淺析感知無(wú)線電技術(shù)中的頻譜感測(cè)技術(shù)

賈世軍

摘要：在無(wú)線電技術(shù)飛速發(fā)展的今天，通信技術(shù)以互聯(lián)網(wǎng)為載體已促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型和快速增長(zhǎng)。無(wú)線頻譜傳輸?shù)男枨笳谥鹑盏脑黾樱虼耍哟鬅o(wú)線通信系統(tǒng)的研究力度是非常必要的。科學(xué)研究者想要對(duì)頻譜資源進(jìn)行有效規(guī)劃以及利用，必須從提升核心技術(shù)的角度出發(fā)，建立并逐步發(fā)展綜合通信系統(tǒng)的分布和共享頻譜。也就是說(shuō)，整個(gè)系統(tǒng)高效地實(shí)現(xiàn)頻譜的最優(yōu)分配是無(wú)線通信技術(shù)發(fā)展的不竭動(dòng)力。因此，本文從認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的定義入手，探討了認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)中的頻譜感知技術(shù)，有效利用頻譜資源則可對(duì)未來(lái)無(wú)線電技術(shù)提供一定的有益參考。

關(guān)鍵詞 無(wú)線電；頻譜感測(cè)；感知

Abstract： With the incredible boom， the radio communication nowadays has promoted the development and the transformation of economy taking internet as the carrier. However， since the need of wireless spectrum transmission increases drastically， strengthening the research of radio communication system is absolutely necessary. Therefore， scientists of this field must try to establish the share and distribution mechanism of spectrum from the perspective of improving the core technology if they want to project and utilize this limited resource in an effective way. Namely， the system itself is the fundamental impetus for the high efficiency of utilization and the optimization of spectrum. Thus， the study in this paper discussed in brief the spectrum sensing technology from the definition of radio communication， so as to provide certain reference for the development of radio communication， in the sense of effective utilization of spectrum resources.

Key Words： radio； spectrum sensing；perception

1 感知無(wú)線電技術(shù)的定義

感知無(wú)線電是一種具備智能感知和智能代理功能的信息傳輸技術(shù)，通過(guò)借鑒和運(yùn)用現(xiàn)代軟件技術(shù)原理而獲得了進(jìn)一步的豐富和發(fā)展，現(xiàn)已成為傳統(tǒng)無(wú)線電技術(shù)的一種智能延伸。與傳統(tǒng)的盲預(yù)先定義的協(xié)議不同，就是認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的本質(zhì)：信息資源的分配在傳輸過(guò)程中即能實(shí)現(xiàn)有效識(shí)別，并且形成最優(yōu)信息傳播，這是兩者在設(shè)計(jì)方案上的最大區(qū)別。同時(shí)，隨著該技術(shù)的日趨成熟，也已逐漸成為現(xiàn)代無(wú)線電研究的主要領(lǐng)域。

2 無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

自1980年以來(lái)，世界各國(guó)的無(wú)線通信技術(shù)均已獲得了飛速發(fā)展，而且該種勢(shì)頭也仍在繼續(xù)。與此同時(shí)，以互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)為根本導(dǎo)向的網(wǎng)絡(luò)通信在信息整合和對(duì)接方面促成了無(wú)線電通信的質(zhì)的飛躍，并且隨著便攜式微機(jī)、掌上電腦以及智能手機(jī)等的普及，也隨即開(kāi)辟了無(wú)線電領(lǐng)域發(fā)展的新紀(jì)元。因此，把無(wú)線通信、計(jì)算機(jī)和因特網(wǎng)三者結(jié)合起來(lái)能在提供更為便捷優(yōu)質(zhì)的通訊服務(wù)基礎(chǔ)上，通過(guò)升級(jí)的接入，實(shí)現(xiàn)無(wú)線電資源的綜合優(yōu)化配置，這也將是無(wú)線通信的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

與以模擬話音通訊方式為基本特色的傳統(tǒng)第一等待通信模式不同，第二代通信系統(tǒng)是以GSM、以及IS-95 CDMA為主要傳輸載體，在當(dāng)今無(wú)線電通信，尤其是移動(dòng)通信方面主導(dǎo)著整個(gè)資源市場(chǎng)。而在目前有限的無(wú)線電資源市場(chǎng)中，用戶數(shù)量正急劇增加，因此，需要一種更為科學(xué)的接入方式以及無(wú)線電資源分配方式，以提高信息傳輸和利用效率。這種方式便是第二代無(wú)線電傳輸中的數(shù)字化語(yǔ)音，能在多址接入的情況下，將模擬信號(hào)有效轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并在合理分址的同時(shí)，通過(guò)科學(xué)分配資源，最大化同時(shí)接入用戶數(shù)量。即使在這種情況下，人們從GSM處得到的服務(wù)也是極其有限的，14.4kbps的電路交換話音業(yè)務(wù)已是該系統(tǒng)所能配置的最大值。在GPPS和EDGE的作用下給予的分組交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是144kbps和384kbps。IS-95提供的接入更加優(yōu)質(zhì)，其速率可不斷地變化，當(dāng)其在最快時(shí)可分別達(dá)到9.6kbps和14.4kbps。綜上分析可以看出，隨著人們對(duì)知識(shí)以及信息需求的增長(zhǎng)，第二代移動(dòng)通信已經(jīng)無(wú)法為其提供技術(shù)發(fā)展支持。

在此背景推動(dòng)下，第三代移動(dòng)通信應(yīng)運(yùn)而生。其作用表現(xiàn)是能夠更加方便人們的生產(chǎn)生活，提供更加優(yōu)質(zhì)快捷的服務(wù)速度，（ 室內(nèi)可達(dá)2Mbps、步行可達(dá)384Kbps、車速可達(dá)144 Kbps）。而且比特速率隨著開(kāi)發(fā)服務(wù)對(duì)象的不同而得不同數(shù)值，對(duì)高中低端的業(yè)務(wù)也各具現(xiàn)實(shí)適用性， FDD、TDD兩種模式在該系統(tǒng)中可以相互協(xié)作，聯(lián)手構(gòu)建更趨全面的服務(wù)。目前，IMT-2000一共有5種標(biāo)準(zhǔn)，其中三個(gè)主流標(biāo)準(zhǔn)分別是歐洲的WCDMA、北美的CDMA2000以及中國(guó)的TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)[1]。

3G系統(tǒng)的最低傳輸速率是2mbps。當(dāng)其處于快速運(yùn)動(dòng)的條件下 ，也能夠?qū)崿F(xiàn)144Kbps的數(shù)據(jù)速率。其后研發(fā)的升級(jí)式優(yōu)化技術(shù)更是可以提供高達(dá)10Mbps左右的傳輸速率。即便如此，高效的傳輸速率以及高可信性依然是無(wú)線通信技術(shù)設(shè)定追求目標(biāo)，研究學(xué)界則始終圍繞改目標(biāo)研發(fā)和設(shè)計(jì)下一代系統(tǒng)。

根據(jù)香農(nóng)信息理論，無(wú)線通信傳輸速率越快，無(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)頻譜資源的要求也將呈現(xiàn)遞增，從而導(dǎo)致了可使用頻譜資源的利用率將日漸落低，這成為了無(wú)線電發(fā)展的困惑與局限。另外，已被分配使用的頻譜資源在時(shí)間和空間上并不能再得到完全使用。因此，研究者提出采用感知無(wú)線電（CR）技術(shù)，其主要原理就是從時(shí)間和空間的角度出發(fā)，使頻譜資源能夠得到盡量充分的使用。于是如圖1所示，研究者提出了一種新的研究思路，就是從發(fā)現(xiàn)“頻譜空洞”，并合理利用所發(fā)現(xiàn)的“空洞”的能力作為出發(fā)點(diǎn)，來(lái)尋求適當(dāng)?shù)慕鉀Q辦法。

圖2～3分別測(cè)量了無(wú)線電的動(dòng)態(tài)頻譜接入。在如今的科技前提下，有效地解決當(dāng)前頻譜利用效率低下和頻譜資源有限的方法，就是動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù)。人們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)絕佳的動(dòng)態(tài)頻譜接入發(fā)展前景，美國(guó)國(guó)防部高等研究計(jì)劃局（DARPAs）將動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù)作為在研究下一代通信網(wǎng)中的智能無(wú)線電技術(shù)（也叫感知無(wú)線）中的候選技術(shù)。下一代通信網(wǎng)，即動(dòng)態(tài)頻譜接入網(wǎng)或感知無(wú)線網(wǎng)，將利用網(wǎng)絡(luò)科技為無(wú)線通信提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。而頻譜感測(cè)就是利用無(wú)線通信探測(cè)用戶對(duì)外界無(wú)線環(huán)境的感知，以此來(lái)確定“頻譜空洞”。“頻譜空洞”就是那些已被人們利用的，但在閑暇時(shí)刻未獲使用或者說(shuō)用戶在使用但是能夠檢測(cè)到低功率信號(hào)的頻段。在此頻帶上，存在著2種狀態(tài)：低功率的噪聲或低功率的授權(quán)用戶信號(hào)，因此形成了一定的“頻譜空洞”，這為感知無(wú)線電系統(tǒng)通信提供了潛在可能頻譜資源。待感測(cè)的頻段可分為3種：黑空頻譜、灰空頻譜和白空頻譜。

3 感知無(wú)線電中的頻譜感測(cè)技術(shù)

3.1頻譜感知的基本方法

相干感測(cè)，也可稱為匹配濾波器感測(cè)。匹配濾波器感測(cè)方案是最優(yōu)的授權(quán)用戶信號(hào)，感測(cè)方法的前提就是知道授權(quán)用戶信號(hào)的結(jié)構(gòu)特征，如導(dǎo)頻、前導(dǎo)或同步消息等。相干感測(cè)能為人們提供性能更佳的服務(wù)，優(yōu)點(diǎn)是可以檢測(cè)到精確的頻譜結(jié)果，但也存在顯著劣勢(shì)，不但必須檢測(cè)出用戶的先驗(yàn)知識(shí)，還必須實(shí)現(xiàn)多種信號(hào)的相互協(xié)作，因此投資成本將遠(yuǎn)超出預(yù)算。能量傳感器，可針對(duì)感興趣的頻率測(cè)量一定觀察期間接收到的信號(hào)總能量，如果能量低于某一閾值，定義空白的頻譜，因而可以使用頻譜感知用戶通信。與相干傳感相比，能量傳感器需要更多的時(shí)間以達(dá)到同樣效果，但是其所呈現(xiàn)的成本低的特點(diǎn)，使其成為易于實(shí)現(xiàn)頻譜的認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)。總體而言，以上2種光譜傳感技術(shù)方法都有著成熟的理論基礎(chǔ)，性能分析更趨理想。而光滑的環(huán)流特征傳感器實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度較高，但是傳感器性能更好。能量傳感器的功能劣勢(shì)就是不能從授權(quán)用戶信號(hào)辨別接收功率或者說(shuō)該方法的檢測(cè)結(jié)果缺乏可信度。授權(quán)用戶信號(hào)載頻和調(diào)制類型或循環(huán)前綴，以及一些其他研究特性，比如使用信號(hào)給出了自相關(guān)函數(shù)和周期固定光譜相關(guān)性屬性，即可區(qū)分信號(hào)功率和噪聲功率，從而突破能量傳感器的瓶頸。周期圖法是使用傅里葉變換得到信號(hào)的功率譜密度，算法可以利用快速傅里葉變換，在實(shí)現(xiàn)上具備便捷優(yōu)勢(shì)。為了更好地設(shè)計(jì)量化和管理干擾，前提基礎(chǔ)條件就是頻譜感知的過(guò)程中存在諸多人為以外的因素需要考慮，比如噪音等都可以使檢測(cè)結(jié)果受到一定的影響，從而降低了可信度。隨即，研究再度提出干擾溫度的概念，從而使頻譜感知接入的機(jī)會(huì)獲得顯著改善。研究中，通過(guò)功率譜估計(jì)可確定干擾溫度限制。只要干擾溫度變動(dòng)能夠可控在限制范圍內(nèi)，感知用戶的訪問(wèn)造成干擾，對(duì)于授權(quán)用戶即為可容忍，用戶便可以實(shí)現(xiàn)頻譜共享。，如圖4所示。

綜合圖5和文獻(xiàn)[2]研究可知，基于授權(quán)用戶信號(hào)感測(cè)的頻譜感知目的在于避開(kāi)授權(quán)用戶或盡量降低對(duì)授權(quán)用戶的干擾，而基于干擾溫度模型的頻譜感知?jiǎng)t試圖與授權(quán)用戶同時(shí)并存于同一個(gè)頻段。

3.2 協(xié)作與數(shù)據(jù)融合頻譜感知

由于缺乏有效的交流，各用戶之間信息隔絕不暢；而且只有在低噪音的條件下，感知用戶才能實(shí)現(xiàn)頻譜感測(cè)。感測(cè)環(huán)境通常包括多徑大尺度衰落的可視距線路和隱藏站點(diǎn)，但是為了獲得用戶的信賴，就必須提供最為精確的檢測(cè)信息，因此調(diào)整用戶之間的關(guān)系，推動(dòng)和促進(jìn)用戶合作則已成為發(fā)展必要。針對(duì)這一情況，研究提出一種更為合理精確的頻譜檢測(cè)的方法，那就是協(xié)同感測(cè)。協(xié)同頻譜感知就是合理分配各種信息，并對(duì)信息進(jìn)行綜合整理，從而大大增強(qiáng)頻譜檢測(cè)的效果。協(xié)同感測(cè)具優(yōu)眾多優(yōu)點(diǎn)：可以盡量減少各種突發(fā)因素，消除多徑衰落和陰影的影響，即使在大尺度陰影衰落的環(huán)境下，也可以有較好的感測(cè)性能。頻譜感知性能主要由感知范圍、感測(cè)時(shí)間、感測(cè)概率、虛警概率等相互關(guān)聯(lián)的技術(shù)指標(biāo)來(lái)評(píng)測(cè)衡定，協(xié)同頻譜感知可利用空間分集增益改善上述指標(biāo)，解決單節(jié)點(diǎn)感知中設(shè)計(jì)固存的多徑衰落、陰影衰落和隱藏終端等弊端不足，同時(shí)也可降低對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)感知靈敏度的要求，從而減少運(yùn)行實(shí)現(xiàn)成本。中心式和分布式是實(shí)現(xiàn)頻譜感知的2種基本方式。具體給出如下概述：

1）中心式感知。中心單元收集各節(jié)點(diǎn)的感知信息，負(fù)責(zé)識(shí)別可用頻譜，并將頻譜可用信息廣播給各感知節(jié)點(diǎn)或直接控制感知節(jié)點(diǎn)的通信參數(shù)。

2）分布式感知。感知節(jié)點(diǎn)彼此之間共享感知信息，但獨(dú)立判斷各自的可用頻譜。與中心式感知相比，分布式感知的優(yōu)點(diǎn)是不需要基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，部署更趨靈活高效[3]。

無(wú)論中心式還是分布式感知，就協(xié)同頻譜感知的研究?jī)?nèi)容而言，重點(diǎn)包含以下2個(gè)方面：

1） 感知節(jié)點(diǎn)感知信息的合并處理，即考慮信息融合問(wèn)題。

2） 感知信息傳遞過(guò)程的合作，即考慮中繼傳輸問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

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