基于認(rèn)知無線電的頻譜檢測(cè)方法研究

陳志剛 程水軍

摘 要在無線通信中，隨著無線通信設(shè)備的爆發(fā)式增長，越來越擁擠的頻譜分段和頻譜資源的不充分利用這對(duì)矛盾越來越尖銳，認(rèn)知無線電被認(rèn)為是解決這對(duì)矛盾的有效方案，其中頻譜檢測(cè)是認(rèn)知無線電的重要組成部分。只有采用適合相應(yīng)無線通信環(huán)境的頻譜檢測(cè)策略，次級(jí)用戶才能以較高的檢測(cè)概率檢測(cè)到頻帶的使用情況，從而作出正確的選擇，即接入該頻段或者不接入該頻段。本文對(duì)不同的頻譜檢測(cè)方法進(jìn)行了研究，包括能量檢測(cè)，匹配濾波器檢測(cè)，序列檢測(cè)等檢測(cè)方法，對(duì)其優(yōu)劣進(jìn)行了分析，為不同的認(rèn)知無線電環(huán)境如何選取最合適的頻譜檢測(cè)方法提供參考。

【關(guān)鍵詞】認(rèn)知無線電 能量檢測(cè) 匹配濾波器檢測(cè) 序列檢測(cè)

1 認(rèn)知無線電簡介

近年來，以高可靠性，高并發(fā)，高傳輸速率為主要特征的無線通信技術(shù)飛速發(fā)展，比如4G，5G等，這些無線通信技術(shù)使得人們的生活更加便捷，能夠?qū)崟r(shí)與世界各地的人通信。可是，這些無線通信技術(shù)的發(fā)展離不開無線頻帶資源的支撐，可是，從目前頻譜分配的總體情況可以發(fā)現(xiàn)，能夠繼續(xù)分配的頻譜越來越少，這將嚴(yán)重制約無線通信技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。因此如何解決無線頻譜資源匱乏的問題變得越來越急迫。在這個(gè)時(shí)候，越來越多的人將希望放在了認(rèn)知無線電技術(shù)上。

認(rèn)知無線電是一種能夠進(jìn)行自我學(xué)習(xí)的智能網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示，具有能夠收集并且分析處理所在電磁頻譜環(huán)境信息的強(qiáng)大能力，具體來說，該智能網(wǎng)絡(luò)首先與周圍電磁環(huán)境進(jìn)行交互，通過頻譜檢測(cè)技術(shù)判斷出可以使用的頻帶，即授權(quán)用戶暫時(shí)沒有使用的頻段。如果授權(quán)用戶需要重新使用該頻段，那么認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)就需要及時(shí)檢測(cè)到該信息，然后減小功率甚至放棄使用該頻譜。可以看出認(rèn)知無線電的核心是頻譜檢測(cè)，只有正確地檢測(cè)到頻段的使用情況，才能實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無線電的功能。

2 基于認(rèn)知無線電的頻譜檢測(cè)方法研究

2.1 能量檢測(cè)

能量檢測(cè)是一種較為簡單的頻譜檢測(cè)方法，它的檢測(cè)原理是根據(jù)一定時(shí)間內(nèi)接收到的能量大小來判定是否存在工作信號(hào)還是只有噪聲，如果周圍環(huán)境噪聲服從高斯分布，那么能量檢測(cè)是實(shí)際檢測(cè)環(huán)境中使用最為廣泛的檢測(cè)方法，因?yàn)槭褂迷摍z測(cè)方法不用知道授權(quán)用戶的任何先驗(yàn)知識(shí)，并且運(yùn)算速度快，時(shí)間復(fù)雜度較低，更重要的是，在很多情況下次級(jí)用戶是不知道授權(quán)用戶的相關(guān)信息的。一般在理論分析上，可以認(rèn)為環(huán)境噪聲是服從高斯分布的，不過需要注意的是在實(shí)際的電磁環(huán)境中，其只是近似服從高斯分布，并且在噪聲波動(dòng)較大時(shí)，誤差會(huì)變大。

能量檢測(cè)方法的具體實(shí)施方法是通過對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行采樣，然后求模加平方和就可得到檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，而后與門限進(jìn)行比較，就可進(jìn)行判決。需要注意的是能量檢測(cè)是通過對(duì)周圍環(huán)境中的噪聲進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)得到的結(jié)果判決授權(quán)用戶是否工作。因此，對(duì)周圍環(huán)境噪聲檢測(cè)得到的結(jié)果是否準(zhǔn)確將直接影響到最后的檢測(cè)性能。

2.2 匹配濾波器檢測(cè)

匹配濾波器檢測(cè)是通過在信號(hào)的接收端按照匹配濾波器的要求來設(shè)計(jì)檢測(cè)方法，以達(dá)到改善信噪比的目的。匹配濾波器指的是如果周圍環(huán)境噪聲是加性平穩(wěn)噪聲，在輸入功率信噪比一定的條件下，使輸出功率信噪比最大的濾波器，就是一個(gè)與輸入信號(hào)相匹配的最佳濾波器，稱之為匹配濾波器。匹配濾波器對(duì)振幅和時(shí)延參量不同的信號(hào)具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，不過對(duì)頻移信號(hào)不具有適應(yīng)能力。匹配濾波器的主要優(yōu)勢(shì)在于該濾波器能夠使輸出功率信噪比最大化，因此可以得到最好的檢測(cè)性能。

不過該檢測(cè)方法存在一些明顯的缺點(diǎn)：該檢測(cè)方法需要知道授權(quán)用戶的相關(guān)信息才能進(jìn)行檢測(cè)，而對(duì)該信息的存儲(chǔ)將會(huì)花費(fèi)更多的存儲(chǔ)空間。并且，為了能夠保證授權(quán)用戶的工作信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，次級(jí)用戶能夠使用同樣的濾波器，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)必須進(jìn)行非常復(fù)雜的運(yùn)算，而這將花費(fèi)更多的時(shí)間資源。

2.3 序列檢測(cè)

在對(duì)接收信號(hào)的觀測(cè)達(dá)到預(yù)設(shè)的觀測(cè)次數(shù)后，必須作出授權(quán)用戶是否存在的判決方法稱為硬判決，能量檢測(cè)和匹配濾波器檢測(cè)都屬于硬判決的范疇。如果事先不預(yù)設(shè)觀測(cè)次數(shù)，而是邊觀測(cè)邊作出判決，即如果在這次判決中無法得到滿意的判決結(jié)果，就繼續(xù)增加觀測(cè)次數(shù)，再次判決，直到得到滿意的判決結(jié)果為止，這種判決方式稱為信號(hào)的序列檢測(cè)。序列檢測(cè)方法是一種觀測(cè)次數(shù)不定的實(shí)時(shí)判決方法，由于與傳統(tǒng)的硬判決方法相比，在保證檢測(cè)性能不變的前提條件下，該方法使用的平均采樣點(diǎn)數(shù)更少，可以減少感知時(shí)間，從而提高頻譜利用率。因此，該方法在頻譜檢測(cè)領(lǐng)域得到了越來越多的關(guān)注。不過該檢測(cè)方法由于需要邊檢測(cè)邊判決，與傳統(tǒng)的硬判決相比，其運(yùn)算復(fù)雜度會(huì)更高，因此在實(shí)際使用中需要權(quán)衡是否能夠承受較高的運(yùn)算復(fù)雜度。

3 結(jié)論

本文研究了認(rèn)知無線電環(huán)境下的常用頻譜檢測(cè)方法，包括能量檢測(cè)，匹配濾波器檢測(cè)和序列檢測(cè)。對(duì)上述檢測(cè)方法的優(yōu)劣進(jìn)行了分析，為不同的檢測(cè)環(huán)境如何選取檢測(cè)方法提供了參考。隨著認(rèn)知無線電技術(shù)的研究越來越深入，相信頻譜資源匱乏的問題將會(huì)逐步得到解決，人們的生活也會(huì)越來越便捷。

參考文獻(xiàn)

[1]王欽輝，葉保留，田宇等.認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中頻譜分配方法[J].電子學(xué)報(bào)，2012，40（01）：147-154.

[2]王軍，李少謙.認(rèn)知無線電：原理、技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)[J].中興通訊技術(shù)，2007，13（03）：27-31.

[3]周賢偉，辛?xí)澡ぃ觖惸鹊?認(rèn)知無線電安全關(guān)鍵技術(shù)研究[J].電信科學(xué)，2008，24（02）：72-77.

作者單位

1.海裝沈陽局 遼寧省沈陽市 110081

2.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心 湖北省武漢市 430064