芻議認知無線電中的頻譜檢測技術

華中科技大學 曲晨

芻議認知無線電中的頻譜檢測技術

華中科技大學 曲晨

認知無線電是提高無線頻譜利用率的有效手段。全文首先介紹了認知無線電及其關鍵技術,然后分析了認知無線電中的頻譜監測技術,其一是基于發射機的單點檢測技術,如匹配濾波器法、能量檢測法、周期特性檢測等。其二是協同檢測法,它分為集中式協同檢測和分布式協同檢測。

認知無線電頻譜檢測單點檢測協同檢測

一、認知無線電及其關鍵技術

認知無線電就是在不影響授權頻段正常通信的基礎上,通過具有認知功能的無線通信設備按照某種待機方式接入授權的頻段內,并動態地利用頻譜。它基于對周圍無線環境的感知交互作用而自動改變發送和接收參數的無線電,是一種通過智能頻譜管理來解決頻譜資源短缺的最有效方法[1]。其關鍵技術有三點: (1)頻譜感知。(2)動態頻譜管理,也稱為動態頻譜分配。(3)功率控制。

二、認知無線電中的頻譜監測技術

1.基于發射機的單點檢測。單節點檢測是指單個CR節點根據本地的無線射頻環境進行頻譜特性標識,其檢測技術包括匹配濾波、能量檢測和周期特性檢測3種。(1)匹配濾波器法,它能夠使接收信號的信噪比最大化,其沖擊響應,其中K為常數,S(f)為信號的頻譜函數[2]。是實際工作中,匹配濾波器完成以下工作:識別授權用戶的物理層和媒體控制層的信息,如調制方式、時序、脈沖形狀、封裝格式等,并利用這些信息來實現與待檢測信號在時域和頻域上的同步,從而達到解調信號的目的。事實上由于無線電環境中往往是多種信號并存,一般難以預先獲知信號的參數,甚至連信號的類型也可能不知道,因此匹配濾波器的應用價值并不高。(2)能量檢測。該方法對信號類型不作限制,并依據信號在有、無假設情況下接收信號功率大小的不同對信號進行檢測。其主要過程是:將授權信號的功率在一個時間段(K個采樣點)內求平均,與預設門限進行比較,來判定該頻段是否存在授權信號。衡量該方法的性能采取馬庫姆Q函數,設信號帶寬為W,檢測時間為T,對于給定的門限值V′t,虛警概率,其中Γ(a,b)是非完全gamma函數,那么檢測概率為廣義馬庫姆Q函數[2]。該方法最大的缺點在于門限很大程度上受到未知噪聲的影響,如果信號淹沒在噪聲中,檢測性能很差。(3)周期特性檢測。調制信號一般都具有某種程度上的周期性,而噪聲沒有這個特性,為此可以利用其統計特性諸如均值和自相關都呈現出周期性的特征進行檢測。根據傅里葉函數相關理論,非平穩信號x(t)具有循環遍歷性時,有以下公式:

2.協同檢測。當認知用戶存在陰影和衰落效應時,認知無線電不能識別到底是深度衰落還是未被使用頻段,另外基于發射機的單點檢測方式無法解決隱藏終端的問題,為此需要采取協同檢測方法,即通過數據融合,基于多個節點的檢測結果將進行綜合判決。協同檢測的機制如圖1所示:接收機R距離授權授權用戶發送機P很遠,只能從P用戶功率邊緣上接受信號,此時信號較弱。C1進行頻譜檢測后,極有可能誤認為該頻帶是頻譜空穴從而對授權用戶P造成干擾,為此需要引入協同機制。假設存在認知用戶C2滿足條件:C2處于P發射的功率主瓣范圍內,并且C2與P之間的距離相對于R與P更近,由C2作為C1的中繼點來感知P的發射功率,則能比較準確地分辨出P是否在和R進行通信[3]。C1將數據包發送給C2,由C2來轉發,如果P與R正在通信,C2就返回給C1一個信息,由C1決定是否等待或是尋找另外的頻譜空穴。這樣,C1和C2就構建了協同的關系,使C1更快更準確地感知頻譜環境。

圖1 認知無線電中的協同機制

在該模型中,只考慮了用戶C1和C2的存在,在真實的無線環境中,存在更多的授權用戶,其頻譜檢測和分析就更加復雜。對于以上的兩個用戶機制,在檢測中可以采取兩種方法:①集中式協同檢測,即“與”邏輯合并,其主要思想是:接入點(AP)將每個認知用戶的判決結果Di用邏輯“與”的方式進行合并,其意義是:當所有的節點認為有信號存在時才最終判決有信號存在,否則判決沒有信號存在。假設第i個節點的檢測概率和虛警概率分別為Pdi和Pfi,通過與邏輯之后,檢測概率和虛警概率分別為:,其中N表示參與協作的節點個數。相反,如果采取;②“或”邏輯合并,即接入點(AP)將每個認知用戶的判決結果Di用邏輯“或”的方式進行合并,其意義是:當任何一個節點認為有信號存在時就最終判決有信號存在,否則判決沒有信號存在。假設第i個節點的檢測概率和虛警概率分別為Pdi和Pfi,通過或邏輯之后,檢測概率和虛警概率分別為:,(N同上)。

多點協作的檢測方式可以克服單個認知設備處于極度惡劣的無線環境時,單點檢測方式不能可靠檢測甚至不能檢測授權用戶信號的缺點,在一定的程度上,避免對主用戶造成干擾,提高了檢測的性能。然而在資源受限的網絡中,合作檢測方式會對網絡產生負面影響,因為在這種方式下,節點匯集了大量的信息,這些信息需要傳遞給基站或者在節點間進行相互傳遞。而且由于不同節點的靈敏度和探測時間的不同,在結合這些節點所探知的信息的時候要采用加權結合的方式。

[1]張宇,馮春.認知無線電網絡頻譜檢測研究[J].吉林大學學報(信息科學版),2008(3)

[2]王麗娜.認知無線電的合作頻譜檢測分析[J].電視技術,2008(7)

[3]陳國東,夏海輪,武穆清.認知超寬帶無線通信系統及關鍵技術分析[J].中央民族大學學報(自然科學版),2007(8)

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