在某一時(shí)刻沒有被使用的頻段）,這就給予了頻譜感知一

1、第7章頻譜感知為了認(rèn)知無線電的可靠運(yùn)行，我們必須在鏈路層精確檢測頻譜空洞(也就是，在某一時(shí)刻沒有被使用的頻段)，這就給予了頻譜感知一個(gè)重要的角色，產(chǎn)生了大量的 研究。對于迭加或者共存式的多無線電系統(tǒng)，我們也許想要檢測更多的頻譜信息，來控制干擾的大小。當(dāng)利用認(rèn)知無線電進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)時(shí)，我們需要鏈路建立外更多的信 息，以在網(wǎng)絡(luò)層面獲得更好的頻譜利用。7.1.頻譜感知以檢測主用戶系統(tǒng)我們從最簡單的情況開始頻譜感知，即一個(gè)主用戶系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)-接收機(jī)對，和一個(gè)認(rèn)知無線電發(fā)射機(jī)-接收機(jī)對。除掉有效的頻譜感知外，我們還有更多的挑戰(zhàn)。 次級認(rèn)知無線電用戶，甚至是在系統(tǒng)的邊緣或者警戒頻段，應(yīng)該可以檢測到主用戶信號，盡

2、管有可能無法解碼。進(jìn)一步地，次級認(rèn)知無線節(jié)點(diǎn)一般來說不知道主用戶 的發(fā)射策略，而且可能無法知道主用戶的訓(xùn)練和同步信號。這意味著次用戶被迫進(jìn)行非相干能量檢測，在低信噪比的時(shí)候性能比相干檢測差得多。7.1.1.傳統(tǒng)頻譜感知既然認(rèn)知無線電經(jīng)常被考慮成智能型無線通信設(shè)備，可以感知環(huán)境，適應(yīng)和優(yōu)化其傳輸和頻譜使用。頻譜感知為認(rèn)知無線電用戶提供了重要功能，使之可以檢測主用 戶未使用的頻譜，提高整體頻譜效率。傳統(tǒng)的鏈路層并置針對一個(gè)主用戶系統(tǒng)的頻譜感知被使用來從以下兩個(gè)假設(shè)里做一個(gè)決定：其中？為認(rèn)知無線電接收到的復(fù)信號，？為主用戶發(fā)射的信號，？為加性高斯白噪聲，？為理想信道的復(fù)增益，N為觀察間隔。如果信道不

3、是理想 的，？和？就是卷積的而不是相乘的。？代表零假設(shè)，即沒有主用戶，？代表另外一個(gè)假設(shè)，即主用戶存在。WANG等人將頻譜感知分為基于能量的和基 于特征的。以下，我們概述一下一些有名的頻譜感知的方法，即能量檢測，匹配濾波器，偽穩(wěn)態(tài)檢測和小波檢測(基于能量的)。7.1.1.1. 能量檢測當(dāng)主用戶的信號不知道的時(shí)候，能量檢測的方法是在所有檢測零均值調(diào)制信號的方法里最優(yōu)的，并且可以應(yīng)用到認(rèn)知無線電里面。在能量檢測方法里，無線頻率能量 或者接收信號強(qiáng)度指示，在一個(gè)觀測時(shí)間內(nèi)被測量，然后決定頻譜是否被占用。能量檢測經(jīng)常應(yīng)用在時(shí)域上，有時(shí)也可以在頻域上實(shí)現(xiàn)。我們集中在時(shí)域?qū)崿F(xiàn)上。接 收到的信號被平方后，在

4、整個(gè)觀測期間被積分。然后積分器的輸出與一個(gè)門限值比較，用來決定主用戶是否存在，即以下二元決策其中？為門限值，依賴于接收機(jī)噪聲?？紤]到實(shí)現(xiàn)，我們有多種基于能量檢測的傳感器。模擬實(shí)現(xiàn)需要一個(gè)模擬的固定帶寬濾波器，但是如果要同時(shí)感知窄帶和寬帶的信號，這個(gè)濾波器就缺乏靈活性。數(shù) 字的實(shí)現(xiàn)可以通過基于FFT的譜估計(jì)更加靈活，這樣的結(jié)構(gòu)天生支持各種帶寬類型，并允許同時(shí)檢測多個(gè)信號。圖7。1。顯示了能量檢測器的數(shù)字實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)。盡管能量檢測不需要主用戶信號的先驗(yàn)知識，但是它仍然有各種困難。首先，它只能檢測能量超過閾值主用戶。能量檢測的閾值也可能有問題，因?yàn)樗菀资茏儞Q的 背景噪聲，尤其是干擾，的影響。另外一個(gè)

5、調(diào)制是能量檢測無法區(qū)分同一信道內(nèi)的主用戶信號和其他次用戶信號。這是一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)，當(dāng)多個(gè)系統(tǒng)的主用戶在認(rèn)知 無線電里共存，我們隨后在本章里進(jìn)行討論7.1.1.2. 匹配濾波器匹配濾波器是最優(yōu)的檢測方法，因?yàn)樗梢栽诩有愿咚拱自肼曋凶畲蠡邮盏降男盘柕男旁氡??？墒?，匹配濾波器需要主用戶的在物理層和MAC層的先驗(yàn)信息，例 如脈沖成形，調(diào)制方式，數(shù)據(jù)包格式。所以，匹配濾波器是一種基于特征的頻譜感知。匹配濾波器是通過對一個(gè)已知信號和一個(gè)未知信號做相關(guān)來檢測其存在。這等 價(jià)于將未知信號和假設(shè)信號的時(shí)間反轉(zhuǎn)做？。然后匹配濾波器的輸出和一個(gè)門限做比較，來判斷主用戶是否存在。因此，我們做以下的二元判決其中？為

6、門限。匹配濾波器一般應(yīng)用在無線通信和雷達(dá)傳輸上?？墒?，在認(rèn)知無線電的范疇內(nèi)，匹配濾波器的應(yīng)用嚴(yán)重受到限制，如果主用戶信號的信息很難得到的話。幸運(yùn)的是， 絕大多數(shù)？系統(tǒng)有導(dǎo)頻信號，？，同步信號或者擴(kuò)展碼，以獲得相關(guān)檢測。如果主用戶信號的部分信息已知，例如導(dǎo)頻信號或者？，匹配濾波器仍然可 能使用。我們這里以相關(guān)導(dǎo)頻信號作為例子。這里，方程(7.1) 和(7.3)中的？被？所代替，即主用戶的導(dǎo)頻信號。圖7.2.給出了相關(guān)導(dǎo)頻檢測器數(shù)字實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)。其主要好處是匹配濾波器需要更少的時(shí)間來得到 高的處理增益，因?yàn)椴捎昧讼嚓P(guān)檢測?？墒?，對于解調(diào)，認(rèn)知無線電不得不實(shí)現(xiàn)時(shí)間和載波的同步，甚至信道均衡。因此，認(rèn)知

7、無線電對沒一種主用戶系統(tǒng)都需要一 個(gè)專門的接收機(jī)，這就增加了復(fù)雜度，當(dāng)目標(biāo)系統(tǒng)可能是多種系統(tǒng)之一時(shí)，這就對匹配濾波器造成了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，甚至對于可編程的實(shí)現(xiàn)。7.1.1.3.周期穩(wěn)態(tài)檢測周期穩(wěn)態(tài)檢測的想法是利用調(diào)制信號的內(nèi)在的周期性，例如正弦載波，脈沖序列，重復(fù)擴(kuò)展，跳頻序列，或者周期？。一個(gè)信號被稱為(寬)周期穩(wěn)態(tài)，當(dāng)其自 相關(guān)函數(shù)是時(shí)間的周期函數(shù)。周期穩(wěn)態(tài)檢測可以如下進(jìn)行。首先，我們可以計(jì)算觀測到的信號的周期自相關(guān)函數(shù)(CAF)，？其中？稱為循環(huán)頻率。然后，我們可以計(jì)算CAF的離散Fourier變換，來得到譜相關(guān)函數(shù)。特別的，以下公式已經(jīng)得到證明，其中頻譜相關(guān)函數(shù)？也稱為循環(huán)頻譜，它是一個(gè)頻

8、率和循環(huán)頻率的二元函數(shù)。我們也指出功率譜只是譜相關(guān)函數(shù)當(dāng)？的時(shí)候的特例。最后，我們搜索對應(yīng)于SCF平 面上的尖峰的唯一的循環(huán)頻率，以完成檢測任務(wù)。循環(huán)穩(wěn)態(tài)檢測器一般是在數(shù)字域內(nèi)實(shí)現(xiàn)。直接的方法先通過FFT來計(jì)算頻譜分量，然后在頻譜分量上直接計(jì)算頻譜相關(guān)性。用于頻譜檢測的循環(huán)穩(wěn)態(tài)檢測器的數(shù)字 實(shí)現(xiàn)如圖7.3. 所示。循環(huán)穩(wěn)態(tài)檢測的主要好處是它可以區(qū)分噪聲能量和信號能量。這是因?yàn)樵肼暃]有譜相關(guān)，而調(diào)制信號通常是循環(huán)穩(wěn)態(tài)的，因?yàn)橛星度氲男盘栔芷诘娜哂嘈畔ⅰ?較能量檢測而言，循環(huán)穩(wěn)態(tài)檢測器對噪聲的不確定性更為穩(wěn)健。而且，它可以在比能量檢測更低的SNR的條件下工作，因?yàn)楹笳邿o法利用接收到的信號里嵌入的信

9、 息，而特征檢測器可以做到。人們知道循環(huán)穩(wěn)態(tài)檢測比能量檢測可以獲得更大的處理增益。可是，循環(huán)穩(wěn)態(tài)檢測的實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜。因此，短時(shí)間的頻譜空洞可以無法 有效利用。當(dāng)我們考慮多系統(tǒng)共存時(shí)，循環(huán)穩(wěn)態(tài)檢測器的系統(tǒng)辨識讓系統(tǒng)更加復(fù)雜，所以我們需要一個(gè)有效的方法來處理之。7.1.1.4.小波檢測在檢測寬帶信號時(shí)，和傳統(tǒng)的多窄帶帶通濾波(BPF)方法比，小波方法可以在實(shí)現(xiàn)代價(jià)和靈活性兩方面都有優(yōu)勢。為了辨識出空閑頻段的位置，整個(gè)寬帶被考慮 成一串頻率子帶，其中在各個(gè)子帶上功率譜特性是光滑的，只有在子帶的邊界上才會(huì)發(fā)生突變。通過對觀察到的功率譜密度(PSD)進(jìn)行小波變換，功率譜密度的 奇點(diǎn)就可以被找出來，這樣空

10、閑的頻段就找到了。在實(shí)際使用中，小波檢測的一個(gè)關(guān)鍵性挑戰(zhàn)是大帶寬帶來的高采樣率。小波檢測器的數(shù)字實(shí)現(xiàn)如圖7.4.所示。 當(dāng)頻譜內(nèi)有多個(gè)系統(tǒng)的時(shí)候，小波檢測很難分別出多個(gè)系統(tǒng)，因?yàn)樾〔z測器是用來辨識空閑頻譜的邊界的，它很難應(yīng)付系統(tǒng)間的互相干擾。7.1.2.功率控制當(dāng)一個(gè)認(rèn)知無線電在網(wǎng)絡(luò)里以次用戶身份運(yùn)行時(shí)，它的頻譜接入優(yōu)先級比已經(jīng)存在的主系統(tǒng)低。因此，認(rèn)知無線電應(yīng)該設(shè)計(jì)來防止主系統(tǒng)在傳輸中遭到有害干擾?？?是，嚴(yán)格保證主系統(tǒng)的運(yùn)行不是容易的事，因?yàn)橛须[終端問題，這在載波偵聽網(wǎng)絡(luò)里已經(jīng)充分研究了。當(dāng)兩個(gè)終端在一個(gè)基站范圍內(nèi)，可是互相無法聽見，或者被某 些對無線信號透明的物理障礙分開，它們就被稱為

11、互相隱藏。在無線局域網(wǎng)里或許類似的無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)里，隱終端問題會(huì)在接收機(jī)造成可能的碰撞，當(dāng)發(fā)射機(jī)是隱藏 的時(shí)候(所以就無法感知到彼此的發(fā)射)。這可以通過四輪握手方法來解決，其中先發(fā)射一個(gè)短的需求信號，數(shù)據(jù)包只有在接收機(jī)同意的情況下才能發(fā)送。因此，碰 撞只會(huì)在傳輸需求信號時(shí)發(fā)生，而不會(huì)在數(shù)據(jù)信號時(shí)發(fā)生。通過這個(gè)檢驗(yàn)和觀測的過程，隱終端問題得到了解決，正如IEEE 802.11 MAC里一樣。類似的，隱終端問題也會(huì)在認(rèn)知無線電里發(fā)生。當(dāng)認(rèn)知無線點(diǎn)發(fā)射時(shí)，它需要知道它的發(fā)射對于主用戶系統(tǒng)的影響。更具體地說，主用戶接收機(jī)處的干擾應(yīng)該保證在 一定門限之下。我們把主系統(tǒng)接收機(jī)看成是一個(gè)隱終端，當(dāng)其存在無法被

12、認(rèn)知無線電檢測時(shí)。圖7.5.顯示了認(rèn)知無線電里分別因?yàn)槁窂綋p失和？的隱終端問 題。認(rèn)知無線電也許會(huì)因?yàn)殡[終端問題而遭受嚴(yán)重?fù)p失，因?yàn)樗鼘o法預(yù)知的干擾引入了主系統(tǒng)。7.1.3.功率-？功率控制傳統(tǒng)的頻譜檢測方法主要是被動(dòng)地通過檢測主系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的信號。既然我們經(jīng)常假設(shè)認(rèn)知無線電發(fā)射機(jī)(CR-Tx)并不知道它到PS-Rx的信道，認(rèn)知無線電 的敏感度就應(yīng)該遠(yuǎn)高于PS-Rx。一般地說，我們需要考慮最懷的情況，其中PS-Rx位于主系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)離CR-Tx最近的地方，如圖7.6所示。相應(yīng) 的CR-Tx的傳輸功率控制，稱為功率？功率控制，可以通過感知PS-Tx的信號來完成。具體地說，我們假設(shè)主系統(tǒng)有最小的

13、SINR？需求來在目標(biāo)速率下成功解碼。當(dāng)沒有干擾的時(shí)候，？出現(xiàn)在離開PS-Tx？的地方。這個(gè)想法是保證 一定保護(hù)半徑？內(nèi)的PS-Rx，使得PS-Rx有保證的成功接收速率，甚至在有次用戶傳輸?shù)臅r(shí)候。定義？為在PS-Tx和半徑? 間的信號衰落，？為保護(hù)余額，這代表著主系統(tǒng)可以仍然的干擾高于噪聲的程度，？為PS-Tx和 CR-Tx之間的距離，？其中？為因?yàn)榫嚯x？的路徑損失。假定路徑損失和傳播功率衰減取決于？，其中？代表功率損失指數(shù)。當(dāng)有認(rèn)知無線電 傳輸時(shí)，RS-Rx的服務(wù)質(zhì)量可以保證為其中？為噪聲功率，？為分別從PS-Tx和CR-Tx接收到的信號功率。考慮最壞的情況：PS-Rx位于保護(hù)區(qū)域內(nèi)離CR-

14、Tx最近的點(diǎn)，我們有？和？均為常數(shù)。于是CR-Tx的最大傳輸功率就可以確定下來。情注意認(rèn)知無線電的先驗(yàn)信息包括？。所以，？為頻譜感知的目標(biāo)，這可以通 過估計(jì)的虛警概率獲得。當(dāng)考慮CR-Tx可能相對主信號被遮蔽時(shí)(信號損失為？dB)，CR-Tx必須測量余額？。調(diào)整方程以考慮？，我們有7.1.4, 合作頻譜感知認(rèn)知無線電對主系統(tǒng)頻譜感知的主要挑戰(zhàn)是隱終端問題，就如任何感知機(jī)制一樣，例如無線網(wǎng)絡(luò)里常用的CSMA。圖7.7.描述了頻譜感知的隱終端問題。主系 統(tǒng)的傳輸功率范圍為左邊的大圓，而右邊的小圓圈代表認(rèn)知無線電的傳輸范圍。認(rèn)知無線電發(fā)射機(jī)希望能夠感知到頻譜空洞，動(dòng)態(tài)地接入信道進(jìn)行傳輸，并且保證以

15、低于？的概率干擾主系統(tǒng)(理想情況下？)?？墒?，？衰落的遮擋效應(yīng)妨礙了認(rèn)知無線電發(fā)射機(jī)的有效頻譜感知，恰似CSMA中的隱終端問題。立刻 能想到的解決方法是采用合作頻譜感知，即將一組傳感器放到不同地點(diǎn)，來檢測主系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的可能的傳輸，并將這樣的檢測信息從分布的傳感器接力到認(rèn)知無線電 發(fā)射機(jī)。這個(gè)工作是由佐治亞理工學(xué)院首先進(jìn)行的?？墒?，以下我們將把這個(gè)問題建模為傳感器檢測問題?？紤]認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的用戶合作，研究者們已經(jīng)考慮了兩種方案： (i) 在所有合作用戶中進(jìn)行某種聯(lián)合檢測；(ii) 最終檢測是基于每個(gè)合作用戶的硬判決結(jié)果。跟隨3的方法，我們集中研究更可行的系統(tǒng)，其中單個(gè)次級用戶在它們所檢測的頻

16、道內(nèi)作出獨(dú)立的關(guān)于主信號是否 存在的判決。它們將其決定發(fā)送給一個(gè)融合中心，基于這些決定作出最后決定。實(shí)際情況里，這個(gè)融合中心可以是一個(gè)中央控制器，以管理信道的分配和調(diào)度。這樣 的系統(tǒng)也可以幫助次級用戶來交換它們的決定，而每一個(gè)用戶自己進(jìn)行融合。我們假定融合中心知道所有合作次用戶的地理位置，所以可以構(gòu)造出它們觀測量的相關(guān)性?？墒侵飨到y(tǒng)的位置是不知道的。感知問題現(xiàn)在就成了一個(gè)二元假設(shè)檢驗(yàn)問 題，來決定在接收機(jī)處平均接收到的功率是否高于傳輸范圍邊緣的預(yù)期功率。當(dāng)主系統(tǒng)在傳輸時(shí)，次用戶們在其范圍內(nèi)，它們接收到的功率是主系統(tǒng)信號功率加噪聲 功率之和。在這個(gè)情況下，我們假設(shè)接收信號功率如果？一樣滿足log

17、-normal分布。來自N個(gè)合作用戶的功率觀來自N個(gè)用戶，觀測矢量以Y代表。二元假設(shè)檢驗(yàn)為其中？為矢量高斯分布，其平均矢量為？，協(xié)方差矩陣為V；？為單位矢量，I為單位矩陣；？為H1時(shí)的觀測量均值，？為平均總功率，？代表噪 聲功率；C為協(xié)方差矩陣，d(i,j)為用戶i和j之間的距離；？為相隔單位距離的用戶的相關(guān)系數(shù)，和相關(guān)距離的關(guān)系為？我們的感知系統(tǒng)應(yīng)該保證H1下的錯(cuò)誤概率小于干擾概率限制？。進(jìn)一步的，這個(gè)限制應(yīng)該適用于所以比？大的？。這就成為一個(gè)復(fù)合的二元?檢測， 既然我們不知道？的先驗(yàn)信息。我們需要一個(gè)穩(wěn)健的一致最大效用檢測。我們將我們的原始問題簡化為一個(gè)如下兩個(gè)假設(shè)間的簡單的？假設(shè)檢驗(yàn)：這

18、個(gè)系統(tǒng)模型里，最后的決定是由融合中心完成的，而融合中心只接收到了傳感器的基于其觀測量的決定。我們用？代表單個(gè)傳感器的決定，D代表所有傳感器 的決定矢量。因此我們有圖7.8里的分布式？假設(shè)檢驗(yàn)。對于傳感器i，決定？的最優(yōu)檢測是基于觀測量的似然比，即對于典型的傳感器方法，每個(gè)傳感器將其觀測量化(決策)，然后在融合中心作出最后決定。對于這樣的數(shù)據(jù)融合問題，最簡單的次優(yōu)解決方法之一就是數(shù)數(shù)規(guī)則 (也稱為選擇規(guī)則)，即數(shù)出選擇H1的節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，然后和一個(gè)閾值比較。這樣的方法更象協(xié)作中的解碼轉(zhuǎn)發(fā)。更多的次優(yōu)方法可以在參考文獻(xiàn)5里找到。另外一個(gè)協(xié)作式頻譜感知的方式如圖7.9所示，對觀測量采用自適應(yīng)濾波來做出

19、決策，這更象協(xié)作里的放大轉(zhuǎn)發(fā)。對于這些協(xié)作式次級用戶，在第k個(gè)時(shí)刻的頻譜感知的二元假設(shè)檢驗(yàn)為其中？代表主用戶傳輸?shù)男盘?，？為信道增益，？為第i個(gè)協(xié)作次級用戶接收到的信號。信道里的噪聲為加性高斯白噪聲，因此？和？獨(dú)立，？每一個(gè)協(xié)作式次級用戶都在L個(gè)采樣的區(qū)間上進(jìn)行非相關(guān)檢測 (L由時(shí)間-帶寬乘積決定)：以上方程表示在第i個(gè)協(xié)作式次級用戶上基于能量檢測的局部感知，即高斯隨機(jī)變量的平方和。請回憶中心？-平方分布，我們有局部的信噪比定義為一旦我們對每個(gè)節(jié)點(diǎn)定義了決策閾值，我們就很容易得到單個(gè)協(xié)作式認(rèn)知無線電的決策規(guī)則?？墒?，我們希望調(diào)節(jié)權(quán)重系數(shù)？，使得我們可以基于觀測值？ 在融合中心達(dá)到最優(yōu)頻譜感知，

20、然后對主系統(tǒng)的出現(xiàn)做出最后判決,即？。這樣的權(quán)重可以根據(jù)不同路徑衰落進(jìn)行調(diào)制。我們定義既然高斯隨機(jī)變量的線性組合仍然是高斯的，？是高斯的，其均值和方差滿足在融合中心，以判決閾值？，我們可以輕松構(gòu)建以下檢驗(yàn)規(guī)則：我們很容易計(jì)算其虛警概率，作為檢驗(yàn)的性能指標(biāo)，這樣我們就可以進(jìn)行性能優(yōu)化了。可是，請注意這里的一些信息在實(shí)際系統(tǒng)里可能難以獲取，例如信道增益，盡 管我們已經(jīng)只要求了很少的信息來計(jì)算融合中心的均值和方差。更多的細(xì)節(jié)請參見參考文獻(xiàn)6。事實(shí)上，在很多實(shí)際的共存多無線電系統(tǒng)中，我們不得不考慮頻譜感 知和其他認(rèn)知無線電的操作里累積的干擾。？已經(jīng)總結(jié)了累積干擾的一個(gè)數(shù)學(xué)模型，并驗(yàn)證了其在協(xié)作式頻譜感

21、知里的應(yīng)用。7.2.認(rèn)知OFDMA系統(tǒng)中的頻譜感知在介紹基本的頻譜感知技術(shù)后，我們準(zhǔn)備為實(shí)際的OFDMA系統(tǒng)設(shè)計(jì)頻譜感知，利用文獻(xiàn)10第5章的迭加速率-距離。我們考慮一個(gè)蜂窩結(jié)構(gòu)的OFDMA 系統(tǒng)。基站位于小區(qū)的中間，如圖7.10所示，其覆蓋半徑為R。令W為總的帶寬，包含？個(gè)子帶。每一個(gè)小區(qū)分配一個(gè)子帶并進(jìn)一步劃分為N個(gè)信道。類似 的，時(shí)間軸被劃分為OFDMA符號周期。然后，無線電資源，包括信道和OFDMA符號，被分配給小區(qū)內(nèi)正在工作的用戶。這個(gè)信息通常在幀頭里標(biāo)明。不失一 般性，我們用IEEE 802.16中的幀結(jié)構(gòu)為例子。每一幀以一個(gè)？為開始，主要用于同步和信道估計(jì)，接下來是幀頭，包括DL

22、_MAP和UL_MAP。另外，幀頭也定義了 傳輸參數(shù)，例如糾錯(cuò)編碼速率，DL爆發(fā)和UL爆發(fā)的調(diào)制方式。為了簡化這個(gè)模型但不失一般性，我們假定有兩個(gè)數(shù)據(jù)傳輸速率，遵循一定的自適應(yīng)調(diào)制和編碼 (AMC)。雖然數(shù)據(jù)傳輸速率可以自適應(yīng)地進(jìn)行調(diào)節(jié)，基本的符號速率在絕大多數(shù)系統(tǒng)里是非常固定的。我們將認(rèn)知無線電在主用戶的一個(gè)子帶里接收到的信號分為以下六類：？只有背景噪聲？主系統(tǒng)數(shù)據(jù)信號？主系統(tǒng)控制信號？與主系統(tǒng)基本頻率相同的干擾信號？與主系統(tǒng)基本頻率不同的干擾信號？干擾的控制信號其中，？代表等價(jià)的基帶加性高斯白噪聲(AWGN)，均值為零，雙邊功率譜密度為N0，？代表主系統(tǒng)傳輸信號。另外，？代表干擾系統(tǒng)的傳輸

23、信 號，具有/沒有和主系統(tǒng)相同的符號速率，而且假設(shè)在一個(gè)子帶里是白色的。根據(jù)中心極限定理，傳輸信號可以建模為獨(dú)立圓周對稱復(fù)高斯過程。同時(shí)，？代表 控制和管理信號，分別來自主系統(tǒng)和干擾系統(tǒng)，并周期性發(fā)射。以下，我們將控制與管理信號簡寫為控制信號。通過分校接收到的信號，認(rèn)知無線電可以判決主系統(tǒng) 的工作狀態(tài)，其中包括S0(不存在)：C1和C2都不存在S1(存在，但是不工作)：C2存在，C1不存在S2(存在，工作，高速率)：C1存在，數(shù)據(jù)在一個(gè)信道里以高速率傳輸S3(存在，工作，低速率)：C1存在，數(shù)據(jù)在一個(gè)信道里以低速率傳輸S4(存在，工作，待機(jī))：C1存在，信道里沒有數(shù)據(jù)這里，我們進(jìn)一步考慮狀態(tài)S

24、1(存在，但不工作)，其中主用戶存在，但是沒有數(shù)據(jù)傳輸，因此認(rèn)知無線電可以積極調(diào)制系統(tǒng)參數(shù)，通過協(xié)作式(多無線電)通信 連接到主用戶系統(tǒng)里。另外，為了在占據(jù)的子帶里找到次級用戶可用的無線電資源，我們需要數(shù)據(jù)傳輸和子帶利用的信息，這取決于MAC協(xié)議。7.2.1.認(rèn)知周期認(rèn)知無線電的運(yùn)作可用看成一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)，所以被考慮為一個(gè)認(rèn)知周期，如？所言。我們通過兩條途徑實(shí)現(xiàn)這個(gè)認(rèn)知周期，如圖7.11所示。路徑A是檢測 主系統(tǒng)的存在和活動(dòng)，而路徑B是對幀頭解碼，并決定頻-時(shí)利用。對于每一個(gè)OFDMA符號，我們建立起？張表，包括信道狀態(tài)表，無線電資源表，其中 第？個(gè)元素記載第m個(gè)信道和第n個(gè)子帶上主系統(tǒng)的工作

25、狀態(tài)和最大發(fā)射功率。認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的終端設(shè)備收集感知到的信息，并做出工作方式的最優(yōu)決策，包括 MAC和SDR軟硬件的設(shè)置，網(wǎng)絡(luò)路由，切換，高層應(yīng)用需求的維護(hù)。基于這樣的系統(tǒng)體系，認(rèn)知無線電可用在未來的無線通信里得到應(yīng)用。7.2.1.1認(rèn)知周期 - 路徑A接收信號強(qiáng)度指標(biāo)(RSSI)是一個(gè)在頻譜感知里簡單但廣泛使用的方法?？墒撬蛔阋詤^(qū)分主系統(tǒng)(C1)的信號和干擾信號(C3和C4)。例如在 2.4GHz ISM頻段里，大的RSSI可能是頻帶外的微波信號造成的，而不是IEEE 802.11b網(wǎng)絡(luò)的信號。另外，噪聲的不確定性也會(huì)嚴(yán)重降低能量檢測的性能。因此，我們需要通過變換獲得數(shù)據(jù)信號的特征，來壓制噪

26、聲和干擾信號?？紤]到 基本符號頻率不會(huì)變化或者是有限的這一事實(shí)，我們將數(shù)據(jù)信號建模為一個(gè)周期穩(wěn)態(tài)信號。盡管初步的頻譜感知是存在的，我們采用頻譜線發(fā)生器來滿足認(rèn)知無線電 的快速的需求。可是，在我們的系統(tǒng)模型中，C1和C3有相同的基本符號速率。通過OFDMA系統(tǒng)中的循環(huán)前綴，我們可用準(zhǔn)確地檢測活躍主系統(tǒng)的存在。最 后，既然基站周期性廣播控制信號(例如IEEE 802.11中的？)，來維持無線網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)作，我們可用通過這一性質(zhì)來判定不工作主系統(tǒng)的存在。7.2.1.2.認(rèn)知周期 - 路徑B在路徑A中，我們判定主系統(tǒng)的狀態(tài)：不存在(S0)，存在但不工作(S1)，存在并工作(S2，S3，S4)。我們進(jìn)一步考

27、慮被傳輸所占據(jù)的信道，應(yīng)用速 率-距離的實(shí)質(zhì)，使得同時(shí)的通信變?yōu)榭赡?。信道占?jù)的信息和數(shù)據(jù)傳輸速率可以在認(rèn)知無線電和主系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步后，通過分析幀頭獲得。我們將OFDMA系統(tǒng)下的頻譜感知中的認(rèn)知信息總結(jié)如下：射頻信號處理：載波頻率，帶寬，RSSI，信-噪-干擾比(SINR)，噪聲能量基帶預(yù)檢測信號處理：基本符號速率，載波和時(shí)刻，導(dǎo)頻信號，信道衰減基帶后檢測信號處理：系統(tǒng)辨識，調(diào)制參數(shù)，糾錯(cuò)編碼種類和速率網(wǎng)絡(luò)處理信息：多址協(xié)議，無線資源分配我們假定認(rèn)知無線電知道可能的主系統(tǒng)的先驗(yàn)信息，包括頻譜規(guī)劃，幀結(jié)構(gòu)，子載波結(jié)構(gòu)(FFT的規(guī)模，導(dǎo)頻的位置)，傳輸參數(shù)(基本符號速率，循環(huán)前綴種 類)，主系統(tǒng)的可

28、容忍干擾，既然頻譜使用是接受管理的，而系統(tǒng)指標(biāo)都是充分定義了的。7.2.2 主系統(tǒng)狀態(tài)的區(qū)分設(shè)計(jì)的下一個(gè)步驟是在一個(gè)子帶里通過RSSI，基本符號速率，循環(huán)前綴，控制信號，來判斷主OFMDA系統(tǒng)的存在和活動(dòng)，其中RSSI只是簡單的能量檢測 器。一般情況下，我們不知道主系統(tǒng)存在的先驗(yàn)信息。所以，我們用Neymann-Person準(zhǔn)則來設(shè)計(jì)頻譜感知過程。7.2.2.1基本符號速率如果存在主系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號，認(rèn)知無線電接收到的信號可以寫成這里？代表載波頻率，？代表基本符號速率的倒數(shù)，？代表脈沖整形濾波器，？代表時(shí)域內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)?；蛘咴诠?7.13)里，？代表調(diào)制后在第m個(gè)OFDMA符號和第k個(gè)子載波上

29、的數(shù)據(jù)，？為FFT規(guī)模，？為循環(huán)前綴的長度。不失一般性，？假設(shè)為 開平方升余弦濾波，其？系數(shù)小于100%，我們有其中噪聲功率為？，？和？。注意在基本符號速率的元素是和噪聲功率無關(guān)的，所以能量檢測器里噪聲不確定性的挑戰(zhàn)就不存在了?？墒?，在公式(7.14)中 的第二項(xiàng)內(nèi)接收到的信號功率減少了Z1。所以，檢測器的性能和Z1相關(guān)。從(7.15)來看，我們得出這樣的結(jié)論：如果h(t)有更大的帶寬(即更高 的？系數(shù))，檢測器就有更好的性能。類似的現(xiàn)象也發(fā)生在時(shí)間跟蹤系統(tǒng)內(nèi)。進(jìn)一步，既然這個(gè)算法可以在模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器前的射頻上面實(shí)現(xiàn)，它可以做得更 快。7.2.2.2 OFDMA信號的循環(huán)前綴檢測循環(huán)前綴的初試設(shè)置類似于參考文獻(xiàn)18。將？個(gè)采樣(采樣率？)收集起來。假定這個(gè)區(qū)域包含一個(gè)完全的OFDMA符號。檢測問題就變成了在H1下，存在時(shí)間漂移？和頻譜漂移？，因?yàn)闆]有同步。于是，主系統(tǒng)的傳輸信號就成了令？和？為兩個(gè)采樣