【文章內(nèi)容簡介】 豐厚的利潤。所有因素又反過來促進無線通信技術以更高、更快的速度去發(fā)展，但這也使得本來就貧乏的無線頻譜變得更加擁擠，這就可能導致一些新的無線通信技術沒有頻譜使用或者需要和其它通信系統(tǒng)來共享無線頻譜這些情況。在解決頻譜共享及復用這些問題上，CR具備非常強大的領先優(yōu)勢。因著CR可以及時識別信道的是否占用，并且能夠根據(jù)環(huán)境里的信道的使用情況來實現(xiàn)無線信道間動態(tài)的切換功能，這就能夠繼續(xù)給予認知用戶穩(wěn)定、可靠的無線通信服務。所以，認知無線電可為迅速增長的各種數(shù)據(jù)通信業(yè)務提供額外的帶寬及功能豐富的通信服務。且信道的自適應及動態(tài)切換也能夠幫助避免頻譜沖突及在調(diào)換設備時的巨大開銷。所以，CR一定會在目前各類無線通信網(wǎng)絡系統(tǒng)中表現(xiàn)出無與倫比的應用潛力。1 認知無線電在 WRAN 中的應用 工作組在2004 年成立，它又被稱為無線區(qū)域網(wǎng)絡（WRAN）。它能夠作為寬帶訪問線路通過利用CR技術將分配給電視廣播的VHF/UHF頻帶。 是種規(guī)定了點到多點（一般指單個基站到多認知用戶）的無線空中接口[15][16]。，它當中有一個功能相當于一般基站的控制中心，主要是負責收集頻譜的感知信息，并分析頻譜當前的使用狀況，再處理認知用戶的請求，當然認知用戶需要向控制中心的數(shù)據(jù)庫報告功率水平、調(diào)制方式、自己的位置等等信息，最后會由控制中心給認知用戶來分配空閑頻譜。當一般的電視用戶想要使用頻譜時，控制中心則會及時從數(shù)據(jù)庫中挑出空頻譜并告知其認知用戶進行切換，以及數(shù)據(jù)庫內(nèi)容的更新。 空中接口所具有的重要特性就是其靈活性和自適應性[15]。它對其物理層的要求是需要保持在低復雜性并且能夠提供高性能：一般的基站可以根據(jù)自己接收到的通信信息，來動態(tài)地去調(diào)整編碼和調(diào)制；并且為了不對電視廣播業(yè)務造成影響，它還要求了發(fā)射功率的動態(tài)范圍至少控制為 30dB。跟其他的IEEE標準相比， 空中接口的關鍵問題是共存問題，例如偵聽門限、響應時間等一些機制則還要做大量的研究。2 認知無線電在 UWB 系統(tǒng)中的應用與CR應用前景緊密相連的一項技術是超寬帶（UWB，Ultra Wideband）無線技術，它是當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。最先將CR技術應用在UWB系統(tǒng)中就是提出認知超寬帶無線電技術（CUWB）時[15]，他的提出是為了可以實現(xiàn)在多頻帶正交頻分復用（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。CUWB一般是聯(lián)合認知無線電和超寬帶技術的主要優(yōu)點來結合以設計研究出一種智能的無線系統(tǒng)，這是是一種以頻譜感知為基礎的具備靈活波形和自適應輻射掩膜（或發(fā)射功率譜密度）的新型超寬帶系統(tǒng)。因為傳統(tǒng)窄帶系統(tǒng)與UWB系統(tǒng)間存在著無法避免的干擾，將UWB技術與CR技術相結合用來解決干擾問題也已成為最近幾年大家的研究熱點。UWB無線技術具有的優(yōu)點有抗干擾能力靈活、測距精準、高通信容量、抗多徑衰落和能定位等等，可是解決頻譜資源短缺的最有效的方法還是CR技術則是通過智能頻譜管理來運行。如若將兩者相結合，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)上遇到的比如復雜射頻、前端設計等難題，UWB技術能提供幫助。以CR思想的UWB為基礎的無線技術的發(fā)展能很大的促進智能網(wǎng)絡和設備的優(yōu)化發(fā)展，它將真正形成以用戶為中心的無線通信世界，這是具有重大的理論和實際意義的。3 認知無線電在 WLAN 中的應用目前無線局域網(wǎng)（WLAN，Wireless Local Area Network）主流是以 標準為基礎的無線技術。WLAN 大多設備工作在免授權的頻段，這就導致隨著無線局域網(wǎng)的普及發(fā)展，免授權頻段的通信業(yè)務必將非常繁忙，此時工作頻段將不能滿足新的業(yè)務要求，我們采用 CR 技術就能夠解決因 WLAN 頻段擁擠而造成的可用頻譜資源缺乏問題。目前的無線局域網(wǎng)標準中， 系列標準正在被廣泛的應用[19]。 5GHz頻段中，比如雷達。這就是說這是非常困難的要保證無線局域網(wǎng)的工作頻段不受這類設備的干擾。 。以CR的方面來看。第六節(jié) 全文的主要研究內(nèi)容本文先是介紹了認知無線電的概念和以及三個關鍵技術，且對無線電頻譜感知幾個技術進行了分別討論。本文主要是從單節(jié)點和合作式的方面來認知無線電技術的頻譜感知，提出了在目前領域內(nèi)的幾種頻譜檢測方法和算法。并針對認知無線電的頻譜感知單節(jié)點感知進行了較為詳細的分析，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的關鍵技術和算法。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，設計相應的全局變量融合生成算法，將兩種檢驗假設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。 主要研究工作有：① 第1章主要介紹了認知無線電的背景和意義，認知無線電技術在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀。并討論了認知無線電的基本技術和無線電技術在多方面的發(fā)展與應用；② 第2章介紹了當前領域內(nèi)的頻譜感知方法，并對主要的幾種方法進行了研究和分析?？偨Y了對基于發(fā)射機感知的三種頻譜感知方法：匹配濾波器感知法、能量感知法和合作式感知法作了詳細的討論。③ 第3章主要是構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章總結全文，且展望了頻譜感知技術的進一步。第二章 認知無線電中頻譜感知技術根據(jù)前面分析可知，頻譜感知技術在認知無線電技術中扮演著十分重要的角色，是實現(xiàn)動態(tài)頻譜接入、頻譜共享、頻譜分配以及頻譜管理等其它認知無線電技術功能的前提和先決條件。只有通過頻譜感知，CR才可以感知到周圍無線電磁環(huán)境參數(shù)的變化情況，實時地獲取無線頻譜占用的信息數(shù)據(jù)，CR根據(jù)這些信息，將通信信道切換到最適合的空閑頻譜上去，并實時地、自適應地調(diào)整相應的技術參數(shù)以適應新信道電磁特性的要求，在不影響授權用戶正常通信的情況下，保證認知用戶的通信質(zhì)量。理論上，頻譜檢測最有效的方法就是在認知用戶的通信范圍內(nèi)，檢測我們所關心的頻譜上是否有主用戶接收機存在。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。之所以說這種基于主用戶接收機檢測的頻譜感知方法是最有效的，這是因為主用戶發(fā)射機信號在一些應用場合往往總是存在的（比如廣播電視信號），而只有當主用戶接收機同時也存在的情況下，才能真正確定該段頻譜被主用占用，而那種檢測到某段頻譜內(nèi)存在主用戶發(fā)射機信號就認為該段頻譜被主用戶占用的頻譜感知方法是不準確的。因此，即使在主用戶發(fā)射機信號存在的情況下，只要某段頻譜內(nèi)不存在主用戶接收機信號，都可確定該段頻譜未被主用戶占用，即存在空閑頻譜。此時，認知用戶可以使用該段頻譜。然而，在實際情況下，CR 是很難檢測到我們所關心的頻譜內(nèi)是否存在主用戶正在接收主用戶發(fā)射機信號的。因此，目前所采用的頻譜感知方法幾乎都是基于主用戶發(fā)射機信號檢測法。第一節(jié) 主用戶發(fā)射機信號檢測的頻譜感知 根據(jù)認知用戶所掌握的主用戶先驗知識、檢測復雜度以及精度等要求的不同，傳統(tǒng)的基于單個主用戶發(fā)射機信號檢測的頻譜感知方法可分為以下幾種： ① 能量檢測(Energy Detection, ED) ② 波形檢測(Waveform Detection,WD)或相關檢測(Coherent Detection,CD) ③ 循環(huán)平穩(wěn)特征檢測(Cyclostationarity Feature Detection, CFD) ④ 匹配濾波檢測(MatchedFiltering Detection, MFD)一、能量檢測能量檢測是使用最為普遍的一種頻譜感知方法。特別是在無法獲得足夠有關PU發(fā)射機信號先驗信息的情況下，ED方法是最優(yōu)的，而且實現(xiàn)簡單。假設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。指加性高斯白噪聲,其方差為； 為經(jīng)過信道后接收到的PU 發(fā)射機信號,PU 發(fā)射機信號與噪聲不相關。 假設SU 接收到的信號中只有噪聲；而則假設SU 接收到的信號中存在PU 發(fā)射機信號。 采用ED 法進行頻譜檢測時，其檢驗統(tǒng)計量為如下平均能量表達式 (12)此時，將檢驗統(tǒng)計量Y與預先設定的判決門限進行比較，就可判決出該段頻譜內(nèi)是否存在PU發(fā)射機信號，即該頻譜是否被PU占用。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。虛警概率表示假設成立而判決成的概率，檢測概率則表示正確判決的概率。與 的判決表達式表示如下： (13)其中, 表示信噪比SNR,表示時間帶寬積,、 分別表示完全和非完全伽瑪函數(shù)。由以上分析可知，檢測概率過低將會增加對PU通信造成干擾的概率；而虛警概率過高，則會大大降低頻譜的利用率。因此，一種好的頻譜檢測器應該是檢測概率高，而虛警概率低。為了提高頻譜利用率，虛警概率應盡可能的小,此時的判決門限值 越高越好。同時，為了提高檢測概率，減小對PU干擾的概率，判決門限值 卻是越低越好。為此，判決門限選取應根據(jù)實際需要，權衡虛警概率和檢測概率，選擇一個最佳值。在ED方法中，判決門限與噪聲方差 有關，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。為了減小這種影響，可根據(jù)實際需要，先預先確定虛警概率的值，采用自適應或反復迭代 的方法不斷優(yōu)化判決門限以滿足最佳性能要求。另外，在ED方法中，判決門限的選取還受SU與PU距離等因素的影響。SU離PU越遠，PU信號衰減越厲害，SU處接收的PU信號也就越弱，則此時的判決門限也應越低。反之，則越高。因此，如何根據(jù)SU離PU距離的遠近及噪聲等因素來選取合適的判決門限值，是ED方法所面臨的一個嚴峻挑戰(zhàn)。二、波形檢測(相關檢測)在無線通信系統(tǒng)中，經(jīng)常會利用傳輸波形的某些模式去實現(xiàn)例如控制、同步、均衡或其它功能等。這些模式包括：導言、訓練序列、導頻模式以及擴頻序列等等。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。該方法就是波形檢測法，也稱相關檢測法。 根據(jù)式(11)模型可得，采用波形檢測法時，其檢測量為： (14)其中，*表示共軛。當主用戶不存在的情況下，該檢測量為： (15)類似地，當存在主用戶信號時，波形檢測法的檢測量為 (16)將檢測量M與預先設定的判決門限 進行比較即可判決出給定的頻譜內(nèi)是否存在主用戶信號，進而實現(xiàn)頻譜感知功能。 波形檢測法不僅適用于時域，而且在頻域同樣也適用。在頻域，用接收信號的功率譜密度 仍然可以表示類似式(11)所示的二進制假設檢驗模型，并通過利用主用戶信號功率譜密度所表現(xiàn)出的獨特頻譜特征，即可判決出主用戶發(fā)射機信號是否存在。 噪聲的波動對波形檢測法的檢測性能沒有任何影響，而且，當觀測次數(shù)N增大時，其性能也不會受到SNR墻的限制。研究顯示，在可靠性及感知時間方面，波形檢測法的性能都要優(yōu)于能量檢測法。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。三、循環(huán)平穩(wěn)特征檢測在許多通信場景中，主用戶發(fā)射信號中往往攜帶有與其信號信息相關的一些特征參量。比如，主用戶發(fā)射信號的統(tǒng)計量具有周期性的特征，這是因為主用戶發(fā)射信號中的調(diào)制率、載波頻率等本身就具有周期性的緣故。這些主用戶發(fā)射機信號中內(nèi)在具有的周期性特性被稱之為循環(huán)平穩(wěn)特征。利用這些循環(huán)平穩(wěn)特征可以設計一個檢測器來區(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)。 循環(huán)頻譜特征檢測法一般情況下，PU發(fā)射機信號都是經(jīng)過正弦波、脈沖串或循環(huán)前綴調(diào)制過的信號，而噪聲信號一般是寬帶的平穩(wěn)信號(Widesense Stationary, WSS)，不具有任何相關性。因此，利用循環(huán)平穩(wěn)特征分辨出噪聲信號和主用戶發(fā)射機信號，并能辨別出主用戶發(fā)射機信號的類型。與能量檢測法將時間域的信號能量作為檢驗統(tǒng)計量不同，循環(huán)平穩(wěn)檢測器一般是先從時域變換為頻率特征域，然后，在新的變換域中，對是否存在主用戶信號進行判決。 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)自相關函數(shù)(Cyclic Autocorrelation Function, CAF), 表示循環(huán)頻率，是數(shù)學期望，*表示共軛。所有調(diào)制信號都具有周期性的特征，而噪聲信號卻是WSS信號，不具有循環(huán)周期特性。因此，只有當SU接收信號中存在PU發(fā)射機信號時，接收信號的自相關函數(shù)才表現(xiàn)出周期性的特點。當循環(huán)頻率等于PU信號的基本頻率時，CSD函數(shù)就會出現(xiàn)很多尖峰值。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。因此，可以根據(jù)CSD函數(shù)是否具有尖峰值就可實現(xiàn)頻譜感知功能。目前，峰值檢測及最大似然比檢測法進一步發(fā)展了循環(huán)平穩(wěn)特征檢測法，并進一步提高了檢測性能。