【正文】 信號(hào)的相關(guān)函數(shù)的周期性來(lái)檢測(cè)信號(hào)的存在與否?？偨Y(jié)以上介紹的三種經(jīng)典單節(jié)點(diǎn)頻譜感知技術(shù)如表35所示。因?yàn)槊總€(gè)方法各有所長(zhǎng)，可以根據(jù)實(shí)際情況選擇一個(gè)或者多個(gè)方法結(jié)合使用。感知算法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)匹配濾波感知檢測(cè)時(shí)間短，已知授權(quán)用戶信號(hào)信息時(shí)檢測(cè)精度高需要先驗(yàn)信息，需要精確同步能量感知實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，不需要先驗(yàn)信息，計(jì)算量較小受噪聲不確定性影響大，檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，不能區(qū)分信號(hào)類型循環(huán)平穩(wěn)感知計(jì)算復(fù)雜度高可以區(qū)分噪聲和信號(hào)類型，檢測(cè)靈敏度高表35單節(jié)點(diǎn)頻譜感知技術(shù)比較單節(jié)點(diǎn)感知在檢測(cè)時(shí)間足夠長(zhǎng)且信噪比一定大的時(shí)候能很好的滿足認(rèn)知無(wú)線電的要求，但是在實(shí)際的無(wú)線環(huán)境中存在許多不利的因素，如隱蔽終端、多徑和陰影等，另外考慮到技術(shù)和成本的問(wèn)題，本地節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理能力也是有限的，要在有限的檢測(cè)時(shí)間和數(shù)據(jù)處理能力的現(xiàn)實(shí)下，僅單個(gè)節(jié)點(diǎn)感知很難到達(dá)系統(tǒng)要求的性能。假設(shè)如圖36所示的場(chǎng)景，在多數(shù)情況下，認(rèn)知無(wú)線電與授權(quán)用戶的網(wǎng)絡(luò)在物理上是分隔開(kāi)來(lái)的，而且認(rèn)知設(shè)備又只關(guān)心授權(quán)用戶發(fā)射機(jī)的位置和信息，那么，在單節(jié)點(diǎn)感知中，認(rèn)知用戶由于不了解授權(quán)用戶接收機(jī)的位置，在進(jìn)行認(rèn)知通信的時(shí)候不可避免的會(huì)對(duì)授權(quán)用戶造成干擾。另外，如圖37所示，三個(gè)認(rèn)知用戶只有第二個(gè)認(rèn)知用戶能檢測(cè)到授權(quán)用戶的信號(hào)，其他的認(rèn)知用戶由于受到不同因素的影響無(wú)法識(shí)別是頻段空閑還是處于信號(hào)深度陰影。也即是，由于無(wú)線環(huán)境的復(fù)雜多變以及多徑、陰影及隱蔽終端等諸多不利因素影響造成接收到的授權(quán)用戶信號(hào)信噪比很弱，該節(jié)點(diǎn)可能會(huì)認(rèn)為該頻段上此刻只存在噪聲，而授權(quán)用戶不存在。此時(shí)如果該認(rèn)知用戶接入授權(quán)用戶所在的頻段并進(jìn)行通信，則勢(shì)必對(duì)授權(quán)用戶造成干擾從而違背了認(rèn)知無(wú)線電的一大基本原則。圖36 主用戶接收機(jī)造成的不確定性圖37 陰影、衰落、隱蔽終端環(huán)境下的頻譜感知合作式頻譜感知技術(shù)正是在這樣一系列問(wèn)題背景下產(chǎn)生的，它有兩種主要的實(shí)現(xiàn)方式：分布式合作感知，它通過(guò)多個(gè)認(rèn)知用戶共同檢測(cè)目標(biāo)頻段，并進(jìn)行信息交互，使得位于其他地理位置上的認(rèn)知用戶可以將其信息傳遞給位于陰影當(dāng)中的用戶，共同確定頻譜使用情況。集中式合作感知，各地節(jié)點(diǎn)先分別獨(dú)立檢測(cè)，并將檢測(cè)信息通過(guò)控制信道傳送到融合中心節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)通過(guò)有效的融合所有地方判決信息給出最終判決結(jié)果并通過(guò)控制信道返回給各個(gè)地方節(jié)點(diǎn)。合作式頻譜感知可以有效的對(duì)抗陰影、多徑以及隱蔽終端等問(wèn)題，提高了頻譜感知的性能。下一節(jié)將作詳細(xì)的介紹。合作式頻譜感知利用信道的廣播特性和空間分集特性。已經(jīng)研究了TDMA系統(tǒng)中使用正交傳輸?shù)膮f(xié)作機(jī)制。研究了各種協(xié)作協(xié)議，包括一種固定中繼協(xié)議，中繼節(jié)點(diǎn)可以是模擬式的放大轉(zhuǎn)發(fā)(AF，Amplify and Forward)或者數(shù)字式的譯碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF，Decode and Forward)。合作式頻譜感知能有效的解決單用戶感知無(wú)法解決的隱蔽終端、深度衰減、多徑陰影等問(wèn)題。它最早由CabrieD、Mishra和BrodersenR在文獻(xiàn)中提出，主要分為集中式和分布式兩種。目前對(duì)認(rèn)知無(wú)線電的合作式頻譜感知技術(shù)的研究主要著眼于集中式的方式，分布于不同位置的多個(gè)感知節(jié)點(diǎn)先獨(dú)立進(jìn)行本地感知，并將感知的信息傳送給融合中心，融合中心通過(guò)對(duì)收到的來(lái)自各個(gè)地方節(jié)點(diǎn)的感知信息進(jìn)行融合，最后給出授權(quán)用戶存在與否的最終判決。融合中心通過(guò)適當(dāng)?shù)乃惴▽⒌胤叫畔⒑喜?，并做出最終決策的這個(gè)過(guò)程叫感知信息的融合。根據(jù)本地節(jié)點(diǎn)所傳數(shù)據(jù)的不同形式，可以將數(shù)據(jù)融合分為兩類:如果本地節(jié)點(diǎn)傳送的是表征主用戶信號(hào)存在與否的1比特信息，把這種叫硬合并。如果本地節(jié)點(diǎn)傳送的是本地檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信息，則稱之為軟合并。由于硬合并實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，傳輸開(kāi)銷小等優(yōu)點(diǎn)，本節(jié)將重點(diǎn)分析介紹三種經(jīng)典的硬合并融合準(zhǔn)則。 集中式的合作式頻譜感知實(shí)現(xiàn)框圖如圖38所示。圖38集中式的合作頻譜感知框圖（1）各本地節(jié)點(diǎn)分別獨(dú)立地根據(jù)觀測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行本地頻譜檢測(cè)，得到檢測(cè)結(jié)果。（2）各個(gè)本地節(jié)點(diǎn)將檢測(cè)結(jié)果。通過(guò)控制信道傳送至融合中心。（3）融合中心對(duì)接收到的本地檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行合并，做出主用戶信號(hào)是否存在的最終判決， 并將結(jié)果通過(guò)控制信道返回給各地方節(jié)點(diǎn)。 從上面的步驟可以看出，影響合作式頻譜感知性能的除了本地頻譜感知算法外。主要就是發(fā)送的本地感知數(shù)據(jù)形式以及融合中心采用的數(shù)據(jù)合并方案。同時(shí)在實(shí)際的傳輸環(huán)境中，信道的衰落和噪聲也會(huì)影響到合作式頻譜感知的性能。一般來(lái)說(shuō)，分布式感知系統(tǒng)的全局檢測(cè)性能跟本地節(jié)點(diǎn)所傳輸?shù)男畔⒘砍烧龋?dāng)中心節(jié)點(diǎn)可獲得足夠多的信息時(shí)，那么最優(yōu)的數(shù)據(jù)融合算法可以由經(jīng)典信號(hào)檢測(cè)與估計(jì)理論中的最優(yōu)檢測(cè)算法得到。通過(guò)對(duì)著名的貝葉斯準(zhǔn)則以及它的簡(jiǎn)化形式(如最大后驗(yàn)概率準(zhǔn)則，最小錯(cuò)誤概率準(zhǔn)則等)進(jìn)行改進(jìn)，可以得到理論上最優(yōu)的數(shù)據(jù)融合算法。合作式頻譜感知中的貝葉斯準(zhǔn)則可以用式(326)表示，也即是在這樣一個(gè)判決表示式下能夠使平均代價(jià)最小，使信號(hào)的估計(jì)更準(zhǔn)確。 其中，表示第i個(gè)本地節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果，和分別表示虛警代價(jià)和漏檢代價(jià)，和表示正確判斷的代價(jià)。盡管理論上最優(yōu)融合準(zhǔn)則可以求出，但是在實(shí)際中該式中的各個(gè)元素均難以求出。由于多徑和陰影衰落影響了檢測(cè)信號(hào)的接收強(qiáng)度，而合作式頻譜感知可以緩解上述問(wèn)題。合作式頻譜感知依賴于不同位置和不同信號(hào)強(qiáng)度的分集。多個(gè)認(rèn)知用戶相互交換信息，比單個(gè)用戶感知能提供更好的主用戶感知效果，即多個(gè)CR用戶通過(guò)各自的局部觀察，得到微弱的發(fā)射機(jī)信號(hào)，共同參與主用戶的檢測(cè)。其優(yōu)缺點(diǎn)是：優(yōu)點(diǎn)：合作式頻譜感知比單用戶檢測(cè)提高檢測(cè)率，能夠減小陰影和多徑衰落的影響，效果要更好，更準(zhǔn)確的檢測(cè)主用戶。缺點(diǎn)：增加了工作量，花銷更大，有可能產(chǎn)生擁塞，不能確定主用戶接收方的位置。由于主用戶與認(rèn)知用戶之間缺少信令交互，對(duì)主用戶發(fā)射機(jī)檢測(cè)的假定是基于主用戶接收機(jī)位置未知的。因此認(rèn)知用戶只能依賴于局部觀察的微弱主用戶發(fā)射機(jī)信號(hào)。合作式頻譜感知雖然提高了主用戶的檢測(cè)率，但它仍然是針對(duì)主用戶發(fā)射機(jī)的檢測(cè)，由于缺乏主用戶接收機(jī)信息所以不能完全避免干擾，而且發(fā)射機(jī)檢測(cè)模型不能避免隱藏節(jié)點(diǎn)問(wèn)題，因此還是未能解決主用戶接收機(jī)檢測(cè)的問(wèn)題，也就無(wú)法完全避免對(duì)主用戶的干擾。在大多數(shù)情況下，認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)和主用戶網(wǎng)絡(luò)是分開(kāi)的，它們之間沒(méi)有交互信息。這導(dǎo)致認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)用戶缺少主用戶接收機(jī)的信息。所以，在檢測(cè)過(guò)程中不可避免地會(huì)對(duì)主用戶造成干擾。另外，發(fā)射源檢測(cè)模式無(wú)法解決隱藏終端問(wèn)題。因此，認(rèn)知用戶之間有必要進(jìn)行信息共享，如果其他認(rèn)知用戶受到陰影衰落的影響比較小，就可以得到準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果，這樣認(rèn)知用戶就可以根據(jù)其他認(rèn)知用戶的檢測(cè)結(jié)果選擇合適的頻帶。 目前，對(duì)于硬合并的融合方式主要有“與”、“或”和“K秩”三種。下面將分別介紹分析。“與”準(zhǔn)則 “與”邏輯合并，即中心節(jié)點(diǎn)將每個(gè)本地節(jié)點(diǎn)的判決結(jié)果用邏輯“與”的方式進(jìn)行合并?？梢赃@樣理解:當(dāng)所有的節(jié)點(diǎn)都判定授權(quán)用戶信號(hào)存在的時(shí)候，中心節(jié)點(diǎn)才最終判決為授權(quán)用戶存在，否則判決不存在授權(quán)用戶。假設(shè)第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)概率與虛警概率分別為、則可得到采用“與”邏輯后的虛警概率、檢測(cè)概率和丟失概率分別為： 其中，表示參與合作的本地節(jié)點(diǎn)數(shù)。假設(shè)先驗(yàn)概率，則全局判決的錯(cuò)誤概率為： 由式(324)可以看出，當(dāng)趨近于1時(shí)，才趨近于0，然而只有在信噪比較大的時(shí)候，趨近于1，趨近于0，此時(shí)趨近于0比較容易實(shí)現(xiàn)。而在信噪比較低的情況下，如果有一定數(shù)量的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的小于1，則也將小于1，這時(shí)錯(cuò)誤概率將明顯大于0。另外，由于、這種概率連續(xù)相乘的結(jié)構(gòu)，僅僅靠增加節(jié)點(diǎn)數(shù)來(lái)提高合作增益是不能得明顯結(jié)果的。 可以得出“與”準(zhǔn)則融合的性能在單用戶感知SNR值較小的時(shí)候才顯示出來(lái)優(yōu)勢(shì)，那是因?yàn)閱斡脩舾兄赟NR值較小的時(shí)候不能依靠其他的力量來(lái)幫助它準(zhǔn)確的做出判斷，而“與”準(zhǔn)則可以依靠其他SNR值較大的節(jié)點(diǎn)來(lái)幫助，因此會(huì)顯示出更好的性能，但同時(shí)由于“與”準(zhǔn)則條件苛刻，需要每個(gè)認(rèn)知用戶都判為授權(quán)用戶存在時(shí)中心節(jié)點(diǎn)才判為授權(quán)用戶存在，固然比起SNR值較大的單用戶能量檢測(cè)的檢測(cè)性能要差，因此針對(duì)不同的情況選擇不同感知方法也是很有必要的，在實(shí)際的無(wú)線通信環(huán)境中，認(rèn)知用戶的SNR值絕大多數(shù)情況下都較小，憑借單量量很難準(zhǔn)確的判斷出主用戶的存在與否，所以合作式的頻譜感知會(huì)在這種環(huán)境下大顯身手。“或”準(zhǔn)則“或”邏輯合并，即中心節(jié)點(diǎn)將每個(gè)本地節(jié)點(diǎn)的判決結(jié)果用邏輯“或”的方式進(jìn)行合并?？梢赃@樣理解:當(dāng)有一個(gè)本地節(jié)點(diǎn)判定授權(quán)用戶信號(hào)存在的話，中心節(jié)點(diǎn)就判決為授權(quán)用戶存在，否則判決不存在授權(quán)用戶。假設(shè)第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)概率與虛警概率分別為、則可得到采用“或”邏輯后得到的檢測(cè)概率，虛警概率和丟失概率，分別為： 其中，表示參與合作的本地節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。 仍然假設(shè)先驗(yàn)概率，則全局判決的錯(cuò)誤概率為： 同理分析，當(dāng)趨近于1時(shí)，才趨近于0。也只有在信噪比較大的時(shí)候，趨近于1，趨近于0，此時(shí)才能使得趨近于0的錯(cuò)誤概率?！盎颉睖?zhǔn)則的融合條件較柔和，只要有一個(gè)認(rèn)知用戶判斷授權(quán)用戶存在，融合中心就認(rèn)為它存在。相同虛警概率情況下，“或”準(zhǔn)則的檢測(cè)概率比任何一個(gè)單用戶能量感知都要高，相同檢測(cè)概率時(shí)，“或”準(zhǔn)則的虛警概率比任何一個(gè)單用戶能量感知都要小，在這種環(huán)境中它的檢測(cè)性能比單用戶感知好。在對(duì)干擾嚴(yán)格限制的認(rèn)知系統(tǒng)中，“或”準(zhǔn)則比“與”準(zhǔn)則更能夠滿足要求。當(dāng)然這樣高的檢測(cè)概率會(huì)使得認(rèn)知用戶很少機(jī)會(huì)接入空洞建立通信，從而認(rèn)知通信吞吐量會(huì)有一定的損失，因此可以看出，不同的準(zhǔn)則有不同的適合環(huán)境，可以認(rèn)為“或”準(zhǔn)則和“與”準(zhǔn)則各自的傾向不同，前者傾向于認(rèn)知通信的吞吐量，而后者嚴(yán)格把關(guān)對(duì)主用戶系統(tǒng)的干擾限制?！癒秩”法 “K秩”法準(zhǔn)則可描述為:當(dāng)N個(gè)本地節(jié)點(diǎn)中有K個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)判斷授權(quán)用戶信號(hào)存在時(shí)，中心節(jié)點(diǎn)則判為授權(quán)用戶是存在的，否則認(rèn)為授權(quán)用戶不存在。它是“與”準(zhǔn)則和“或”準(zhǔn)則的更一般的表示形式，當(dāng)K=1時(shí)，“K秩”準(zhǔn)則退化為“或”準(zhǔn)則；當(dāng)K=N時(shí)，“K秩”準(zhǔn)則退化為“與”準(zhǔn)則?！癒秩”法的假設(shè)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ腿?335)所示： 其中為地方第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的判決結(jié)果。假設(shè)第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)概率與虛警概率分別為則可得到采用“K秩”法后的虛警概率，檢測(cè)概率和丟失概率分別為： 假設(shè)6個(gè)認(rèn)知用戶參與合作式頻譜感知，信噪比分別為1dB、2dB、3dB、4dB、5dB、6dB，用能量感知作為地方檢測(cè)算法，“K秩”法中K取不同情況下的檢測(cè)性能在隨著K的增大合作式頻譜感知的檢測(cè)性能逐漸降低。這是因?yàn)榱鶄€(gè)CR的SNR值都較好，則他們的各自的檢測(cè)概率都較高，而“K秩”法中地方檢測(cè)概率聯(lián)連乘的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致隨著K值的增大，在一定虛警概率的情況下，總的檢測(cè)概率漸低。但這并不表示任何情況下都是K值越小檢測(cè)性能越好，參與合作的CR的SNR值不同，情況有所不同。分析發(fā)現(xiàn)要使錯(cuò)誤概率最小，最優(yōu)的融合準(zhǔn)則是準(zhǔn)則。 前面所介紹的頻譜感知方法都可以歸于基于發(fā)射機(jī)的感知，通常情況下，干擾是屬于發(fā)射機(jī)范圍內(nèi)的問(wèn)題，這就是說(shuō)可以通過(guò)控制發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率、帶外輻射、發(fā)射機(jī)的位置等在一定范圍內(nèi)控制干擾水平。然后，由于不可預(yù)料的新干擾源的出現(xiàn)，干擾實(shí)際上也可能發(fā)生在接收機(jī)范圍內(nèi)。鑒于此，2003年底FCC推薦了一種新的量化和管理千擾源的模型，即干擾溫度模型，如圖38所示。圖38干擾溫度模型 干擾溫度門(mén)限規(guī)定了在某頻帶和特定地理位置滿足接收機(jī)需求的最差場(chǎng)景的無(wú)線傳輸環(huán)境特征。它主要包含兩層意思：（1）在某感興趣的頻段內(nèi)，任何使噪聲基地上升并超出了干擾溫度界線的都將視為有害的。如果噪聲基準(zhǔn)超出了干擾溫度限，則認(rèn)為該頻帶內(nèi)的通信系統(tǒng)性能很差。（2）對(duì)于任一個(gè)頻段，如果通信系統(tǒng)接收機(jī)處的干擾溫度不超過(guò)一定界限，等待服務(wù)的用戶就使用它，干擾溫度門(mén)限將作為該頻段的無(wú)線頻率能量的上限。 干擾溫度的概念也即是噪聲溫度，用來(lái)度量干擾功率和所占的帶寬大小，定義為： 式中，為噪聲溫度，絕對(duì)溫度；為信道帶寬；為帶寬為B，頻點(diǎn)為處的干擾的平均功率，單位為瓦特(W)；為玻爾茲曼常量。 干擾溫度模型設(shè)定了接收機(jī)端匯聚多個(gè)不同發(fā)射所產(chǎn)生的累積射頻能量最大可以達(dá)到的水準(zhǔn)界線。只要是次用戶的射頻干擾尚未突破這個(gè)干擾溫度界線，它們就可以利用這個(gè)頻段。這個(gè)時(shí)候，干擾溫度就像一頂蓋在潛在用戶射頻能上的帽子。總的來(lái)講，可以通過(guò)兩種途徑進(jìn)行干擾溫度探測(cè)。（1） 采用多窗口方法估計(jì)干擾溫度的功率譜，干擾溫度由內(nèi)部噪聲源和外部射頻源的累積分布構(gòu)成。這種估計(jì)方法是近似于最優(yōu)化的。（2） 部署大量的傳感器來(lái)“探嗅”無(wú)線射頻環(huán)境。這是因?yàn)闊o(wú)線射頻環(huán)境的多變性需要大量的傳感器來(lái)感知。 其中多窗口頻譜估計(jì)結(jié)合奇異值分解技術(shù)能夠提供了一個(gè)估算射頻環(huán)境中干擾溫度功率譜的有效途徑。盡管這個(gè)方法運(yùn)算量巨大，尤其是奇異值分解之后特征頻譜的計(jì)算在每一目標(biāo)段上都要重復(fù)一次，但是還是可以實(shí)現(xiàn)的。另外，文獻(xiàn)提出了一種探測(cè)干擾溫度的方案，它把被認(rèn)知無(wú)線電所破壞的主用戶的服務(wù)范圍的比例部分定義為干擾。此方法考慮到了無(wú)使用許可信號(hào)的調(diào)制方式、采用的天線技術(shù)、功率控制等因素。然而，這種方式只考慮了單個(gè)而不是多個(gè)射頻用戶的影響。文獻(xiàn)給出了一種直接的接收機(jī)感知方式，即利用主用戶接收機(jī)射頻前端本振(LO)的耗散 (Leakage)功率來(lái)感知主用戶。為了感知LO的耗散功率，傳感器節(jié)點(diǎn)被部署在盡量靠近主用戶的位置，從而感知主用戶的耗散功率并判定信道是否被占用，這些信息將被認(rèn)知無(wú)線電采用，判決出運(yùn)行頻段。總之，干擾溫度用來(lái)表征非授權(quán)用戶在共享頻段內(nèi)對(duì)授權(quán)用戶接收機(jī)產(chǎn)生的干擾功率。系統(tǒng)通過(guò)設(shè)定一個(gè)保證授權(quán)用戶正常運(yùn)行的干擾溫度門(mén)限，它由授權(quán)用戶能夠正常工作的最壞信噪比水平?jīng)Q定。非授權(quán)用戶被當(dāng)作授權(quán)用戶的干擾，一旦包括非授權(quán)用戶信號(hào)在內(nèi)的積累干擾超過(guò)了干擾溫度的門(mén)限，則授權(quán)用戶系統(tǒng)就無(wú)法正常工作。反之，可以保證授權(quán)用戶與非授權(quán)用戶同時(shí)正常工作。但測(cè)量干擾溫度存在一定的局限性，它通常要求認(rèn)知節(jié)點(diǎn)知道授權(quán)用戶的位置，但在實(shí)際中又是很難確定的。另外要布置大量的傳感器在待查區(qū)域也是一個(gè)困擾。除此之外，“干擾溫度”機(jī)制還面臨一些其他的問(wèn)題，如非授權(quán)用戶工作