[摘 要]隨著頻譜資源的緊張，為了使更多的用戶能夠有效高效地接入頻譜中充分利用頻譜資源，認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)近幾年得到了提出和發(fā)展。頻譜感知技術(shù)又是其關(guān)鍵技術(shù)之一。本文從頻譜感知技術(shù)的角度出發(fā)，研究基于能量檢測(cè)的頻譜感知算法.

[關(guān)鍵詞]認(rèn)知無(wú)線電;能量感知

一、認(rèn)知無(wú)線電定義

隨著無(wú)線通信普及的廣泛化和個(gè)人化，無(wú)線電技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入越來(lái)越多的工作場(chǎng)合以及家庭的生活中。隨之，個(gè)體移動(dòng)電話、無(wú)線廣播、衛(wèi)星通信及定位等無(wú)線通信技術(shù)的大量運(yùn)用開(kāi)始對(duì)有限的不同頻帶上的頻譜資源進(jìn)行大量的占用，使得無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展受到了嚴(yán)重的制約。根據(jù)美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)對(duì)頻譜頻率高的頻帶部分利用率甚低，因此，對(duì)頻譜資源利用還有很大的潛力可以挖掘。然而，就目前的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)而言，想要對(duì)高頻帶的無(wú)線頻譜資源進(jìn)行利用需要對(duì)設(shè)備的精密度和復(fù)雜度有很高的技術(shù)要求，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)考慮經(jīng)濟(jì)和實(shí)用因素，所以就目前而言，想要充分利用該段資源仍有一定的困難。因此，我們不得不對(duì)目前已利用的頻譜資源進(jìn)行充分利用來(lái)面對(duì)日益緊縮的空閑的頻譜資源。由此，便誕生了認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)（Cognitive Radio，簡(jiǎn)稱(chēng)CR）。

所謂認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)，就是在頻譜資源極其緊張和匱乏的當(dāng)今，利用智能的認(rèn)知技術(shù)對(duì)頻譜空洞進(jìn)行探測(cè)，從而充分利用被授權(quán)用戶（又稱(chēng)主用戶，Licensed User，簡(jiǎn)稱(chēng)LU）占用而暫時(shí)未被利用的頻譜資源。當(dāng)處于某一個(gè)頻帶上的LU處于休息或者暫時(shí)停用的狀態(tài)時(shí)，認(rèn)知無(wú)線電可以在較短時(shí)間內(nèi)探測(cè)出LU的休眠狀態(tài)，從而讓感知用戶（又稱(chēng)非授權(quán)用戶和第二用戶，Cognitive User，簡(jiǎn)稱(chēng)CU）暫時(shí)利用該頻帶;當(dāng)處在該頻帶上的LU又開(kāi)始工作時(shí)，認(rèn)知無(wú)線電也可以在較短時(shí)間內(nèi)探測(cè)出LU的工作狀態(tài)，從而停止CU對(duì)該頻帶的利用以保證LU的正常工作，同時(shí)開(kāi)始對(duì)其他頻帶資源進(jìn)行類(lèi)似的探測(cè)以保證CU工作的時(shí)效性和連續(xù)性。因此，通過(guò)認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)，頻譜的利用率得到了充分的提高。在不干擾主用戶占用頻帶和正常工作的同時(shí)，對(duì)這頻帶進(jìn)行動(dòng)態(tài)的充分利用，這是無(wú)線電發(fā)展的必然趨勢(shì)。

二、頻譜感知技術(shù)

認(rèn)知無(wú)線電中頻譜感知技術(shù)是整個(gè)認(rèn)知無(wú)線電的最關(guān)鍵的技術(shù)之一。最初，在1999年，Joseph Mitola III提出認(rèn)知無(wú)線電這一概念以來(lái)，便開(kāi)始有許多組織機(jī)構(gòu)和個(gè)人開(kāi)始對(duì)認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)進(jìn)行定義并且開(kāi)始研究。其中，從能量感知的角度進(jìn)行的研究歸根結(jié)底主要來(lái)源于Harry Urkowitz的對(duì)于預(yù)先未知信號(hào)的能量分布進(jìn)行檢測(cè)的方法。

在能量檢測(cè)的系統(tǒng)環(huán)境中，主要存在兩種情況：主用戶存在（H1）和主用戶不存在（H0）。當(dāng)主用戶信號(hào)不存在時(shí)，由于外界環(huán)境和接收機(jī)均存在一定程度的干擾，因此一個(gè)感知用戶接收到的信號(hào)為高斯白噪聲n（t），當(dāng)主用戶信號(hào)時(shí)一個(gè)感知用戶接收到的信號(hào)是衰減信號(hào)和加性高斯白噪聲疊加的形式，其中n（t）是加性高斯白噪聲，s（t）是主用戶的發(fā)射信號(hào)，h是衰減信道的增益系數(shù)。

通過(guò)設(shè)定的門(mén)限 ，來(lái)對(duì)已經(jīng)獲得并且處理過(guò)的信號(hào)能量Y進(jìn)行判決，當(dāng) ，系統(tǒng)判定此時(shí)無(wú)主用戶信號(hào)，反之亦然。由于高斯白噪聲的存在，該判決會(huì)存在誤判，因此針對(duì)于感知準(zhǔn)確率而言，主要以檢測(cè)概率和虛警概率兩個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量能量檢測(cè)的特性。

針對(duì)于一個(gè)感知用戶CU而言，單門(mén)限能量檢測(cè)因?yàn)橹挥幸粋€(gè)判決門(mén)限，因此只存在絕對(duì)的兩種判決結(jié)果，而由于接收到的信號(hào)存在加性白噪聲的干擾作用，在不同的抽樣時(shí)刻，其加性白噪聲的瞬時(shí)值均不相同，因此存在某些時(shí)刻即使不存在主用戶的發(fā)射信號(hào)，接收信號(hào)的瞬時(shí)值同樣高于判決門(mén)限引起判決失誤。這種誤差在單門(mén)限判決中是避免不了的。為了減小這種判決失誤，針對(duì)于單門(mén)限的能量判決僅能做的只有提高判決門(mén)限;但是，這樣卻換得主用戶存在時(shí)的檢測(cè)概率下降。因此，為了改善這個(gè)矛盾，提出了多門(mén)限判決。

三、基于雙門(mén)限判決的能量感知

雙門(mén)限判決，即對(duì)接收機(jī)接收到的能量信號(hào)進(jìn)行兩個(gè)門(mén)限劃分成三個(gè)部分，包括H1，不確定區(qū)域和H0， 其中，Y為接收信號(hào)的功率。因此對(duì)處于確定區(qū)域的數(shù)據(jù)可以直接應(yīng)用和判決，而處于不確定區(qū)域要采用相應(yīng)算法進(jìn)行進(jìn)一步判決或者直接忽略并重新感知判決。

通常，當(dāng)Y處于不確定區(qū)域時(shí)，進(jìn)一步算法針對(duì)一個(gè)感知節(jié)點(diǎn)的一次感知是有限的，因?yàn)槌鲇诓淮_定區(qū)域的某一個(gè)數(shù)據(jù)無(wú)法直接分析出其規(guī)律。因此通常對(duì)不確定的區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步算法來(lái)判決需要多個(gè)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析，即單感知節(jié)點(diǎn)多次感知或者多感知節(jié)點(diǎn)同時(shí)感知。而通過(guò)直接忽略并重新感知（即留舍判決）則適合于單節(jié)點(diǎn)判決。

留舍判決是雙門(mén)限判決中最容易實(shí)現(xiàn)的一種方式。所謂留舍判決，就是雙門(mén)限判決時(shí)，從而減小因?yàn)榘自肼暤挠绊懚剐盘?hào)的幅值處于單門(mén)限判決的門(mén)限附近的不確定性。雖然形式和單節(jié)點(diǎn)判決差不多，但是因?yàn)楹雎粤颂幱诓淮_定區(qū)中的數(shù)據(jù)，相當(dāng)于數(shù)據(jù)的先驗(yàn)概率發(fā)生了變化，因此導(dǎo)致相應(yīng)的檢測(cè)概率和虛警概率發(fā)生變化。

四、結(jié)語(yǔ)

本文介紹了頻譜感知技術(shù)中常用的能量檢測(cè)的原理，確定了衡量頻譜感知性能中準(zhǔn)確率的指標(biāo)。針對(duì)不同環(huán)境中的感知效果，發(fā)現(xiàn)在理想高斯白噪聲環(huán)境中和具有信道衰落的瑞利信道中的感知結(jié)果具有一定的差異，而且瑞利信道下的感知結(jié)果不如理想情況。

對(duì)于基本的雙門(mén)限判決的原理和方法，通過(guò)設(shè)定一個(gè)過(guò)渡參數(shù)——上下門(mén)限比例系數(shù)，簡(jiǎn)化了雙門(mén)限判決中上下門(mén)限的定義規(guī)則。通過(guò)對(duì)留舍判決的介紹，僅將確定區(qū)域的數(shù)據(jù)加以利用。雙門(mén)限簡(jiǎn)單的判決效果比起普通的單門(mén)限判決要優(yōu)越很多，而且隨著B(niǎo)的增大而變好，但感知效率也隨之降低。然而，在實(shí)際運(yùn)用中，感知效果和感知效率均是衡量頻譜感知的重要指標(biāo)，缺一不可。因此，為了挺高感知效率，針對(duì)于雙門(mén)限的不確定區(qū)域，制定出相應(yīng)的算法使在不確定區(qū)域的數(shù)據(jù)加以利用而非單純的舍棄是有必要的。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 吳進(jìn)波， 羅濤， 樂(lè)光新. 認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)中的兩判決門(mén)限能量檢測(cè)算法. 高技術(shù)通訊. 2009. 19（9）： 887-890.