O 引言
    隨著無線通信業(yè)務的增長，可利用的頻帶日趨緊張，頻譜資源匾乏的問題日益嚴重。世界各國現(xiàn)行的頻率使用政策除分配極少的ISM頻段之外，大多采用許可證制度。而獲得許可的用戶，并非全部都是全天候占用許可頻段，一些頻帶部分時間內(nèi)并沒有用戶使用，另有一些偶爾才被占用，即使系統(tǒng)頻譜使用率低，仍無法將空間的頻譜分配給其他系統(tǒng)使用，即無法實現(xiàn)頻譜共享。怎樣才能提高頻譜利用率，在不同區(qū)域和不同時間段里有效地利用不同的空閑頻道，成為人們非常關注的技術問題。為了解決該問題，Joseph Mito1a于1999年在軟件無線電的基礎上提出了認知無線電(Cognitive Radio，簡稱CR)的概念，要實現(xiàn)動態(tài)頻譜接入，首先要解決的問題就是如何檢測頻譜空穴，避免對主用戶的干擾，也就是頻譜感知技術。CR用戶通過頻譜感知檢測主用戶是否存在，從而利用頻譜空穴。

1 匹配濾波器檢測(Matched Filtering)
    匹配濾波器是一種最優(yōu)的信號檢測法，因為在輸出端它能夠使信號的信噪比達到最大。匹配濾波器最大的優(yōu)點就是能夠在短時間里獲得高處理增益。但是使用匹配濾波器進行信號檢測必須知道被檢測的主用戶信號的先驗知識，比如調(diào)制方式、脈沖波形、數(shù)據(jù)包格式等，如果這些信息不準確就會嚴重影響其性能，同時匹配濾波器計算量也較大。因此它可以用來檢測一些特定的信號，但是每類主用戶認知無線電都要有一個專門的接收器，這就增加了系統(tǒng)的資源耗費量和復雜度。

2 能量檢測(Energy Detector—Based Sensing)
    能量檢測是一種較簡單的信號非相干檢測方法。根據(jù)基本假設模型，在高斯加性白噪聲(AWGN)信道情況下，采用能量檢測法進行主用戶信號檢測的性能。在AWGN信道非衰落的環(huán)境中，可知信道增益h是確定的。在H1下，當接收到的信號超過判決門限入時，判斷主用戶信號存在。在H0下，當接收信號超過判決門限時，則會作出錯誤的判斷。分別用Pd和Pf，來表示檢測到主用戶的概率(檢測概率)和錯誤判斷警報的(虛警)概率，對H．Urkowitz的研究結(jié)果進行簡化，可以得到通過無衰落的AWGN信道檢測的概率和虛警概率的近似表達式為

 其中：γ是信噪；σ是一個正數(shù)；r0，r(，g)是方差；是完整和不完整Gamma函數(shù)；Qm是普遍馬庫姆(Marcum)函數(shù)，其定義為

由公式(1)可以看出如果Pd很低，將會導致不能檢測主用戶信號的概率很大，這樣反過來就增加了對主用戶的干擾。如果Pf過高，則錯誤警報會使認識無線電用戶錯過許多頻譜利用的機會，導致頻譜利用效率低下。為了提高能量檢測的可靠行，最近關于這方面的研究主要集中在能量檢測器上。

3 靜態(tài)循環(huán)特征檢測
    靜態(tài)循環(huán)特征檢測是通過利用接收信號的靜態(tài)循環(huán)特征來檢測主用戶的。靜態(tài)循環(huán)特征檢測除了復雜度較高外，可以克服匹配濾波器檢測和能量檢測的缺點。調(diào)制后的主用戶信號一般會有載頻、跳頻序列、循環(huán)前綴等，從而使信號有內(nèi)在的周期性。若信號的均值和自相關函數(shù)呈現(xiàn)周期性，且周期與信號的周期相同，則稱其是靜態(tài)循環(huán)的。我們可以通過分析信號譜相關函數(shù)中循環(huán)頻率的特性來確定主用戶信號是否存在。譜相關函數(shù)中，零循環(huán)頻率處體現(xiàn)信號的平穩(wěn)特征，非零循環(huán)頻率處則體現(xiàn)信號的靜態(tài)循環(huán)特征。因為噪聲是平穩(wěn)的，在非零循環(huán)頻率處不呈現(xiàn)頻譜相關性，而主用戶信號是靜態(tài)循環(huán)的，在非零循環(huán)頻率處呈現(xiàn)頻譜相關性。因此可以判定，若非零循環(huán)頻率處呈現(xiàn)頻譜相關性，說明存在主用戶信號；若僅在零循環(huán)頻率處呈現(xiàn)頻譜相關性，則說明只存在噪聲，主用戶信號不存在。靜態(tài)循環(huán)特征檢測無需知道信號的先驗信息而且能夠區(qū)分噪聲和有用信號，可以擺脫背景噪聲的影響，因此與上述兩種主用戶發(fā)射端檢測算法相比對信號有較好的檢測性能。但是，靜態(tài)循環(huán)特征檢測計算的復雜度高，所要求的觀測時間較長。

4 合作檢測
    無線環(huán)境中，信號傳輸會受到陰影、多徑等因素的影響，感知用戶的本地頻譜檢測不能滿足所要求的可靠性及快速性；更甚者，感知用戶受到嚴重陰影的影響時，會發(fā)生漏檢，從而會對主用戶系統(tǒng)造成干擾。為此，需要同頻段上不同感知用戶之間進行協(xié)同，提高檢測的可靠性以及快速性。合作檢測可分為中心式和分布式兩種協(xié)同方式。
4．1 中心式檢測
    中心式檢測指認知無線電基站收集各認知無線電設備感知到信息，探測可用頻譜，然后廣播該信息給其它認知無線電設備或者直接控制認知無線電通信。該感知結(jié)果由稱之為AP的接入點收集，目的是減輕信道衰落影響，增強檢測效果。研究軟硬信息匯總方式是為了減少錯失機會的概率。文獻表明，在錯失機會概率方面，軟信息相結(jié)合優(yōu)于硬信息相結(jié)合的方法。
4．2 分布式檢測
    多徑衰落和陰影衰落都會影響單一檢測器的檢測性能。由于所有檢測器都位于深衰落的概率非常低，研究者傾向于采用分布式感知方法來提高檢測性能和可靠性，從而降低對單一檢測器的苛刻要求。在分布式感知技術中，為了達到良好的檢測性能，往往需要較高的控制信道帶寬。雖然量化將引入額外的噪聲和信噪比的降低，但卻是一種降低帶寬需求的有效手段。研究表明：2—3Bits量化不會引入明顯的性能損失，而采用1Bit量化(決策)時，隨著參與分布式感知的用戶數(shù)趨向于無窮大，其性能也是漸進最優(yōu)的。

5 本振泄露功率檢測
    主用戶接收機工作時，接收的高頻信號經(jīng)過本地振蕩器后，會產(chǎn)生特定頻率的信號，一些信號不可避免的從天線泄露出去，該方法就是通過檢測有無泄露信號來判斷主用戶是否在工作。然而，CR用戶直接檢測L0泄漏并不可行，這是由于L0泄漏能量通常很小，而且L0泄漏能量隨接收機模型和L0的生產(chǎn)指標不同而不同，這些變化因素將導致CR用戶檢測錯誤率增加。為解決這一問題，在應用中，將小而低成本的傳感器安置在接收端，當傳感器檢測到本振泄漏功率時，會以特定的功率通過一個特殊的控制信道感知用戶。

6 基于干擾溫度的檢測
    干擾溫度是美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)提出的一個新概念。它是感知用戶在檢測出頻帶內(nèi)已有通信的基礎上預測的自己的傳輸將對主用戶接收機產(chǎn)生的干擾。干擾溫度模型被定義為每單位帶寬里未經(jīng)授權(quán)的發(fā)射機RF功率與接收機系統(tǒng)噪聲功率之和，是建立在實際的RF環(huán)境中以及發(fā)射機和接收機交互的基礎之上的，充分考慮了所有干擾的累積效應。干擾溫度可以用下式來表示：
    T1=(Ps+P0)/KB    (4)
    其中Ps未經(jīng)授權(quán)的發(fā)射機RF功率(單位是W)，P0為接收機系統(tǒng)噪聲功率(單位是W)，K為常數(shù)，等于1．38*10—23(單位是焦耳／絕對溫度)，B為信號帶寬(單位是Hz)。
    干擾溫度的準確測量需要感知用戶對主用戶系統(tǒng)進行準確的定位。只要感知用戶造成的干擾溫度不超過干擾溫度限，感知用戶通過調(diào)整自己的參數(shù)(如發(fā)射功率、調(diào)制方式等)就可以使用這個頻段中的頻譜空洞。但是該方法不能保證對主用戶系統(tǒng)的有力保護，特別是處于邊緣接收的主用戶接收機就很容易受到感知用戶的干擾。

7 結(jié)束語
    認知無線電具有使頻譜得到充分利用的潛能，但前提是必須保證這個頻率上的已授權(quán)用戶的使用不受影響，其中關鍵技術之一就是頻譜感知技術。本文就認知無線電的一些頻譜感知技術進行了討論，隨著其相關技術的成熟，該技術將會成為未來最熱門的無線技術，并且給未來的頻譜使用策略帶來革命性變化。