淺論認知無線電中頻譜感知技術研究

艾爾肯.艾則孜

（烏魯木齊職業大學，新疆 烏魯木齊 830002）

淺論認知無線電中頻譜感知技術研究

艾爾肯.艾則孜

（烏魯木齊職業大學，新疆 烏魯木齊 830002）

認知無線電技術能夠讓非授權用戶利用已經分配給授權用戶的某些頻段.為了不對授權用戶的通信造成干擾，認知用戶需要對頻譜進行不斷的感知來判斷授權用戶是否存在.因此，頻譜感知是認知無線電技術的前提和基礎.本文介紹了幾種主要的頻譜感知技術，重點分析了能量檢測的基本原理，并提出基于能量感知的合作式感知技術將是最可靠、靈敏度最高、最有發展前景的感知技術.

認知無線電；頻譜感知；能量檢測

隨著通信的不斷發展，無線服務和設備的出現及廣泛使用，無線頻譜已成為一種寶貴的自然資源，變得越來越缺乏，傳統的管理方法也受到了極大的挑戰.通過研究發現，大量授權無線頻譜在大部分時間內被閑置或者利用率極低，而非授權用戶卻無權接入這些頻段.因此，認知無線電技術受到了越來越多的關注.認知無線電通過對頻譜進行不斷的監測來發現頻譜空穴，并利用發現的頻譜空穴進行通信.但是，為了不對法定用戶的通信造成干擾，認知用戶必須在法定用戶恢復通信的時候及時的察覺并退出該頻段.所以，認知無線電技術的基礎和前提是頻譜感知.本文從頻譜感知的功能入手，分析了幾種主要的頻譜感知技術，著重介紹了能量檢測技術，并比較了它們的優缺點.

1 頻譜感知的功能

認知無線電也被稱為智能無線電,它通過對周圍無線環境的歷史和當前狀況進行檢測、分析、學習、推理和規劃,利用相應結果調整自己的傳輸參數,使用最適合的無線資源完成無線傳輸.由于法定用戶網絡沒有義務改變它的結構來與認知無線電網絡共享頻譜，因此，認知無線電只能獨立地、可靠地、通過連續的頻譜感知對法定用戶進行檢測.這是認知無線電的一項核心功能.最有效的檢測頻譜孔的方法就是檢測在認知無線電通信范圍內的、正在發送數據的法定用戶.

2 幾種主要的感知技術

2.1 發射機檢測

發射機檢測又被稱為非合作檢測.認知無線電應該能夠識別被使用的和未被使用的頻段.因此，如果法定用戶的信號在某一確定頻段內出現的話，認知無線電應該具有檢測出這個信號的能力.發射機檢測正是基于認知無線電對法定用戶發射機發出的微弱信號進行檢測.發射機檢測的基本假設模型可以用式（1）描述：

其中，x(t)是認知無線電接收到的信號；s(t)是法定用戶傳輸的信號；n(t)是加性白高斯噪聲；h(t)是信道增益，此處假設在檢測間隔內，信道增益為恒定值，即無線環境為非衰落環境；H0是未被占用的假設，表明了目前在這一確定頻段上沒有法定用戶；H1是被占用的假設，表明目前存在法定用戶.根據所用到的信號處理技術的不同，發射機檢測又可分為匹配濾波器檢測、能量檢測、靜態循環特征檢測等，下面分別介紹.

2.1.1 匹配濾波器檢測

當認知無線電獲悉了法定用戶的信號后，匹配濾波器就是理想檢測器，原因在于它能使接收到的信號的信噪比最大化.匹配濾波器的主要優點是它只需很短的時間就可以獲得高處理增益.然而，它必須有效地對法定用戶的信號進行解調，這就意味著它需要法定用戶的先驗知識，比如調制方式、階數、脈沖波形和數據包格式等.上述信息可以預存于認知無線電的內存中，然而，對解調來講，認知無線電必須通過時間和載頻同步甚至信道同步來獲得與法定用戶的相關性.如果這些信息不準確，那么匹配濾波器的性能就會變得很差.大多數無線網絡系統信息頭、同步字和擴展碼字等，這些都可以用來做相關檢測.匹配濾波器的一個明顯的缺點在于，認知無線電對每一類型的法定用戶都要有一個專門的接收器.這等待增加了系統的復雜性.

2.1.2 能量檢測

如果接收機不能夠收集到法定用戶信號的足夠信息，此時的最佳檢測器就是能量檢測器.為了測量接收信號的能量，需要對帶寬為W的帶通濾波器的輸出信號進行平方運算并在觀測時間段T內進行積分，如式（2）所示，并將積分器的輸出Y與門限值γ進行比較，從而判定合法用戶是否出現.

其中x0(t)為經過帶寬為W的帶通濾波器后的輸出信號，T為觀測時間.

如果能量檢測應用在非衰落環境中，即信道增益如式（1）中h(t)所示，那么檢測到第一用戶信號的概率和錯誤判決警報的概率分別是[5]

其中，E(Y|H0)、Var(Y|H0)和γ-E(Y|H1)、Var(Y|H1)為主要用戶出現時和主要用戶未出現時接收端積分器的輸出Y的均值和方差.Q(·)為Q函數，定義為

由上述公式可以看出，檢測概率Pd越小，檢測到已出現的第一用戶信號的概率就越低，從而增加了對第一用戶的干擾；反之，如果Pf過高的話，由于錯誤警報會使頻譜利用機會丟失，將會導致頻譜利用率的降低.因此，Pf決定了頻譜利用效率的上限.因此，可以在滿足某一給定Pf的條件下，通過選擇合適的門限值，使檢測概率Pd達到最大.

以上對于能量檢測的分析是在無衰落環境的假設下進行的，而實際的無線信道都是有衰落的.在這種情況下，由于信道衰落的原因，信道增益h(t)是變化的，檢測概率Pd便與瞬時信噪比有關了，即

其中，f(x)是在衰落情況下的信噪比的概率分布函數.

能量檢測器的一個缺點就是它只能檢測到有信號出現，而不能區分信號的類型，即它不能區分已調信號、噪聲及干擾.因此，能量檢測器容易被不明信號誤導而產生誤判決.但由于這種檢測方式易于實現，很多有關第一用戶檢測方面的研究主要集中在能量檢測器上.

2.1.3 靜態循環特征檢測

靜態循環特征檢測的主要優點是它能把已調制信號從噪聲中區分出來.調制信號一般都經過了載波、脈沖序列、重復性擴展、跳頻及循環前綴等耦合處理，這使已調信號的均值和自相關函數具有了內在的周期性，稱為靜態循環性.由于噪聲是一個寬帶的、靜態的、沒有相關性的信號，而已調信號具有頻譜相關性和周期性，因而通過分析頻譜自相關函數能夠把噪聲能量和已調信號的能量區分開來.靜態循環檢測器具有更強的抵抗噪聲功率中不確定性的能力，因而能夠比能量檢測器更好地分辨出噪聲信號.當然，它也比能量檢測器更加復雜并且需要更長的觀測時間.

2.2 合作檢測

前面所描述的三種發射機檢測技術都是認知用戶獨立地檢測法定用戶的發射信號.然而，在整個系統中，認知用戶與法定用戶之間的信道狀況有好有壞.通過分析知道，當多徑和陰影效應的影響使得信噪比下降到低于信噪比門限值以下的時候，認知用戶將不能夠獨立地檢測首要用戶的存在.并且，發射機檢測模式不能解決“隱終端”問題，如圖1所示.由于被障礙物隔開，次級用戶可能檢測不到法定用戶發送端，一旦它使用相應頻段進行通信，就會干擾到法定用戶接收端對信號的正確接收.在這種情況下，各認知用戶就需要從其他的用戶那里得到信息并進行準確的檢測，也就是需要與其他用戶進行合作.由于能量檢測是三種發射機檢測中最簡單最易實現的檢測方式，最新的有關合作檢測的研究都是基于能量檢測的方式.在合作檢測中，多個認知用戶檢測到的信息相互合并，用來檢測首要用戶.

圖1 隱終端問題

合作檢測有兩種結構：一種是集中式的，判決中心接收認知用戶的信息進行總體判決；另一種是分散式的，各認知用戶采用能量檢測的方式獨立判決，并交互各自的判決結果.在實際通信系統的限制下，判決中心采集所有次級用戶的信息是非常困難的，并且每個認知用戶只能與在它附近并且監測同一頻帶的其他用戶進行合作，因此，這兩種結構各有缺點.一種更加靈活的合作方案是：各次級用戶獨立判決，并將他們的判決結果發給中心，中心采用一定的算法，根據各個次級用戶所發信息信噪比的大小，采用不同的加權，進而對法定用戶的出現進行判決.通過相關仿真表明，合作檢測能夠極大地改進檢測的性能，提高檢測的靈敏度.因此，對于合作探測的研究吸引了越來越多的專家學者的關注，相信在不久的將來，合作探測將成為認知無線電中頻譜感知技術的首選方案.

3 結束語

本文簡單地分析了幾種主要的頻譜感知技術，重點對能量檢測技術進行了說明，并簡要地介紹了基于能量檢測的合作探測技術.本文只是一些理論分析，具體的方案和算法的仿真實現還需在以后的研究中進一步完善和提高.

〔1〕Brodersen RW,Wolisz A,Cabric D,Mishra SM, Willkomm D.Corvus:a cognitive radio approach for usage of virtual unlicensed spectrum.Berkeley Wireless Research Center(BWRC)White paper,2004.

〔2〕周小飛.認知無線電原理與應用.北京：北京郵電大學出版社，2007.19-21.

〔3〕ZhiQuan,Shuguang Cui,AliH.Sayed.OptimalLinear Cooperation for Spectrum Sensing in Cognitive Radio Networks.IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN SIGNAL PROCESSING,2008,VOL.2,NO.1:28-40.

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1673-260X（2010）05-0106-02