【正文】 器來(lái)區(qū)分循環(huán)平穩(wěn)特征信號(hào)與非循環(huán)平穩(wěn)特征信號(hào)(比如：平穩(wěn)噪聲信號(hào))。比如，主用戶發(fā)射信號(hào)的統(tǒng)計(jì)量具有周期性的特征，這是因?yàn)橹饔脩舭l(fā)射信號(hào)中的調(diào)制率、載波頻率等本身就具有周期性的緣故。這是因?yàn)槟芰繖z測(cè)法的檢測(cè)性能對(duì)噪聲的不確定性非常敏感，且隨SNR的降低，其感知時(shí)間呈二次方的速度增長(zhǎng)，而波形檢測(cè)法的感知時(shí)間隨SNR的降低呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。 噪聲的波動(dòng)對(duì)波形檢測(cè)法的檢測(cè)性能沒(méi)有任何影響，而且，當(dāng)觀測(cè)次數(shù)N增大時(shí)，其性能也不會(huì)受到SNR墻的限制。 波形檢測(cè)法不僅適用于時(shí)域，而且在頻域同樣也適用。 根據(jù)式(11)模型可得，采用波形檢測(cè)法時(shí)，其檢測(cè)量為： (14)其中，*表示共軛。即使在無(wú)法完全獲得主用戶所有信息的情況下，只要能從SU接收信號(hào)中提取出PU發(fā)射波形的某些傳輸模式，就能通過(guò)將接收信號(hào)與已知的備份信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，即可判決出給定頻譜內(nèi)是否存在主用戶發(fā)射機(jī)信號(hào)。二、波形檢測(cè)(相關(guān)檢測(cè))在無(wú)線通信系統(tǒng)中，經(jīng)常會(huì)利用傳輸波形的某些模式去實(shí)現(xiàn)例如控制、同步、均衡或其它功能等。反之，則越高。另外，在ED方法中，判決門(mén)限的選取還受SU與PU距離等因素的影響。在ED方法中，判決門(mén)限與噪聲方差 有關(guān)，由于噪聲存在不確定性，這就造成ED的檢測(cè)性能對(duì)噪聲的不確定性十分敏感。同時(shí)，為了提高檢測(cè)概率，減小對(duì)PU干擾的概率，判決門(mén)限值 卻是越低越好。因此，一種好的頻譜檢測(cè)器應(yīng)該是檢測(cè)概率高，而虛警概率低。與 的判決表達(dá)式表示如下： (13)其中, 表示信噪比SNR,表示時(shí)間帶寬積,、 分別表示完全和非完全伽瑪函數(shù)。ED檢測(cè)器的性能可由虛警概率(Probability of false alarm)以及檢測(cè)概率(Probability of detection)來(lái)衡量。 假設(shè)SU 接收到的信號(hào)中只有噪聲；而則假設(shè)SU 接收到的信號(hào)中存在PU 發(fā)射機(jī)信號(hào)。假設(shè)SU接收PU發(fā)射機(jī)信號(hào)的模型如 (11)其中, 表示在時(shí)刻SU 接收到的信號(hào)。第一節(jié) 主用戶發(fā)射機(jī)信號(hào)檢測(cè)的頻譜感知 根據(jù)認(rèn)知用戶所掌握的主用戶先驗(yàn)知識(shí)、檢測(cè)復(fù)雜度以及精度等要求的不同，傳統(tǒng)的基于單個(gè)主用戶發(fā)射機(jī)信號(hào)檢測(cè)的頻譜感知方法可分為以下幾種： ① 能量檢測(cè)(Energy Detection, ED) ② 波形檢測(cè)(Waveform Detection,WD)或相關(guān)檢測(cè)(Coherent Detection,CD) ③ 循環(huán)平穩(wěn)特征檢測(cè)(Cyclostationarity Feature Detection, CFD) ④ 匹配濾波檢測(cè)(MatchedFiltering Detection, MFD)一、能量檢測(cè)能量檢測(cè)是使用最為普遍的一種頻譜感知方法。然而，在實(shí)際情況下，CR 是很難檢測(cè)到我們所關(guān)心的頻譜內(nèi)是否存在主用戶正在接收主用戶發(fā)射機(jī)信號(hào)的。因此，即使在主用戶發(fā)射機(jī)信號(hào)存在的情況下，只要某段頻譜內(nèi)不存在主用戶接收機(jī)信號(hào)，都可確定該段頻譜未被主用戶占用，即存在空閑頻譜。如果存在主用戶接收機(jī)，則表示該段頻譜正在被主用戶占用，為了避免對(duì)主用戶的干擾，此時(shí)，認(rèn)知用戶必須立即退出該段頻譜；反之，則表示該段頻譜未被主用戶占用，認(rèn)知用戶可以接入該段頻譜進(jìn)行通信。只有通過(guò)頻譜感知，CR才可以感知到周?chē)鸁o(wú)線電磁環(huán)境參數(shù)的變化情況，實(shí)時(shí)地獲取無(wú)線頻譜占用的信息數(shù)據(jù)，CR根據(jù)這些信息，將通信信道切換到最適合的空閑頻譜上去，并實(shí)時(shí)地、自適應(yīng)地調(diào)整相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)以適應(yīng)新信道電磁特性的要求，在不影響授權(quán)用戶正常通信的情況下，保證認(rèn)知用戶的通信質(zhì)量。③ 第3章主要是構(gòu)建認(rèn)知無(wú)線電合作頻譜感知模型，提出基于最大特征值的合作頻譜感知的研究方案；④ 第4章主要是在計(jì)算機(jī)上完成算法性能的仿真，并且在虛警概率一定的情況下，比較合作感知方案的性能并做出性能評(píng)價(jià)；⑤ 第5章總結(jié)全文，且展望了頻譜感知技術(shù)的進(jìn)一步。并討論了認(rèn)知無(wú)線電的基本技術(shù)和無(wú)線電技術(shù)在多方面的發(fā)展與應(yīng)用；② 第2章介紹了當(dāng)前領(lǐng)域內(nèi)的頻譜感知方法，并對(duì)主要的幾種方法進(jìn)行了研究和分析。文中建立認(rèn)知無(wú)線電合作頻譜感知的系統(tǒng)模型和信號(hào)模型，明確合作頻譜感知的目標(biāo)和性能評(píng)估方法；是根據(jù)接收信號(hào)協(xié)方差矩陣的特征值和特征向量，設(shè)計(jì)相應(yīng)的全局變量融合生成算法，將兩種檢驗(yàn)假設(shè)下的全局檢測(cè)變量盡可能地進(jìn)行最大化分離；最后進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，完成一套完整的合作頻譜感知鏈路的仿真代碼。本文主要是從單節(jié)點(diǎn)和合作式的方面來(lái)認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的頻譜感知，提出了在目前領(lǐng)域內(nèi)的幾種頻譜檢測(cè)方法和算法。以CR的方面來(lái)看。這就是說(shuō)這是非常困難的要保證無(wú)線局域網(wǎng)的工作頻段不受這類設(shè)備的干擾。目前的無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中， 系列標(biāo)準(zhǔn)正在被廣泛的應(yīng)用[19]。3 認(rèn)知無(wú)線電在 WLAN 中的應(yīng)用目前無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN，Wireless Local Area Network）主流是以 標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的無(wú)線技術(shù)。如若將兩者相結(jié)合，既能通過(guò)距離、功率和所要求的數(shù)據(jù)率來(lái)進(jìn)行頻譜優(yōu)化，以解決UWB共存的問(wèn)題；又能解決CR在實(shí)現(xiàn)上遇到的比如復(fù)雜射頻、前端設(shè)計(jì)等難題，UWB技術(shù)能提供幫助。因?yàn)閭鹘y(tǒng)窄帶系統(tǒng)與UWB系統(tǒng)間存在著無(wú)法避免的干擾，將UWB技術(shù)與CR技術(shù)相結(jié)合用來(lái)解決干擾問(wèn)題也已成為最近幾年大家的研究熱點(diǎn)。最先將CR技術(shù)應(yīng)用在UWB系統(tǒng)中就是提出認(rèn)知超寬帶無(wú)線電技術(shù)（CUWB）時(shí)[15]，他的提出是為了可以實(shí)現(xiàn)在多頻帶正交頻分復(fù)用（MBOFDM，MultiBand Orthogonal Frequency Division Multiplexing）和直序列超寬帶（DSUWB，DirectSequence UWB）這兩種UWB標(biāo)準(zhǔn)之間的互通。跟其他的IEEE標(biāo)準(zhǔn)相比， 空中接口的關(guān)鍵問(wèn)題是共存問(wèn)題，例如偵聽(tīng)門(mén)限、響應(yīng)時(shí)間等一些機(jī)制則還要做大量的研究。 空中接口所具有的重要特性就是其靈活性和自適應(yīng)性[15]。它當(dāng)中有一個(gè)功能相當(dāng)于一般基站的控制中心，主要是負(fù)責(zé)收集頻譜的感知信息，并分析頻譜當(dāng)前的使用狀況，再處理認(rèn)知用戶的請(qǐng)求，當(dāng)然認(rèn)知用戶需要向控制中心的數(shù)據(jù)庫(kù)報(bào)告功率水平、調(diào)制方式、自己的位置等等信息，最后會(huì)由控制中心給認(rèn)知用戶來(lái)分配空閑頻譜。它能夠作為寬帶訪問(wèn)線路通過(guò)利用CR技術(shù)將分配給電視廣播的VHF/UHF頻帶。所以，CR一定會(huì)在目前各類無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中表現(xiàn)出無(wú)與倫比的應(yīng)用潛力。所以，認(rèn)知無(wú)線電可為迅速增長(zhǎng)的各種數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)提供額外的帶寬及功能豐富的通信服務(wù)。在解決頻譜共享及復(fù)用這些問(wèn)題上，CR具備非常強(qiáng)大的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。因著無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，其中特別是無(wú)線局域網(wǎng)WLAN(Wireless Local Area Network)和無(wú)線城域網(wǎng)WMAN(Wireless Metropolitan Area Network)一類的無(wú)線通信技術(shù)和增值業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，讓大家能夠同時(shí)在享受到超寬帶、快捷、高效的服務(wù)的時(shí)候，也給許多網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商們帶來(lái)了豐厚的利潤(rùn)。而且，認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)能夠通過(guò)自我的調(diào)節(jié)，以達(dá)到完全適應(yīng)不同的通信網(wǎng)絡(luò)各技術(shù)要求指標(biāo)和條件，它讓與其它通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)協(xié)同工作的能力得到簡(jiǎn)化了。而且，CR通信設(shè)備能夠提供包括語(yǔ)音、視頻及各種文字等多種類型的無(wú)線通信業(yè)務(wù)。并且，緊急通信的系統(tǒng)需要的是非常寬的無(wú)線頻譜以用來(lái)傳送數(shù)量巨大的通信數(shù)據(jù)流，其中包括語(yǔ)音、視頻及其它各種文字?jǐn)?shù)據(jù)等等。二、公共安全及應(yīng)急通信領(lǐng)域認(rèn)知無(wú)線電的網(wǎng)路，具有加強(qiáng)公共安全，提高應(yīng)急通信能力。于此同時(shí)，CR還能夠感知機(jī)會(huì)接入的路徑，在不同的頻段內(nèi)采用隨機(jī)接入的形式進(jìn)行通信，能夠起到影響敵方監(jiān)聽(tīng)，并保護(hù)己方通信的秘密，它能夠提高軍事通信的安全。一般，在一些時(shí)間和空間里，因?yàn)橛泻芏嗍跈?quán)頻譜沒(méi)有被PU使用而處在空閑狀態(tài)上，這一情況使得CR可以充分利用這些空閑頻譜通過(guò)采取動(dòng)態(tài)頻譜介入技術(shù)，它能夠減輕頻譜的擁塞，提高在軍事通信網(wǎng)絡(luò)上的的信息容量。CR技術(shù)的應(yīng)用能夠包括軍事領(lǐng)域、公共安全領(lǐng)域、應(yīng)急通信以及商業(yè)應(yīng)用等諸多范圍和領(lǐng)域。并且，在頻譜共享的時(shí)候，CR系統(tǒng)所顯現(xiàn)出的及時(shí)自我判決力也使中心式頻譜管理者的負(fù)擔(dān)大大減輕了。 第五節(jié) 認(rèn)知無(wú)線電的應(yīng)用前景認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)擁有通過(guò)檢測(cè)、感知、監(jiān)視周?chē)鸁o(wú)線射頻環(huán)境再根據(jù)外界環(huán)境的變化及時(shí)的地調(diào)整自己操作參數(shù)的能力。另一種實(shí)現(xiàn)功率控制的方法是以信息論為基礎(chǔ)的的迭代注水法，它的基本思路是將系統(tǒng)的信道當(dāng)成若干平行的獨(dú)立子信道的集合，這當(dāng)中各個(gè)子信道的增益則將由對(duì)應(yīng)的奇異值決定他們?，F(xiàn)在的主流技術(shù)是拿Markov來(lái)對(duì)策進(jìn)行分析，Markov對(duì)策它會(huì)將多步對(duì)策當(dāng)成是一個(gè)隨記的過(guò)程，并且把傳統(tǒng)的Markov對(duì)策擴(kuò)展到了擁有多個(gè)參與者的分布式?jīng)Q策中。一般在不考慮非合作對(duì)策的情況下，將系統(tǒng)看成完全的合作對(duì)策，這時(shí)功率控制就簡(jiǎn)化為一個(gè)最優(yōu)控制的問(wèn)題了。對(duì)策論[8]是針對(duì)研究決策主體行為，產(chǎn)生直接相互作用時(shí)的決策以及考慮決策的均衡問(wèn)題，對(duì)策論可以劃分為兩類，分別為合作對(duì)策和非合作對(duì)策。這兩種情況非別是給定的干擾溫度和可用頻譜的空穴數(shù)量。在限制了給定的網(wǎng)絡(luò)資源情況下，它可以允許其他用戶一同工作。在多用戶CR系統(tǒng)工作中協(xié)作和以先進(jìn)的頻譜為基礎(chǔ)的管理功能，能夠?qū)⑾到y(tǒng)的工作性能提高，它還能夠支持更多用戶的接入。 功率控制技術(shù) 在CR通信系統(tǒng)里功率控制的實(shí)現(xiàn)是按照分布式來(lái)進(jìn)行的，以擴(kuò)大系統(tǒng)的工作的范圍，提高接收機(jī)性能，造成其他的用戶干擾的主要理由是而每個(gè)用戶的發(fā)射功率，所以，功率控制也是CR的關(guān)鍵技術(shù)之一[5]。根據(jù)分配架構(gòu)的不同，頻譜分配技術(shù)可以分為集中式和分布式兩大類[18]。他還得出了一種頻譜分配方案基于規(guī)則的，這方案的思路是用戶經(jīng)過(guò)觀察本地的干擾碼型，依照先前設(shè)定的適用在不同環(huán)境的規(guī)則獨(dú)立決策以此來(lái)選擇信道，它會(huì)在性能復(fù)雜度和通信成本上得到折中。 Peng和Zheng[12] 指出有種基于標(biāo)簽類的機(jī)制，它可識(shí)別出不同用戶的優(yōu)先級(jí)，可以改善性能達(dá)到 50%多。它制定了在主用戶與認(rèn)知用戶間選擇頻譜的協(xié)商機(jī)制，其中主要包含了補(bǔ)償?shù)膮f(xié)議、租用頻譜的協(xié)議以及頻譜使用的優(yōu)先級(jí)協(xié)議等等。合作式的頻譜分配側(cè)重的是各個(gè)認(rèn)知用戶行為對(duì)其他用戶產(chǎn)生的影響；非合作式的頻譜分配只需考慮自己的行為。針對(duì)頻譜池策略的DSA主要的功能是將信道利用率最大化和提高用戶接入的公平性，并且DSA能夠協(xié)調(diào)管理授權(quán)用戶與非授權(quán)用戶他們間信道的接入。當(dāng)前CR的DSA研究主要是針對(duì)頻譜池（Spectrum Pooling）[9]這一快，它的基本理念是將一些分配到不同業(yè)務(wù)的頻譜合并組成個(gè)公共的頻譜池，并且把整個(gè)頻譜池劃分成為若干子信道。 頻譜分配技術(shù)認(rèn)知無(wú)線電是用動(dòng)態(tài)頻譜分配（DSA, Dynamic Spectrum Allocation）的方案[8]。集中式指的是系統(tǒng)的各個(gè)感知節(jié)點(diǎn)將本地的感知結(jié)果送到基站或者在接入點(diǎn)就一同進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，做出判決；分布式指的則是先在多個(gè)節(jié)點(diǎn)間相互交換感知的信息，再各個(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)立判決。比如合作偵聽(tīng)就是準(zhǔn)許多個(gè)認(rèn)知用戶之間來(lái)相互交換偵聽(tīng)到的信息，有效的提高頻譜的檢測(cè)能力。這種檢測(cè)方法不但能夠在低信噪比條件下也具備相當(dāng)良好的檢測(cè)性能，并且它擁有信號(hào)識(shí)別功能，但是運(yùn)算復(fù)雜度高。能量檢測(cè)是現(xiàn)在應(yīng)用較廣的一種頻譜檢測(cè)的方法，但是它不適合在低信噪比情況下；循環(huán)平穩(wěn)過(guò)程特性檢測(cè)則可以提取到調(diào)制信號(hào)他的特有特征值，像調(diào)制類型、符號(hào)速率以及正弦載波等特征值。頻譜感知發(fā)射機(jī)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 頻譜感知技術(shù)分類其中發(fā)射機(jī)檢測(cè)[7] 又叫作非合作檢測(cè)，它主要是指匹配濾波器檢測(cè)、能量檢測(cè)和循環(huán)頻譜感知頻譜感知平穩(wěn)過(guò)程特征檢測(cè)這三種檢測(cè)方法?？傮w而言，現(xiàn)在的認(rèn)知無(wú)線電頻譜檢測(cè)技術(shù)可以分為這幾大類：基于發(fā)射機(jī)的檢測(cè)、合作檢測(cè)以及基于接收機(jī)的檢測(cè)，如圖11 所示[6] 。這個(gè)則需要認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)它能夠具備頻譜檢測(cè)功能，可以連續(xù)偵聽(tīng)頻譜，能提升檢測(cè)的可靠性。認(rèn)知用戶的概念是指的那些未經(jīng)授權(quán)就使用了只有授權(quán)了用戶才能使用頻譜的用戶，它的主用戶是那些獲得授權(quán)使用頻譜的用戶。我們下面會(huì)對(duì)認(rèn)知無(wú)線電的關(guān)鍵技術(shù)來(lái)作簡(jiǎn)要介紹。它能夠在認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜的應(yīng)用；此外，維吉尼亞無(wú)線通信技術(shù)中心則主要是注重基于遺傳算法的認(rèn)知模型它的研究和在認(rèn)知無(wú)線電節(jié)點(diǎn)引擎實(shí)驗(yàn)床上的研究；英國(guó)移動(dòng)電信技術(shù)虛擬中心早就開(kāi)始轉(zhuǎn)向認(rèn)知無(wú)線電的研究當(dāng)中了，他們的多模終端研究小組和布里斯托爾大學(xué)通信系統(tǒng)研究中心有一起合作進(jìn)行了自適應(yīng)射頻技術(shù)的探究；不少大學(xué)，比如荷蘭的代爾夫特大學(xué)、德國(guó)柏林技術(shù)學(xué)院、美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校等都有進(jìn)行認(rèn)知無(wú)線電這一方面的研究。 在現(xiàn)在，國(guó)外一些大學(xué)和許多科研機(jī)構(gòu)都正投入到認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的研究中[1]。在 2008 年的 868 重大課題研究中，我國(guó)就對(duì)認(rèn)知無(wú)線電的研究工作提供了三個(gè)項(xiàng)目的明確研究，且這當(dāng)中每個(gè)項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)為 800 萬(wàn)元。 這幾年來(lái)，不少國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)都開(kāi)始關(guān)注和開(kāi)發(fā)認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)。它的目的旨在以無(wú)干擾的方式去使用已分配給電視廣播業(yè)務(wù)的那些頻段。 ，這個(gè)工作組是全球第一個(gè)基于認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的全球空中接口標(biāo)準(zhǔn)化正式組織； 也被稱作無(wú)線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（WRAN, Wireless Regional Area Network）。因?yàn)檫@個(gè)頻段在美國(guó)利用率的低，它在通過(guò)允許不同免許可設(shè)備來(lái)使用這個(gè)頻段，不但提高頻率的利用率，還推廣了寬帶無(wú)線接入業(yè)務(wù)。在2002 年12 月，F(xiàn)CC他們提出非授權(quán)頻段用戶如果想在授權(quán)頻段內(nèi)使用，應(yīng)具有識(shí)別未占用頻段的能力；繼而在2003 年 11 月，F(xiàn)CC則提出了一個(gè)新的干擾指標(biāo)值用于量化和管理——干擾溫度這一概念，用來(lái)擴(kuò)展人們?cè)谝苿?dòng)通信和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)頻段的非授權(quán)操作；同年 12 月，F(xiàn)CC就發(fā)布了《使用認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)促進(jìn)頻譜利用的通知》，這個(gè)相當(dāng)于對(duì)美國(guó)電波法的《FCC規(guī)則第 15 章》進(jìn)行了修正，且專門(mén)成立了認(rèn)知無(wú)線電正式工作組。第三節(jié) 認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀認(rèn)知無(wú)線電這一技術(shù)的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)頻譜管理政策的支持