【正文】 種環(huán)境下大顯身手?！盎颉睖?zhǔn)則“或”邏輯合并，即中心節(jié)點將每個本地節(jié)點的判決結(jié)果用邏輯“或”的方式進(jìn)行合并?？梢赃@樣理解:當(dāng)有一個本地節(jié)點判定授權(quán)用戶信號存在的話，中心節(jié)點就判決為授權(quán)用戶存在，否則判決不存在授權(quán)用戶。假設(shè)第i個節(jié)點的檢測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)點個數(shù)。 仍然假設(shè)先驗概率，則全局判決的錯誤概率為： 同理分析，當(dāng)趨近于1時，才趨近于0。也只有在信噪比較大的時候，趨近于1，趨近于0，此時才能使得趨近于0的錯誤概率?！盎颉睖?zhǔn)則的融合條件較柔和，只要有一個認(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)則的檢測概率比任何一個單用戶能量感知都要高，相同檢測概率時，“或”準(zhǔn)則的虛警概率比任何一個單用戶能量感知都要小，在這種環(huán)境中它的檢測性能比單用戶感知好。在對干擾嚴(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)然這樣高的檢測概率會使得認(rèn)知用戶很少機(jī)會接入空洞建立通信，從而認(rèn)知通信吞吐量會有一定的損失，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個本地節(jié)點中有K個以上的節(jié)點判斷授權(quán)用戶信號存在時，中心節(jié)點則判為授權(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，“K秩”準(zhǔn)則退化為“或”準(zhǔn)則；當(dāng)K=N時，“K秩”準(zhǔn)則退化為“與”準(zhǔn)則?！癒秩”法的假設(shè)檢驗?zāi)Ｐ腿?335)所示： 其中為地方第i個節(jié)點的判決結(jié)果。假設(shè)第i個節(jié)點的檢測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，檢測概率和丟失概率分別為： 假設(shè)6個認(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算法，“K秩”法中K取不同情況下的檢測性能在隨著K的增大合作式頻譜感知的檢測性能逐漸降低。這是因為六個CR的SNR值都較好，則他們的各自的檢測概率都較高，而“K秩”法中地方檢測概率聯(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，總的檢測概率漸低。但這并不表示任何情況下都是K值越小檢測性能越好，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)的問題，這就是說可以通過控制發(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)需求的最差場景的無線傳輸環(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）對于任一個頻段，如果通信系統(tǒng)接收機(jī)處的干擾溫度不超過一定界限，等待服務(wù)的用戶就使用它，干擾溫度門限將作為該頻段的無線頻率能量的上限。 干擾溫度的概念也即是噪聲溫度，用來度量干擾功率和所占的帶寬大小，定義為： 式中，為噪聲溫度，絕對溫度；為信道帶寬；為帶寬為B，頻點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干擾溫度界線，它們就可以利用這個頻段。這個時候，干擾溫度就像一頂蓋在潛在用戶射頻能上的帽子?？偟膩碇v，可以通過兩種途徑進(jìn)行干擾溫度探測。（1） 采用多窗口方法估計干擾溫度的功率譜，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。這種估計方法是近似于最優(yōu)化的。（2） 部署大量的傳感器來“探嗅”無線射頻環(huán)境。這是因為無線射頻環(huán)境的多變性需要大量的傳感器來感知。 其中多窗口頻譜估計結(jié)合奇異值分解技術(shù)能夠提供了一個估算射頻環(huán)境中干擾溫度功率譜的有效途徑。盡管這個方法運算量巨大，尤其是奇異值分解之后特征頻譜的計算在每一目標(biāo)段上都要重復(fù)一次，但是還是可以實現(xiàn)的。另外，文獻(xiàn)提出了一種探測干擾溫度的方案，它把被認(rèn)知無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。此方法考慮到了無使用許可信號的調(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而不是多個射頻用戶的影響。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)功率來感知主用戶。為了感知LO的耗散功率，傳感器節(jié)點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)知無線電采用，判決出運行頻段。總之，干擾溫度用來表征非授權(quán)用戶在共享頻段內(nèi)對授權(quán)用戶接收機(jī)產(chǎn)生的干擾功率。系統(tǒng)通過設(shè)定一個保證授權(quán)用戶正常運行的干擾溫度門限，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)用戶信號在內(nèi)的積累干擾超過了干擾溫度的門限，則授權(quán)用戶系統(tǒng)就無法正常工作。反之，可以保證授權(quán)用戶與非授權(quán)用戶同時正常工作。但測量干擾溫度存在一定的局限性，它通常要求認(rèn)知節(jié)點知道授權(quán)用戶的位置，但在實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)域也是一個困擾。除此之外，“干擾溫度”機(jī)制還面臨一些其他的問題，如非授權(quán)用戶工作機(jī)會小，影響授權(quán)用戶的服務(wù)質(zhì)量，干擾溫度的感知模型建立等。頻譜感知技術(shù)不僅是實現(xiàn)認(rèn)知無線電通信的一個首要環(huán)節(jié)，更是保證授權(quán)用戶通信不被干擾的重要技術(shù)之一。本章對認(rèn)知無線電的頻譜感知技術(shù)做了較詳細(xì)介紹，在單節(jié)點頻譜感知方面，分析比較了幾種主流的感知算法，其中深入研究了最普遍最常用的能量感知技術(shù)，它將作為后續(xù)頻譜感知研究工作的基礎(chǔ)。由于單節(jié)點感知的局限性，隨后介紹了合作式頻譜感知的概念及思想，對目前經(jīng)典的融合準(zhǔn)則做了深入的理論及仿真研究。最后對基于干擾溫度的頻譜感知的概念、思想及目前的研究現(xiàn)狀做了介紹。第四章 實驗仿真本次仿真實驗，我們主要是利用Matlab平臺，在信號帶寬，采樣頻率，重復(fù)次數(shù)count=5000下進(jìn)行的。以下會對每個仿真環(huán)境做詳細(xì)說明。本次能量檢測的仿真是在AWGN信道下，信號長度，信噪比分別為5dB、8dB和10dB下進(jìn)行的，如圖41，在相同的虛警概率情況下，為在這三個信噪比下的檢測性能曲線：圖41 相同虛警概率不同信噪比下的能量檢測曲線從上圖41可以看出相同虛警概率和采樣數(shù)時，信噪比大的檢測概率越大，也即丟失概率越小。這說明信噪比大小對檢測性能有著關(guān)鍵影響。由于能量感知檢測的實現(xiàn)簡單，適用范圍廣，許多學(xué)者都基于此方法研究合作式頻譜感知檢測或是OFDM、WRAN等系統(tǒng)下的頻譜感知檢測。所以，能量感知檢測的優(yōu)點是：非相干檢測，簡單易用，采用更長的可以減小噪聲，提高信噪比，是目前最主要的檢測主用戶的手段。當(dāng)然，能量檢測也有自己的弊端：主用戶檢測閾值易受未知和改變的噪聲電平影響，魯棒性較差；無法區(qū)分調(diào)制信號、干擾信號和噪聲信號，而且無法利用干擾對消；不能用于擴(kuò)頻信號(包括直接序列擴(kuò)頻和調(diào)頻信號)的檢測。 在Mathlab平臺下進(jìn)行的匹配濾波器檢測仿真，其信噪比分別為10dB、15dB和20dB。在相同的虛警概率情況下，這三個信噪比下的檢測性能曲線如圖42所示：圖42相同虛警概率不同信噪比下的匹配濾波器檢測曲線從上圖42可以看出相同虛警概率和采樣數(shù)時，信噪比大的檢測概率越大。但是與圖41的能量將側(cè)相比，在同一虛警概率、同一信噪比的情況下，匹配濾波器檢測的性能要很大的優(yōu)于能量檢測。在20dB時，匹配濾波器檢測的性能要比能量檢測在信噪比為10dB時的性能還要好，所以，匹配濾波器檢測的性能要遠(yuǎn)優(yōu)于能量檢測的性能。通過以上的研究我們也知道，和其他檢測算法相比，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。所以，可以得出，在相同虛警概率和所需的采樣數(shù)時，匹配濾波器的檢測概率要高于其他檢測法。但是，匹配濾波器檢測的弊端是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(jī)。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。此合作式檢測仿真也是利用Matlab平臺，在信號帶寬，采樣頻率，重復(fù)次數(shù)count=5000下進(jìn)行的。其中，取了單用戶、3用戶和5用戶在相同的信噪比8dB下，對理論值和仿真值進(jìn)行對比。下圖43為“and”融合準(zhǔn)則檢測在相同的信噪比下，不同用戶間進(jìn)行理論值和仿真值進(jìn)行的對比：圖43 “and”融合準(zhǔn)則在相同信噪比不同用戶下理論值和仿真值的對比從上圖43可以看出，“and”融合準(zhǔn)則檢測的仿真值的落點在理論值曲線的周圍，與其基本上吻合，所以此仿真值是可信的。圖43表明“and”融合準(zhǔn)則檢測在相同信噪比和相同虛警概率的情況下，隨著用戶的增多，其檢測概率也隨之增加。但是，在上文中，我們曾研究過，“and”融合準(zhǔn)則在單用戶感知信噪比值較小的時候才顯示出來優(yōu)勢。那是因為單用戶感知在信噪比值較小的時候不能依靠其他的力量來幫助它準(zhǔn)確的做出判斷，而“and”融合準(zhǔn)則檢測可以依靠其他SNR值較大的節(jié)點來幫助，因此會顯示出更好的性能，但同時由于“and”融合準(zhǔn)則檢測條件苛刻，需要每個認(rèn)知用戶都判為授權(quán)用戶存在時中心節(jié)點才判為授權(quán)用戶存在，固然比起信噪比值較大的單用戶能量檢測的檢測性能要差。下圖44為“or”融合準(zhǔn)則檢測在相同的信噪比下，不同用戶間進(jìn)行理論值和仿真值進(jìn)行的對比：圖44 “or”融合準(zhǔn)則在相同信噪比不同用戶下理論值和仿真值的對比從上圖43可以看出，“or”融合準(zhǔn)則檢測的仿真值的落點在理論值曲線的周圍，與其基本上吻合，所以此仿真值是可信的。圖43表明“or”融合準(zhǔn)則檢測在相同信噪比和相同虛警概率的情況下，隨著用戶的增多，其檢測概率也隨之增加。但是“或”準(zhǔn)則的融合條件較柔和，只要有一個認(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)則的檢測概率比任何一個單用戶能量感知都要高，相同檢測概率時，“或”準(zhǔn)則的虛警概率比任何一個單用戶能量感知都要小，在這種環(huán)境中它的檢測性能比單用戶感知好。下圖45為“and”融合準(zhǔn)則檢測和“or”融合準(zhǔn)則檢測在相同的信噪比和相同的用戶數(shù)情況下的仿真值的對比。同時，還有在相同信噪比情況下，這兩種檢測法在5用戶數(shù)的仿真值與單用戶的理論值的對比，如下圖：圖55 相同信噪比下5用戶“and”檢測仿真與5用戶“or”檢測仿真與單用戶理論對比從上圖45可以看出，在相同虛警概率相同信噪比的情況下，5用戶的“and”融合準(zhǔn)則檢測和5用戶的“or”融合準(zhǔn)則檢測比單用戶檢測的檢測概率要高。當(dāng)然，從上圖我們主要得出的是在相同虛警概率、相同用戶數(shù)和相同的信噪比的情況下，當(dāng)虛警概率在一個虛警值之前時，“and”融合準(zhǔn)則檢測的檢測概率是優(yōu)于“or”融合準(zhǔn)則檢測的；但是在過了這個虛警值之后，就能明顯的看出“or”融合準(zhǔn)則的檢測概率要優(yōu)于“and”融合準(zhǔn)則的檢測概率。所以，在使用合作式檢測法時，首先要確定用戶的不同數(shù)值特點再來決定使用何種檢測方法，這樣才能達(dá)到最好的檢測效果?？梢哉J(rèn)為“or”準(zhǔn)則檢測和“and”準(zhǔn)則檢測各自的傾向不同，前者傾向于認(rèn)知通信的吞吐量，而后者嚴(yán)格把關(guān)對主用戶系統(tǒng)的干擾限制。但是與能量檢測與匹配濾波器檢測相比，高的檢測概率會使得認(rèn)知用戶很少機(jī)會接入空洞建立通信，從而認(rèn)知通信吞吐量會有一定的損失，因此可以看出，不同的準(zhǔn)則有不同的適合環(huán)境。頻譜感知技術(shù)不僅是實現(xiàn)認(rèn)知無線電通信的一個首要環(huán)節(jié)，更是保證授權(quán)用戶通信不被干擾的重要技術(shù)之一。本章主要對無線電的頻譜感知技術(shù)中的幾種主流檢測方法做了仿真。在單節(jié)點頻譜檢測方面，先對實現(xiàn)簡單、適用范圍廣的能量檢測做了仿真，其次對匹配濾波器檢測做了仿真并將其與能量檢測作對比，得出了在相同環(huán)境下匹配濾波器檢測的性能要遠(yuǎn)優(yōu)于能量檢測的性能的結(jié)論。同時分別說明了能量檢測和匹配濾波器檢測優(yōu)缺點。但是由于單節(jié)點檢測的局限性，隨后主要是做了針對目前經(jīng)典的“and”和“or”這兩種合作式融合檢測的仿真，并得出了“or”準(zhǔn)則檢測和“and”準(zhǔn)則檢測各自的傾向不同，前者傾向于認(rèn)知通信的吞吐量，而后者嚴(yán)格把關(guān)對主用戶系統(tǒng)的干擾限制這一結(jié)論。通過在不同環(huán)境下運行出的仿真圖來說明了不同的檢測準(zhǔn)則使用于不同的檢測環(huán)境，不能狹隘的認(rèn)為哪種檢測方法就是優(yōu)于另一種檢測方法。因為在不同的環(huán)境下，每一種檢測法都有著不同的檢測效果。所以在選擇檢測方法時，我們首先要確定用戶的不同性質(zhì)，確定了用戶的性質(zhì)及需求后再根據(jù)用戶的性質(zhì)和需求選擇出最優(yōu)的檢測方法，這樣才能得到最好的檢測結(jié)果。第五章 結(jié)束語隨著無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對無線頻譜資源的需要量也極具攀升，因此無線頻譜資源的匱乏已成為無線通信發(fā)展的瓶頸。實際上，通過權(quán)威機(jī)構(gòu)調(diào)查發(fā)現(xiàn)造成頻譜資源匾乏的主要原因在于陳舊的頻譜資源分配方式而非頻譜資源本身的貧乏。在當(dāng)前無線頻譜固定分配的管理框架下，大部分的頻譜資源都處于低利用率的狀態(tài)。認(rèn)知無線電在這樣一種背景下產(chǎn)生，它在不對主用戶造成嚴(yán)重干擾的前提下，機(jī)會式的接入頻譜空洞，提高頻譜利用率，有效的解決上述矛盾。它已經(jīng)被認(rèn)為是無線電領(lǐng)域的“下一件大事情”。本文主要針對認(rèn)知無線電中的頻譜感知技術(shù)做了深入研究。本文詳細(xì)的分析認(rèn)知無線電的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)。詳細(xì)闡述了頻譜感知技術(shù)的研究現(xiàn)狀和概念，并指出了目前頻譜感知研究工作中受到關(guān)注的一些主要問題，圍繞這些問題