【正文】 夠感知射頻系統(tǒng)周圍的空閑信道。頻譜檢測(cè)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(hào)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(qiáng)于主要用戶接收機(jī)。頻譜檢測(cè)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(shí)通信。當(dāng)認(rèn)知無線電系統(tǒng)檢測(cè)到該頻帶的合法用戶要繼續(xù)通信，那么設(shè)備就會(huì)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(dòng)態(tài)地反復(fù)地使用未被利用的頻譜。動(dòng)態(tài)地感應(yīng)頻譜，同時(shí)感應(yīng)周圍的環(huán)境，那么就需要一個(gè)新的傳輸計(jì)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(shí)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(gè)OFMD符號(hào)包括了N個(gè)平行的調(diào)制在間隔為Δf的不同載波頻率的傳輸信號(hào)。這個(gè)OFDM符號(hào)的復(fù)雜包絡(luò)可以表示為如下：st=n=∞∞x(tnT)OFDM符號(hào)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(cè)有三種經(jīng)典算法，匹配濾波器法，能量檢測(cè)法和循環(huán)平穩(wěn)檢測(cè)法。但是匹配濾波器法需要主用戶信號(hào)的先驗(yàn)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(cè)算法，來實(shí)現(xiàn)最高效的檢測(cè)。Ⅱ.能量檢測(cè)如果能量檢測(cè)是用來感應(yīng)CROFDM信號(hào)，那么對(duì)每一個(gè)子載波或整個(gè)信號(hào)的頻譜檢測(cè)可以通過較低復(fù)雜度的判定和分析信道狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)。能量檢測(cè)是一種非相干檢測(cè)方法，它通過感應(yīng)電流信號(hào)的能量來檢測(cè)信號(hào)。這種對(duì)不確定信號(hào)的檢測(cè)具有普遍性和時(shí)效性，不需要先驗(yàn)條件。這種周期圖的方法是種經(jīng)典的能量譜估計(jì)方法，具有高運(yùn)算效率和低頻譜分辨率。檢測(cè)過程如圖一：圖1 OFDM能量監(jiān)測(cè)模型信號(hào)S（t）的檢測(cè)能量通過上述檢測(cè)過程后如下：Ps=1NM=0N1|S(t0+M?t)|2我們需要足夠的采樣點(diǎn)N來達(dá)到檢測(cè)器的設(shè)計(jì)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(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的OFDM信號(hào)經(jīng)過傅立葉變換后轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率信號(hào)。不論子載波信道是否存在授權(quán)用戶信號(hào)，都是由單子載波信號(hào)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(cè)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(cè)器接收到的就有授權(quán)用戶信號(hào)和噪聲信號(hào)。這樣，根據(jù)上述的監(jiān)測(cè)步驟設(shè)置噪聲信號(hào)符合高斯零均值方差為σ2。然后統(tǒng)計(jì)得到的能量S與設(shè)定的門限進(jìn)行比較。如果測(cè)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(hào)，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(hào)，接收到的信號(hào)是確定信號(hào)和噪聲信號(hào)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(cè)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(hào)噪聲比。一串OFDM信號(hào)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(zhǎng)度是128，單個(gè)子帶符號(hào)數(shù)是8，保護(hù)間隔為32。圖2 能量檢測(cè)信噪比與檢測(cè)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(cè)的可能。門限越小，可能性越大。然而，隨著信噪比的增加，錯(cuò)誤保護(hù)甚至無保護(hù)會(huì)出現(xiàn)；對(duì)于誤警概率，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，感知錯(cuò)誤判決越小，如果門限設(shè)置不合適，無保護(hù)還是會(huì)出現(xiàn)。為了有效檢測(cè)，包括頻譜檢測(cè)時(shí)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(cuò)誤檢測(cè)概率為Pe= 1 + Pf – Pd 。Ⅲ.循環(huán)平穩(wěn)檢測(cè)循環(huán)平穩(wěn)信號(hào)是統(tǒng)計(jì)特征隨著時(shí)間循環(huán)變化的隨機(jī)信號(hào)，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(duì)于隨機(jī)信號(hào)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(hào)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(jí)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(cè)中很重要。一個(gè)循環(huán)平穩(wěn)信號(hào)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(duì)應(yīng)著信號(hào)的光滑部分，非零循環(huán)頻率對(duì)應(yīng)信號(hào)的循環(huán)平穩(wěn)部分。OFDM信號(hào)載波有多個(gè)α循環(huán)頻率，滿足二階循環(huán)平穩(wěn)條件。OFDM信號(hào)的循環(huán)平穩(wěn)檢測(cè)是用Dandawate提供的改進(jìn)的最優(yōu)檢測(cè)法來實(shí)現(xiàn)的。統(tǒng)計(jì)檢測(cè)數(shù)量構(gòu)建出延遲矩陣，當(dāng)接收機(jī)里沒有先驗(yàn)信息的主用戶信號(hào)時(shí)相關(guān)函數(shù)矩陣用矩陣來估計(jì)，檢測(cè)信號(hào)的循環(huán)平穩(wěn)特性用于判定是否有保護(hù)信號(hào)。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(shí)間延遲參數(shù)τs，就會(huì)獲得最大幅度RXατ。根據(jù)Dandawate理論，檢測(cè)概率Pd∝|RXατ|檢測(cè)所有的循環(huán)頻率，統(tǒng)計(jì)可檢測(cè)數(shù)量，其中M是隨機(jī)變量，滿足χ2分布。Pd=1Q(λi=1Lμ(τs(i))2i=1Lμ(τs(i)))上述的沖擊信號(hào)是循環(huán)檢測(cè)的，標(biāo)準(zhǔn)化坐標(biāo)軸后結(jié)果如下：圖4 信號(hào)二維自相關(guān)函數(shù)圖5 自相關(guān)函數(shù)與時(shí)延的關(guān)系這兩張圖是信號(hào)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(shí)τ的不同而不同。在確定的循環(huán)頻率和時(shí)延RXατ有非零值，尤其是兩次載波存在峰值。圖5表示出了時(shí)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(shí)延參數(shù)τs來增加檢測(cè)概率。循環(huán)平穩(wěn)檢測(cè)是在循環(huán)頻域，相位和頻率與OFDM信號(hào)的時(shí)間參數(shù)有關(guān)的信息持續(xù)信號(hào)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(shí)信號(hào)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(duì)應(yīng)信號(hào)的光滑部分，只有非零循環(huán)頻率對(duì)應(yīng)信號(hào)的循環(huán)平穩(wěn)部分。圖6 仿真信號(hào)的循環(huán)頻率圖7 α=0時(shí)OFDM信號(hào)的頻譜相關(guān)函數(shù)從上圖中我們可以看到，OFDM信號(hào)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(hào)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(hào)展現(xiàn)出與主用戶信號(hào)不同的循環(huán)平穩(wěn)特性。因此，循環(huán)平穩(wěn)檢測(cè)的最大特點(diǎn)就是能在主用戶信號(hào)、噪聲和干擾信號(hào)中分辨頻譜。當(dāng)α≠0作為判決條件時(shí)，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(cè)非常重要的方法。循環(huán)平穩(wěn)檢測(cè)后的OFDM信號(hào)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(hào)能量。因此，即使在低信噪比時(shí)檢測(cè)性能還是比較好的。通過比較檢測(cè)概率發(fā)現(xiàn)循環(huán)平穩(wěn)檢測(cè)的檢測(cè)性能要優(yōu)于能量檢測(cè)。圖8 循環(huán)平穩(wěn)檢測(cè)與能量檢測(cè)的對(duì)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(cè)方法，如能量檢測(cè)和循環(huán)平穩(wěn)檢測(cè)，仍然是可行的。能量檢測(cè)算法簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)；對(duì)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(hào)可以減少影響，這是個(gè)次優(yōu)的檢測(cè)方法。相比之下，循環(huán)平穩(wěn)檢測(cè)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(cè)時(shí)間自然而然的要增長(zhǎng)。如果聯(lián)合其他技術(shù)，通過循環(huán)頻譜提取信號(hào)特征來識(shí)別信號(hào)，這將大大提高效率，減少檢測(cè)時(shí)間。