【正文】 夠感知射頻系統(tǒng)周圍的空閑信道。頻譜檢測技術(shù)是認(rèn)知無線電技術(shù)的關(guān)鍵，而且還是認(rèn)知無線電技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提。通過攔截主要用戶的信號來決定信道條件，通常在這種情況下，認(rèn)知用戶的敏感性遠(yuǎn)遠(yuǎn)強于主要用戶接收機。頻譜檢測技術(shù)的基本想法是沒有被占用的頻帶被感應(yīng)到，然后認(rèn)知無線電系統(tǒng)可以利用這些頻帶進(jìn)行臨時通信。當(dāng)認(rèn)知無線電系統(tǒng)檢測到該頻帶的合法用戶要繼續(xù)通信，那么設(shè)備就會放棄這段頻帶，或者繼續(xù)占有這段頻帶，但是不能干擾到授權(quán)用戶。這就是說，認(rèn)知無線電能夠通過交互式地感應(yīng)無線通信環(huán)境來動態(tài)地反復(fù)地使用未被利用的頻譜。動態(tài)地感應(yīng)頻譜，同時感應(yīng)周圍的環(huán)境，那么就需要一個新的傳輸計劃。正交頻分復(fù)用技術(shù)已被確定是認(rèn)知無線電中最佳的傳輸選擇。OFDM的多載波調(diào)制技術(shù)和自適應(yīng)的功率分配為認(rèn)知無線電帶來了很大的靈活性。OFDM使用多載波調(diào)制，在連續(xù)時間使用不同的子載波傳輸數(shù)據(jù)給用戶，所以如果沒有無線電頻率陷波濾波器，在特定的頻段的非人為干涉可以避免。一個OFMD符號包括了N個平行的調(diào)制在間隔為Δf的不同載波頻率的傳輸信號。這個OFDM符號的復(fù)雜包絡(luò)可以表示為如下：st=n=∞∞x(tnT)OFDM符號的頻譜可以表示為如下：Psf=Psm=0N1sinπ(ffm)?fπ(ffm)?f認(rèn)知無線電系統(tǒng)中物理層頻譜檢測有三種經(jīng)典算法，匹配濾波器法，能量檢測法和循環(huán)平穩(wěn)檢測法。但是匹配濾波器法需要主用戶信號的先驗信息，和高同步的需求，所以它可以與其他一起，比如循環(huán)平穩(wěn)特性檢測算法，來實現(xiàn)最高效的檢測。Ⅱ.能量檢測如果能量檢測是用來感應(yīng)CROFDM信號，那么對每一個子載波或整個信號的頻譜檢測可以通過較低復(fù)雜度的判定和分析信道狀態(tài)來實現(xiàn)。能量檢測是一種非相干檢測方法，它通過感應(yīng)電流信號的能量來檢測信號。這種對不確定信號的檢測具有普遍性和時效性，不需要先驗條件。這種周期圖的方法是種經(jīng)典的能量譜估計方法，具有高運算效率和低頻譜分辨率。檢測過程如圖一：圖1 OFDM能量監(jiān)測模型信號S（t）的檢測能量通過上述檢測過程后如下：Ps=1NM=0N1|S(t0+M?t)|2我們需要足夠的采樣點N來達(dá)到檢測器的設(shè)計目標(biāo)，如固定大小的FFT通常利用來滿足預(yù)期決議，這里H0表示沒有主用戶，相應(yīng)的H1表示有主用戶。一個長度為L的OFDM信號經(jīng)過傅立葉變換后轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率信號。不論子載波信道是否存在授權(quán)用戶信號，都是由單子載波信號的正交和非相關(guān)的子載波決定的。H0假設(shè)，如果信道是空閑的，那檢測器接收到的就僅僅是信道里的噪聲；相反，H1假設(shè)，如果授權(quán)用戶占用信道，那么檢測器接收到的就有授權(quán)用戶信號和噪聲信號。這樣，根據(jù)上述的監(jiān)測步驟設(shè)置噪聲信號符合高斯零均值方差為σ2。然后統(tǒng)計得到的能量S與設(shè)定的門限進(jìn)行比較。如果測量的值超過了門限，我們就認(rèn)為該信道符合H1，否則我們認(rèn)定沒有授權(quán)用戶信號，信道符合H0。當(dāng)子載波符合正交高斯函數(shù)，那么模平方的采樣能量S服從χ2分布。如果信道是高斯白噪聲信道，S服從均值為零的中心分布；如果信道里有授權(quán)用戶信號，接收到的信號是確定信號和噪聲信號的復(fù)合，均值非零，符合無中心的χ2分布，方程式如下：S~χ2L2 , H0χ2L2(λ), H1兩種假設(shè)的檢測概率Pd和誤警概率Pf如下：Pd=PSλH0=Γ(L,λ/2)LPf=PSλH1=QL(2SNR,λ)SNR是信號噪聲比。一串OFDM信號通過上述方程模擬，調(diào)制方式是QPSK，載波數(shù)是128，F(xiàn)FT長度是128，單個子帶符號數(shù)是8，保護(hù)間隔為32。圖2 能量檢測信噪比與檢測概率關(guān)系圖3 門限值與誤警概率關(guān)系從圖3中我們可以看到只有確定合適的門限才能夠得到精確檢測的可能。門限越小，可能性越大。然而，隨著信噪比的增加，錯誤保護(hù)甚至無保護(hù)會出現(xiàn)；對于誤警概率，長度越長，感知錯誤判決越小，如果門限設(shè)置不合適，無保護(hù)還是會出現(xiàn)。為了有效檢測，包括頻譜檢測時間和設(shè)定門線需要設(shè)定合適的參數(shù)。文獻(xiàn)[5]提出了優(yōu)化妥協(xié)標(biāo)準(zhǔn)，包括高傳輸效率，得出最小總共錯誤檢測概率為Pe= 1 + Pf – Pd 。Ⅲ.循環(huán)平穩(wěn)檢測循環(huán)平穩(wěn)信號是統(tǒng)計特征隨著時間循環(huán)變化的隨機信號，包括一階（均值），二階（相關(guān)函數(shù)）和高階（高階積累量）循環(huán)平穩(wěn)。對于隨機信號X(t)如果滿足循環(huán)平穩(wěn)特性，均值和自相關(guān)函數(shù)都是循環(huán)的，循環(huán)周期與信號周期相同。自相關(guān)函數(shù)s(t)定義為Rx=(t+τ2,tτ2),，T是循環(huán)周期。如果用傅立葉級數(shù)表示，傅立葉系數(shù)可以包涵循環(huán)自相關(guān)函數(shù)（CAF）。RXατ=1/TT2T2Rx(t+τ2,tτ2)exp?(2jπα)dt根據(jù)維納辛欽定理，循環(huán)自相關(guān)函數(shù)的傅立葉變換可以定義為頻譜相關(guān)函數(shù)（SCF）。SXαf=∞∞RXατexp?(2jπft)dt根據(jù)維納辛欽定理，循環(huán)自相關(guān)函數(shù)的傅立葉變換可以定義為頻譜相關(guān)函數(shù)（SCF）。RXατ=1/Tn=0N1x(n+τ2)x*(nτ2)exp?(2jπfαn)其中α=T/n(n=0,1,2,……)是循環(huán)頻率，在循環(huán)平穩(wěn)檢測中很重要。一個循環(huán)平穩(wěn)信號的循環(huán)頻率包括零循環(huán)頻率和非零循環(huán)頻率。令循環(huán)平率對應(yīng)著信號的光滑部分，非零循環(huán)頻率對應(yīng)信號的循環(huán)平穩(wěn)部分。OFDM信號載波有多個α循環(huán)頻率，滿足二階循環(huán)平穩(wěn)條件。OFDM信號的循環(huán)平穩(wěn)檢測是用Dandawate提供的改進(jìn)的最優(yōu)檢測法來實現(xiàn)的。統(tǒng)計檢測數(shù)量構(gòu)建出延遲矩陣，當(dāng)接收機里沒有先驗信息的主用戶信號時相關(guān)函數(shù)矩陣用矩陣來估計，檢測信號的循環(huán)平穩(wěn)特性用于判定是否有保護(hù)信號。然而，就其基本假設(shè)的高復(fù)雜性而言，該方法可以優(yōu)化，選擇獲得最有效時間延遲參數(shù)τs，就會獲得最大幅度RXατ。根據(jù)Dandawate理論，檢測概率Pd∝|RXατ|檢測所有的循環(huán)頻率，統(tǒng)計可檢測數(shù)量，其中M是隨機變量，滿足χ2分布。Pd=1Q(λi=1Lμ(τs(i))2i=1Lμ(τs(i)))上述的沖擊信號是循環(huán)檢測的，標(biāo)準(zhǔn)化坐標(biāo)軸后結(jié)果如下：圖4 信號二維自相關(guān)函數(shù)圖5 自相關(guān)函數(shù)與時延的關(guān)系這兩張圖是信號RXατ的二維自相關(guān)函數(shù)，在α=0的橫截面圖中可以看出隨著循環(huán)頻率α和延時τ的不同而不同。在確定的循環(huán)頻率和時延RXατ有非零值，尤其是兩次載波存在峰值。圖5表示出了時延與自相關(guān)函數(shù)之間的關(guān)系，可以幫助分析和采集時延參數(shù)τs來增加檢測概率。循環(huán)平穩(wěn)檢測是在循環(huán)頻域，相位和頻率與OFDM信號的時間參數(shù)有關(guān)的信息持續(xù)信號處理，從而在頻域的功率密度的重疊特征不再循環(huán)重疊。當(dāng)α=0時信號和噪聲都存在頻譜分量，但當(dāng)α≠0噪聲的頻譜分量為零，零循環(huán)頻率對應(yīng)信號的光滑部分，只有非零循環(huán)頻率對應(yīng)信號的循環(huán)平穩(wěn)部分。圖6 仿真信號的循環(huán)頻率圖7 α=0時OFDM信號的頻譜相關(guān)函數(shù)從上圖中我們可以看到，OFDM信號的頻譜特性可以通過相關(guān)循環(huán)頻譜真正反應(yīng)。OFDM信號有循環(huán)平穩(wěn)特性，但平穩(wěn)噪聲不能表示出循環(huán)頻域的相關(guān)特性，干擾信號展現(xiàn)出與主用戶信號不同的循環(huán)平穩(wěn)特性。因此，循環(huán)平穩(wěn)檢測的最大特點就是能在主用戶信號、噪聲和干擾信號中分辨頻譜。當(dāng)α≠0作為判決條件時，我們只需要去判定頻譜線是否存在，這是循環(huán)平穩(wěn)檢測非常重要的方法。循環(huán)平穩(wěn)檢測后的OFDM信號可以取出背景噪聲的影響，還可以分辨噪聲能量和主用戶信號能量。因此，即使在低信噪比時檢測性能還是比較好的。通過比較檢測概率發(fā)現(xiàn)循環(huán)平穩(wěn)檢測的檢測性能要優(yōu)于能量檢測。圖8 循環(huán)平穩(wěn)檢測與能量檢測的對比Ⅳ.結(jié)論在OFDM系統(tǒng)中經(jīng)典的認(rèn)知無線電頻譜檢測方法，如能量檢測和循環(huán)平穩(wěn)檢測，仍然是可行的。能量檢測算法簡單，容易實現(xiàn)；對相位同步?jīng)]有太多要求，但是準(zhǔn)確度比較低。插入控制信號可以減少影響，這是個次優(yōu)的檢測方法。相比之下，循環(huán)平穩(wěn)檢測擺脫了信噪比的高精確度要求；但是OFDM的相位要求更高，復(fù)雜度也更大，檢測時間自然而然的要增長。如果聯(lián)合其他技術(shù)，通過循環(huán)頻譜提取信號特征來識別信號，這將大大提高效率，減少檢測時間。