目前還沒有實(shí)際可行的方法解決這一問題 [6]。本地感知是指每個(gè)認(rèn)知無線電用戶對(duì)所觀察的頻帶內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行采樣 ， 然后根據(jù)所采 用的不同檢測(cè)技術(shù)對(duì)觀察到的信號(hào)進(jìn)行處理的過程；本地感知結(jié)果的處理則是認(rèn)知無線系統(tǒng)采用各種算法對(duì)搜集到的各個(gè)用戶的感知結(jié)果進(jìn)行融合 ， 最終對(duì)頻帶的使用情況作出判決的過程。 (3)能和其他用戶協(xié)作接入信道 ， 即頻譜共享。認(rèn)知無線電系統(tǒng)通過學(xué)習(xí) ， 不斷地感知外界的環(huán)境變化 ， 并通過自適應(yīng)地調(diào)整其自身內(nèi)部的通信機(jī)理來達(dá)到對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)。 （論文） 第 4 頁 共 68 頁 什么是認(rèn)知無線電 為了解決上述問題 ， 基本思路就是 盡量提高現(xiàn)有已分配頻譜的利用率。 許多已分配的頻帶在很多的時(shí)間段內(nèi)都是閑置的 ， 尤其是在頻率需求非常緊張的數(shù)百 MHz～ 3GHz無線頻帶中 ， 一 些 頻帶大部分時(shí)間內(nèi)并沒有 用戶使用 ， 另有些偶爾才被利用 ， 其他頻帶使用競(jìng)爭(zhēng)則相對(duì)很激烈。 其中，頻譜感知技術(shù)是認(rèn)知無線電最基本、最關(guān)鍵的技術(shù)之一 。 針對(duì)于單用戶能量檢測(cè)受到信道衰落、陰影效應(yīng)和噪聲不確定性等因素的影響產(chǎn)生 檢測(cè) 性能下降 的情況 ， 提出了 數(shù)據(jù)融合的協(xié)作 頻譜感知方法 ， 如與準(zhǔn)則、或準(zhǔn)則、 KN 準(zhǔn)則 ， 并分析了 不同融合方法的 特點(diǎn) 、 性能及使用場(chǎng)景 。 第三章研究單用戶下的 能量檢測(cè)的本地頻譜檢測(cè) 性能分析 。國際上新觀點(diǎn)認(rèn)為 ， 頻譜是一種抽象的資源 ， 對(duì)其利用效率的高低取決于所采用的技術(shù) ， 需要詳細(xì)探討能充分利用頻譜資源的高效頻譜利用技術(shù) [2]。在認(rèn)知無線電中 ， 這樣的規(guī)則是以某種機(jī)器可理解的形式 (如 XML語言 )加載到通信終端上。目前可見的研究成果是一些有關(guān) WRAN標(biāo)準(zhǔn)的提案及 20xx年 5月初步形成的草案；該系統(tǒng)工作在甚高頻／超高頻 (VHF／ UHF)(北美為 54 MHz一 862 MHz)頻段上未使用的 TV信道。不準(zhǔn)確或者延時(shí)的頻譜感知結(jié)果會(huì)給授權(quán)用戶帶來有害干擾 ， 頻譜感知技術(shù)作為認(rèn)知無線電系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)之一 ， 是認(rèn)知無線電系統(tǒng)能否得到推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。換一句話說 ， 干擾溫度模型是對(duì)多個(gè)射頻信號(hào)能量進(jìn)行積累 ，獲得其最大容量的對(duì)應(yīng)信號(hào)數(shù)量作為判別門限。一般地 ， 認(rèn)知無線電發(fā)射機(jī)檢測(cè)方法主要有三種：匹配濾波器檢測(cè)、能量檢測(cè)、周期平穩(wěn)過程特性檢測(cè)。 在文獻(xiàn) [11]中 ， 能量檢測(cè)器考慮了多徑衰落的因素。因此在功率譜密度函數(shù)中頻率重疊頻譜區(qū)域在周期功率譜密度函數(shù)中就不再重疊。然而在資源受限制的網(wǎng)絡(luò)中 ， 協(xié)同檢測(cè)方式會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生負(fù)面影響 ， 因?yàn)樵谶@種方式下 ， 節(jié)點(diǎn)匯集了大量的信息 ， 這些信息需要傳遞給基站或者節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行相互交換。 根據(jù)文中的模型假定 ， 在 0H 條件下 ， 2~ (0, )xN? ；在 1H 條件下 ， 22~ (0, )sxN ??? ，于是有： 1222022 212202 211e xp [ ( ) ]2( )[ 2 ( ) ]() 11e xp [ ( ) ]2( 2 )NNnssNNnxnLxxn??? ? ????????? ?????? （ 32） （論文） 第 16 頁 共 68 頁 對(duì) ()Lx 去自然對(duì)數(shù)： 2 122 2 2 2 2022 122 2 2 201 1 1( ) l n ( ) ( ) ( )221l n ( ) ( ) ( )22NnssNsnssNl x x nN xn?? ? ? ? ???? ? ? ?????? ? ????????? （ 34） 因此 ， 若 1 20( ) ( ) 39。 39。 圖 33為 能量檢測(cè)器在 AWGN信道下的接收機(jī)工作特性曲線 (ROC curves)， 取信噪比SNR= 5dB、 0dB、 3dB、 8dB。 在相同的虛警概率下 ， 瑞利衰落導(dǎo)致能量檢測(cè)器的漏檢概率大大增加 ， 即檢測(cè)性能大幅度降低。 第三步 預(yù)先設(shè)定虛警概率 Pf=， 通 過式（ 311）可得檢測(cè)門限 r， 計(jì)算 N點(diǎn)取樣檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量 T。 單用戶頻譜感知的不足 盡管存在多種本地檢測(cè)算法 ， 但是單用戶頻譜感知在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中仍然不能達(dá)到較高的檢測(cè)性能 ， 總體而言 ， 其主要存在三個(gè)方面的不足。 (2)如果感知用戶與主用戶發(fā)射機(jī)之間存在障礙物遮擋 ， 那么該用戶將受到陰影效應(yīng)影響 ， 檢測(cè)不到主用戶發(fā)射機(jī)的信號(hào)。反之 ， 則判為信號(hào)不存在 D0 ， 檢測(cè)結(jié)果設(shè)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(jī)仿真 Ns次 ， 最后統(tǒng)計(jì)檢測(cè)結(jié)果 1的個(gè)數(shù) N1 ，也就是檢測(cè)到信號(hào)的次數(shù) 。因此 ， 在衰落信道下 ， 有必要采取合作頻譜檢測(cè)來提高檢測(cè)性能。能量檢測(cè)在高信噪比條件下的檢測(cè)性能明顯優(yōu)于低信噪比條件 ， 當(dāng) SNR= 5dB時(shí)檢測(cè)性能便達(dá)到了 450線的下界 ，這說明能量檢測(cè)適用于強(qiáng)主用戶信號(hào)的檢測(cè) ， 在弱主用戶信號(hào)檢測(cè)中并不能保證滿足檢（論文） 第 20 頁 共 68 頁 測(cè)性能的要求。r r? ? ， 則式（ 37）為 222222239。 [ 2 l n l n ( ) ]sssrr? ? ? ?? ? ???? ?， 則判決 1H 成立 。另外 ， 在協(xié)同檢測(cè)中 ， 由于不同節(jié)點(diǎn)的靈敏度和檢測(cè)時(shí)間不同 ， 在結(jié)合這些節(jié)點(diǎn)所檢測(cè)的信息的時(shí)候要采取加權(quán)結(jié)合的方式 。當(dāng)然 ， 它比能量檢測(cè)器更加復(fù)雜并且需要更長(zhǎng)的觀測(cè)時(shí)間。 雖然能量檢測(cè)法簡(jiǎn)單易行并且不需要被檢測(cè)信號(hào)任何的先驗(yàn)知識(shí) ， 但它固有的缺陷限制了它的使用。在認(rèn)知無線電設(shè)備中使用匹配濾波器 ， 實(shí)際上完成的是解調(diào)主用戶的信號(hào) ， 這樣認(rèn)知用戶就必須知道主用戶的物理層和 MAC層信息 ， 如調(diào)制方式、時(shí)序、脈沖波形及數(shù)據(jù)包格式等 ， 利用這些信息來實(shí)現(xiàn)與待測(cè)信號(hào)在時(shí)域和頻域上的同步 ， 從而解調(diào)信號(hào)。定義為 [5] , ( , )() IcIc P f BT f B kB? (21) 式中 ， k是波茲曼常數(shù) ， k = 10?23 J / K ， IT 為噪聲溫度 ， ( , )IcP f B 是帶寬為 B ， 頻點(diǎn) cf 處的干擾的平均功率。 圖 21是根據(jù)國內(nèi)外的研究情況總結(jié)的頻譜感知技術(shù)的主要分類 [3]。最有代表性且影響最大的是美國國防部高等研究計(jì)劃署的下（論文） 第 6 頁 共 68 頁 一代通信計(jì)劃 (XG， neXt Generation Program)， 于 20xx年成立 XG工作組 ， 著眼于開發(fā)認(rèn)知無線電的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)頻譜管理標(biāo)準(zhǔn)。 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(cè)到的 “ 頻譜空洞 ，這是認(rèn)知無線電技術(shù)的一項(xiàng)基本應(yīng)用。這里從不同角度和方面總結(jié)了目前提高頻譜利用率技術(shù) ， 如圖 12所示。 第五章對(duì) 全文的工作進(jìn)行了總結(jié) ， 并對(duì)未來的工作進(jìn)行了展望。spectrum sensing。 為了盡量提高現(xiàn)有已分配頻譜的利用率 ， 認(rèn)知無線電的概念應(yīng)運(yùn)而生 。但是在這些已分配的授權(quán)頻段與非授權(quán)頻段中存在著頻譜資源利用的不平衡性：一方面 ， 授權(quán)頻段占用了整個(gè)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(quán)頻段占整個(gè)頻譜資源的很少一部分 ， 但在該頻段上的用戶很多 ， 業(yè)務(wù)量也很大 ， 無線電頻段已基本趨于飽和。 34倍頻譜效率的提高對(duì)于人們成百上千倍的帶寬需求增長(zhǎng)是微不足道的。認(rèn)知無線電采用無線電領(lǐng)域的基于模型的方法對(duì)控制無線電頻譜使用的規(guī)則 (如射頻頻段、空中接口、協(xié)議以及空間和時(shí)間模式等 )進(jìn)行推理 ， 通過無線電知識(shí)表示語言 (RKRL)表述無線電規(guī)則、設(shè)備、軟件模塊、電波傳播特性、網(wǎng)絡(luò)、用戶需求和應(yīng)用 場(chǎng)景的知識(shí) ， 以增強(qiáng)個(gè)人業(yè)務(wù)的靈活性 ， 使軟件無線電技術(shù)能更好地滿足用戶需求。 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。 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 共 68 頁 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 。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。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。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)。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。 （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(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。首先可知： 22()~ NTx ?? ， 在 0H 下 ， 222() ~ NsTx ????， 在 1H 下。()/1NNDssrPQrQ???????? ?? ? （ 38） （論文） 第 17 頁 共 68 頁 隨著22s?? （即 SNR ） 的增加 ， 2NQ? 函數(shù)的自變量減少 ， DP 增 大 。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)。 取信噪比 SNR=5dB、 1dB、0dB， K=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。 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