摘 要： 簡述了認(rèn)知無線電的背景和概念,介紹了認(rèn)知無線電常用的兩種檢測方法：匹配濾波器法和能量檢測法。針對認(rèn)知無線電和OFDM系統(tǒng)的特性提出了認(rèn)知OFDM系統(tǒng)授權(quán)用戶檢測方法，該方法是基于OFDM的能量檢測法。仿真表明通過選擇適當(dāng)?shù)呐袥Q門限可以使系統(tǒng)總的誤檢概率最小，并通過感知時間優(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)知無線電； OFDM； 匹配濾波器法； 能量檢測法； 感知時間
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無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。隨著無線通信技術(shù)的高速發(fā)展，無線電用戶數(shù)量急劇增加，頻譜資源貧乏的問題日趨嚴(yán)重。認(rèn)知無線電基于軟件無線電，是一種用于提高無線電通信頻譜利用率的新的智能技術(shù)[1]。具有認(rèn)知功能的無線通信設(shè)備可以感知周圍的環(huán)境，并能根據(jù)輸入激勵的變化實時地調(diào)整其傳輸參數(shù)，在有限信號空間中以最優(yōu)的方式有效地傳送信息，以實現(xiàn)無論何時何地都能保證通信的高可靠性和無線頻譜利用的高效性。認(rèn)知無線電的一個認(rèn)知周期要經(jīng)歷3個基本過程：感知頻譜環(huán)境、信道識別、功率控制和頻譜管理。認(rèn)知無線電技術(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)知無線電系統(tǒng)傳輸信號時首先要感知該地?zé)o線電頻譜環(huán)境，即頻譜檢測和“頻譜空穴”搜尋與判定[2]。
下一代移動通信的鏈路層調(diào)制方式主要采用OFDM形式，因此認(rèn)知無線電與OFDM系統(tǒng)之間的頻譜共享已是必然趨勢。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)知無線電更帶來了巨大的靈活性。本文采用能量檢測法，將認(rèn)知無線電頻譜空穴檢測與OFDM相結(jié)合，提出了一種多載波檢測方法。
1 認(rèn)知無線電信號檢測方法
1.1 匹配濾波器檢測法
匹配濾波器是信號檢測中的一種比較常用的方法，它能使接收信號的信噪比最大化。在認(rèn)知無線電設(shè)備中使用匹配濾波器，實際上完成的是解調(diào)授權(quán)用戶的信號，這樣認(rèn)知無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、時序、脈沖形狀、封裝格式等，利用這些信息來實現(xiàn)與待檢測信號在時域和頻域上的同步，從而解調(diào)信號[3]。這些信息可以被存放在認(rèn)知無線電的存儲器中。匹配濾波器的設(shè)計準(zhǔn)則是使輸出SNR在某一時刻達(dá)到最大，這是對任何信號進(jìn)行檢測的優(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S(t)的頻譜,S*(f)為S(f)的共軛函數(shù)。具體檢測方法如圖1所示。
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匹配濾波器的設(shè)計需要授權(quán)信號的先驗信息，如調(diào)制類型、脈沖成型、分組格式等，這類信息可預(yù)先存儲在認(rèn)知無線電設(shè)備的存儲器中。解調(diào)比較麻煩，必須與授權(quán)信號進(jìn)行同步和定時，甚至可能需要進(jìn)行均衡。不過大部分授權(quán)信號具有導(dǎo)引序列、同步碼或擴頻碼，以達(dá)到與原信號保持一致的目的。如，電視信號中具有聲音和視頻載波的窄帶導(dǎo)引信號；CDMA系統(tǒng)具有專門的擴頻碼用以同步；OFDM分組具有辨別不同分組的導(dǎo)引信號。
1.2 能量檢測法
能量檢測法是一種非相干的檢測手段，與頻譜分析非常相似，也是通過判決來實現(xiàn)的。該方法依據(jù)感知器在信號有無兩種假設(shè)情況下按接收信號功率大小的不同對信號進(jìn)行檢測。這種方法是一種對未知參數(shù)的確定性信號及其存在性檢測的有效方法。由于能量檢測對信號類型不作限制，因此不需要授權(quán)信號的先驗信息。能量檢測的主要思想是：將授權(quán)信號S(t)的功率在一個時間段(N個采樣點)內(nèi)取平均：
接著與預(yù)設(shè)門限進(jìn)行比較，判定該頻段是否存在授權(quán)信號。整個檢測如圖2所示。
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能量檢測法在技術(shù)上已經(jīng)比較成熟，應(yīng)用起來可靠性較高。但是，能量探測器的門限比較容易受到噪聲功率變化的影響。為了解決這個問題，人們提出利用授權(quán)用戶發(fā)射機的導(dǎo)頻音(Pilot Tone)來提高認(rèn)知無線電能量探測器的準(zhǔn)確性。另外，即使能夠適應(yīng)性地設(shè)定門限位，帶內(nèi)干擾的出現(xiàn)也會擾亂能量探測器，能量探測的另外一個缺點是它只能探測到有信號出現(xiàn)，而不能區(qū)分信號的類型，即它不能區(qū)分已調(diào)制信號、噪聲及干擾。因此，能量探測器容易被不明信號誤導(dǎo)而產(chǎn)生誤判決，不適合極弱信號，例如擴頻信號的檢測。
2 認(rèn)知OFDM系統(tǒng)檢測
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的方法，以很低的復(fù)雜度完成對各子載波狀態(tài)的判斷。感知器接收連續(xù)d個OFDM符號周期的信號，并得到這d個符號在頻域的N點FFT結(jié)果。因為各子載波之間的狀態(tài)相互獨立，所以可以分別針對各個子載波上的感知信號，判斷某個子載波上是否存在授權(quán)用戶信號[4]。下面討論判斷的方法和標(biāo)準(zhǔn)。由于有d個符號周期的檢測時間，每個子載波都可以得到d個復(fù)數(shù)測量值，即2d個實數(shù)測量值。當(dāng)信道處于空閑即無授權(quán)信號時，感知器得到的僅僅是信道中的噪聲信號，假設(shè)此時系統(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，此時系統(tǒng)服從H1假設(shè)[5]：
由此可見，能量感知只需求取對應(yīng)子載波的實數(shù)測量值的平方和，并與一門限值比較。當(dāng)該測量值超過門限時，認(rèn)為存在授權(quán)用戶信號，否則認(rèn)為不存在授權(quán)用戶信號[6]。由于2d個測量值是與獨立無關(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，感知信號是噪聲與一確定信號的疊加，均值非零，因此服從非中心χ2分布：
因此在兩種假設(shè)下檢驗統(tǒng)計量Y的概率密度函數(shù)分別是：
設(shè)檢測概率PD為將不可用(存在授權(quán)用戶信號)信道正確判為不可用的概率，則它是檢驗統(tǒng)計量Y在H1假設(shè)下超過所設(shè)定門限值的概率。
SNR為認(rèn)知OFDM系統(tǒng)信噪比，且對應(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)總的錯誤檢測概率為誤檢概率與虛警概率之和：
3 感知時間優(yōu)化
頻譜感知的靈敏度和準(zhǔn)確性隨著檢測時間的增加而增加，有利于數(shù)據(jù)的正確傳輸，但檢測時間的增加將直接導(dǎo)致有效數(shù)據(jù)傳輸時間的減少和傳輸效率的降低[7]。因此，在頻譜感知時間與有效數(shù)據(jù)傳輸時間之間，存在一個最優(yōu)的分配方案。下面，討論求取使信道效率達(dá)到最大的感知時間長度的方法。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周期數(shù)。注意到PFA是d的函數(shù)，故該優(yōu)化問題為：
可以通過遍歷d來求得最佳的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，在相同感知符號周期的情況下，隨著門限
的增加，誤檢概率逐漸增加而虛警概率逐漸減小，因此好的門限選擇應(yīng)在誤檢概率(PMD)和虛警概率(PFA)間取一個折衷，換句話說，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隨門限和感知符號數(shù)d的變化曲線。可以看出，適當(dāng)?shù)剡x取門限可以使Pe達(dá)到最小（當(dāng)d=3時，選擇15），并且隨著感知符號數(shù)d的增加Pe的最小值急劇減小。這說明增加感知符號數(shù)可以有效地提高認(rèn)知OFDM系統(tǒng)的檢測概率。感知符號數(shù)的增加會帶來感知時間的相對增加，信道傳輸時間會減少，從而降低認(rèn)知OFDM的信道效率，因此需要利用式(13)來確定最佳的感知符號數(shù)d，使檢測概率與信道效率間也產(chǎn)生個折衷。
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認(rèn)知無線電對于OFDM系統(tǒng)的檢測是針對每個子載波進(jìn)行的，通過感知的OFDM符號FFT結(jié)果，利用能量檢測法來判斷頻譜空穴。本方法通過設(shè)定適當(dāng)?shù)拈T限可以使總的誤檢概率達(dá)到最小，經(jīng)過感知時間的優(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。
參考文獻(xiàn)
[1] ?MITOLA J. Cognitive radio: Making software radios more?personal. IEEE Personal Communication, Aug,1999,6 (4):?13-18.
[2] ?HAYKIN S. Cognitive radio: brain empowered wireless?communications. IEEE Journal on Selected Areas in Communications. February 2005, 23(2): 201-220.
[3] ?GANESAN G, LI Y G. Agility improvement through?cooperative diversity in cognitive radio. Proc. IEEE?GLOBECOM ′05, IEEE, 2005,28(2):2505-2509.
[4] ?CHANG R W. Synthesis of band-Limited orthogonal?signals for multichannel data transmission, Bell Syst, Tech. ?J. 1966,45(12):1775-1796.
[5] KOLODZY P J. Interference temperature: a metric for dynamic spectrum utilization. International Journal of?Network Management. 2006,16:103-113.
[6] ?JANG J, LEE K B. Transmit power adaptation for multiuser OFDM system, IEEE Journal on Selected Areas in?Communications, 2003,21(2):171-178.
[7] SHI H, KATAYAMA M, YAMAZATO T, et al. An adaptive antenna selection scheme for transmit diversity in?OFDM systems, in Proc. IEEE VTC.,2001,4:2168-2172.