認知無線電中基于雙門限判決的能量感知

[摘 要]隨著頻譜資源的緊張，為了使更多的用戶能夠有效高效地接入頻譜中充分利用頻譜資源，認知無線電技術近幾年得到了提出和發展。頻譜感知技術又是其關鍵技術之一。本文從頻譜感知技術的角度出發，研究基于能量檢測的頻譜感知算法.

[關鍵詞]認知無線電;能量感知

一、認知無線電定義

隨著無線通信普及的廣泛化和個人化，無線電技術開始進入越來越多的工作場合以及家庭的生活中。隨之，個體移動電話、無線廣播、衛星通信及定位等無線通信技術的大量運用開始對有限的不同頻帶上的頻譜資源進行大量的占用，使得無線電技術的發展受到了嚴重的制約。根據美國加州大學伯克利分校的統計數據，發現對頻譜頻率高的頻帶部分利用率甚低，因此，對頻譜資源利用還有很大的潛力可以挖掘。然而，就目前的經濟和技術而言，想要對高頻帶的無線頻譜資源進行利用需要對設備的精密度和復雜度有很高的技術要求，同時還應當考慮經濟和實用因素，所以就目前而言，想要充分利用該段資源仍有一定的困難。因此，我們不得不對目前已利用的頻譜資源進行充分利用來面對日益緊縮的空閑的頻譜資源。由此，便誕生了認知無線電技術（Cognitive Radio，簡稱CR）。

所謂認知無線電技術，就是在頻譜資源極其緊張和匱乏的當今，利用智能的認知技術對頻譜空洞進行探測，從而充分利用被授權用戶（又稱主用戶，Licensed User，簡稱LU）占用而暫時未被利用的頻譜資源。當處于某一個頻帶上的LU處于休息或者暫時停用的狀態時，認知無線電可以在較短時間內探測出LU的休眠狀態，從而讓感知用戶（又稱非授權用戶和第二用戶，Cognitive User，簡稱CU）暫時利用該頻帶;當處在該頻帶上的LU又開始工作時，認知無線電也可以在較短時間內探測出LU的工作狀態，從而停止CU對該頻帶的利用以保證LU的正常工作，同時開始對其他頻帶資源進行類似的探測以保證CU工作的時效性和連續性。因此，通過認知無線電技術，頻譜的利用率得到了充分的提高。在不干擾主用戶占用頻帶和正常工作的同時，對這頻帶進行動態的充分利用，這是無線電發展的必然趨勢。

二、頻譜感知技術

認知無線電中頻譜感知技術是整個認知無線電的最關鍵的技術之一。最初，在1999年，Joseph Mitola III提出認知無線電這一概念以來，便開始有許多組織機構和個人開始對認知無線電技術進行定義并且開始研究。其中，從能量感知的角度進行的研究歸根結底主要來源于Harry Urkowitz的對于預先未知信號的能量分布進行檢測的方法。

在能量檢測的系統環境中，主要存在兩種情況：主用戶存在（H1）和主用戶不存在（H0）。當主用戶信號不存在時，由于外界環境和接收機均存在一定程度的干擾，因此一個感知用戶接收到的信號為高斯白噪聲n（t），當主用戶信號時一個感知用戶接收到的信號是衰減信號和加性高斯白噪聲疊加的形式，其中n（t）是加性高斯白噪聲，s（t）是主用戶的發射信號，h是衰減信道的增益系數。

通過設定的門限 ，來對已經獲得并且處理過的信號能量Y進行判決，當 ，系統判定此時無主用戶信號，反之亦然。由于高斯白噪聲的存在，該判決會存在誤判，因此針對于感知準確率而言，主要以檢測概率和虛警概率兩個指標來衡量能量檢測的特性。

針對于一個感知用戶CU而言，單門限能量檢測因為只有一個判決門限，因此只存在絕對的兩種判決結果，而由于接收到的信號存在加性白噪聲的干擾作用，在不同的抽樣時刻，其加性白噪聲的瞬時值均不相同，因此存在某些時刻即使不存在主用戶的發射信號，接收信號的瞬時值同樣高于判決門限引起判決失誤。這種誤差在單門限判決中是避免不了的。為了減小這種判決失誤，針對于單門限的能量判決僅能做的只有提高判決門限;但是，這樣卻換得主用戶存在時的檢測概率下降。因此，為了改善這個矛盾，提出了多門限判決。

三、基于雙門限判決的能量感知

雙門限判決，即對接收機接收到的能量信號進行兩個門限劃分成三個部分，包括H1，不確定區域和H0， 其中，Y為接收信號的功率。因此對處于確定區域的數據可以直接應用和判決，而處于不確定區域要采用相應算法進行進一步判決或者直接忽略并重新感知判決。

通常，當Y處于不確定區域時，進一步算法針對一個感知節點的一次感知是有限的，因為出于不確定區域的某一個數據無法直接分析出其規律。因此通常對不確定的區域進行進一步算法來判決需要多個數據來進行相應的統計分析，即單感知節點多次感知或者多感知節點同時感知。而通過直接忽略并重新感知（即留舍判決）則適合于單節點判決。

留舍判決是雙門限判決中最容易實現的一種方式。所謂留舍判決，就是雙門限判決時，從而減小因為白噪聲的影響而使信號的幅值處于單門限判決的門限附近的不確定性。雖然形式和單節點判決差不多，但是因為忽略了處于不確定區中的數據，相當于數據的先驗概率發生了變化，因此導致相應的檢測概率和虛警概率發生變化。

四、結語

本文介紹了頻譜感知技術中常用的能量檢測的原理，確定了衡量頻譜感知性能中準確率的指標。針對不同環境中的感知效果，發現在理想高斯白噪聲環境中和具有信道衰落的瑞利信道中的感知結果具有一定的差異，而且瑞利信道下的感知結果不如理想情況。

對于基本的雙門限判決的原理和方法，通過設定一個過渡參數——上下門限比例系數，簡化了雙門限判決中上下門限的定義規則。通過對留舍判決的介紹，僅將確定區域的數據加以利用。雙門限簡單的判決效果比起普通的單門限判決要優越很多，而且隨著B的增大而變好，但感知效率也隨之降低。然而，在實際運用中，感知效果和感知效率均是衡量頻譜感知的重要指標，缺一不可。因此，為了挺高感知效率，針對于雙門限的不確定區域，制定出相應的算法使在不確定區域的數據加以利用而非單純的舍棄是有必要的。

參考文獻：

[1] "Mitola. J， Maquire. G. Q. Jr. Cognitive Radio： Making Software Radios More Personal [J]. IEEE Personal Communications， 1999， 6（4）：13-18.

[2] 吳進波， 羅濤， 樂光新. 認知無線電系統中的兩判決門限能量檢測算法. 高技術通訊. 2009. 19（9）： 887-890.