《軟件無線電》-第九章

9.1認知無線電基本概念認知無線電是一種具有頻譜感知能力的智能化軟件無線電，它能自動感知(探測)周圍的電磁環境，尋找“頻譜空穴”，并通過通信協議和算法將通信雙方的信號參數調整到與所處環境匹配的最佳狀態。認知無線電不僅具有通信功能，而且還需具備頻譜探測、電磁環境分析能力，特別是要求認知無線電具有波形可編程、通信參數可調整的自適應能力。認知無線電的這些功能必須借助于軟件無線電平臺來實現。所以，軟件無線電是認知無線電的基礎；認知無線電是軟件無線電的智能化拓展。認知無線電已成為目前無線通信領域的一大研究熱點。本章將簡單介紹認知無線電的發展背景、基本概念、認知過程及其基本原理。下一頁返回9.1認知無線電基本概念隨著無線通信尤其是移動通信的快速發展，如何有效利用越來越稀缺的頻譜資源已成為無線通信領域越來越受到關注的重要問題。目前頻譜資源管理國際上采用的通用做法是實行授權和非授權頻率管理體制：對于授權頻段(如電視廣播頻段等)，非授權用戶不得隨意使用。由此帶來的問題是，在某些授權頻段，頻譜利用率很低，而在某些非授權頻段，信號又非常擁擠，導致頻譜資源利用極不均衡的狀態。為解決頻譜資源的有效利用問題，軟件無線電的創始人J.Mitola博士于1999年在軟件無線電的基礎上又提出了認知無線電(CR-Cognitiveradio)概念。本節將簡單介紹認知無線電的一些基本概念，包括它的提出背景、認知無線電的定義與特點以及需要解決的關鍵技術等內容。上一頁下一頁返回9.1認知無線電基本概念9.1.1認知無線電的提出背景隨著無線通信的快速發展，人們越來越清楚地認識到無線電頻譜是一種有限而又寶貴的自然資源，甚至是一種重要的戰略資源。它應該在無線通信領域得到合理、有效、經濟的利用，發揮其最大價值。在當今這個極其依賴無線通信的信息化社會，很難想象，假如所有無線電頻譜資源相互嚴重干擾，無法正常傳遞信息，整個社會將會是一種怎樣的景象。世界無線電管理委員會把所有頻譜資源進行了規劃.把相應的頻譜資源分配給各種用途。比如，廣播頻段為88~108MHz，而900MHz,1800MHz為移動通信頻段，902~928MHz,2.4~2.4835GHz等為用于工業、科上一頁下一頁返回9.1認知無線電基本概念

研和醫療(ISM)的不需要許可證的自由使用頻段。一旦某段頻譜資源分配給某種用途，其他用戶就無法使用這個頻段。而在現實中，頻譜利用率并不盡如人意，比如FCC頻譜政策任務組(FCCSpectrumPolicyTaskForce)研究表明，在大部分時間和地區，頻譜利用率在15%~85%。為了緩解頻譜資源遺乏以及授權頻段頻譜利用率低下的問題，需要一種全新的、開放式的頻譜管理體制，以更靈活、高效地利用寶貴的頻譜資源。于是，具有智能化的、可極大提高頻譜利用率的認知無線電技術(CognitiveRadio，CR)應運而生。上一頁下一頁返回9.1認知無線電基本概念9.1.2認知無線電的定義及特點不同研究人員對認知無線電的定義會有所不同。認知無線電概念的提出者JosephMitolaIII對認知無線電的定義是“認知無線電是一種采用基于模型的推理來達到無線電相關域中特定級別的能力的無線電”。美國電氣和電子工程師協會(IEEE)對認知無線電的定義是“認知無線電臺是一種能夠智能地檢測出某頻段頻譜是否正在使用、并且能夠快速轉移到暫時未使用頻段而不與其他授權用戶發生干擾的射頻收發器”。著名通信理論專家SimonHaykin對認知無線電的定義是“認知無線電網絡是一種智能的多用戶無線通信系統，它具有如下主要功能：感知無線電環境；對環境進行學習并根據射上一頁下一頁返回9.1認知無線電基本概念

頻激勵的統計變化來自適應調整收發信機的性能；通過自組織形式的協作來增強多個用戶間的通信；通過合理分配現有資源來控制具有競爭關系的用戶之間的通信過程；創建意圖和自意識的經驗”。如SimonHaykin所言，認知無線電的主要目的是要提高無線電頻譜的利用率和用戶的通信可靠性。認知無線電具有感知、學習和適應無線電環境的能力，其基本思想是對所處位置的電磁環境進行感知，實時(或動態)檢測出在某個時刻、某個位置末使用的頻段，并且自主動態地改變所發射信號的一些參數(例如：功率等級、載波頻率、調制樣式、頻譜特性等)，在不干擾已授權用戶的基礎上最佳使用這些頻段這可以上一頁下一頁返回9.1認知無線電基本概念

認為是一種“先聽后說”、信道動態選擇的頻譜使用模式。這樣，在理論上將實現在空間、頻率和時間上對頻譜的多維利用，從而突破了頻譜和帶寬方面的分配限制。同時由于認知無線電這種“見縫插針”式的通信方式，不僅大大提高了頻譜資源的利用率，而且可以自動避開干擾，提高通信的抗干擾、抗截獲能力進而提高了通信的可靠性和通信質量。由于認知無線電具有靈活、捷變、可感知、可認知、能組網等特點，使頻譜資源的管理使用從靜態走向動態，從古板走向智能。靈活性和捷變性使得認知無線電具有自適應能力。靈活性就是指認知無線電臺可以改變信號波形，重新配置設備的各種參數、功能；捷變性是指可改變設備工作頻段的能力。上一頁下一頁返回9.1認知無線電基本概念感知能力是指認知無線電具有觀測周圍電磁環境、確定自身位置、發現觀測網絡等的能力。通過感知可以檢測到存在何種信號，及其工作參數(帶寬、電平、調制類型、碼速率等)。在工作之前，通過感知可以發現認知無線電臺所覆蓋的頻率范圍內，哪些頻率沒被占用，屬于頻譜空穴，可以直接使用；哪些頻譜有信號存在，但通過降低認知無線電的發射功率可以公用；哪些頻率存在較強干擾不能使用。認知能力是認知無線電的本質特性，它通過基于建模、行動、反饋、用知識表不的分層算法來構成學習機器。比如，在嚴重阻塞的頻譜環境，無法依靠改變頻率來保證正常通信，這就需要采用擴頻、正交頻分復用(OFDM)、波束形成等手段，在當前環境下，找到局部或全局最優方法。認知無線上一頁下一頁返回9.1認知無線電基本概念

電的學習機制與人類類似：感知、行動、推理、反饋、積累知識和經驗這是一個不斷改善認知無線電執行能力的循環。這個循環通過網絡知識共享、分布式學習，使認知無線電的決策、優化能力更加增強。認知無線電系統是一個由分布式認知無線電節點組成的網絡，組網可以促進認知節點之間的交互，通過多點感知提供對環境更深刻、更全面的認識，實現在時、頻、空三維空間對無線電頻譜更為精確的感知。9.1.3認知無線電關鍵技術由上述討論可知，認知無線電首先要對所處的電磁環境進行準確的感知，而后在不影響主用戶(有許可證的授權用戶)的前提下實現通信。為達成這一目的，認知無線電需要解決如下關鍵技術。上一頁下一頁返回9.1認知無線電基本概念第一，準確、快速的頻譜感知技術：認知無線電必須有檢測非協同信號的能力，通過在整個可利用頻段不斷進行頻譜檢測，動態地發現和利用空閑頻譜資源。這就要求檢測器必須檢測準確(具有較低的虛警和漏警率)，而且檢測速度要快(有空閑信道就用，發現頻譜原用戶重新使用就避讓)。由于認知無線電對“頻譜空穴”的檢測屬于非合作監測，特別需要解決低信噪比信號檢測的問題。第二，多波段、可重構的認知無線電通用平臺：認知無線電要能工作于多個波段，能適合各種無線信道，能根據無線信道特征，對信號參數、波形等實現自適應配置。顯然，認知無線電可以以軟件無線電通用平臺為基礎，通過拓展其處理能力特別是一些算法和軟件來實現。上一頁下一頁返回9.1認知無線電基本概念第三，輻射功率小、抗干擾能力強的信號形式：為防止認知無線電發射的信號對其他用戶產生干擾，在保證可靠通信的前提下，盡量發射較小的功率。目前大家認為超寬帶(UWB)或OFDM是一種比較合適的認知通信波形。因為，超寬帶通信通過發射極窄的脈沖(沖擊無線電)來實現通信，因而它占有很大的帶寬(超過500MHz)。因此，UWB發射信號的功率被分配到一個很寬的帶寬上(超過幾個GHz)，其功率譜密度很低，不會對其他用戶形成干擾。同樣，OFDM信號也占用較寬的帶寬，而且可以根據頻譜感知情況隨時改變信號參數，適應不斷變化的電磁環境。上一頁下一頁返回9.1認知無線電基本概念第四，認知無線電的認知協議：收發雙方由于所在的位置不同，其所處的電磁環境也不一樣，空閑信道可能不盡相同；即使空閑信道存在，可能同時有多個。通信雙方如何保證及時快速地位于空閑信道，建立可靠通信，這需要一系列協議來控制。這個協議需要在射頻波段、空中接口、協議結構、時間空間模型以及頻譜信息交換規則等方面進行規定。

上一頁返回9.2認知無線電的認知循環過程Mitola和Haykin等人分別提出了各自的認知環來描述認知無線電的工作過程。Mitola給出的認知環包括觀測、定向、計劃、決策、行動、學習六個方面，更強調計算機軟件方面，而Haykin的認知環更強調信號處理方面，如圖9-1所示。我們則從信號處理與通信協議相結合的角度來討論認知無線電的工作過程，包括頻譜感知、頻譜分析、頻譜決策、頻譜會聚、頻譜監視和頻譜切換。9.2.1頻譜感知頻譜感知為認知無線網絡提供環境信息和決策依據，是提高頻譜利用效率、改善無線信道傳輸條件、網絡智能化、消除各種干擾(包括有意干擾、無意干擾)、有效進行頻譜資源管下一頁返回9.2認知無線電的認知循環過程

理的基礎認知無線電網絡中有兩類用戶：主用戶和次用戶主用戶即為對特定頻段有法定使用權的高優先級用戶，次用戶即為認知無線電用戶，對頻譜使用的優先權較主用戶低，其使用某一頻段的前提是要保證不對主用戶造成有害干擾。頻譜感知主要實現對周圍電磁環境的普查，通過在時域、頻域和空域等多維空間，檢測感知頻段內主用戶是否正在工作，從而完成“頻譜空穴”的檢測。“頻譜空穴”即為主用戶暫時末使用的頻段，認知用戶有望在“頻譜空穴”上建立通信，盡可能避免對主用戶(授權用戶)造成有害干擾。下一頁返回上一頁9.2認知無線電的認知循環過程目前研究人員已提出了多種頻譜感知方法，主要可以分為主用戶發射機檢測和主用戶接收機檢測。為克服“隱藏終端”問題，又提出了協作頻譜感知技術。9.3節將對頻譜感知方法進行詳細討論。

9.2.2頻譜分析通過網絡化的頻譜感知，可以發現在某個時段存在的“頻譜空穴”，這些可用“頻譜空穴”分布在授權頻段和非授權頻段上較寬的頻率范圍內，其頻率、帶寬、底部噪聲、使用時刻等各不相同。認知無線電頻譜分析主要完成對“頻譜空穴”特征的分析，如“空穴”所占的帶寬、“空穴”的干擾或噪聲電平、“空穴”的時間分布特性等。下一頁返回上一頁9.2認知無線電的認知循環過程信道容量是表征“頻譜空穴”性能的一個重要參數。認知無線電信道容量的估計可采用式(9-1)：（9-1）式中，C為信道容量；B為帶寬；S為接收到的認知無線電的信號功率；N是噪聲功率；I是授權用戶或其他用戶對認知無線電接收機的干擾功率。另外，頻譜分析還包括對主用戶末來活動性的預測，即頻譜預測。頻譜預測可以獲得“頻譜空穴”未來仍然空閑的時間長度，為頻譜決策提供重要依據。同時，在認知無線電已經使用某一“頻譜空穴”的情況下，頻譜預測還可以根據下一時刻主用戶出現的概率，提前退出相應頻段，最大限度降低對主用戶造成的干擾。頻譜預測首先需要對信道使用樣式進行建模，所選擇的模型要盡可能簡單，預測性能要盡可能好。目前采用的建模方法主要包括隱馬爾可夫模型和連續時間半馬爾可夫過程模型。下一頁返回上一頁9.2認知無線電的認知循環過程9.2.3頻譜決策頻譜決策在頻譜分析基礎上，選擇一組合適的“頻譜空穴”，確定通信體制和通信參數，以適應無線環境需求、監管政策要求、用戶服務質量(QoS)需求以及認知無線電平臺自身硬件條件。頻譜決策可以分為單參數決策和多參數聯合決策。頻譜決策中最重要的單參數決策就是對通信頻率的選擇，該問題也被稱為動態頻率選擇或動態頻譜分配。目前采用的方法主要包括博弈論、拍賣理論、議價機制、圖論著色以及進化算法。另一個單參數決策問題是發射功率控制問題，目前主要采用的方法是博弈論。下一頁返回上一頁9.2認知無線電的認知循環過程然而，認知無線電各個待優化參數與外部需求之間的關系通常都是互相關聯、不可獨立的，采用單參數決策的方法不能保證獲得全局較優的性能，因此，有必要采用多參數聯合決策技術，獲得性能較優的參數配置9.4節將對多參數決策進行詳細討論。9.2.4頻譜會聚頻譜會聚是指所確定的通信參數，建立發射機與接收機之間的通信鏈路，完成發射機與接收機的初始握手。目前較為典型的頻譜會聚方法依賴于一條可用的公共控制信道，該信道對所有認知節點均為可用，控制信息在該信道上交互IEEE802.22采用的就是這種方法。然而，這種方法在動態的認知無線電頻下一頁返回上一頁9.2認知無線電的認知循環過程

譜環境下具有嚴重的缺陷。首先，公共控制信道很難獲得，即使可以自適應設定公共控制信道，也不能保證其在整個認知無線電網絡中的可用性。“頻譜空穴”通常隨空間的變化而變化，在某個地點為“空穴”的頻段在另一個地點并不一定空閑。其次，依賴于一條公共控制信道會限制網絡的可擴展性，隨著網絡規模的增大，公共信道會變得非常擁擠。文獻[8]提出了一種不依賴于公共控制信道的頻譜會聚過程。通信發起端根據事先約定的協議發起呼叫，呼叫信號中包含通信參數信息，被呼叫方在對其周圍電磁環境進行感知的過程中，對新出現的信號進行參數識別接收解調和協議分析，以判定該信號是不是發給自己的鏈路建立信號。一旦判定是鏈路建下一頁返回上一頁9.2認知無線電的認知循環過程

立信號，就按照事先約定的協議發送回執，回執中包含被呼叫方認為較合適的通信參數信息；呼叫方接收到回執后即完成頻譜會聚過程，接下來通信雙方即按回執約定的通信參數進行通信。如果呼叫方在規定時間內接收不到回執，則在新的“頻譜空穴”(頻譜決策后的“空穴”)上發起呼叫，重復該過程直到接收到呼叫回執為止。為增加頻譜會聚的成功率，頻譜決策應該給出多組滿足性能要求的參數，頻譜會聚可以依次嘗試各組參數，直到成功為止。9.2.5頻譜監視頻譜監視即帶內感知，是指建立通信后，對通信信道進行的“在線”檢測。頻譜監視是保證認知無線電的通信不對主用戶造成有害干擾的重要過程，也是保證認知無線電在通信過程中下一頁返回上一頁9.2認知無線電的認知循環過程不經受其他干擾的重要措施。一旦發現當前通信信道內出現主用戶信號，則立即讓出該信道，避免對主用戶造成干擾。如果發現當前通信信道內出現其他干擾信號，則根據干擾信號的特點以及自身的通信質量要求，選擇合適的抗干擾或干擾“回避”策略。進行帶內感知時，所有使用該通信信道的認知無線電節點都要停止發送，保持靜默，從而保證感知到的不是認知無線電的通信信號。保證各節點的靜默期同步是一個難點問題，IEEE802.22中提出了相應的解決措施。9.2.6頻譜切換當帶內感知到主用戶信號時，認知無線電必須改變其工作頻率，尋找另一個“頻譜空穴”繼續通信，此過程即為頻譜切換。下一頁返回上一頁9.2認知無線電的認知循環過程

頻譜切換應盡可能快速地進行，確保在頻譜切換中最大限度地降低認知無線電用戶的業務性能損失。一種最直接的頻譜切換方法是在一條公共控制信道上對下一時刻使用的“頻譜空穴”及其他通信參數進行協商。然而，正如頻譜會聚部分指出的，認知無線電動態環境中無法保證一條公共控制信道在整個認知無線電網絡中的可用性。另一種不依賴于公共控制信道的頻譜切換方法是按照初始頻譜會聚流程重新建立通信，這種方法最突出的缺點是會消耗較多時間，對實時性要求高的業務來說，QoS會嚴重降低。為保證頻譜切換的快速平滑，可以采用如下方法認知無線電在通信過程中，始終協商保持一條備用信道，備用信道從通信雙方(或下一頁返回上一頁9.2認知無線電的認知循環過程網絡)的共同“頻譜空穴”中選擇，并隨時進行更新。當帶內感知到主用戶信號后，認知無線電通信雙方均切換到備用信道上進行握手。由于備用信道在上一時刻為“頻譜空穴”，所以在備用信道上成功建立通信的可能性非常高。為最大限度地增加備用信道的可利用性，在選擇備用信道時最好使其與當前工作信道完全不相鄰。這樣，在現有工作信道中出現了主用戶的時候，備用信道也受影響的可能性會大大降低。返回上一頁9.3頻譜感知技術認知無線電的核心思想就是使末來的無線電設備具有自主發現“頻譜空穴”，并合理有效地利用“頻譜空穴”的能力。如何快速、準確地檢測到“頻譜空穴”，即頻譜感知技術成為認知無線電需要著重解決的關鍵問題。國內外研究人員已提出多種頻譜感知方法，本節主要介紹其中較為常用的感知方法，分別從接收機檢測、發射機檢測、協作檢測和多維感知四個方面進行討論。9.3.1接收機檢測頻譜感知檢測頻譜空穴最有效的方法就是檢測在認知無線電通信范圍以內是否有主用戶在接收數據。一種接收機檢測方法是利用接收機的本地振蕩器泄漏來直接檢測主接收機。在主接收機下一頁返回9.3頻譜感知技術

旁安置一個體積小、價格低的傳感器節點，通過傳感器節點檢測其泄漏，判定主接收機工作在哪一個信道，再將判決信息以特定的功率通過獨立的控制信道傳送給認知無線電，認知無線電就可以利用判決結果來決定是否接人相應頻帶。然而，這種方法需要對主用戶接收機進行修改，對主用戶造成不便。另一種接收機檢測方法是檢測主用戶接收機處的干擾溫度。美國聯邦通信委員會將干擾溫度定義為：（9-2）式中，為干擾溫度；為帶寬、B為頻點，為處的干擾的平均功率；k為波爾茲曼常量。只要認知無線電的傳輸下一頁返回下一頁上一頁9.3頻譜感知技術

不會使主用戶接收機處的干擾溫度超過預先定義的干擾溫度限，認知無線電就可以使用相應頻段。這種方法最大的難點在于如何準確測量主用戶接收機處的干擾溫度。9.3.2發射機檢測頻譜感知由于接收機檢測存在較大難度，研究人員進而將接收機檢測問題轉換為發射機檢測，前提是要額外對主用戶發射機到主用戶接收機的通信距離進行補償，這可以通過增加認知無線電的檢測靈敏度來解決。1.匹配濾波法當認知用戶知道授權用戶信號的先驗信息(調制類型、脈沖整形、幀格式等)時，檢測的最優選擇是匹配濾波器，它能使得信噪比最大化。下一頁返回下一頁上一頁9.3頻譜感知技術對于輸人濾波器的信號：

(9-3)式中，為確知信號，為自噪聲，那么，匹配濾波器的脈沖響應為：

(9-4)k可以取為1。對于實輸人信號，并考慮物理可實現性，匹配濾波器的響應為：

(9-5)為使的全部能量都對輸出信號有貢獻，至少要選擇在輸人信號的末尾。匹配濾波器可以用相關器來實現。下一頁返回下一頁上一頁9.3頻譜感知技術

假設輸人信號的能量為，白噪聲的雙邊功率譜密度為，則匹配濾波器的輸出信噪比(SNR)為：

(9-6)它只與信號的能量有關，而與波形形式無關。匹配濾波器為達到較高的處理增益所需時間比較短，但是它要求知道主用戶信號的先驗知識，如果這些信息不準確的話，匹配濾波器的性能則很受影響。此外解調時必須通過時間和載波同步甚至是信道均衡來保證與主用戶信號保持相干性，而且對于不同的主用戶類型需要專門的接收機。

下一頁返回下一頁上一頁9.3頻譜感知技術2.基于波形的檢測方法為便于同步或其他目的，無線系統通常會使用一些已知的模式這些模式包括導頻、擴頻序列等。具備已知模式后，就可以通過將接收到的信號與已知模式進行相關來實現感知，這種感知方法被稱為基于波形的檢測。設接收到的信號為：（9-7）式中，為待檢測信號；為加性高斯白噪聲。主用戶沒有傳輸信號時，。基于波形的檢測的判決量為：

(9-8)

式中，N為已知模式的長度。下一頁返回下一頁上一頁9.3頻譜感知技術

當主用戶信號不存在時，感知判決量變為：

(9-9)

同樣地，當主用戶信號存在時，感知判決量變為：

(9-10)將感知判決量與判決門限進行比較就可以判定主用戶信號是否存在。噪聲功率比較容易估計，而由于主用戶與認知無線電之間的傳輸條件不斷變化，信號功率難以估計。實際中通常根據一定的虛警概率來確定判決門限，所以僅知道噪聲功率就可以確定判決門限。下一頁返回下一頁上一頁9.3頻譜感知技術3.能量檢測方法當認知用戶不知道主用戶信號信息的時候，能量檢測方法比較適合。它是一種比較簡單的信號檢測方法，屬于信號的非相干檢測。該方法在時域和頻域都可以應用。檢測過程如圖9-2所示。在時域應用時，先將信號通過一個帶通濾波器來取出感興趣的頻段，然后進行取平方操作，接下來通過積分器對時間進行平均.最后將得到的能量與預先設定的門限值進行比較。當所得的感興趣頻段上的能量值大于門限值時，可以判定該頻段上存在主用戶信號，認知用戶不適合在該頻段上工作；小于門限值時，可以判定該頻段上僅有噪聲，不存在主用戶信號，認知用戶可以使用該頻段。在頻域應用時，為得到信號下一頁返回下一頁上一頁9.3頻譜感知技術

的能量，可以先對信號進行FFT變換，變換到頻域，然后檢測所設定的頻帶上有無信號，判決過程同上。在頻域應用時不需要使用帶通濾波器。能量檢測的方法應用起來比較簡單，可以很快地判斷出感興趣頻段是否可用。但該方法也存在著缺點：①門限值的設定比較困難。②因為僅僅是計算所接收到信號的能量，所以當信號經歷比較嚴重的多徑或陰影時，可能會因為檢測到的能量過小而發生漏檢現象。而且能量檢測還不能分辨出有用信號、噪聲和干擾，當噪聲和干擾比較嚴重時，可能會因為檢測到的能量大于門限值而發生錯檢現象。且在低SNR的情況下，能量檢測方法的性能不佳。③能量檢測不適用于擴頻信號、直接序列信號以及跳頻信號的檢測。下一頁返回下一頁上一頁9.3頻譜感知技術4.循環平穩特征檢測方法經過調制的定頻信號一般都是對正弦載波信號進行幅度、相位、頻率的調制，對周期脈沖信號進行脈幅、脈寬、脈位調制.跳頻信號有跳頻頻率集、跳頻序列，擴頻信號有偽碼，OFDM信號有循環前綴等，這些特征的存在使得這些信號有內在的周期性。如果一個隨機過程的均值、自相關函數都具有周期性，且周期與信號的周期相同，則稱是廣義循環平穩的，即滿足：

(9-11)

式中，T為周期。下一頁返回下一頁上一頁9.3頻譜感知技術

自相關函數是周期的時間函數，因此可以表示為傅里葉級數：

(9-12)(9-13)

式中，被稱為循環自相關函數，它反映了信號周期相關函數的頻譜特性。定義1/T為基本循環頻率，(n=0,1,2,...)稱為信號的循環頻率。時，循環自相關函數就是傳統意義上的自相關函數。傳統意義上的功率譜密度是由自相關函數的傅里葉變換定義的，同樣，循環自相關函數的傅里葉變換定義為循環譜密度函數，由下式得到：下一頁返回下一頁上一頁9.3頻譜感知技術

(9-14)若定義短時傅里葉變換：

(9-15)則：

(9-16)對于循環平穩信號，某頻率f處的循環譜密度值就是f上下各間隔處的譜分量的互相關，即：

(9-17)下一頁返回下一頁上一頁9.3頻譜感知技術這個函數也被稱為譜相關函數，或循環譜。可以通過分析信號的譜相關函數來確定主用戶信號是否存在。在循環譜圖上，零循環頻率對應信號的平穩部分，非零的循環頻率則體現信號的循環平穩特征。因為噪聲是廣義平穩的，也就是說平穩的噪聲在非零循環頻率處(即)不呈現頻譜相關性，只在循環頻率為零時出現譜峰值。而已調信號是循環平穩的，它在非零的循環頻率處也出現峰值。如果在時還可以觀察到循環譜峰值存在的話，就說明此時存在主用戶信號；如果僅僅在零循環頻率處出現循環譜峰值，就可以判斷此時只存在噪聲，不存在我們感興趣的信號。信噪比很低時，還可以利用譜相關函數的等高線圖來輔助察看非零循環頻率處是否存在循環譜峰值，克服噪聲及干擾的影響。下一頁返回下一頁上一頁9.3頻譜感知技術應用循環特征檢測方法的最大優點是能夠將噪聲的能量和信號的能量區分開來，可以完全擺脫背景噪聲的影響，在信噪比較低的情況下也具有較好的檢測性能，可見基于循環特征的檢測在區分噪聲方面比能量檢測的性能要好。但是計算的復雜度是影響其應用的一個瓶頸，而且所要求的觀測時間也較長。9.3.3協作頻譜感知單個認知無線電的感知能力(接收靈敏度、作用距離、檢測帶寬等)有限，在對主用戶信號進行探測時，由于存在遮擋、衰落等原因，勢必會出現“隱藏終端”問題，因此需要利用其他下一頁返回下一頁上一頁9.3頻譜感知技術

受陰影和衰落影響較小的認知節點的感知結果，從而提高檢測性能而且認知無線電通信雙方、多方由于地理環境等原因，所處的電磁環境并不盡相同，需要通過多個認知無線電臺的協同工作，才能實現較寬頻率范圍、較大作用距離、較高效率的感知。同樣，由于各個認知無線電臺所處的電磁環境不同，可以使用的頻譜資源可能不一樣，因此需要協同工作，甚至需要一些中繼設備進行轉接。協作感知時，相互協作的各個認知無線電臺的感知結果需要在控制信道上進行傳輸，按照交互的信息的不同，可以分為統計量融合和判決融合。判決融合僅交互最后一比特的判決結果，引人的通信負載最少，控制信道所需帶寬也最小，但下一頁返回下一頁上一頁9.3頻譜感知技術

是在檢測性能改進上比統計量融合要差增加協作的用戶數可以提高檢測靈敏度，但是也會增加協議設計復雜度和通信開銷，因此需要進行折中。另外，用戶的可靠性問題是協作感知的一大挑戰。部分惡意可能發送虛假感知信息，阻止參與協作的其他認知用戶使用“頻譜空穴”。因此還需要在認知無線電網絡中建立有效的可信度管理系統。認知無線電的頻譜感知是一個系統工程，要建立認知無線電的工作體系架構，通過分布式的探測、網絡化的調度，來保證各認知無線臺的正常工作。有人提出分別部署兩個網絡一個為頻譜感知網絡一個為自適應通信網絡。在目標區域建立以頻譜感知為目標的無線電傳感器網絡，把各個節點搜集的信息形成一張頻譜占用表，實時傳遞給自適應通信網絡，通信網絡利用這些信息，通過智能化的計算來決定如何利用頻譜資源。下一頁返回下一頁上一頁9.3頻譜感知技術9.3.4多維頻譜感知目前“頻譜空穴”僅考慮了頻譜空間的頻率、時間和空間三個維度。然而，實際上仍然可以在其他維度上探索頻譜機會，如碼字、方向等。增加新的維度為頻譜感知技術提供了新的途徑。例如，增加碼字這一維度可以避免傳統頻譜感知算法無法很好檢測擴頻信號的缺點，增加方向這一維度則可以在不同方向上使用頻率、時間、地理區域上重合的同一頻段。表9-1給出了多維頻譜空間以及相應的感知要求，每一維度都有特定的參數需要感知。返回上一頁9.4IEEE802.22標準IEEE802.22標準是世界上第一個認知無線電通信系統標準，也稱為無線局域網(WirelessRegionalAreaNetworks，WRAN)。2004年11月，IEEE802.22工作組正式啟動。在54~862MHz的VHF/UHF電視頻段內，制定基于認知無線電的PHY層和MAC層的空中接口，信道帶寬是能兼容各種電視信號標準的帶寬6MHz、7MHz、8MHz。選這個頻段主要是考慮到現在電視信號大多采用衛星和光纖來傳輸，而且這個頻段的傳播特性比較好。IEEE802.22系統必須由一個基站(BS)和至少一個用戶端設備(CEP)組成，由BS來管理CEP。基站采用點對多點的方式將下行數據發送給用戶端設備。它們之間可以是視距LOS也可以是非視距(NLOS)傳播。基站除了具備常規的功下一頁返回9.4IEEE802.22標準

能之外，還必須具備分布式感知的能力。能力協調用戶端設備對不同的TV信道進行分布式的測量。基站根據收到的測量信息和自己感知的信息，決定下一步的行動，改變發射功率、頻率等。IEEE802.22系統的頻譜利用率在0.5~5b/s/Hz。如按3b/s/Hz計算，6MHz帶寬的信道內可以傳輸的速率達18Mb/s。目前在用戶端的等效輻射功率為4W時，基站的覆蓋范圍為33km，如基站功率不受限制，最大覆蓋范圍可以達到100km。下一頁返回上一頁9.4IEEE802.22標準9.4.1物理層接口在IEEE802.11協議中，物理層的上下鏈路都采用OFDMA調制體制。由于用戶端距離基站的距離各不相同，因此，信噪比也不盡相同，基站為了提高系統效率，能對每個用戶端設備的帶寬、調制方式和編碼方式等進行調整。目前的提案建議將電視信道劃分成28個子信道，采QPSK、I6QAM、62QAM調制，信道編碼方式為1/2、3/4、2/3的卷積碼。其中，OFDMA的參數和整個系統的參數如表9-2、表9-3所示。9.4.2MAC層接口為能對無線電環境作出及時反應，MAC層需要具有高度的動態性能除了能提供媒體接人控制、魯棒數據傳輸等傳統的下一頁返回上一頁9.4IEEE802.22標準MAC服務之外，還要能提供一整套全新的機制來保證系統。在TV頻段內有效工作，例如，分布式頻譜感知、頻譜資源共享等。為了高效利用頻譜資源，IEEE802.22規定下行介質接人方式為時分復用(TDM)，上行是命令分配(DAMA)形式的時分多址(TDMA)。從基站(BS)到用戶端設備(CEP)的下行方向是TDM和廣播方式。從用戶端設備(CEP)到基站(BS)的上行方向.用戶端設備根據DAMATDMA方案共享媒質。MAC的結構由一個或多個PHY/MAC空中接口模塊以及一個頻譜管理單元構成，如圖9-3所示。頻譜管理單元實現空閑信道合并，以滿足傳輸速率的要求。給各個PHY/MAC模塊分配經過確認的空信道。頻譜管理的另一功能是接收并處下一頁返回上一頁9.4IEEE802.22標準

理不同PHY/MAC模塊的請求。當某個模塊的干擾情況發生了變化，MAC的某種專門協議會探測到這種情況，并采取切換信道等行動來解決這個問題。每個802.22站擁有一個48b長MAC地址，不同設備產商的802.22產品該地址是唯一的。在初始化過程中，其用于與CPE的連接；在基站和CPE的相互論證過程中也要用到這個地址。MAC的一幀由下行(DS)子幀和上行(US)子幀兩部分構成。下行子幀由一個下行PHY協議數據單元(PDU)和可能的用于共存的競爭間隔構成；上行子幀由初始化、帶寬要求、緊急共存情形通知以及一個一個或多個PHYPDU組成，如圖9-4所示。下一頁返回上一頁9.4IEEE802.22標準9.4.3其他接口要求802.22要求CPE具備兩副單獨的天線：一為定向天線，用于CPE與BS的通信；一為全向天線，用于感知和測量。當BS檢測到信道中主用戶的電平高于一定門限值的時候就要讓出信道。例如，數字電視信號(DTV)：在6MHz的帶寬內檢測到的功率達到-116dBm；模擬電視廣播：-96dBm；無線麥克風信號：在200kHz帶寬中測到-107dBm的信號.返回上一頁9.5基于盲源分離的認知無線電實現無線電認知功能的關鍵是感知通信雙方所處環境的“頻譜空穴”，以便在此空閑信道上建立通信。但要準確、快速、大范圍感知“頻譜空穴”并不是件容易的事，甚至需要付出很高的代價。這里我們提出了一種基于盲源分離的軟件無線電，利用該技術可以不用感知“頻譜空穴”，而是在所期望的任意信道上進行自由通信，用管在該信道上是否存在其他通信信號或干擾信號，因為在接收端采樣盲源分離可以完好地分離出所需要的通信信號。9.5.1盲分離無線電的組成架構盲源分離(BSS)是在只知道觀察信號，而不知道源信號以及混合矩陣的任何信息的前提下，對源信號進行分離(估計)的過程基于盲源分離的無線電(BSSR)架構如圖9-5所示。下一頁返回9.5基于盲源分離的認知無線電

圖中T/R為收/發射頻前端，BSS為盲分離算法，DBF為數字波束形成算法。由圖可見，盲分離無線電是以增加硬件復雜性(需要采用多通道陣列處理技術體制)為代價，換取頻譜資源的高效重復使用的。盲源分離的主要特點是需要采用天線陣進行陣列信號處理：在接收端，多陣列天線接收的信號通過T/R射頻前端(完成模擬下變頻)送到多通道ADC進行采樣數字化，并采用盲源分離(BSS)技術對在頻譜上重疊的信號進行分離，最后送到軟件解調模塊進行解調處理；在發射端，調制后的數字信號首先進行數字波束形成(DBF)產生須發送的中頻數字化信號，再經過DAC轉變為模擬中頻信號，最后通過上變頻(由T/R射頻前端完成)變換為射頻信號，如圖9-5所示盲源分離是實現BSSR的前提和關鍵，下面簡單介紹一下盲源分離的基本原理。下一頁返回上一頁9.5基于盲源分離的認知無線電9.5.2盲分離基本原理假設從m個天線