摘 要： 簡(jiǎn)述了認(rèn)知無(wú)線電的背景和概念,介紹了認(rèn)知無(wú)線電常用的兩種檢測(cè)方法：匹配濾波器法和能量檢測(cè)法。針對(duì)認(rèn)知無(wú)線電和OFDM系統(tǒng)的特性提出了認(rèn)知OFDM系統(tǒng)授權(quán)用戶檢測(cè)方法，該方法是基于OFDM的能量檢測(cè)法。仿真表明通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)呐袥Q門(mén)限可以使系統(tǒng)總的誤檢概率最小，并通過(guò)感知時(shí)間優(yōu)化，可以有效地提高認(rèn)知OFDM系統(tǒng)的信道傳輸效率。
關(guān)鍵詞： 認(rèn)知無(wú)線電； OFDM； 匹配濾波器法； 能量檢測(cè)法； 感知時(shí)間
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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(wèn)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)[1]。具有認(rèn)知功能的無(wú)線通信設(shè)備可以感知周?chē)沫h(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(guò)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[2]。
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(lái)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(lái)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。
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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(guò)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(mén)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(guò)判決來(lái)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(mén)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。
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能量檢測(cè)法在技術(shù)上已經(jīng)比較成熟，應(yīng)用起來(lái)可靠性較高。但是，能量探測(cè)器的門(mén)限比較容易受到噪聲功率變化的影響。為了解決這個(gè)問(wèn)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(lái)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(mén)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(jiàn)，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(mén)限值比較。當(dāng)該測(cè)量值超過(guò)門(mén)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：
因此在兩種假設(shè)下檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Y的概率密度函數(shù)分別是：
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(guò)所設(shè)定門(mén)限值的概率。
SNR為認(rèn)知OFDM系統(tǒng)信噪比，且對(duì)應(yīng)的誤檢概率PMD=1-PD，為將不可用信道誤判為可用信道的概率：
系統(tǒng)總的錯(cuò)誤檢測(cè)概率為誤檢概率與虛警概率之和：
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(wèn)題為：
可以通過(guò)遍歷d來(lái)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。可以看出，在相同感知符號(hào)周期的情況下，隨著門(mén)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(mén)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(shuō)，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(mén)限和感知符號(hào)數(shù)d的變化曲線?？梢钥闯觯m當(dāng)?shù)剡x取門(mén)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(shuō)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(lái)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(lái)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。
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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(guò)感知的OFDM符號(hào)FFT結(jié)果，利用能量檢測(cè)法來(lái)判斷頻譜空穴。本方法通過(guò)設(shè)定適當(dāng)?shù)拈T(mén)限可以使總的誤檢概率達(dá)到最小，經(jīng)過(guò)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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