認知無線電頻譜感知技術現狀研究

張永萍 周榮政

【摘要】近年來無線電技術飛速發展，無線通信得到廣泛應用，隨之而來的是更多的用戶需求與無線電頻譜資源緊張的矛盾。認知無線電可以有效地解決無線通信中頻譜資源緊張的問題，為資源的高效利用提供方案。

【關鍵詞】節點選擇；頻譜感知；協作頻譜感知

從1999年CR這一概念被Joseph Mitola III提出至今，認知無線電技術一直為無線通信研究的熱門。認知無線電技術和頻譜感知技術的發展日新月異，近期開始有更多的學者開始研究復雜環境下的協作頻譜感知方案。

一、認知無線電

Simon Haykin定義CR通過構建理解方法論來學習環境并且通過實時改變運行過程中的某些參數來適應環境帶來的統計變化，這些參數包括載頻、調制方法和發射功率等參數。總之它是一種感知周圍環境的智能無線通信系統，其中核心目標包括：隨時隨地，高度可靠的通信和高效的頻帶利用率。Simon Haykin構建CR的框架是從信號處理和自適應過程的角度進行的。另外，Joseph Mitola III認為，為了提高無線電技術的靈活性，認知無線電技術使用“；無線電知識表達語言”；（Radio Knowledge Representation Language，RKRL）。這一語言將會逐步演變成由軟件進行配置，符合網絡或者用戶要求的通信功能和參數的軟件無線電。CR通過對環境的觀察、自身定位、計劃決策、學習、判斷和執行來完成自身功能的循環。

同時，美國聯邦通訊委員會發布的FCC 03-322文件，申明了CR是一種能通過和其所在的環境相互作用來改變自身發射頻率的無線電技術。包括主動地與其他頻帶使用用戶進行交流協商或者通過被動的感知與判斷等方式[1]。FCC還具體對CR的使用標準和適用場合做了規定。

二、頻譜感知技術

在CR中，頻譜感知已經成為核心研究內容，而且頻譜感知技術目前又以對主用戶發射機進行檢測的為主。對發射機進行檢測分為單節點檢測和多節點檢測（又稱作合作檢測或者協作頻譜感知）。單節點檢測主流的方法又有能量檢測（Energy Detection），循環平穩特性檢測（Cyclostationarity）和匹配濾波器檢測（Matched Filtering Detection）。

協作頻譜感知，又稱多節點頻譜檢測。由于主用戶的發送信號經過不同的衰落的信道到達感知從用戶（CU），因此主用戶的信號伴隨著一定的陰影效應或多徑衰落，將多個CU的單節點檢測作為可以互相協作的整體，共同對同一段頻譜進行感知，多節點能量檢測技術可以通過AP的信息融合技術，將這一信道的不良干擾大幅度降低。這樣，在AP通過特定的融合、判決后得到對主用戶LU的頻譜感知的結果。與單節點檢測相比，多節點檢測對頻譜感知的結果來自多個節點的綜合判斷，其準確性有很高的可靠性，在一定程度上極大地提高了ROC特性。 “與”“或”和“K秩”；判決是三種常見的協作頻譜感知的規則。一種典型的K秩協作感知使用統計的方法來減少感知單元（CU）的數量，不允許不可靠的CU發送，而只允許可靠的從用戶發送判決值給AP。這樣，我們可以因此不需要很多CU單元，提高了協作感知的速度，而且同時保證了感知精度。

三、協作頻譜感知技術

和分集的思想類似，由概率特性知道，所有節點同時被遮蔽或干擾的概率遠遠小于單個節點，協作頻譜感知通過多個用戶的協作達到魯棒性的提高。另一方面，只要從用戶感知節點的分布合理，所有節點同時出現同時判斷性能下降的概率大大降低。因此協作頻譜感知減少許多因素對檢測性能的影響，并使感知時間縮短，提高ROC曲線的性能。

協作頻譜感知可以在不提高單節點的感知性能的情況下，提高整體感知的穩定性。按照協作頻譜感知的數據融合方法不同，包括分布和集中兩種方式。檢測信息在各個參與協作的CU節點傳遞，通過共同的判決，最后得出感知結果，這種方式叫作分布式的頻譜感知。如果每個CU節點分別通過能量檢測，得到自己的判決信息，然后將信息發送到融合中心，在融合中心處采用相應的融合算法最后得出判決的結果，這種方法是協作頻譜感知中集中式的方法。

另外兩種協作頻譜感知的分類是硬判決與軟判決的區分。每個感知節點CU單獨的進行能量檢測，會得到一個本地的檢測結果，然后通過將這一信息發送給融合中心，在主節點P對信息采用“與”、“或”、“K秩”判決等算法進行融合判決，最終可以給出主用戶是否占用頻譜資源的判斷，我們把這種方法叫做硬判決。如果每個感知節點進行能量判決后，不給出一個明確的判決結果，而是直接把能量檢測的信息傳遞給主節點P，最后由統一的融合判決算法給出判斷，這種方法稱為軟判決。

協作頻譜感知中還有一個重要的問題，就是感知時間的問題。我們知道，當感知一個用戶是否占用頻譜的時間過長，很可能做出最終判斷時，此用戶的占用狀態已經改變，反而可能造成判決的錯誤，影響主用戶LU的正常使用。這就需要我們在進行協作頻譜感知時，不僅要考慮整體準確性的提高，更要兼顧到感知時間的問題，實現時效性與準確性的兼顧。這是協作頻譜感知的研究熱點也是難點。圖1為協作頻譜感知框圖，可以看到，在兩種基本的協作頻譜無線信道中，感知信道主要負責每個CU的感知主用戶存在與否的檢測信道。以能量檢測算法為例，CU通過檢測算法得到LU的統計信息，通過門限等參數設置，可以調節本地檢測的性能，使之符合協作頻譜感知的整體要求。

控制信道上傳遞的是每個CU向融合中心發送的判決和統計信息，即本地判決上報。這個過程包括了協作頻譜感知中的時延和能耗問題：參加感知的CU節點數目越多，可以獲得的信息越多，分集效果越好，最終在融合中心進行信息融合判決的結果越準確，整體的協作頻譜感知性能越好。但是更多的CU節點，意味著更多的功耗。

同時更多的CU在融合中心進行判決融合時，不論采用什么樣的算法，融合的算法復雜度都將要大大增加。所以，我們必須通過協作節點選擇算法，達到協作頻譜感知的ROC性能與時延功耗之間的折中。這種折中可以通過對控制信道中的CU個數的選擇，實現算法性能的綜合提高。

最后，各個CU的感知信息傳遞給數據融合中心，采用不同的數據融合算法，依照每個CU節點的信息，最終判定主用戶LU存在與否。這里的數據融合就會因為算法不同存在一個算法魯棒性的問題，所以，要根據情況選擇相應的不同的數據融合算法。

參考文獻：

[1]宮潤勝，胡中豫，申濤.認知無線電中多節點協作頻譜感知及其融合算法[J].西南大學學報（自然科學版），2008，30（11）：151-155.

[2]K.Hyoil，G.S.Kang.Adaptive MAC-layer Sensing of Spectrum Availability in Cognitive Radio Networks[C].IEEE Radio and wireless Symposium，2007，25（1）：464-469.