基于認知無線電的頻譜檢測技術研究

?

基于認知無線電的頻譜檢測技術研究

張佳民

（張家口學院，河北張家口,075000）

1　認知無線電的核心技術

認知無線電的核心技術有：動態頻譜連接與頻譜管理、頻譜檢測技術、頻譜感知技術、自適應頻譜資源配置等技術。頻譜感知技術和頻譜檢測技術是認知無線電功能的基礎，沒有獲得權限資格的使用者的頻譜優先連接權力比那些得到權限資格的使用者要低。要想不對授權使用者形成不良影響，可靠檢測概率要求很高。對于頻譜分配技術，需要使用有效的方法來利用無線頻譜資源。基本途徑兩條：第一，為使授權用戶的頻譜資源得到充分利用要盡可能的提高利用率；第二,提高系統通信效率,將已有的頻率資源優化分配,從而提高利用率。動態頻譜分配也被叫做動態頻譜管理，它是以結合功率控制提供一個自適應的用于有效的利用射頻頻譜的策略為目的。通過頻譜檢測技術獲得認知用戶可以使用的頻譜池，選擇調制策略來適應當時的無線射頻環境。

2　認知無線電的頻譜檢測

認知無線電的頻譜檢測性能的前提是智能化，通過對其工作區域的頻譜的探測，認知無線電能夠獲得空間頻譜的使用情況，當發現主用戶的授權頻段上并沒有主用戶出現，在不影響已有通信系統的前提下則可以伺機占用此頻段。認知無線電活動的實現先要實施感知無線條件的要求，即實施頻譜檢測與評斷頻譜空洞是不是出現了。

頻譜檢測技術在認知無線電系統中不僅可以搜尋頻譜空洞，還可以進行頻譜狀態的實時監測。在特定狀況下，頻譜偵測技術能夠正確的預估到射頻信息相撞的情況，使非授權用戶能夠盡快進行主動退避, 避免對授權用戶產生大的干擾。

2.1單一節點檢測

單一節點檢測又稱為基于本地的檢測，就是指單個節點獨立完成對空間頻譜的當前測定活動，是靠匹配濾波器檢測、靜態循環譜分析探測和能量檢測等3種方法來完成頻譜檢測任務的。

（1） 匹配濾波器檢測

當認知無線電提醒存在授權使用者具有先驗知識的時候，最好的濾波裝置就是匹配濾波裝置。

輸出信噪比最大是匹配濾波裝置方式的最大特征，可以讓失誤判斷比例最低。但是使用匹配濾波器作為頻譜感知的信號操作形式，需要存在授權使用者信號的先驗知識，如工作頻率、調制形式，波形指數、物理層規劃等內容，因此應該在認知無線電裝置內儲存眾多的要進行維護的授權頻段信號的使用者資料，就會提升認知無線電裝置完成權限授予使用者信號的有關調節需要的時間相符、載波同步與信道平衡等操作的復雜性。當認知無線電系統對授權用戶的先驗知識不全面時，匹配濾波器的功能就會被削弱。并且，針對各個類別的權限授予使用者，認知無線電體系應有一個專門的接收器，這樣就增加了設備的預算。

（2） 靜態循環譜分析探測

對于實際環境來說，無線信號在其統計概率上大多數都不是平穩信號，其平穩性會與其載頻、基帶信號及編碼等周期信息有關，其一階或高階統計參數呈時間周期性，稱其具有周期平穩性，通過分析頻譜相關函數可以識別和分析出信號，還能夠探測出信號的一些特性，包括信號的調制方式、信息速率以及相位信息等,具體實現結構框圖1所示.

譜相關函數法的優勢：

第一，存在較好的分辨率。針對周期的穩定信號，盡管信號頻譜是沒有停止的，但是從譜有關平面圖中表現出來的信息特性可以看出依舊根據周期頻率零散布局的。所以在頻譜中，重疊的特性，在用譜有關操作的時候可以判斷。

第二，抗干擾能力強。當SNR比較低時，背景噪音在周期頻率不是零的區域不存在譜特性，所以，在研究周期頻率非零區域的周期譜的時候，不會受到背景噪音的干擾。

第三，譜有關函數結合高階循環統計量知識，建立了循環頻率-滯后平面，借助周期譜將信息實施隔離辨別操作，測定周期譜的大小、位移等，檢測載波、脈沖、調節速度與相位信息。

（3）能量檢測

圖1　基于譜相關理論的檢測模型

圖2　能量監測基本模型

如果不能提前獲得所接收的信號各種參數信息，最恰當的處理方式就是把輸入信號看作為一個隨機過程，此時能量探測器就是最佳的探測器。能量檢測器是在時間段T中對通過帶通濾波裝置的輸出信號給予平方運算與積分操作，將積分值Y與假定的門限X比較，從而判定授權用戶是否出現，框圖如圖2所示。

能量檢測是一類較為簡單的信號非相干測定方式，其測定形式對裝置需要較低，容易完成，運用性高，不必知道信號的先驗知識，僅僅當信號能量大于特定規模之后就會被測定。但是其判決門限易受環境中的噪聲水平所干擾，此外，盡管可以滿足給定的門限值，信帶內影響的形成也會干擾能量檢測裝置。并且，能量檢測僅僅會測定信號是不是存在，而不能分辨信號的類型、功率水平和噪聲等信息。

2.2眾多節點的協同檢測

眾多節點的協同檢測也稱為合作檢測。認知無線電技術體系運用合作檢測的方式的目標是要借助眾多認知無線電接點的頻譜感知信號的合作得到任意一個單一頻譜感知節點所不能夠獲得的測定功能，把基于單一節點測定得到的未知性降至最低，所以融合之后的認知無線電體系的頻譜感知功能要好于單一頻譜感知節點的效果。

（1）合作檢測的結構

多種系統配置結構可以用在分布式檢測融合系統中：并行結構、串行結構、樹形結構、網狀結構等。在這些融合結構中并行結構和串行結構是基本結構，其他的融合結構可以認為是由這兩種結構衍生而來。

檢測融合的并行結構，就是所有的感知節點間是并列的關系，相互間都是平等的，而且在此結構內僅存在唯一的融合中心，全部感知節點的當地判定結論都傳遞至這一融合中心，其按照有關的規定來作出最終的判決。

上圖3中S1, S2,…Sn,為單個檢測節點，Z1, Z2,…Zn,為觀測數據，U1, U2,…Un,為檢測節點的本地判決結果，U為融合中心的最后判定結論。

圖3　檢測融合的并行結構

圖4　檢測融合的串型結構

和并行架構進行比較，如圖4所示，這是測定融合的串行架構。在這一架構中，節點感知結論是按照層級向上傳輸的，除整個串行結構中的第一個感知節點，感知節點Si的感知結果Ui都將根據前一級Si-1的判決結果Ui-1及其自身的本地檢測結果Zi根據一定的規則再來融合而產生。因此最終的判決結果是由最后的一個感知節點所產生的。這樣的串行結構中，第一個感知節點只按照本身的觀測數字Z1形成期判定結論u1，最終的感知節點就會給出體系的最后決定。

顯而易見，串行結構相對于并行結構而言易于受到鏈路故障的影響，一旦一個感知節點出現故障，則將直接影響之后所有節點以及整個網絡的感知結果，而對于并行結構而言，主要的隱患在于其只有一個融合中心，融合決策成功與否決定于融合中心處。在目前的認知無線電網絡體系中主要使用并行結構來進行合作感知的分析。

3　總結

由于陰影效果、多址衰敗與建筑物中遭受過多的穿越損耗的作用讓單一節點的測定結論存在失誤，認知無線電就可能會對授權頻段的用戶造成干擾。在現有的認知無線電頻譜檢測技術中，還仍然存在許多值得研究的問題，有待于更深入地分析和研究。

參考文獻

[1] 馮文江，郭瑜，胡志遠.認知無線電中的頻譜感知技術[J].重慶大學學報(自然科學版), 2007,30(11):1-4

[2] 官潤勝,胡中豫,申濤.基于分布式檢測和協作的自適應頻譜感應機制[J].通信技術,2008,12(41):1-3.

摘要：信息時代無線通信飛速發展，許多需要較寬頻譜和較高下載速率的業務，如多媒體通信業務，已經成為無線服務的重點對象。認知無線電是一種智能的無線通信技術，可以通過感知周圍環境來自動調整其發射機參數，其核心思想是利用已分配但未獲得充分利用的頻譜，從而提高頻譜利用率避免對主用戶造成干擾是認知無線電最需要解決的問題，頻譜感知則是實現這一目標的前提。

關鍵詞：認知無線電;頻譜檢測

Study of spectrum detection technology based on cognitive radio

Zhang Jiamin

（zhangjiakou University,075000)

Abstract：With the rapid development of wireless communication in information era,many need more bandwidth and higher rates of business,such as multimedia communication services,has become the focus of wireless services. Cognitive radio is an intelligent wireless communication technology,can be perceived by the surrounding environment to automatically adjust its transmitter parameters,its core idea is the use of allocated but not make full use of the spectrum,so as to improve the spectrum utilization rate to avoid interference to primary users is the most need to solve the problem of cognitive radio,spectrum sensing is the premise this goal.

Keywords：cognitive radio;spectrum detection