張永萍 周榮政

【摘要】近年來無線電技術飛速發(fā)展，無線通信得到廣泛應用，隨之而來的是更多的用戶需求與無線電頻譜資源緊張的矛盾。認知無線電可以有效地解決無線通信中頻譜資源緊張的問題，為資源的高效利用提供方案。

【關鍵詞】節(jié)點選擇；頻譜感知；協(xié)作頻譜感知

從1999年CR這一概念被Joseph Mitola III提出至今，認知無線電技術一直為無線通信研究的熱門。認知無線電技術和頻譜感知技術的發(fā)展日新月異，近期開始有更多的學者開始研究復雜環(huán)境下的協(xié)作頻譜感知方案。

一、認知無線電

Simon Haykin定義CR通過構建理解方法論來學習環(huán)境并且通過實時改變運行過程中的某些參數(shù)來適應環(huán)境帶來的統(tǒng)計變化，這些參數(shù)包括載頻、調(diào)制方法和發(fā)射功率等參數(shù)。總之它是一種感知周圍環(huán)境的智能無線通信系統(tǒng)，其中核心目標包括：隨時隨地，高度可靠的通信和高效的頻帶利用率。Simon Haykin構建CR的框架是從信號處理和自適應過程的角度進行的。另外，Joseph Mitola III認為，為了提高無線電技術的靈活性，認知無線電技術使用“；無線電知識表達語言”；（Radio Knowledge Representation Language，RKRL）。這一語言將會逐步演變成由軟件進行配置，符合網(wǎng)絡或者用戶要求的通信功能和參數(shù)的軟件無線電。CR通過對環(huán)境的觀察、自身定位、計劃決策、學習、判斷和執(zhí)行來完成自身功能的循環(huán)。

同時，美國聯(lián)邦通訊委員會發(fā)布的FCC 03-322文件，申明了CR是一種能通過和其所在的環(huán)境相互作用來改變自身發(fā)射頻率的無線電技術。包括主動地與其他頻帶使用用戶進行交流協(xié)商或者通過被動的感知與判斷等方式[1]。FCC還具體對CR的使用標準和適用場合做了規(guī)定。

二、頻譜感知技術

在CR中，頻譜感知已經(jīng)成為核心研究內(nèi)容，而且頻譜感知技術目前又以對主用戶發(fā)射機進行檢測的為主。對發(fā)射機進行檢測分為單節(jié)點檢測和多節(jié)點檢測（又稱作合作檢測或者協(xié)作頻譜感知）。單節(jié)點檢測主流的方法又有能量檢測（Energy Detection），循環(huán)平穩(wěn)特性檢測（Cyclostationarity）和匹配濾波器檢測（Matched Filtering Detection）。

協(xié)作頻譜感知，又稱多節(jié)點頻譜檢測。由于主用戶的發(fā)送信號經(jīng)過不同的衰落的信道到達感知從用戶（CU），因此主用戶的信號伴隨著一定的陰影效應或多徑衰落，將多個CU的單節(jié)點檢測作為可以互相協(xié)作的整體，共同對同一段頻譜進行感知，多節(jié)點能量檢測技術可以通過AP的信息融合技術，將這一信道的不良干擾大幅度降低。這樣，在AP通過特定的融合、判決后得到對主用戶LU的頻譜感知的結果。與單節(jié)點檢測相比，多節(jié)點檢測對頻譜感知的結果來自多個節(jié)點的綜合判斷，其準確性有很高的可靠性，在一定程度上極大地提高了ROC特性。 “與”“或”和“K秩”；判決是三種常見的協(xié)作頻譜感知的規(guī)則。一種典型的K秩協(xié)作感知使用統(tǒng)計的方法來減少感知單元（CU）的數(shù)量，不允許不可靠的CU發(fā)送，而只允許可靠的從用戶發(fā)送判決值給AP。這樣，我們可以因此不需要很多CU單元，提高了協(xié)作感知的速度，而且同時保證了感知精度。

三、協(xié)作頻譜感知技術

和分集的思想類似，由概率特性知道，所有節(jié)點同時被遮蔽或干擾的概率遠遠小于單個節(jié)點，協(xié)作頻譜感知通過多個用戶的協(xié)作達到魯棒性的提高。另一方面，只要從用戶感知節(jié)點的分布合理，所有節(jié)點同時出現(xiàn)同時判斷性能下降的概率大大降低。因此協(xié)作頻譜感知減少許多因素對檢測性能的影響，并使感知時間縮短，提高ROC曲線的性能。

協(xié)作頻譜感知可以在不提高單節(jié)點的感知性能的情況下，提高整體感知的穩(wěn)定性。按照協(xié)作頻譜感知的數(shù)據(jù)融合方法不同，包括分布和集中兩種方式。檢測信息在各個參與協(xié)作的CU節(jié)點傳遞，通過共同的判決，最后得出感知結果，這種方式叫作分布式的頻譜感知。如果每個CU節(jié)點分別通過能量檢測，得到自己的判決信息，然后將信息發(fā)送到融合中心，在融合中心處采用相應的融合算法最后得出判決的結果，這種方法是協(xié)作頻譜感知中集中式的方法。

另外兩種協(xié)作頻譜感知的分類是硬判決與軟判決的區(qū)分。每個感知節(jié)點CU單獨的進行能量檢測，會得到一個本地的檢測結果，然后通過將這一信息發(fā)送給融合中心，在主節(jié)點P對信息采用“與”、“或”、“K秩”判決等算法進行融合判決，最終可以給出主用戶是否占用頻譜資源的判斷，我們把這種方法叫做硬判決。如果每個感知節(jié)點進行能量判決后，不給出一個明確的判決結果，而是直接把能量檢測的信息傳遞給主節(jié)點P，最后由統(tǒng)一的融合判決算法給出判斷，這種方法稱為軟判決。

協(xié)作頻譜感知中還有一個重要的問題，就是感知時間的問題。我們知道，當感知一個用戶是否占用頻譜的時間過長，很可能做出最終判斷時，此用戶的占用狀態(tài)已經(jīng)改變，反而可能造成判決的錯誤，影響主用戶LU的正常使用。這就需要我們在進行協(xié)作頻譜感知時，不僅要考慮整體準確性的提高，更要兼顧到感知時間的問題，實現(xiàn)時效性與準確性的兼顧。這是協(xié)作頻譜感知的研究熱點也是難點。圖1為協(xié)作頻譜感知框圖，可以看到，在兩種基本的協(xié)作頻譜無線信道中，感知信道主要負責每個CU的感知主用戶存在與否的檢測信道。以能量檢測算法為例，CU通過檢測算法得到LU的統(tǒng)計信息，通過門限等參數(shù)設置，可以調(diào)節(jié)本地檢測的性能，使之符合協(xié)作頻譜感知的整體要求。

控制信道上傳遞的是每個CU向融合中心發(fā)送的判決和統(tǒng)計信息，即本地判決上報。這個過程包括了協(xié)作頻譜感知中的時延和能耗問題：參加感知的CU節(jié)點數(shù)目越多，可以獲得的信息越多，分集效果越好，最終在融合中心進行信息融合判決的結果越準確，整體的協(xié)作頻譜感知性能越好。但是更多的CU節(jié)點，意味著更多的功耗。

同時更多的CU在融合中心進行判決融合時，不論采用什么樣的算法，融合的算法復雜度都將要大大增加。所以，我們必須通過協(xié)作節(jié)點選擇算法，達到協(xié)作頻譜感知的ROC性能與時延功耗之間的折中。這種折中可以通過對控制信道中的CU個數(shù)的選擇，實現(xiàn)算法性能的綜合提高。

最后，各個CU的感知信息傳遞給數(shù)據(jù)融合中心，采用不同的數(shù)據(jù)融合算法，依照每個CU節(jié)點的信息，最終判定主用戶LU存在與否。這里的數(shù)據(jù)融合就會因為算法不同存在一個算法魯棒性的問題，所以，要根據(jù)情況選擇相應的不同的數(shù)據(jù)融合算法。

參考文獻：

[1]宮潤勝，胡中豫，申濤.認知無線電中多節(jié)點協(xié)作頻譜感知及其融合算法[J].西南大學學報（自然科學版），2008，30（11）：151-155.

[2]K.Hyoil，G.S.Kang.Adaptive MAC-layer Sensing of Spectrum Availability in Cognitive Radio Networks[C].IEEE Radio and wireless Symposium，2007，25（1）：464-469.