認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的頻譜感知技術(shù)認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的頻譜感知技術(shù)認(rèn)知無線電,認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò),頻譜感知認(rèn)知無線電/認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)起源于JosephMitola攻讀博士期間的研究工作，在其博士論文中，Mitola將認(rèn)知無線電定義為“theintegrationofmodel-basedreasoningwithsoftwareradiotechnologies”，認(rèn)為認(rèn)知無線電是智能計(jì)算和無線通信這兩個(gè)學(xué)科交叉融合的產(chǎn)物［1］。隨后，美國的FCC和DARPA分別啟動(dòng)了多項(xiàng)計(jì)劃，對(duì)認(rèn)知無線電和動(dòng)態(tài)頻譜接入問題進(jìn)行深入研究；歐盟的端到端重配置計(jì)劃（E2R:EndtoEndReconfigurabilityProject）也啟動(dòng)了對(duì)認(rèn)知概念在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域等各方面問題的研究。SimonHakin在2005年發(fā)表了關(guān)于認(rèn)知無線電的著名文章“Cognitiveradio:brain-empoweredwirelesscommunications”］?］，主要從信號(hào)處理和自適應(yīng)過程的角度對(duì)認(rèn)知無線電技術(shù)的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較為完善的分析。此后，許多有名的大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)也展開了相關(guān)技術(shù)的研究和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)，認(rèn)知無線電的概念也被擴(kuò)展為認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)，指利用認(rèn)知原理來提高各種資源（頻譜、功率等）使用效率的無線網(wǎng)絡(luò)［3］。在頻譜管理部門的帶動(dòng)下，一些標(biāo)準(zhǔn)化組織也先后開展了一系列標(biāo)準(zhǔn)制定工作以推動(dòng)該技術(shù)的發(fā)展。目前涉及認(rèn)知無線電/認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)制訂的組織和行業(yè)聯(lián)盟主要是美國電氣電子工程師學(xué)會(huì)（IEEE）、國際電信聯(lián)盟（ITU）和軟件無線電論壇（SDRForum）等。認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中，主（授權(quán)）用戶指那些對(duì)某段頻譜的使用具有高優(yōu)先級(jí)或合法授權(quán)的用戶，次級(jí)用戶是指那些低優(yōu)先級(jí)的用戶。次級(jí)用戶對(duì)頻譜的使用不得對(duì)主用戶造成干擾，因此要求其能快速、可靠地感知主用戶使用授權(quán)頻譜的情況。次級(jí)用戶必須具備認(rèn)知能力，因而稱其為認(rèn)知用戶，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中則表示為認(rèn)知節(jié)點(diǎn)。認(rèn)知用戶的頻譜感知主要包括在某個(gè)頻段上檢測(cè)主用戶存在與否（主用戶信號(hào)檢測(cè)）和估計(jì)認(rèn)知用戶對(duì)主用戶接收機(jī)可能造成的附加干擾（干擾溫度估計(jì)）兩個(gè)任務(wù)［4］。更進(jìn)一步的可能要求是頻譜感知還應(yīng)區(qū)分主用戶信號(hào)的種類（空中接口分類）［5］。目前大部分頻譜感知的研究都集中在最重要的主用戶信號(hào)檢測(cè)上。1.頻譜感知的基本方法主用戶信號(hào)檢測(cè)的單節(jié)點(diǎn)頻譜感知基本方法通常分為三類：第一類為相干檢測(cè)。如果知道主用戶信號(hào)的結(jié)構(gòu)特征（如導(dǎo)頻、前導(dǎo)或同步消息等），匹配濾波器加門限檢測(cè)的方法是最優(yōu)的主用戶信號(hào)檢測(cè)方法。相十檢測(cè)可獲得精確的頻譜感知結(jié)果，但其缺點(diǎn)也很明顯，必須知道主用戶信號(hào)的先驗(yàn)知識(shí)，而且當(dāng)認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行在很寬的頻段上時(shí)，實(shí)現(xiàn)許多類型的授權(quán)信號(hào)的相十檢測(cè)成本太高，幾乎不可實(shí)現(xiàn)。第二類為能量檢測(cè)。在感興趣頻段上測(cè)量某段觀測(cè)時(shí)間內(nèi)接收信號(hào)的總能量，如果能量低于某個(gè)設(shè)定門限則聲明該頻段為白空間。與相十檢測(cè)相比，能量檢測(cè)需要更長(zhǎng)的感知時(shí)間以達(dá)到同樣的感知效果，但低成本、易實(shí)現(xiàn)的特性使其受到認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中頻譜感知技術(shù)的青睞。以上基于信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的兩種頻譜感知方法，有很好的理論基礎(chǔ)［6］，性能分析已比較完善。第三類為特征檢測(cè)［7］。能量檢測(cè)的最大缺點(diǎn)是它不能區(qū)分接收到的能量是來自主用戶信號(hào)還是噪聲，在低信噪比環(huán)境中的頻譜感知結(jié)果尤其不可靠。在主用戶信號(hào)的載波頻率、調(diào)制類型或循環(huán)前綴等某些特征已知時(shí)，利用信號(hào)的期望和自相關(guān)函數(shù)呈現(xiàn)出來的周期性（循環(huán)平穩(wěn)譜相關(guān)特性），可將信號(hào)能量與噪聲能量區(qū)分開來，突破能量檢測(cè)的瓶頸。文獻(xiàn)［8］還分析實(shí)際情況下有限的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度對(duì)循環(huán)譜特征檢測(cè)的影響。實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度遠(yuǎn)高于能量檢測(cè)是制約特征檢測(cè)在頻譜感知中應(yīng)用的最主要缺點(diǎn)。此外，2003年底FCC頻譜政策工作組提出了干擾溫度模型［9］，意在對(duì)無線環(huán)境中的干擾源進(jìn)行量化和管理。干擾溫度限提供了特定地理位置在某一感興趣頻段上接收機(jī)能夠順利工作的最差環(huán)境的特征描述。根據(jù)干擾溫度模型，認(rèn)知用戶若能確定其對(duì)主用戶接收機(jī)造成的附加干擾量并加以限制，使主用戶接收機(jī)所受的總干擾（含噪聲）不超過干擾溫度限，則認(rèn)知用戶可與主用戶運(yùn)行在同一頻段上?？梢钥闯觯谥饔脩粜盘?hào)檢測(cè)的頻譜感知意在避開主用戶，而基于干擾溫度模型的頻譜感知?jiǎng)t試圖與主用戶同時(shí)并存于同一個(gè)頻段，這是兩者最大的區(qū)別。文獻(xiàn)［10］定義了已知和未知主用戶信號(hào)參數(shù)時(shí)干擾溫度的理想模型和一般模型，并從通信容量的角度分析了如何來最優(yōu)地選擇認(rèn)知系統(tǒng)的工作帶寬和發(fā)送功率。但干擾溫度模型存在兩個(gè)需要解決的難題：其一為在主用戶發(fā)送信號(hào)存在的情況下如何測(cè)定其接收機(jī)的噪聲水平，其二為在主用戶接收機(jī)位置未知的情況下如何估計(jì)認(rèn)知用戶對(duì)它可能產(chǎn)生的干擾。降低問題難度的一種可能辦法是讓主用戶系統(tǒng)來輔助認(rèn)知系統(tǒng)的頻譜感知，如文獻(xiàn)［11］中要求主用戶接收機(jī)在工作過程中持續(xù)發(fā)送指示信號(hào)。另一個(gè)需要考慮到的是，認(rèn)知用戶和主用戶共存于同一個(gè)頻段時(shí)，認(rèn)知系統(tǒng)的通信過程中也會(huì)受到授權(quán)系統(tǒng)的干擾，所以認(rèn)知系統(tǒng)能獲得的通信容量可能非常有限［10］。2.協(xié)同頻譜感知認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)可通過對(duì)多節(jié)點(diǎn)感知信息的協(xié)同處理來提高頻譜感知的效果，這被稱為協(xié)同（協(xié)作、合作）頻譜感知。頻譜感知性能主要由感知范圍、檢測(cè)時(shí)間、檢測(cè)概率、虛警概率等幾個(gè)相互關(guān)聯(lián)的指標(biāo)來衡量，協(xié)同頻譜感知可利用空間分集增益改善上述指標(biāo)，解決單節(jié)點(diǎn)感知中難以克服的多徑深衰落、陰影衰落和隱終端等難題［4］，同時(shí)也可減輕對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)感知靈敏度的要求，降低實(shí)現(xiàn)成本［12］。實(shí)現(xiàn)協(xié)同頻譜感知的方式有兩種，即中心式和分布式。中心式感知：中心單元收集各認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的感知信息，負(fù)責(zé)識(shí)別可用頻譜，并將頻譜可用信息廣播給各認(rèn)知節(jié)點(diǎn)或直接控制認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的通信參數(shù)。文獻(xiàn)［13］中以AP為中心收集、處理各感知節(jié)點(diǎn)的硬判決（二進(jìn)制）結(jié)果，通過克服信道衰落效應(yīng)來提高感知性能，其檢測(cè)概率和虛警概率的計(jì)算在文獻(xiàn)［14］中給出。文獻(xiàn)［15］以主節(jié)點(diǎn)（masternode）為中心節(jié)點(diǎn)合并各感知結(jié)果來檢測(cè)TV信道。文獻(xiàn)［16］則由融合中心（fusioncenter）根據(jù)各認(rèn)知節(jié)點(diǎn)能量檢測(cè)的結(jié)果最終判斷主用戶在某個(gè)頻段上的存在與否。分布式感知：認(rèn)知節(jié)點(diǎn)彼此之間共享感知信息，但獨(dú)立判斷各自的可用頻譜。與中心式感知相比，分布式感知的優(yōu)點(diǎn)是不需要基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，部署更靈活些。文獻(xiàn)［17］顯示一個(gè)用戶作為另一個(gè)用戶中繼的兩用戶協(xié)同頻譜感知可帶來35%的捷變?cè)鲆?所需感知時(shí)間減少35%)。文獻(xiàn)[18]進(jìn)一步將這種分布式感知協(xié)議推廣到多用戶環(huán)境中。無論中心式還是分布式感知，就協(xié)同頻譜感知的研究?jī)?nèi)容而言，主要包含以下兩個(gè)方面：認(rèn)知節(jié)點(diǎn)感知信息的合并處理，即考慮信息融合(fusion)問題。感知信息傳遞過程的合作，即考慮中繼傳輸問題。參考文獻(xiàn)MitolaJ.CognitiveRadio:AnIntegratedAgentArchitectureforSoftwareDefinedRadio[博士學(xué)位論文].Sweden:RoyalInstituteofTechnology(KTH),2000.HaykinS.CognitiveRadio:Brain-EmpoweredWirelessCommunications[J].IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications,2005,23(2):201?220.FitzekFHP,KatzMD.CognitiveWirelessNetworks[M].Springer,2007.ArslanH.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