【文章內(nèi)容簡介】 的利用率。然而被動方式獲取頻譜資源使用狀況，需要主用戶系統(tǒng)與次級用戶系統(tǒng)傳遞大量的控制信息，這就額外地增加了頻譜資源的消耗，此外這種方式還必須要求對現(xiàn)有的主用戶通信系統(tǒng)及通信規(guī)范進行修改。這些原因使得目前的研究方向主要集中在主動獲取頻譜資源使用狀況的方式上。與被動方式不同，主動方式是次級用戶在其通信系統(tǒng)內(nèi)部，通過其自身的頻譜感知功能而獲得頻譜資源使用狀況的方式。本章主要討論以主動方式獲取頻譜資源使用狀況的頻譜感知的幾種實現(xiàn)方法，并對其優(yōu)缺點加以分析和對比。認知用戶在使用頻譜時具有較低的優(yōu)先級，這決定了授權(quán)用戶在任何授權(quán)信道的隨時出現(xiàn)都要迫使認知用戶不得不中止該信道的工作，切換到新的頻段或者調(diào)整傳輸方式以不影響授權(quán)用戶的通信。因此認知用戶必須以較高的靈敏度連續(xù)檢測特定地域授權(quán)用戶的存在狀況，獲得當前頻率使用情況。所以說，頻譜感知技術(shù)在認知無線電中具有基礎(chǔ)地位，是認知無線電系統(tǒng)的基本功能，是實現(xiàn)頻譜管理、頻譜共享的前提。認知用戶在時域、頻域和空域?qū)Ψ峙浣o授權(quán)用戶的頻段不斷地進行頻譜檢測，檢測這些頻段內(nèi)的授權(quán)用戶是否正在工作，從而得到頻譜使用的情況。如果該段頻譜沒有被授權(quán)用戶使用，那么這段頻譜稱為“頻譜空穴”。頻譜感知的本質(zhì)是認知用戶通過對接收信號進行檢測來判斷某信道是否存在授權(quán)用戶。這里的信道是指廣義信道，可代表時隙、頻率、碼字等。它與信號解調(diào)不同，不是必須恢復(fù)原來的信號波形，而只需判斷授權(quán)用戶信號的有無。在認知無線電網(wǎng)絡(luò)中，由于授權(quán)用戶信號類型和信道傳播特性的多樣性、以及授權(quán)用戶所能承受干擾級別的不同，對頻譜檢測的性能要求更高，加大了頻譜檢測的技術(shù)復(fù)雜度。頻譜感知的目的就是發(fā)現(xiàn)頻譜空穴，在利用頻譜空穴通信的同時不對授權(quán)用戶的使用造成有害干擾。為不對授權(quán)用戶造成有害干擾，認知用戶需要能夠獨立地檢測出空閑頻譜及授權(quán)用戶的出現(xiàn)。這就要求認知用戶能夠?qū)崟r地連續(xù)偵聽頻譜，以提高檢測的可靠性。為對授權(quán)用戶不造成有害干擾，%。認知無線電的認知循環(huán)中最基本的步驟就是感知頻譜。頻譜感知最有效的方式就是在CR的通信范圍之內(nèi)檢測主用戶接收機。實際上，有時候CR很難測量主用戶接收機和發(fā)射機之間的信道，因此大部分研究都建立在主用戶發(fā)射機檢測的基礎(chǔ)上。頻譜感知方式一般包括：發(fā)射機檢測、協(xié)作檢測和基于干擾溫度的檢測等。頻譜資源在傳統(tǒng)上是由政府部門以固定的方式劃分成不同的頻段，并對頻段頒發(fā)牌照來分配給授權(quán)用戶使用的。這種頻譜資源的固定分配方式是為了保證各個頻段的用戶不受到相互干擾為目的的。由于無線通信業(yè)務(wù)的迅猛增加和無線通信技術(shù)的飛速演進，有一種矛盾顯得日益突出，這就是如何更有效地利用頻譜資源的問題。無線電通信頻譜資源是一種寶貴的自然瓷源，一般由政府或管理機構(gòu)授權(quán)使用。由于無線通信業(yè)務(wù)需求的快速增長，可分配的頻譜資源變得越來越稀缺。尤其伴隨著近幾年無線通信技術(shù)的日益發(fā)展以及世界范圍內(nèi)移動通信用戶的迅猛增加，尤其是隨著無線局域網(wǎng)、無線個人域網(wǎng)絡(luò)(WLAN)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的語音通信業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)以至多媒體業(yè)務(wù)是通過無線的方式接入到網(wǎng)絡(luò)中去的。但是出乎大多數(shù)人預(yù)料，美國聯(lián)邦通信委員FCC的關(guān)于頻譜資源使用情況的報告，卻表明一些授權(quán)頻段在不同的時間段、不同的地理區(qū)域里的使用率是在15％到85％之間，這些頻段大多數(shù)時間里未被占用，還有一些只是被部分占用，頻譜的利用情況極不平衡，一些非授權(quán)頻段占用擁擠，而有些授權(quán)頻段則經(jīng)?？沼?。因為大部分的頻譜資源均被用來做授權(quán)頻段使用，且相當數(shù)量的授權(quán)頻譜資源的利用率卻非常低，因此FCC的專用頻譜分配政策被越來越多的人認為是過時的，尤其是在如工業(yè)、科學和醫(yī)用(ISM, Industrial, Scientific，Medical)開放接入共享頻段的應(yīng)用的巨大成功之下，更加加重了對FCC傳統(tǒng)的頻段分配政策的批評，即頻段分配予單一的使用用途、在某地理區(qū)域?qū)我坏膶嶓w頒發(fā)專用許可、禁止其它設(shè)備在這些頻段傳送信號即使此頻段在某個區(qū)域或某些段時間內(nèi)未被占用。現(xiàn)有的頻譜共享技術(shù)，如工業(yè)、科學和醫(yī)用(ISM)頻段開放接入、工作于3GHz～10GHz頻段的超寬帶(UWB，Ultra Wide Band)系統(tǒng)與傳統(tǒng)窄帶系統(tǒng)共存等技術(shù)通常應(yīng)用于固定頻段的共享，或受限于發(fā)送功率的短距離通信。這些技術(shù)在提高頻譜利用率的同時卻增加了干擾，限制了通信系統(tǒng)的容量和靈活性。針對靜態(tài)的頻譜資源分配的種種弊端，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)已于2003年12月在其文件NPRM,FCC 03322 (Notice of Proposed Rulemaking，規(guī)則制定建議通知)中提出了認知無線電(CR)技術(shù)作為實現(xiàn)頻譜的協(xié)商或機會共享(negotiated or opportunistic)的候選方案。與傳統(tǒng)的頻譜共享技術(shù)不同，CR技術(shù)能實時地根據(jù)其周圍的無線通信環(huán)境，對發(fā)射功率、干擾進行優(yōu)化，從而有效地抑制各種干擾，提高通信系統(tǒng)的傳輸速率或傳輸距離。認知無線技術(shù)最基本的特征就是可以讓終端及基站等具有感知周圍無線電環(huán)境的功能。無線設(shè)備可以自己選擇所要利用的頻率和方式，從而提高頻率利用率。用戶可以享受更高速的數(shù)據(jù)通信、更穩(wěn)定的通信服務(wù)。并不是讓特定的無線通信系統(tǒng)占據(jù)‘時間’、‘頻率’和‘空間’，而是讓多個無線通信系統(tǒng)可以適當分配這三種資源。認知無線電作為一種更智能的頻譜共享技術(shù)，能夠依靠人工智能的支持，感知無線通信環(huán)境，根據(jù)一定的學習和決策算法，實時自適應(yīng)地改變系統(tǒng)工作參數(shù)，動態(tài)的檢測和有效地利用空閑頻譜，理論上允許在時間、頻率以及空間上進行多維的頻譜復(fù)用。這將大大降低頻譜和帶寬的限制對無線技術(shù)發(fā)展的束縛。因此這一技術(shù)被預(yù)言為未來最熱門的無線技術(shù)。認知無線電的最終目標是通過認知和重新配置獲得最好的可用頻譜。由于多數(shù)頻譜已經(jīng)被分配，因此最大的挑戰(zhàn)就是如何與法定的授權(quán)用戶共享頻譜而不對其產(chǎn)生干擾。由于目前頻譜利用嚴重不均，通信界的研究人員開始思考“頻譜空洞”這樣一個嶄新的概念，即“頻譜空洞是指分配給法定授權(quán)用戶的頻帶，但是在某些特定時問和空間，授權(quán)用戶不占用這些頻帶的情況，這種頻帶則可以被其它的用戶使用”。這樣，頻譜資源的潛在利用率可以得到明顯提高。認知無線電技術(shù)相應(yīng)地被認為是未來探測頻譜空洞特性、高效利用無線頻譜的主要手段。以頻率、時間和功率為三維坐標，表示可能出現(xiàn)頻譜空洞的情況，以及認知無線電是如何利用頻譜空洞或空白段的示意圖。如果這些頻段隨后被授權(quán)用戶使用，那么認知無線電或轉(zhuǎn)移到其它的頻譜空洞，或繼續(xù)使用該頻段，但是要改變它的傳輸功率與調(diào)制方式以避免對授權(quán)用戶產(chǎn)生干擾，這樣就可以實現(xiàn)動態(tài)頻譜接入。頻譜感知算法要從下面三個方面來考慮:一是控制各系統(tǒng)間的干擾。認知無線電的目的是實現(xiàn)與現(xiàn)有授權(quán)系統(tǒng)和未來非授權(quán)系統(tǒng)的共存，共享頻譜資源，因此認知無線電的頻譜感知需要能檢測并分辨出分布于全頻段的各種通信系統(tǒng)的信號占用情況，以避免系統(tǒng)間的干擾。二是適應(yīng)復(fù)雜多變的無線傳播環(huán)境。無線傳播環(huán)境復(fù)雜多變，其中存在路徑損耗、陰影衰落以及多徑衰落等，r而且在不同頻段和不同通信環(huán)境下，這些衰落還呈現(xiàn)不同特性。這些都使得認知無線電對無線傳播環(huán)境具有高度適應(yīng)能力，能在各種惡劣復(fù)雜多變的環(huán)境中快速準確地感知授權(quán)信號。三是認知無線電系統(tǒng)自身效率的提高。頻譜感知是認知無線系統(tǒng)中的一個重要的系統(tǒng)開銷，過多的花銷在頻譜感知上會使認知無線電自身的效率降低，這樣與認知無線電的初衷相違背。因此應(yīng)盡量減少單次頻譜感知所需的信號觀測時長，延長頻譜感知的周期，并減少參與頻譜檢測的節(jié)點數(shù)。最好從提高頻譜感知算法自身的有效性出發(fā)來解決此問題。頻譜感知發(fā)射機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)感知圖3l頻譜感知技術(shù)分類目前，對于頻譜感知技術(shù)的分類有多種:按感知用戶數(shù)可分為單用戶感知(也叫發(fā)射機感知)和合作感知。從感知功能所在位置分為物理層感知和介質(zhì)訪問控制子層(MAC)感知。從被感知對象的位置可分為發(fā)射機感知和接收機感知等。從感知授權(quán)用戶是發(fā)射機還是接收機的角度，主要頻譜感知算法如圖31所示。頻譜感知技術(shù)是以信號檢測領(lǐng)域內(nèi)的弱信號檢測技術(shù)為基礎(chǔ)的，它通過對某感興趣頻段的觀測，做出該頻段上是否有信號存在的判斷，通常這個問題可以歸結(jié)為一個二元假設(shè)問題,那么，認知設(shè)備接收信號的二元假設(shè)檢驗?zāi)Ｐ捅硎緸椋? 其中為高斯白噪聲，表示認知無線電用戶接收到的信號序列，表示主用戶發(fā)送的信號序列，表示信道增益，*表示卷積，t為觀測時間，,分別表示在該頻段授權(quán)用戶信號不存在和存在兩種假設(shè)。根據(jù)構(gòu)造相應(yīng)的檢驗統(tǒng)計量。依據(jù)及判決規(guī)則： 得出檢測結(jié)果和，其中為判決門限。和，分別表示判決授權(quán)用戶不存在和存在兩種情況。頻譜感知的性能主要用下面三種概率來衡量:檢測概率、虛警概率和丟失概率。越高感知準確度越高，這是所希望的；若過高會導致頻譜利用率降低，失去一些接入機會，所以越小越好；過高將導致對授權(quán)用戶的嚴重干擾，然而他們的大小與判決門限的選取有很大關(guān)系，增高判決門限則會降低但會使得增加，反之亦然。匹配濾波器是指在輸入信噪比一定的條件下，使濾波器輸出信號的信噪比在某一時刻達到最大值的最佳線性濾波器。一個典型的匹配濾波器算法流程圖如圖32所示。其中為被檢測信號，為已知的導引信號，同步碼或者擴頻碼等。 圖32典型的匹配濾波器算法流程圖在數(shù)字通信信號和雷達信號的檢測中，人們往往采用匹配濾波器對信號進行相干檢測，以實現(xiàn)輸出信噪比最大。為了獲得最佳的檢測效果，其輸出信號波形應(yīng)為輸入信號的自相關(guān)函數(shù)。如果接收機知道主用戶的發(fā)射信號，匹配濾波器的最佳檢測器為 是檢測器的門限值，最佳檢測器需要的取樣值為 ,分別是檢測概率和虛警概率。因此最佳檢測器需要的取樣數(shù)量是。但是它需要主用戶信號的先驗知識，例如調(diào)制方式、沖擊波形和包格式。認知無線電系統(tǒng)可以把這些先驗知識保存在其存儲器中。如果這些信息不準確，檢測性能將會下降。其優(yōu)缺點如下：優(yōu)點：接收信噪比最大化，由于相關(guān)運算耗時較少且可達到較高的處理增益，因此只要信噪比達到一定的門限即可實現(xiàn)檢測。從理論講匹配濾波是最優(yōu)信號檢測方法，它需要的時間短，處理增益高。與其他檢測算法相比，檢測同一個信號，在相同虛警概率和檢測概率條件下，匹配濾波所需的采樣數(shù)最少，為： 其中為高斯函數(shù)，和分別為虛警概率和檢測概率。當認知無線電獲悉了授權(quán)用戶的信號后，靜態(tài)高斯噪聲理想探測器就是匹配濾波器，原因在于它能使接收到的信號的信噪比(SNR)最大化。匹配濾波器的主要優(yōu)點是它只需很短的時間就可以獲得高處理增益。然而，它必須有效地對授權(quán)用戶的信號進行解調(diào)，這就意味著它需要授權(quán)用戶信號的先驗知識，比如調(diào)制方式和階數(shù)、脈沖波形、數(shù)據(jù)包格式等。上述信息可以預(yù)存于認知無線電的內(nèi)存中，然而，對解調(diào)來講，認知無線電必須通過時間和載頻同步甚至信道同步來獲得與授權(quán)用戶信號的相關(guān)性。如果這些信息是不準確的，那么匹配濾波器的性能就會變得很差。大多數(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)都具有信息頭、同步字和擴展碼字等，這些都可以用來做相關(guān)探測。缺點：需要主用戶在物理層和MAC層的先驗知識，解調(diào)信號需要同步相干檢測，計算較復(fù)雜，因為對于每個特定的主用戶需要一個專用的接收機。匹配濾波的限制也是顯而易見的，因為匹配濾波實際上完成的是解調(diào)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層的相關(guān)信息，如調(diào)制方式、時序、脈沖波形及數(shù)據(jù)包格式等，利用這些信息實現(xiàn)與待測信號在時域和頻域上的同步，從而解調(diào)信號。若這些信息不準確就會嚴重影響其性能，而且這種相干檢測對相位同步要求甚高，計算量也很大。另外，由于不同信號的解調(diào)相關(guān)信息不同，對于每一類主用戶信號的檢測都需要一個專門的接收機，這樣就限制了匹配濾波感知的應(yīng)用。因此，匹配濾波法只能有效地應(yīng)用于對主用戶信息較了解的頻譜環(huán)境中，而無法效力于不能預(yù)知授權(quán)用戶信息的情況下。又因為匹配濾波器是信號檢測中的一種比較常用的方法，因為在輸出端它能夠使接收信號的信噪比最大化。在認知無線電設(shè)備中使用匹配濾波器，實際上完成的是解調(diào)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層的信息，如調(diào)制方式、時序、脈沖波形及數(shù)據(jù)包格式等，利用這些信息來實現(xiàn)與待測信號在時域和頻域上的同步，從而解調(diào)信號。如果這些信息不準確就會嚴重影響其性能，而且它是一種相干檢測，對相位同步要求很高，解調(diào)時必須通過時間同步或載波同步甚至是信道均衡來保證，計算量也很大。匹配濾波器檢測方法最大的優(yōu)點是可以在很短時間內(nèi)完成同步來提高信號的處理增益，缺點是要求認知用戶掌握每一類主用戶的各種信息。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。當不能獲知主用戶信號的足夠信息時，最佳感知方法就是能量感知方法。它是一種比較簡單的信號檢測方法，不需要主用戶信號的先驗信息，屬于信號的非相干檢測。它的實現(xiàn)類似于普通頻譜分析儀，通過快速傅里葉變換FFT后在時間T上進行平均，最終得到感知的結(jié)果。能量檢測器不需要主用戶信號的先驗知識，只需知道背景中的高斯白噪聲功率。通過帶通濾波器接收，計算出接收到信號的能量，根據(jù)設(shè)定的門限閾值得到判決結(jié)果。能量檢測器可以表示為： 整個算法流程如圖33所示。 圖33能量感知算法流程圖能量感知利用一段時間內(nèi)的信號平均功率作為檢驗統(tǒng)計量，將其與預(yù)設(shè)門限進行比較，則可判定該頻段是否存在主用信號。由于能量感知算法的實現(xiàn)簡單，適用范圍廣，許多學者都基于此方法研究合作式頻譜感知或是OFDM、WRAN等系統(tǒng)下的頻譜感知方法。本論文也是以能量感知方法為基石做的研究，因此下面將對其作較詳細的分析。AWGN信道下對信號的檢測情況中，式(31)中的二元檢測模型可以改寫為： 其中，的雙邊功率譜密度為，帶寬為。為未知的確定性信號。取檢驗統(tǒng)計量為 由Shannon采樣定理，噪聲可