认知无线网络中的协作频谱感知综述
摘要：频谱感知是构建认知无线网络的核心技术，也是防止授权用户免受干扰、准予非
授权用户识别并利用空闲频谱资源的重要前提。在实际应用中，协作频谱感知是一种高效的
频谱感知方法，对协作频谱感知技术的信号模型、技术分类以及工作原理进行了简要介绍，
然后讨论了协作感知中信息融合、能量消耗及性能分析等关键问题，并对目前关于协作频谱
感知技术的相关研究进行了综合比较和分析，并剖析了它们的应用前景以及未来的发展方向。
关键词：无线网络；频谱感知；结构模型；检测性能
1 引言
近年来，人们对无线业务的需求不断增加。然而，传统的频谱授权给运营商，每个系统
必须在有限的频带内运行。目前的需求和使用趋势已经暴露了现有频谱资源的大量使用不足。
正如联邦通信委员会（FCC）提交的报告所报道的那样，至少 80％的低于 3GHz 的频谱未被
美国利用。因此，在认知无线电网络的框架下，研究学者们提出了用于提高频谱利用率的方
法和技术，来利用已授权分配的无线电频谱。实际授权的频谱在很长一段时间内仍然没有被
占用，被称为“频谱空洞”，CR（Cognitive Radio）用户通过检测授权主用户 PU（Primary
User）的频谱占用情况，从而找到 “频谱空洞”并加以利用，这样的过程称为频谱感知。
频谱感知的目标有两个：①CR 用户不能因为切换到一个可用的频谱上而干扰到主用户；
②CR 用户应该按需高效识别和利用频谱空洞，以提高吞吐量和服务质量。因此，频谱感知
的检测性能好坏对主用户和 CR 网络的性能都至关重要。在频谱感知中，检测性能的好坏主
要由两个指标来衡量：虚警概率 Pf 和漏检概率 Pm。漏检和虚警都将降低频谱效率，因此，
这需要最优的检测性能，即尽量降低虚警和漏检概率，最大化检测概率。不过在实际应用中，
由于多径衰落、阴影效应以及接收机的不确定性问题的影响，比如建筑物的阻挡、天气原因、
空间多样性问题等。在这样的情况下，CRs 可能检测不到 PU 的信号，一个未检测到 PU 的 CR
可能开始传输并干扰 PU 接收机。但是，所有 CR 用户不太可能经历相同的衰减量，它们大部
分会检测到正确的 PU 信号。分布在 CR 网络中的所有 CR 用户通过彼此合作分享它们好的感
知结果则可提高整个网络的检测性能。所以，合作频谱感知是一个有效的方法针对多径衰落，
阴影效应和接收机不确定性问题。
2 无线环境下的频谱感知
频谱感知是认知无线电系统的关键技术，认知用户必须实时监测频谱变化，以避免与授
权用户发生冲突。频谱检测的精度和可靠性决定了是否会影响授权用户的正常通信。目前频
谱检测技术的研究主要包括两类：一类是单用户感知，即单个认知无线电（CR，Cognitive
Radio）用户对授权用户信号的检测。单用户感知是较早提出的一类感知方法，常用到的算
法有 3 种：能量检测算法、联合前向能量检测算法、协方差检测算法、匹配滤波器检测算法、
循环平稳特征检测算法、延时相关检测算法等，其复杂度低，技术也较成熟，易于实现。另
一类是协作感知，即多个 CR 用户协作来检测授权用户信号协作频谱感知网络主要由 PU 用户、
协作用户 CR、融合中心 FC 以及通信信道等多部分构成。其工作过程主要包括本地感知、数
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