認(rèn)知無線電(CR)概念由Joseph Mitola博士提出,，其主導(dǎo)思想是實現(xiàn)伺機的動態(tài)頻譜接入,，即非授權(quán)用戶(也稱次用戶或認(rèn)知用戶)通過檢測，機會性地接入已分配給授權(quán)用戶(或主用戶)但暫時很少使用甚至未被使用的空閑頻段,，一旦主用戶重新接入該頻段,，次用戶迅速騰出信道。這種技術(shù)需解決的首要問題就是如何快速準(zhǔn)確地獲取授權(quán)頻譜的使用情況,，目前主要有3類解決方案：建立數(shù)據(jù)庫檔案,、傳送信標(biāo)信號和頻譜感知。表1從多個方面對3種方案進行了比較,，其中頻譜感知方案因具有建設(shè)成本低,、與現(xiàn)有主系統(tǒng)的兼容性強等突出優(yōu)點，得到了大多數(shù)研究學(xué)者的認(rèn)同;另外兩種由于受到政治,、經(jīng)濟等因素的制約而很難實現(xiàn),，對其研究相對較少。
頻譜感知,，是指認(rèn)知用戶通過各種信號檢測和處理手段來獲取無線網(wǎng)絡(luò)中的頻譜使用信息,。從無線網(wǎng)絡(luò)的功能分層角度看,，頻譜感知技術(shù)主要涉及物理層和鏈路層，其中物理層主要關(guān)注各種具體的本地檢測算法,，而鏈路層主要關(guān)注用戶間的協(xié)作以及對本地感知,、協(xié)作感知和感知機制優(yōu)化3 個方面。因此,，目前頻譜感知技術(shù)的研究大多數(shù)集中在本地感知,、協(xié)作感知和感知機制優(yōu)化3個方面。文章正是從這3個方面對頻譜感知技術(shù)的最新研究進展情況進行了總結(jié)歸納,，分析了主要難點,，并在此基礎(chǔ)上討論了下一步的研究方向。
1 本地感知技術(shù)
1.1 主要檢測算法
本地頻譜感知是指單個認(rèn)知用戶獨立執(zhí)行某種檢測算法來感知頻譜使用情況,，其檢測性能通常由虛警概率以及漏檢概率進行衡量,。比較典型的感知算法包括：
能量檢測算法，其主要原理是在特定頻段上,，測量某段觀測時間內(nèi)接收信號的總能量,，然后與某一設(shè)定門限比較來判決主信號是否存在。由于該算法復(fù)雜度較低,，實施簡單,，同時不需要任何先驗信息，因此被認(rèn)為是CR系統(tǒng)中最通用的感知算法,。
匹配濾波器檢測算法,，是在確知主用戶信號先驗信息(如調(diào)制類型，脈沖整形,，幀格式)情況下的最佳檢測算法,。該算法的優(yōu)勢在于能使檢測信噪比最大化，在相同性能限定下較能量檢測所需的采樣點個數(shù)少,，因此處理時間更短,。
循環(huán)平穩(wěn)特征檢測算法，其原理是通過分析循環(huán)自相關(guān)函數(shù)或者二維頻譜相關(guān)函數(shù)的方法得到信號頻譜相關(guān)統(tǒng)計特性,，利用其呈現(xiàn)的周期性來區(qū)分主信號與噪聲,。該算法在很低的信噪比下仍具有很好的檢測性能，而且針對各種信號類型獨特的統(tǒng)計特征進行循環(huán)譜分析,，可以克服惡意干擾信號,，大大提高檢測的性能和效率。
協(xié)方差矩陣檢測算法,，利用主信號的相關(guān)性建立信號樣本協(xié)方差矩陣,，并以計算矩陣最大、最小特征值比率的方法做出判決。文獻[1]提出基于過采樣接收信號或多路接收天線的盲感知算法,。通過對接收信號矩陣的線性預(yù)測和奇異值分解(QR)得到信號統(tǒng)計值的比率來判定是否有主用戶信號,。
以上這些算法都是對主用戶發(fā)射端信號的直接檢測，基本都是從經(jīng)典的信號檢測理論中移植過來的,。此外,，近期一些文獻從主用戶接收端的角度提出了本振泄露功率檢測和基于干擾溫度的檢測。有些文獻對經(jīng)典算法進行了改進,，如文獻[2]提出了一種基于能量檢測-循環(huán)特征檢測結(jié)合的兩級感知算法,。文獻[3]研究了基于頻偏補償?shù)钠ヅ錇V波器檢測、聯(lián)合前向和參數(shù)匹配的能量檢測,、多分辨率頻譜檢測和基于小波變換頻譜檢測等,。表2歸納了文獻中提及較多的一些感知算法，并對其優(yōu)缺點進行了比較,。
1 bit的最優(yōu)判決融合準(zhǔn)則是Chair-Varneshney準(zhǔn)則。該準(zhǔn)則基于對數(shù)似然比準(zhǔn)則,，通過比較假設(shè)下的條件似然比與貝葉斯最優(yōu)門限,，做出判決。條件似然比可通過各節(jié)點的虛警概率和檢測概率計算得到,，但需要知道主用戶先驗概率,。文獻[9]提出改進的Chair-Varshney融合方法，在似然比檢測基礎(chǔ)上充分利用信道占用的統(tǒng)計特性,，并考慮各個次用戶檢測機制差異性,、決策時間差以及融合滯后時間，因此適用于單或多bit的同步感知以及異步感知場景,。
近期研究軟融合算法的文獻還有很多：如基于D-S證據(jù)理論的融合算法,，綜合考慮了節(jié)點的檢測結(jié)果和置信度，且融合中心不需要節(jié)點先驗信息,，因此有很強實用性,。Jun Ma等人提出的2 bit量化決策加權(quán)軟融合算法，通過設(shè)置3個檢測門限將能量分為4個區(qū)域,，從而使檢測結(jié)果最終以2 bit形式傳送給中心進行加權(quán)求和并最終判決,，該算法實現(xiàn)了協(xié)作開銷和檢測性能之間的合理折中。文獻[10]將各節(jié)點的相關(guān)性考慮進去,，提出了一種基于偏移準(zhǔn)則的線性二次的次最佳融合方案,。模糊綜合評估協(xié)作感知方案則是用模糊綜合評估方法得到各個次用戶信任度再融合，從而提高決策可靠性,。此外,，根據(jù)歷史判決數(shù)據(jù)的可靠性進行動態(tài)加權(quán)的感知算法,，也能有效地提高檢測性能。
綜上所述,，可將主要的信息融合算法歸納如表3所示,。
2.3 有待解決的問題
(1) 協(xié)作感知的性能與協(xié)作用戶數(shù)量、各用戶門限值的確定及位置分布情況等因素密切相關(guān),。因而如何選取這些協(xié)作感知參數(shù)以獲得最佳的檢測性能,，是協(xié)作感知研究的重要內(nèi)容。此外,，協(xié)作感知屬于媒體訪問控制(MAC)層的感知技術(shù),，所以還涉及到跨層設(shè)計方面的研究。
(2) 信息融合算法會直接影響協(xié)作增益和系統(tǒng)開銷,。一方面,，決策融合雖然簡單容易實現(xiàn)，但是其協(xié)作增益非常有限,，當(dāng)信道不均勻或者存在惡意用戶時,，協(xié)作性能將急劇惡化;另一方面數(shù)據(jù)融合協(xié)作增益大，但是對控制信道的帶寬需求較大,。如何在協(xié)作性能和系統(tǒng)開銷二者之間尋找合理折中是協(xié)作感知研究的熱點,。
(3) 惡意攻擊或突發(fā)故障是協(xié)作感知中不容忽視的安全問題。為此,，文獻[11]提出了一種應(yīng)對存在惡意或自私節(jié)點場景的協(xié)作感知安全方案,，以提高網(wǎng)絡(luò)安全性。文獻[12]提出一種加權(quán)序貫檢測方案(WSPRT),，采用雙門限值檢測,，并通過一定規(guī)則動態(tài)更新每個用戶的置信度權(quán)值，有效降低了惡意節(jié)點對最終判決的影響,。
(4) 現(xiàn)在的研究大多是集中在單個感知用戶網(wǎng)絡(luò)參與協(xié)作的情形,，基于網(wǎng)絡(luò)層的多感知用戶網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)作也可能是未來研究的一個方向。
3 感知機制的優(yōu)化
Ghasemi和Hyoil Kim等人最先提出了感知機制的優(yōu)化問題,，主要關(guān)注感知模式的選擇和感知參數(shù)的優(yōu)化,。CR網(wǎng)絡(luò)下，次用戶的伺機動態(tài)接入頻譜過程通?？煽闯蓛煞N感知場景：信道搜索和信道監(jiān)視,。信道搜索是指次用戶需要搜索各個信道，尋找可用于傳輸?shù)目臻e頻譜,。信道監(jiān)視則是指次用戶必須周期性地檢測主用戶信號,，以避免對重新出現(xiàn)的主用戶造成干擾。檢測周期、檢測時間和搜索時間的參數(shù)如何選取,，以及采用何種感知模式和信道搜索方式,，才能使感知效果最優(yōu)，這都是感知機制的優(yōu)化問題,。
頻譜感知模式通常分為被動感知和主動感知,。被動感知模式下，次用戶只有在需要進行數(shù)據(jù)傳輸時才啟動感知,，通常只能使用一個空閑信道進行傳輸,，并周期性監(jiān)測該信道。而主動感知模式下,，不管是否有數(shù)據(jù)傳輸需要,，次用戶都周期性地檢測各個信道。兩種感知模式都要避免對重新出現(xiàn)的主用戶造成干擾,，因此一旦發(fā)現(xiàn)當(dāng)前信道不可用時,，需立即啟動搜索，直到檢測到某個空閑信道后停止搜索并開始新的傳輸,。相比而言,，主動感知方式需要檢測多個子信道，能量和時間開銷比被動感知方式有所增大,，但它可以提高傳輸速率,，并且減小認(rèn)知用戶被迫進行信道搜索而導(dǎo)致服務(wù)質(zhì)量(QoS)降低的概率，同時還可以積累大量頻譜信息,，在重新進行信道搜索時優(yōu)化搜索方式以提高信道切換能力。
下步的研究方向主要包括：信道占用模型可適當(dāng)擴展更一般的情況;分布式協(xié)作感知機制的優(yōu)化問題;基于循環(huán)平穩(wěn)特征檢測等方法下的感知機制優(yōu)化;認(rèn)知用戶之間的干擾可能對感知機制優(yōu)化的影響;不同的信道條件下,，非固定檢測周期和搜索次序的感知機制優(yōu)化;綜合考慮最小化主用戶干擾,、最大化感知性能、最優(yōu)化QoS等多種優(yōu)化目標(biāo);綜合考慮應(yīng)用層需求,、物理層算法和鏈路層協(xié)作與控制等跨層設(shè)計優(yōu)化問題,。
4 結(jié)束語
文章主要從本地感知、協(xié)作感知以及感知機制的優(yōu)化3個方面,，對認(rèn)知無線電頻譜感知技術(shù)的研究和發(fā)展?fàn)顩r進行了綜述,，并對下一步有待解決的難點問題進行了討論。盡管還面臨諸多的技術(shù)挑戰(zhàn),，但隨著研究不斷深入,，相信在不久的將來，認(rèn)知無線電技術(shù)必將日趨成熟,，為無線通信帶來新的發(fā)展契機和動力,。