四、認知無線電物理層關鍵技術

　　通用的CR收發機結構如圖2所示，結合前文關于CR基本原理的討論，可以發現，CR物理層的關鍵技術包括：寬帶射頻前端技術、頻譜感知技術和數據傳輸技術。

　　4.1 寬帶射頻前端技術

　　為了提供寬帶頻譜感知能力，CR的射頻前端必需能夠調諧到大頻譜范圍內的任意頻帶。通用的寬帶射頻前端結構如圖3所示，接收的信號通過放大、混頻和A/D轉換等步驟后送入基帶處理，進行頻譜感知或數據檢測。其中，射頻濾波器通過通帶濾波選擇所需要的頻段的接收信號；低噪放大器（LNA）在放大所需信號的同時最小化噪聲；鎖相環（PLL）、壓控振蕩器（VCO）和混頻器聯合控制，將所需要的接收信號轉換到基帶或者中頻處理；信道選擇濾波器用于選擇所需的信道并抑制鄰道干擾；自動增益控制（AGC）維持很寬的動態范圍內的輸入信號經放大器的輸出功率恒定。

　　針對CR應用，寬帶射頻前端面臨的主要難題是射頻前端需要在大的動態范圍內檢測弱信號。為此，需要采樣速率高達幾吉赫茲的高速A/D轉換器，并且要求超過12比特的高分辨率為了降低這一需求，可以考慮通過陷波濾波器濾出強信號，降低信號的動態范圍；或采用智能天線技術，通過空域濾波來實現強信號濾出。

　　4.2 頻譜感知技術

　　頻譜感知技術是CR應用的基礎和前提。現有的頻譜感知技術可以按照圖4進行分類。單節點感知是指單個CR節點根據本地的無線射頻環境進行頻譜特性標識；而協同感知則是通過數據融合，基于多個節點的感知結果將進行綜合判決。

　　單節點感知技術包括匹配濾波、能量檢測和周期特性檢測3種，其比較如表1所示。由于這些方法各有優缺點，實際應用時通常結合使用。

　　檢測算法適用范圍優點缺點匹配濾波CR節點知道授權用戶信號的信息檢測時間短需要先驗信息能量檢測CR節點不知道授權用戶的信號信息實現簡單，不需要先驗信息受噪聲不確定性影響，不能區別信號類型，檢測時間長周期特性檢測CR用戶信號具有周期自相關特性可以區別噪聲和信號類型計算復雜度高認知無線電要求頻譜感知能夠準確地檢測出信噪比（SNR）大于某一門限值的授權用戶信號，通常這個SNR的門限值是很低的，對于單節點感知來說，要達到這個要求并不容易。

　　為此，人們提出協同頻譜感知，通過檢測節點間的協作達到系統要求的檢測門限，從而降低對單個檢測節點的要求，降低單個節點的負擔。協同頻譜感知的另一個優點是可以有效的消除陰影效應的影響。協同感知可以采用集中或者分布式的方式進行。集中式協同感知是指各個感知節點將本地感知結果送到基站（BS）或接入點（AP）統一進行數據融合，做出決策；分布式協同感知則是指個節點間相互交換感知信息，各個節點獨自決策。影響協同頻譜感知的關鍵因素除了參與協同的單節點的感知性能外，還包括網絡拓撲結構和數據融合方法；另外，在協同頻譜感知中，不同感知節點的相關性和單個節點的不可靠性也會對頻譜感知的性能產生重要影響。

　　隨著FCC引入干擾溫度模型來測量干擾，也有人提出通過測量干擾溫度進行頻譜感知，但這種方法通常要求CR節點知道授權用戶的位置，目前尚面臨很多問題。

　　4.3 數據傳輸技術

　　數據傳輸技術對于CR實現利用空閑頻譜進行通信，從而整體上提高頻譜利用率的主要目標非常關鍵。由于CR可用頻譜可能位于很寬的頻帶范圍，并且不連續，因此CR數據傳輸技術必需能夠適應可用頻譜的這一特性。

　　目前，實現頻譜自適應CR數據傳輸有2個基本途徑：采用多載波技術或采用基帶信號發射波形設計。

　　在多載波傳輸技術中，正交頻分復用（OFDM）是最佳候選技術。如圖5所示，其基本思想是將可用整個頻帶劃分成OFDM子載波，只利用沒有被授權用戶占用的子載波傳輸數據，構成所謂的非連續OFDM（NC-OFDM）。子載波的分配則通過頻譜感知和判決的結果，以分配矢量的方式實現。例如，在進行OFDM調制時，可以將已被授權用戶占用的子載波置零，從而避免對授權用戶產生干擾。同時，考慮到頻譜滲漏的問題，還有必要留出足夠的保護子載波。同時，由于很多子載波并沒有使用，可以通過一些快速傅立葉變換（FFT）修剪算法降低系統實現的復雜度。

　　OFDM技術的重要優點是實現靈活，但也面臨同步、信道估計以及高峰平比的問題。為此，也可以通過在時、頻或者碼域設計特殊的發射波形，生成滿足特定頻譜形狀的發射信號。例如，在頻域合成波形的變換域通信系統（TDCS）、設計特殊擴頻碼片的擾測量法/碼分多址（CI/CDMA）技術、以及跳碼/碼分多址（CH/CDMA）技術等。雖然這些技術不如OFDM實現靈活，但在初始接入、收發雙方不知道對方可用頻譜特性時仍然有用。