無(wú)線電通信頻譜是一種寶貴的資源，目前采用的是基于頻譜授權(quán)的靜態(tài)頻帶分配的原則。隨著無(wú)線通信技術(shù)的高速發(fā)展，無(wú)線電用戶數(shù)量急劇增加，頻譜資源貧乏的問題日趨嚴(yán)重。認(rèn)知無(wú)線電基于軟件無(wú)線電，是一種用于提高無(wú)線電通信頻譜利用率的新的智能技術(shù)。具有認(rèn)知功能的無(wú)線通信設(shè)備可以感知周圍的環(huán)境，并能根據(jù)輸入激勵(lì)的變化實(shí)時(shí)地調(diào)整其傳輸參數(shù)，在有限信號(hào)空間中以最優(yōu)的方式有效地傳送信息，以實(shí)現(xiàn)無(wú)論何時(shí)何地都能保證通信的高可靠性和無(wú)線頻譜利用的高效性。認(rèn)知無(wú)線電的一個(gè)認(rèn)知周期要經(jīng)歷3個(gè)基本過程：感知頻譜環(huán)境、信道識(shí)別、功率控制和頻譜管理。認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)最顯著的特征是能夠感知并分析特定區(qū)域的頻段，找出適合通信的“頻譜空穴”，利用某些特定的技術(shù)和處理，在不影響已有通信系統(tǒng)的前提下進(jìn)行工作。因而，認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)傳輸信號(hào)時(shí)首先要感知該地?zé)o線電頻譜環(huán)境，即頻譜檢測(cè)和“頻譜空穴”搜尋與判定。

下一代移動(dòng)通信的鏈路層調(diào)制方式主要采用OFDM形式，因此認(rèn)知無(wú)線電與OFDM系統(tǒng)之間的頻譜共享已是必然趨勢(shì)。OFDM的多載波調(diào)制技術(shù)以及自適應(yīng)型功率分配給認(rèn)知無(wú)線電更帶來了巨大的靈活性。本文采用能量檢測(cè)法，將認(rèn)知無(wú)線電頻譜空穴檢測(cè)與OFDM相結(jié)合，提出了一種多載波檢測(cè)方法。

1 認(rèn)知無(wú)線電信號(hào)檢測(cè)方法

1.1 匹配濾波器檢測(cè)法

匹配濾波器是信號(hào)檢測(cè)中的一種比較常用的方法，它能使接收信號(hào)的信噪比最大化。在認(rèn)知無(wú)線電設(shè)備中使用匹配濾波器，實(shí)際上完成的是解調(diào)授權(quán)用戶的信號(hào)，這樣認(rèn)知無(wú)線電用戶就要知道授權(quán)用戶的物理層和媒體控制層的信息：調(diào)制方式、時(shí)序、脈沖形狀、封裝格式等，利用這些信息來實(shí)現(xiàn)與待檢測(cè)信號(hào)在時(shí)域和頻域上的同步，從而解調(diào)信號(hào)［3］。這些信息可以被存放在認(rèn)知無(wú)線電的存儲(chǔ)器中。匹配濾波器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是使輸出SNR在某一時(shí)刻達(dá)到最大，這是對(duì)任何信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的優(yōu)化算法。匹配濾波器沖激響應(yīng)h（t）表示為：

其中，K為常數(shù)，S（f）為信號(hào)S（t）的頻譜，S*（f）為S（f）的共軛函數(shù)。具體檢測(cè)方法如圖1所示。

匹配濾波器的設(shè)計(jì)需要授權(quán)信號(hào)的先驗(yàn)信息，如調(diào)制類型、脈沖成型、分組格式等，這類信息可預(yù)先存儲(chǔ)在認(rèn)知無(wú)線電設(shè)備的存儲(chǔ)器中。解調(diào)比較麻煩，必須與授權(quán)信號(hào)進(jìn)行同步和定時(shí)，甚至可能需要進(jìn)行均衡。不過大部分授權(quán)信號(hào)具有導(dǎo)引序列、同步碼或擴(kuò)頻碼，以達(dá)到與原信號(hào)保持一致的目的。如，電視信號(hào)中具有聲音和視頻載波的窄帶導(dǎo)引信號(hào)；CDMA系統(tǒng)具有專門的擴(kuò)頻碼用以同步；OFDM分組具有辨別不同分組的導(dǎo)引信號(hào)。

1.2 能量檢測(cè)法

能量檢測(cè)法是一種非相干的檢測(cè)手段，與頻譜分析非常相似，也是通過判決來實(shí)現(xiàn)的。該方法依據(jù)感知器在信號(hào)有無(wú)兩種假設(shè)情況下按接收信號(hào)功率大小的不同對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。這種方法是一種對(duì)未知參數(shù)的確定性信號(hào)及其存在性檢測(cè)的有效方法。由于能量檢測(cè)對(duì)信號(hào)類型不作限制，因此不需要授權(quán)信號(hào)的先驗(yàn)信息。能量檢測(cè)的主要思想是：將授權(quán)信號(hào)S（t）的功率在一個(gè)時(shí)間段（N個(gè)采樣點(diǎn)）內(nèi)取平均：

接著與預(yù)設(shè)門限進(jìn)行比較，判定該頻段是否存在授權(quán)信號(hào)。整個(gè)檢測(cè)如圖2所示。

能量檢測(cè)法在技術(shù)上已經(jīng)比較成熟，應(yīng)用起來可靠性較高。但是，能量探測(cè)器的門限比較容易受到噪聲功率變化的影響。為了解決這個(gè)問題，人們提出利用授權(quán)用戶發(fā)射機(jī)的導(dǎo)頻音（Pilot Tone）來提高認(rèn)知無(wú)線電能量探測(cè)器的準(zhǔn)確性。另外，即使能夠適應(yīng)性地設(shè)定門限位，帶內(nèi)干擾的出現(xiàn)也會(huì)擾亂能量探測(cè)器，能量探測(cè)的另外一個(gè)缺點(diǎn)是它只能探測(cè)到有信號(hào)出現(xiàn)，而不能區(qū)分信號(hào)的類型，即它不能區(qū)分已調(diào)制信號(hào)、噪聲及干擾。因此，能量探測(cè)器容易被不明信號(hào)誤導(dǎo)而產(chǎn)生誤判決，不適合極弱信號(hào)，例如擴(kuò)頻信號(hào)的檢測(cè)。

2 認(rèn)知OFDM系統(tǒng)檢測(cè)

在認(rèn)知OFDM傳輸系統(tǒng)里，頻譜感知可以采用類似上述能量檢測(cè)的方法，以很低的復(fù)雜度完成對(duì)各子載波狀態(tài)的判斷。感知器接收連續(xù)d個(gè)OFDM符號(hào)周期的信號(hào)，并得到這d個(gè)符號(hào)在頻域的N點(diǎn)FFT結(jié)果。因?yàn)楦髯虞d波之間的狀態(tài)相互獨(dú)立，所以可以分別針對(duì)各個(gè)子載波上的感知信號(hào)，判斷某個(gè)子載波上是否存在授權(quán)用戶信號(hào)［4］。下面討論判斷的方法和標(biāo)準(zhǔn)。由于有d個(gè)符號(hào)周期的檢測(cè)時(shí)間，每個(gè)子載波都可以得到d個(gè)復(fù)數(shù)測(cè)量值，即2d個(gè)實(shí)數(shù)測(cè)量值。當(dāng)信道處于空閑即無(wú)授權(quán)信號(hào)時(shí)，感知器得到的僅僅是信道中的噪聲信號(hào)，假設(shè)此時(shí)系統(tǒng)服從H0假設(shè)；而當(dāng)授權(quán)用戶處于活躍狀態(tài)，感知器接收到的是噪聲與授權(quán)用戶疊加的信號(hào)，此時(shí)系統(tǒng)服從H1假設(shè)［5］：

由此可見，能量感知只需求取對(duì)應(yīng)子載波的實(shí)數(shù)測(cè)量值的平方和，并與一門限值比較。當(dāng)該測(cè)量值超過門限時(shí)，認(rèn)為存在授權(quán)用戶信號(hào)，否則認(rèn)為不存在授權(quán)用戶信號(hào)［6］。由于2d個(gè)測(cè)量值是與獨(dú)立無(wú)關(guān)的高斯變量，故它們的平方和Y服從χ2分布。在純高斯白噪聲的情況下，由于均量為零，Y服從中心分布；當(dāng)授權(quán)用戶出現(xiàn)時(shí)，感知信號(hào)是噪聲與一確定信號(hào)的疊加，均值非零，因此服從非中心χ2分布：

設(shè)檢測(cè)概率PD為將不可用（存在授權(quán)用戶信號(hào)）信道正確判為不可用的概率，則它是檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Y在H1假設(shè)下超過所設(shè)定門限值的概率。

3 感知時(shí)間優(yōu)化

頻譜感知的靈敏度和準(zhǔn)確性隨著檢測(cè)時(shí)間的增加而增加，有利于數(shù)據(jù)的正確傳輸，但檢測(cè)時(shí)間的增加將直接導(dǎo)致有效數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間的減少和傳輸效率的降低［7］。因此，在頻譜感知時(shí)間與有效數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間之間，存在一個(gè)最優(yōu)的分配方案。下面，討論求取使信道效率達(dá)到最大的感知時(shí)間長(zhǎng)度的方法。這里認(rèn)為感知器將不可用信道判為可用的部分會(huì)由于授權(quán)用戶干擾不能正確傳輸數(shù)據(jù)。則信道效率可以表示為：

其中，L為頻譜感知和有效數(shù)據(jù)傳輸階段OFDM符號(hào)數(shù)之和，為固定值; d為上節(jié)討論的頻譜感知所使用的符號(hào)周期數(shù)。注意到PFA是d的函數(shù)，故該優(yōu)化問題為：

可以通過遍歷d來求得最佳的d*和最高頻譜效率η*。

4 仿真結(jié)果

圖3、圖4給出了在信噪比為10dB情況下的仿真結(jié)果?？梢钥闯?，在相同感知符號(hào)周期的情況下，隨著門限的增加，誤檢概率逐漸增加而虛警概率逐漸減小，因此好的門限選擇應(yīng)在誤檢概率（PMD）和虛警概率（PFA）間取一個(gè)折衷，換句話說，應(yīng)使系統(tǒng)總的誤檢概率Pe=PFA+PMD達(dá)到最小。圖5給出了總的誤檢概率Pe隨門限和感知符號(hào)數(shù)d的變化曲線。可以看出，適當(dāng)?shù)剡x取門限可以使Pe達(dá)到最?。ó?dāng)d=3時(shí)，選擇15），并且隨著感知符號(hào)數(shù)d的增加Pe的最小值急劇減小。這說明增加感知符號(hào)數(shù)可以有效地提高認(rèn)知OFDM系統(tǒng)的檢測(cè)概率。感知符號(hào)數(shù)的增加會(huì)帶來感知時(shí)間的相對(duì)增加，信道傳輸時(shí)間會(huì)減少，從而降低認(rèn)知OFDM的信道效率，因此需要利用式（13）來確定最佳的感知符號(hào)數(shù)d，使檢測(cè)概率與信道效率間也產(chǎn)生個(gè)折衷。

認(rèn)知無(wú)線電對(duì)于OFDM系統(tǒng)的檢測(cè)是針對(duì)每個(gè)子載波進(jìn)行的，通過感知的OFDM符號(hào)FFT結(jié)果，利用能量檢測(cè)法來判斷頻譜空穴。本方法通過設(shè)定適當(dāng)?shù)拈T限可以使總的誤檢概率達(dá)到最小，經(jīng)過感知時(shí)間的優(yōu)化，在保證誤檢概率的前提下，可以使信道傳輸效率達(dá)到最大。

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