【文章內(nèi)容簡介】 應(yīng)或反復(fù)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(yuǎn)，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(yīng)越低。反之，則越高。因此，如何根據(jù)SU離PU距離的遠(yuǎn)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(yán)峻挑戰(zhàn)。二、波形檢測(相關(guān)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(dǎo)言、訓(xùn)練序列、導(dǎo)頻模式以及擴(kuò)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(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，即可判決出給定頻譜內(nèi)是否存在主用戶發(fā)射機(jī)信號。該方法就是波形檢測法，也稱相關(guān)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(dāng)主用戶不存在的情況下，該檢測量為： (15)類似地，當(dāng)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(yù)先設(shè)定的判決門限 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，進(jìn)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(jìn)制假設(shè)檢驗?zāi)Ｐ停⑼ㄟ^利用主用戶信號功率譜密度所表現(xiàn)出的獨(dú)特頻譜特征，即可判決出主用戶發(fā)射機(jī)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(dāng)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(guān)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(jī)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(shè)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(jī)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(guān)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(jī)信號，并能辨別出主用戶發(fā)射機(jī)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(jìn)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)可通過下式求取： = (17)其中 (18) 是循環(huán)自相關(guān)函數(shù)(Cyclic Autocorrelation Function, CAF), 表示循環(huán)頻率，是數(shù)學(xué)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(dāng)SU接收信號中存在PU發(fā)射機(jī)信號時，接收信號的自相關(guān)函數(shù)才表現(xiàn)出周期性的特點(diǎn)。當(dāng)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(dāng)SU接收信號中不存在PU發(fā)射機(jī)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(jìn)一步發(fā)展了循環(huán)平穩(wěn)特征檢測法，并進(jìn)一步提高了檢測性能。四、匹配濾波在認(rèn)知用戶已知主用戶有關(guān)先驗信息的情況下，最優(yōu)的頻譜檢測方法就是匹配濾波法。匹配濾波檢測器通過將已知的主用戶信號與SU接收到的信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，即可檢測出主用戶信號是否存在。在加性統(tǒng)計噪聲的情況下，匹配濾波法能使信噪比最大。因此，從SNR意義的角度來說，MF檢測法是最優(yōu)的頻譜檢測方法。由于MF檢測法對SU接收信號的采樣次數(shù)較少，因此，與其它傳統(tǒng)的頻譜檢測法相比，MF檢測法能在較短的時間內(nèi)就可獲得一定的檢測性能，比如，較低的漏檢概率(Probability of missed detection)及虛警概率。但是，匹配濾波器法所必需的采樣次數(shù)仍然隨著SU接收機(jī)信噪比SNR的降低而增加，所以，在匹配濾波器法中，存在一個噪聲墻的問題。另外，由于匹配濾波器法需要SU接收機(jī)獲得各種類型的信號并執(zhí)行相關(guān)的處理算法，致使MF檢測器的運(yùn)算復(fù)雜度及功耗都非常高。 第二節(jié) 基于主用戶接收機(jī)信號檢測的頻譜感知方法一、 基于干擾溫度的感知方法在通常情況下，控制干擾的行為一般都是在信號發(fā)射端進(jìn)行的。發(fā)射端通過調(diào)整發(fā)射功率、帶外輻射以及信號發(fā)射機(jī)的位置來實現(xiàn)對干擾程度的控制。限制干擾設(shè)備發(fā)射功率的傳統(tǒng)方法是，在距離發(fā)射機(jī)的一定范圍內(nèi)，通過某種方法控制發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率，使其值不高于某個設(shè)定的噪聲門限即可。然而，由于射頻發(fā)射機(jī)具有移動性與可變性，而新的干擾源何時出現(xiàn)又具有不可預(yù)測性，因此，這些因素都將導(dǎo)致通過限制發(fā)射功率而實現(xiàn)對干擾程度進(jìn)行控制的目的變得異常困難。另外，干擾的影響往往是發(fā)生在信號的接收機(jī)端而非發(fā)射機(jī)端。為了解決這種問題，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)的下屬機(jī)構(gòu) SPTF 提出了一種全新的干擾評估度量標(biāo)準(zhǔn)——“干擾溫度(Interference temperature)”，目的是為了評估接收機(jī)端在保證正常通信不受影響的情況下，其對干擾所能容忍的范圍。干擾溫度定義為單位帶寬內(nèi)，接收天線處所獲得的、即將傳輸給接收機(jī)的射頻功率。干擾溫度反映了其它發(fā)射機(jī)及噪聲源在接收機(jī)端所產(chǎn)生的功率。其表達(dá)式如下： (19)其中, 表示在中心頻率為、帶寬為B時的平均干擾功率，單位為瓦特。 為波爾茲曼常量，單位為焦/開。因此，干擾溫度可等效為單位帶寬內(nèi)，接收天線處所得到的射頻功率，用開氏溫標(biāo)來衡量。在天文學(xué)中，天文學(xué)家們采用“噪聲溫度(noise temperature)”這一概念作為各種外層空間輻射密度的度量單位，用來測量來自外層空間的平均輻射水平。與此類似，美國FCC的下屬機(jī)構(gòu)SPTF也借用了此概念，并采用“干擾溫度”來衡量接收機(jī)接收到來自其它發(fā)射機(jī)和干擾源所產(chǎn)生的單位帶寬內(nèi)的平均功率。 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。干擾溫度界限是指在某一空間范圍內(nèi)，主用戶接收機(jī)在給定的某頻段內(nèi)進(jìn)行通信時所能容許的最大干擾極限值。任何認(rèn)知用戶要想使用某段授權(quán)頻譜進(jìn)行通信，就必須得滿足其發(fā)射功率、噪聲及干擾在該段頻譜內(nèi)給主用戶接收機(jī)產(chǎn)生的干擾值不能超過該接收機(jī)的干擾溫度界限。否則，認(rèn)知用戶將會對主用戶的正常的、合法的通信造成影響。因此，干擾溫度界限實際上描述的是，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，主用戶接收機(jī)對認(rèn)知用戶接入該段頻譜后對其產(chǎn)生干擾的容忍程度。 在授權(quán)頻譜內(nèi)進(jìn)行的任何數(shù)據(jù)傳輸，只要其產(chǎn)生的干擾超過了主用戶接收機(jī)的干擾溫度界限，它都會對主用戶的正常通信造成嚴(yán)重影響和干擾。為了防止這種情況發(fā)生，主用戶接收機(jī)端應(yīng)該具有對干擾溫度進(jìn)行可靠頻譜估計的能力。為此，可以利用在通信網(wǎng)絡(luò)廣泛分布的大量傳感器獲取的信息，采用多抽頭的方法實現(xiàn)干擾溫度功率譜估計。多抽頭方法還可以權(quán)衡估計過程中產(chǎn)生的偏差與方差，進(jìn)而獲得近似最優(yōu)的估計性能。利用一種隱形的馬爾可夫模型(Hidden Markov Model, HMM)對認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中干擾溫度的動態(tài)特性進(jìn)行了研究。認(rèn)知節(jié)點(diǎn)將經(jīng)過訓(xùn)練的HMM模型作為一個序列碼發(fā)生器，并根據(jù)該序列碼產(chǎn)生的序列來預(yù)測將來在某信道內(nèi)產(chǎn)生的干擾溫度，以此有助于認(rèn)知節(jié)點(diǎn)選擇合適的信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。對干擾溫度進(jìn)行了全面的分析，量化了干擾溫度界限應(yīng)該如何選擇以及這些選擇對主用戶信號的傳輸范圍產(chǎn)生如何影響等。二、 基于本地振蕩器泄漏功率的感知方法一種直接檢測主用戶接收機(jī)信號的頻譜感知方法。該方法通過檢測主用戶接收機(jī)射頻前端所泄漏的本地振蕩功率（如果存在本地振蕩功率，則說明接收機(jī)在工作），實現(xiàn)對給定頻譜內(nèi)是否存在主用戶接收機(jī)進(jìn)行檢測。為了能檢測到主用戶本地振蕩器的泄漏功率，必須在主用戶接收機(jī)附近安置大量廉價的無線傳感器節(jié)點(diǎn)，以便能確認(rèn)給定的某頻段內(nèi)是否存在主用戶接收機(jī)信號。據(jù)此，認(rèn)知用戶就可避開主用戶接收機(jī)當(dāng)前正在使用的頻段，而選擇其它空閑頻譜進(jìn)行通信。 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，頻譜感知性能將會顯著下降。當(dāng)接收信號的信噪比SNR非常低時，將會出現(xiàn)噪聲墻現(xiàn)象，如果此時的SNR低于該噪聲墻，即使經(jīng)過了長時間的觀測采樣也不能獲得可靠的頻譜檢測性能。當(dāng)認(rèn)知用戶在某頻段內(nèi)沒有檢測到主用戶發(fā)射機(jī)信號而認(rèn)為該頻譜處于空閑狀態(tài)，并利用該頻段進(jìn)行通信。但事實上，此時主用戶接收機(jī)卻正在認(rèn)知用戶的通信范圍內(nèi)工作，認(rèn)知用戶的通信必然會嚴(yán)重影響到主用戶的正常通信，這是不允許出現(xiàn)的。造成這種現(xiàn)象的原因是因為隱蔽終端的存在，妨礙了認(rèn)知用戶對主用戶發(fā)射機(jī)信號的檢測。因此，單個認(rèn)知用戶感知結(jié)果的可靠性及性能是相當(dāng)?shù)偷?。但如果充分利用多個認(rèn)知用戶的空間分集特性， 采用多認(rèn)知用戶的合作頻譜感知方法就能有效地增強(qiáng)頻譜感知的可靠性、提高頻檢測概率、降低虛警概率，從而提高了頻譜利用率。而且，合作頻譜感知還可以解決隱蔽終端問題，減少感知時間。 合作頻譜感知方法的合作對象，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)。針對前一種情況，根據(jù)合作網(wǎng)絡(luò)中是否有融合中心節(jié)點(diǎn)，可將合作感知方法分為：中心式的和分布式的兩種合作感知方法。 一、 中心式合作感知方法在中心式的合作感知方法中，中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集其通信信號覆蓋范圍內(nèi)的各認(rèn)知用戶傳輸過來的感知信息，并將這些信息按照某種算法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，判決出所關(guān)心的頻段內(nèi)是否存在主用戶發(fā)射機(jī)信號，從而確定出空閑的頻譜資源。然后，中心節(jié)點(diǎn)將這些頻譜空閑信息通過廣播的方式傳送給各個認(rèn)知用戶，或者直接控制各認(rèn)知用戶的通信行為。 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感知結(jié)果的影響，提高了系統(tǒng)的檢測性能。對該合作感知方法的檢測概率及虛警概率進(jìn)行了詳細(xì)分析。認(rèn)知用戶感知的結(jié)果先進(jìn)行量化，然后再將量化后的數(shù)據(jù)傳送給融合中心進(jìn)行進(jìn)一步判決。當(dāng)參與合作感知的認(rèn)知用戶節(jié)點(diǎn)數(shù)增加時，則會相應(yīng)的增加感知節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的帶寬，造成系統(tǒng)感知性能下降。為了解決這個問題，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。 由于中心式合作感知方法需要一個中心節(jié)點(diǎn)來收集各SU本地感知信息，并將這些信息按照某種融合算法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，進(jìn)而實現(xiàn)頻譜感知。因此，采用該方法進(jìn)行頻譜感知就需要建立一個以次用戶基站為中心的骨干網(wǎng)。這勢必會大大增加系統(tǒng)的運(yùn)行成本，造成大量的硬件開銷。 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可以大大地提高頻譜感知性能。但是，當(dāng)參與合作感知的各個認(rèn)知用戶從屬于不同服務(wù)對象時，他們將會優(yōu)先考慮提高自己本身業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)容量，而對合作頻譜感知貢獻(xiàn)度降低，進(jìn)而影響到整個合作頻譜感知性能。針對這種問題，人們提出了分布式合作頻譜感知的方法。在分布式合作感知的情形下，各認(rèn)知節(jié)點(diǎn)獨(dú)立地進(jìn)行本地判決，并相互交換各自的感知信息。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。然而，分布式合作頻譜感知方法也有一個顯著的缺點(diǎn)，那就是算法復(fù)雜度較高，要求每個認(rèn)知節(jié)點(diǎn)有很強(qiáng)信號處理能力。另外，由于各個認(rèn)知節(jié)點(diǎn)相互間需要交換大量的感知信息，這將顯著增加整個認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的開銷。 一種分布式合作感知方法，該方法中各認(rèn)知用戶只共享最后的判決結(jié)果，而無需傳送大量中間結(jié)果，減輕了整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的負(fù)載。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)來提高整個系統(tǒng)的檢測性能。提出了一種基于進(jìn)化博弈的分布式合作頻譜感知方法，該方法將合作頻譜感知看作成一個進(jìn)化博弈問題，并解決了在無融合中心節(jié)點(diǎn)的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中如何將多個認(rèn)知用戶進(jìn)行合作來實現(xiàn)頻譜感知功能的問題。 三、 基于外部節(jié)點(diǎn)的合作感知方法另外一種容易被大家忽視的合作感知方法是基于認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)外部感知節(jié)點(diǎn)的合作頻譜感知技術(shù)，它也是一種非常具有應(yīng)用前景的頻譜感知方法。在這種頻譜感知方法中，外部代理節(jié)點(diǎn)執(zhí)行頻譜感知功能，并由它通過廣播的方式將頻譜占用的信息傳送給認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)。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。由于外部感知節(jié)點(diǎn)廣泛分布于主用戶通信信號的覆蓋范圍內(nèi)，這樣就使得該方法不僅克服了隱蔽終端問題，而且還解決了因遮擋及多徑衰落引起的感知性能不確定性的問題。另外，由于外部節(jié)點(diǎn)執(zhí)行了頻譜感知功能，因此，認(rèn)知用戶無需再花大量時間去執(zhí)行頻譜感知任務(wù)，這將進(jìn)一步提高整個認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的頻譜利用率。同時，由于外部感知節(jié)點(diǎn)無需移動，且無需認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)提供能量，因此，外部節(jié)點(diǎn)合作頻譜感知方法也大大降低了認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的功耗。 一種基于傳感網(wǎng)絡(luò)的頻譜感知架構(gòu)。該傳感網(wǎng)絡(luò)只有感知單位節(jié)點(diǎn)組成，能對頻譜進(jìn)行連續(xù)性或周期性感知。傳感網(wǎng)絡(luò)中的每個感知節(jié)點(diǎn)均將感知結(jié)果傳送給中心節(jié)點(diǎn)(Sink node)，中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)一