【正文】 如傳輸?shù)墓β?、調(diào)制技術(shù)以及載波的頻率），來使內(nèi)部能夠適應(yīng)無線信號變化，它能夠在任一時間、任一地點(diǎn)高度可靠的去通信，有效的利用頻譜。這些幾年很多頻譜政策管制部門，像美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）就對認(rèn)知無線電技術(shù)給予了大量支持[1]。FCC的觀點(diǎn)是，在當(dāng)前最適合認(rèn)知無線電技術(shù)的是UHF中分配給電視廣播業(yè)務(wù)應(yīng)用的 6MHz頻段。 在不同頻譜管制部門的管理下，更多的國際標(biāo)準(zhǔn)化組織開始制定系列標(biāo)準(zhǔn)來推動認(rèn)知無線電的發(fā)展[1]。它的系統(tǒng)工作的頻段是54MHz~862MHzVHF/UHF上未使用的TV信道，它的工作模式是點(diǎn)到多點(diǎn)。它通過研究基于認(rèn)知無線電的物理層、空中接口和介質(zhì)訪問控制（MAC）層，在將分配給電視廣播業(yè)務(wù)的VHF/UHF頻帶（北美為 54MHz~862 MHz）的頻率作為來寬帶接入頻段。比如國家 863 計(jì)劃就在 2005年首次支持了認(rèn)知無線電技術(shù)的研究。我國不少認(rèn)知無線電技術(shù)的研究在頻譜政策管制部門、標(biāo)準(zhǔn)化組織及國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)的共同努力下，取得了一定的進(jìn)展。這當(dāng)中最具有代表性的是在美國國防高級研究計(jì)劃署資助下一代通信（XG）這一項(xiàng)目，這一項(xiàng)目主要是在研究認(rèn)知無線電系統(tǒng)的方法及關(guān)鍵技術(shù)。第四節(jié) 認(rèn)知無線電的關(guān)鍵技術(shù)認(rèn)知無線電技術(shù)它是可以通過人工智能的支持，來感知無線通信周圍的環(huán)境，并基于某種學(xué)習(xí)和決策的算法，以達(dá)到他自身實(shí)時自適應(yīng)的去改變系統(tǒng)工作設(shè)備的操作參數(shù)，并且它能夠動態(tài)的檢測以及有效的利用那些空閑頻譜。 頻譜感知技術(shù)頻譜感知[5] 的主要目的是旨在去發(fā)現(xiàn)在時域、頻域以及空域上的頻譜空穴，再讓認(rèn)知用戶以機(jī)會方式有效方便的利用這些頻譜。這當(dāng)中為了不對主用戶有干擾，認(rèn)知用戶需要在利用頻譜空穴進(jìn)行通信的過程中，可以快速感知主用戶的再次出現(xiàn)，以便能及時進(jìn)行頻譜切換，好騰出信道讓給主用戶使用，也可以繼續(xù)使用之前的頻段，但它就需要進(jìn)過調(diào)整傳輸功率或者改變調(diào)制的方式來避免對主用戶造成干擾。頻譜感知它主要是一個物理層技術(shù)問題，它是頻譜共享、頻譜管理和頻譜移動性管理的基礎(chǔ)。不過在現(xiàn)實(shí)生活中的的感知算法里，一般為了提高其檢測性能，往往各種方法都會有所融合。匹配濾波器檢測的因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)很簡單，能夠達(dá)到較高的檢測概率，但是它需要它的授權(quán)用戶信號為確知信號，所以匹配濾波器檢測還是有很大的局限性；能量檢測它的實(shí)現(xiàn)相對比較簡單，因?yàn)樗铚y量的只是在某一頻域或某一時域上某一段觀測空間內(nèi)接收信號的總能量，以此來判決是否有授權(quán)用戶的出現(xiàn)。以上特性均可以經(jīng)過分析頻譜的相關(guān)性函數(shù)來檢測他們，循環(huán)平穩(wěn)過程特性檢測能夠從調(diào)制信號功率中區(qū)別出噪聲能量。根據(jù)現(xiàn)有的的仿真和分析，發(fā)現(xiàn)采用合作檢測可提高檢測概率。合作檢測一般可以分為集中式和分布式兩種進(jìn)行方式?；诎l(fā)射機(jī)的檢測有基于干擾溫度感知的檢測和本振泄露檢測這兩種。DSA可以在不干擾主用戶正常工作的前提下，完成對認(rèn)知用戶的頻譜空穴接入，以此提高頻譜利用率。非授權(quán)用戶能夠臨時的占用頻譜池里面的空閑信道。按照頻譜分配行為間的不同，頻譜分配能夠分成合作式和非合作式這兩類。為了規(guī)定用戶在選擇頻譜上的協(xié)商機(jī)制，Mitola[10]提出一個標(biāo)準(zhǔn)的初始框架關(guān)于無線禮儀協(xié)議。 還有Nie[11]等人通過基于博弈論的應(yīng)用擴(kuò)展，分別去解析了在合作用戶和非合作用戶兩種情況下系統(tǒng)的性能，他們提出了基于合作的DSA在提高全網(wǎng)的性能上的可能性。Cao則得出了基于本地討價(jià)還價(jià)（Local Bargaining）的算法，這算法采取公平的業(yè)務(wù)保證機(jī)制，有效的提高了頻譜利用率，大大降低了操作系統(tǒng)的復(fù)雜性[13]。它可能會使得系統(tǒng)在性能上有所下降，可是在通信上過載的現(xiàn)象則明顯減少。集中式算法由集中單元控制頻譜分配和接入的過程，計(jì)算復(fù)雜度高；分布式算法中每個認(rèn)知用戶都參與頻譜分配決策，多采用啟發(fā)式分配方法，收斂法是其中一項(xiàng)很重要的性能指標(biāo)，它主要體現(xiàn)了算法對系統(tǒng)變化的適應(yīng)能力。一般在多址接入CR信道環(huán)境里面，主要使用協(xié)作機(jī)制的辦法，包含的內(nèi)容有規(guī)則及協(xié)議和協(xié)作的Adhoc網(wǎng)絡(luò)這兩方面。但這個系統(tǒng)里除了擁有協(xié)作，還存在競爭。所以必須考慮以下兩種限制情況，在這樣的系統(tǒng)中發(fā)送功率控制。在目前情況下對策論和信息論是解決功率控制這個難題的主要技術(shù)。多用戶CR系統(tǒng)的功率控制問題可以看作一個對策論問題。當(dāng)然在現(xiàn)實(shí)生活中完全合作在多用戶系統(tǒng)是不可能實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)槊總€用戶都在盡可能將自己的功率最大化，這讓功率控制被歸結(jié)到非合作對策當(dāng)中。因此多用戶CR系統(tǒng)的功率控制問題可以把它當(dāng)成是對Markov對策進(jìn)行分析和解決。在使用了這種算法后，發(fā)送端就會在增益比較多的子信道上給分配更多的能量，但是在衰減厲害的子信道上就只分配給較少的能量了，有時甚至都不給分配能量，它能在在整體上充分利用現(xiàn)有資源，并可以達(dá)到傳輸容量的最大化。這能力使得CR系統(tǒng)可以提高授權(quán)頻譜的利用率極大的，能夠提供更高帶寬的無線通信服務(wù)為用戶。所以，以上這些優(yōu)點(diǎn)使得認(rèn)知無線電技術(shù)在未來具有極其廣闊的應(yīng)用前景。一、軍事領(lǐng)域 在目前，由于頻譜的固定分配政策，讓能夠用在軍事通信的無線頻譜資源變得越來越貧乏，使得無線軍事通信受到了極大的限制在容量上。此外，在軍事領(lǐng)域上，因?yàn)轭l率的彈性捷變，CR可以將不同無線的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行融合，這大大提高了抗干擾的能力，并且能夠保護(hù)己方通信的安全。所以，CR可以在軍事上提供無縫且安全的、自適應(yīng)、高效的無線通信的服務(wù)，這讓它在軍事領(lǐng)域方面有著非常寬廣的應(yīng)用前景。在一個國家或地區(qū)遭受到自然災(zāi)害或恐怖襲擊的時候，且本地的通信基礎(chǔ)設(shè)施也遭到了毀滅性的破壞，這時就急需建立個應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，用來幫助使搜救行動能順利展開。CR則能夠自動識別無線頻譜的是否占用，當(dāng)它發(fā)現(xiàn)空閑頻譜時能夠自動實(shí)現(xiàn)無線頻譜的配置，這一能力就使得CR能夠在其它通信設(shè)施遭到損壞的時候還能夠提供可靠有效的無線通信服務(wù)。并且，CR可以為搜救人員提供多種頻譜以供選擇以及可靠、安全的寬帶無線通信信道，它大大提高了系統(tǒng)的信息吞吐量，有效的降低了通信傳輸?shù)难舆t，給搶救傷員贏取了寶貴的時間。三、商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域認(rèn)知無線電技術(shù)最具有發(fā)展的潛力、最為重要的應(yīng)用領(lǐng)域是商業(yè)及無線技術(shù)領(lǐng)域。所有因素又反過來促進(jìn)無線通信技術(shù)以更高、更快的速度去發(fā)展，但這也使得本來就貧乏的無線頻譜變得更加擁擠，這就可能導(dǎo)致一些新的無線通信技術(shù)沒有頻譜使用或者需要和其它通信系統(tǒng)來共享無線頻譜這些情況。因著CR可以及時識別信道的是否占用，并且能夠根據(jù)環(huán)境里的信道的使用情況來實(shí)現(xiàn)無線信道間動態(tài)的切換功能，這就能夠繼續(xù)給予認(rèn)知用戶穩(wěn)定、可靠的無線通信服務(wù)。且信道的自適應(yīng)及動態(tài)切換也能夠幫助避免頻譜沖突及在調(diào)換設(shè)備時的巨大開銷。1 認(rèn)知無線電在 WRAN 中的應(yīng)用 工作組在2004 年成立，它又被稱為無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（WRAN）。 是種規(guī)定了點(diǎn)到多點(diǎn)（一般指單個基站到多認(rèn)知用戶）的無線空中接口[15][16]。當(dāng)一般的電視用戶想要使用頻譜時，控制中心則會及時從數(shù)據(jù)庫中挑出空頻譜并告知其認(rèn)知用戶進(jìn)行切換，以及數(shù)據(jù)庫內(nèi)容的更新。它對其物理層的要求是需要保持在低復(fù)雜性并且能夠提供高性能：一般的基站可以根據(jù)自己接收到的通信信息，來動態(tài)地去調(diào)整編碼和調(diào)制；并且為了不對電視廣播業(yè)務(wù)造成影響，它還要求了發(fā)射功率的動態(tài)范圍至少控制為 30dB。2 認(rèn)知無線電在 UWB 系統(tǒng)中的應(yīng)用與CR應(yīng)用前景緊密相連的一項(xiàng)技術(shù)是超寬帶（UWB，Ultra Wideband）無線技術(shù)，它是當(dāng)今眾多媒體寬帶無線通信中最具有前途的候選方案中一種。CUWB一般是聯(lián)合認(rèn)知無線電和超寬帶技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)來結(jié)合以設(shè)計(jì)研究出一種智能的無線系統(tǒng)，這是是一種以頻譜感知為基礎(chǔ)的具備靈活波形和自適應(yīng)輻射掩膜（或發(fā)射功率譜密度）的新型超寬帶系統(tǒng)。UWB無線技術(shù)具有的優(yōu)點(diǎn)有抗干擾能力靈活、測距精準(zhǔn)、高通信容量、抗多徑衰落和能定位等等，可是解決頻譜資源短缺的最有效的方法還是CR技術(shù)則是通過智能頻譜管理來運(yùn)行。以CR思想的UWB為基礎(chǔ)的無線技術(shù)的發(fā)展能很大的促進(jìn)智能網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的優(yōu)化發(fā)展，它將真正形成以用戶為中心的無線通信世界，這是具有重大的理論和實(shí)際意義的。WLAN 大多設(shè)備工作在免授權(quán)的頻段，這就導(dǎo)致隨著無線局域網(wǎng)的普及發(fā)展，免授權(quán)頻段的通信業(yè)務(wù)必將非常繁忙，此時工作頻段將不能滿足新的業(yè)務(wù)要求，我們采用 CR 技術(shù)就能夠解決因 WLAN 頻段擁擠而造成的可用頻譜資源缺乏問題。 5GHz頻段中，比如雷達(dá)。 。第六節(jié) 全文的主要研究內(nèi)容本文先是介紹了認(rèn)知無線電的概念和以及三個關(guān)鍵技術(shù)，且對無線電頻譜感知幾個技術(shù)進(jìn)行了分別討論。并針對認(rèn)知無線電的頻譜感知單節(jié)點(diǎn)感知進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析，在分別介紹了頻譜感知中具有重要作用的匹配濾波器感知和能量感知的原理以及合作式頻譜感知技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)和算法。 主要研究工作有：① 第1章主要介紹了認(rèn)知無線電的背景和意義，認(rèn)知無線電技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀?？偨Y(jié)了對基于發(fā)射機(jī)感知的三種頻譜感知方法：匹配濾波器感知法、能量感知法和合作式感知法作了詳細(xì)的討論。第二章 認(rèn)知無線電中頻譜感知技術(shù)根據(jù)前面分析可知，頻譜感知技術(shù)在認(rèn)知無線電技術(shù)中扮演著十分重要的角色，是實(shí)現(xiàn)動態(tài)頻譜接入、頻譜共享、頻譜分配以及頻譜管理等其它認(rèn)知無線電技術(shù)功能的前提和先決條件。理論上，頻譜檢測最有效的方法就是在認(rèn)知用戶的通信范圍內(nèi)，檢測我們所關(guān)心的頻譜上是否有主用戶接收機(jī)存在。之所以說這種基于主用戶接收機(jī)檢測的頻譜感知方法是最有效的，這是因?yàn)橹饔脩舭l(fā)射機(jī)信號在一些應(yīng)用場合往往總是存在的（比如廣播電視信號），而只有當(dāng)主用戶接收機(jī)同時也存在的情況下，才能真正確定該段頻譜被主用占用，而那種檢測到某段頻譜內(nèi)存在主用戶發(fā)射機(jī)信號就認(rèn)為該段頻譜被主用戶占用的頻譜感知方法是不準(zhǔn)確的。此時，認(rèn)知用戶可以使用該段頻譜。因此，目前所采用的頻譜感知方法幾乎都是基于主用戶發(fā)射機(jī)信號檢測法。特別是在無法獲得足夠有關(guān)PU發(fā)射機(jī)信號先驗(yàn)信息的情況下，ED方法是最優(yōu)的，而且實(shí)現(xiàn)簡單。指加性高斯白噪聲,其方差為； 為經(jīng)過信道后接收到的PU 發(fā)射機(jī)信號,PU 發(fā)射機(jī)信號與噪聲不相關(guān)。 采用ED 法進(jìn)行頻譜檢測時，其檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為如下平均能量表達(dá)式 (12)此時，將檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Y與預(yù)先設(shè)定的判決門限進(jìn)行比較，就可判決出該段頻譜內(nèi)是否存在PU發(fā)射機(jī)信號，即該頻譜是否被PU占用。虛警概率表示假設(shè)成立而判決成的概率，檢測概率則表示正確判決的概率。由以上分析可知，檢測概率過低將會增加對PU通信造成干擾的概率；而虛警概率過高，則會大大降低頻譜的利用率。為了提高頻譜利用率，虛警概率應(yīng)盡可能的小,此時的判決門限值 越高越好。為此，判決門限選取應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要，權(quán)衡虛警概率和檢測概率，選擇一個最佳值。為了減小這種影響，可根據(jù)實(shí)際需要，先預(yù)先確定虛警概率的值，采用自適應(yīng)或反復(fù)迭代 的方法不斷優(yōu)化判決門限以滿足最佳性能要求。SU離PU越遠(yuǎn)，PU信號衰減越厲害，SU處接收的PU信號也就越弱，則此時的判決門限也應(yīng)越低。因此，如何根據(jù)SU離PU距離的遠(yuǎn)近及噪聲等因素來選取合適的判決門限值，是ED方法所面臨的一個嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。這些模式包括：導(dǎo)言、訓(xùn)練序列、導(dǎo)頻模式以及擴(kuò)頻序列等等。該方法就是波形檢測法，也稱相關(guān)檢測法。當(dāng)主用戶不存在的情況下，該檢測量為： (15)類似地，當(dāng)存在主用戶信號時，波形檢測法的檢測量為 (16)將檢測量M與預(yù)先設(shè)定的判決門限 進(jìn)行比較即可判決出給定的頻譜內(nèi)是否存在主用戶信號，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)頻譜感知功能。在頻域，用接收信號的功率譜密度 仍然可以表示類似式(11)所示的二進(jìn)制假設(shè)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并通過利用主用戶信號功率譜密度所表現(xiàn)出的獨(dú)特頻譜特征，即可判決出主用戶發(fā)射機(jī)信號是否存在。研究顯示，在可靠性及感知時間方面，波形檢測法的性能都要優(yōu)于能量檢測法。三、循環(huán)平穩(wěn)特征檢測在許多通信場景中，主用戶發(fā)射信號中往往攜帶有與其信號信息相關(guān)的一些特征參量。這些主用戶發(fā)射機(jī)信號中內(nèi)在具有的周期性特性被稱之為循環(huán)平穩(wěn)特征。 循環(huán)頻譜特征檢測法一般情況下，PU發(fā)射機(jī)信號都是經(jīng)過正弦波、脈沖串或循環(huán)前綴調(diào)制過的信號，而噪聲信號一般是寬帶的平穩(wěn)信號(Widesense Stationary, WSS)，不具有任何相關(guān)性。與能量檢測法將時間域的信號能量作為檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量不同，循環(huán)平穩(wěn)檢測器一般是先從時域變換為頻率特征域，然后，在新的變換域中，對是否存在主用戶信號進(jìn)行判決。所有調(diào)制信號都具有周期性的特征，而噪聲信號卻是WSS信號，不具有循環(huán)周期特性。當(dāng)循環(huán)頻率等于PU信號的基本頻率時，CSD函數(shù)就會出現(xiàn)很多尖峰值。因此，可以根據(jù)CSD函數(shù)是否具有尖峰值就可實(shí)現(xiàn)頻譜感知功能。四、匹配濾波在認(rèn)知用戶已知主用戶有關(guān)先驗(yàn)信息的情況下，最優(yōu)的頻譜檢測方法就是匹配濾波法。在加性統(tǒng)計(jì)噪聲的情況下，匹配濾波法能使信噪比最大。由于MF檢測法對SU接收信號的采樣次數(shù)較少，因此，與其它傳統(tǒng)的頻譜檢測法相比，MF檢測法能在較短的時間內(nèi)就可獲得一定的檢測性能，比如，較低的漏檢概率(Probability of missed detection)及虛警概率。另外，由于匹配濾波器法需要SU接收機(jī)獲得各種類型的信號并執(zhí)行相關(guān)的處理算法，致使MF檢測器的運(yùn)算復(fù)雜度及功耗都非常高。發(fā)射端通過調(diào)整發(fā)射功率、帶外輻射以及信號發(fā)射機(jī)的位置來實(shí)現(xiàn)對干擾程度的控制。然而，由于射頻發(fā)射機(jī)具有移動性與可變性，而新的干擾源何時出現(xiàn)又具有不可預(yù)測性，因此，這些因素都將導(dǎo)致通過限制發(fā)射功率而實(shí)現(xiàn)對干擾程度進(jìn)行控制的目的變得異常困難。為了解決這種問題，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)的下屬機(jī)構(gòu) SPTF 提出了一種全新的干擾評估度量標(biāo)準(zhǔn)——“干擾溫度(Interference temperature)”，目的是為了評估接收機(jī)端在保證正常通信不受影響的情況下，其對干擾所能容忍的范圍。干擾溫度反映了其它發(fā)射機(jī)及噪聲源在接收機(jī)端所產(chǎn)生的功率。 為波爾茲曼常量，單位為焦/開。在天文學(xué)中，天文學(xué)家們采用“噪聲溫度(noise temperature)”這一概念作為各種外層空間輻射密度的度量單位，用來測量來自外層空間的平均輻射水平。 FCC在定義干擾溫