認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的頻譜感知技術(shù)的分析

上海船舶電子設(shè)備研究所 胡必楠 施丹華 金嘉榮

本文主要對(duì)頻譜感知技術(shù)進(jìn)行分析，分析該技術(shù)的基本原理以及其中的關(guān)鍵技術(shù)，如濾波器檢測(cè)技術(shù)以及循環(huán)平穩(wěn)特征技術(shù)，意在提高頻譜感應(yīng)技術(shù)的利用率，最大限度降低用戶(hù)彼此之間產(chǎn)生的干擾，希望對(duì)相關(guān)的工作人員具有一定的參考價(jià)值。

分析無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的主要原因就是在已有的頻譜環(huán)境下，更加高效地利用頻譜機(jī)會(huì)，頻譜感知技術(shù)主要是基于固定的頻譜分配原則，然后通信系統(tǒng)會(huì)利用專(zhuān)業(yè)的通信設(shè)備以及協(xié)議在相應(yīng)的頻段上進(jìn)行工作，由于當(dāng)前無(wú)線(xiàn)技術(shù)正處于不斷發(fā)展的階段，用戶(hù)日益增加，造成頻譜資源處于嚴(yán)重?fù)頂D的狀態(tài)，頻譜資源缺乏的問(wèn)題逐漸顯露出來(lái)。因此，需要加強(qiáng)對(duì)頻譜感知技術(shù)的研究工作，充分利用好頻譜資源，盡可能降低對(duì)其他用戶(hù)造成的干擾，進(jìn)一步發(fā)揮頻譜感知技術(shù)的作用。

1 無(wú)線(xiàn)電頻譜感知技術(shù)的基本原理分析

由于利用無(wú)線(xiàn)電頻譜技術(shù)，工作人員就可以清楚地感知到頻譜環(huán)境，檢測(cè)到無(wú)線(xiàn)電用戶(hù)對(duì)于頻譜的使用情況，同時(shí)有效地使用能即時(shí)利用的當(dāng)?shù)仡l譜，為主用戶(hù)提供高質(zhì)量的通信質(zhì)量，以下將對(duì)頻譜感知技術(shù)的基本原理展開(kāi)分析。

1.1 頻譜感知技術(shù)的原理分析

頻譜感知術(shù)語(yǔ)無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)的核心功能之一，是管理頻譜以及實(shí)現(xiàn)頻譜共享的主要方式，由于當(dāng)前用戶(hù)是通過(guò)連續(xù)的頻譜感知發(fā)現(xiàn)閑置的頻譜，也就是頻譜空穴，一旦頻譜感知技術(shù)發(fā)現(xiàn)不同時(shí)域、視域以及空域的頻譜空穴，然后就可以為用戶(hù)使用頻譜提供便利。另外，通過(guò)對(duì)頻譜感知技術(shù)的應(yīng)用，也有利于用戶(hù)獲取到主用戶(hù)的有關(guān)信息，然后將騰出通信通道，或者通過(guò)調(diào)整頻率傳輸頻率，避免對(duì)用戶(hù)的信號(hào)造成干擾，提高資源利用效率。

1.2 頻譜感知技術(shù)的算法分析

頻譜感知技術(shù)屬于一種信號(hào)檢測(cè)問(wèn)題，感知技術(shù)的主要目的就是對(duì)以下兩種假設(shè)進(jìn)行判決：H0：Y（t）=n（t）；H1：Y（t）=h（t）x（t）+n（t），其中n（t）代表的為高斯白噪聲，而Y（t）則代表的是認(rèn)知信號(hào)系統(tǒng)所接收到的信號(hào)，x（t）表示的是通信系統(tǒng)中的用戶(hù)發(fā)送的信號(hào)，而h（t）則代表著信道的增益，其中t表示增益時(shí)間，而H0以及H1表示的則是該通信頻道中用戶(hù)是否可以滿(mǎn)足上述假設(shè)，其中Y（t）通過(guò)建立相應(yīng)的檢驗(yàn)系統(tǒng)Y，然后在特定的判決條件下，按照判決規(guī)則得出相應(yīng)的檢測(cè)結(jié)果D0以及D1，但是頻譜感知的功能可以從以下幾方面來(lái)計(jì)算，檢測(cè)概率Pd=P（D1/H1）、虛警概率Pf=P（D1/H0）以及感知頻率丟失的概率從Pm=P（D0/H1）。由此可以看出，對(duì)于通信用戶(hù)來(lái)說(shuō)，虛警概率往往會(huì)限制部分用戶(hù)使用空閑的頻段，降低頻帶的利用率，同時(shí)漏檢概率則表示的是部分用戶(hù)在連接到主用戶(hù)的過(guò)程中，對(duì)其造成了一定程度的干擾。總而言之，虛警概率的目的，就是將一些主用戶(hù)不存在的情況判定為存在，例如，低虛警概率表示的是用戶(hù)沒(méi)有使用的頻率，提升頻帶的使用效率，而漏檢概率則表示的是將主用戶(hù)不存在的情況判定為不存在，低漏檢概率是為了給主用戶(hù)提供優(yōu)質(zhì)的信號(hào)，減少其他用戶(hù)對(duì)于主用戶(hù)的干擾。因此，只有設(shè)計(jì)出良好的通信感知頻率技術(shù)，才能降低系統(tǒng)的虛警概率。另外，根據(jù)IEEE802.22的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，要求用戶(hù)的檢測(cè)概率在90%以上，同時(shí)虛警概率也要保持在10%以下，才能為用戶(hù)提供優(yōu)質(zhì)的信號(hào)服務(wù)。

2 無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)下的核心頻譜感知技術(shù)分析

從檢測(cè)頻段帶寬來(lái)分析，可以將頻譜感知技術(shù)分成窄帶頻譜感知技術(shù)以及寬帶頻譜感知技術(shù)，窄帶頻譜感知技術(shù)分為經(jīng)過(guò)用戶(hù)授權(quán)的發(fā)射信號(hào)段檢測(cè)以及授權(quán)用戶(hù)接收的通信信號(hào)檢測(cè)以及能夠合作的頻譜感知技術(shù)，而授權(quán)用戶(hù)發(fā)射的檢測(cè)，其中關(guān)鍵的技術(shù)就是濾波匹配檢測(cè)技術(shù)、能量檢測(cè)技術(shù)以及特征值檢測(cè)技術(shù)等，以下將對(duì)上述技術(shù)展開(kāi)分析。

2.1 濾波器的匹配檢測(cè)技術(shù)分析

如果頻譜感知技術(shù)中的X（t）是已知的，則可以通過(guò)利用濾波器匹配技術(shù)，然后充分發(fā)揮檢測(cè)作用，將系統(tǒng)中接收到的信號(hào)Y（t）通過(guò)離散采樣的方式，輸入到濾波器中，可以利用，其中y(n)表示的是y(t)離散采樣之后的新信號(hào)，而X*(n)則表示為復(fù)共軛的信號(hào)X(n)，其中n表示采樣點(diǎn)數(shù)。因此，工作人員可以利用該公式的檢測(cè)量Y，以及預(yù)先設(shè)置的檢測(cè)門(mén)限值λ進(jìn)行比較，當(dāng)Y＞λ時(shí)，系統(tǒng)則能夠自動(dòng)判定該頻段上存在空閑的用戶(hù)信號(hào)，而當(dāng)Y＜λ，系統(tǒng)就會(huì)得出當(dāng)前頻段不存在頻譜空穴的結(jié)論，為用戶(hù)使用信號(hào)提供一定較大的便利。因此，運(yùn)用匹配的濾波器對(duì)頻譜感知技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，可以在較短的時(shí)間內(nèi)提高信號(hào)增益，保持輸出的信噪比處于最大值，但是此種方式也存在一定的弊端，首先，是用戶(hù)必須了解主用戶(hù)的有關(guān)信息，才能保證信號(hào)的準(zhǔn)確性，但是一旦無(wú)法保證信息的準(zhǔn)確性，就會(huì)影響匹配濾波器的工作效率。其次，由于為了保證匹配濾波器的工作效率，還需要保證定時(shí)與頻率同步，才能提高主信號(hào)的關(guān)聯(lián)度。最后，近年來(lái)越來(lái)越多的主用戶(hù)評(píng)斷逐漸開(kāi)展了機(jī)會(huì)頻段，但是對(duì)于認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)來(lái)說(shuō)，無(wú)論哪一個(gè)主用戶(hù)頻段，系統(tǒng)接收機(jī)均必須要安裝一個(gè)單獨(dú)的匹配濾波器，因此，需要耗費(fèi)較高的投資，影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 循環(huán)平穩(wěn)特征檢測(cè)技術(shù)分析

在無(wú)線(xiàn)電通信系統(tǒng)下，在平均值、自相關(guān)等信息技術(shù)的作用下，調(diào)制信號(hào)具有極強(qiáng)的循環(huán)平穩(wěn)性，由于其主要是由信號(hào)以及信號(hào)的周期性引發(fā)的，但是噪聲通常在循環(huán)的頻率下不會(huì)反映出頻譜的相關(guān)性質(zhì)。因此，只有利用CAF才能對(duì)主用戶(hù)展開(kāi)信號(hào)檢測(cè)，分離出噪聲以及信號(hào)，充分使用閑置資源，可以通過(guò)以下方式計(jì)算定義譜的有關(guān)函數(shù)：，而且也可以計(jì)算出。另外，由于循環(huán)平穩(wěn)特征檢測(cè)有助于區(qū)分噪音以及主用戶(hù)的信號(hào)，從理論上來(lái)講，其不受到噪音的干擾，因此，在低音噪中具有良好的檢測(cè)性能。但是和能量檢測(cè)法相比，循環(huán)特征的檢測(cè)方式對(duì)于降低噪音，提高檢測(cè)性能具備良好的效果，但是從實(shí)踐效果中分析，此種方式的計(jì)算量較多，因此，在具體的操作過(guò)程中，可以將循環(huán)檢測(cè)技術(shù)和其他技術(shù)結(jié)合起來(lái)，提升信號(hào)調(diào)制參數(shù)的質(zhì)量和效率，令用戶(hù)在通信的過(guò)程中，能有效識(shí)別不同的信號(hào)，提升認(rèn)知工作的效率。

2.3 本振泄漏功率的檢測(cè)技術(shù)分析

本振泄漏功率的檢測(cè)技術(shù)，指的是主用戶(hù)通過(guò)接收機(jī)的前端來(lái)判斷當(dāng)?shù)卣袷幤髦惺欠翊嬖谡鹗幤鳎怯捎诂F(xiàn)階段絕大多數(shù)無(wú)線(xiàn)電接收設(shè)備安裝的均是超外差式的接收機(jī)，其需要利用本地的振蕩器來(lái)調(diào)整接收信號(hào)，從而通過(guò)變頻來(lái)獲取到中頻信號(hào)。因此，當(dāng)接收機(jī)在工作時(shí)，接收設(shè)備內(nèi)部的本地振蕩器就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的本振信號(hào)，致使信號(hào)被泄漏，無(wú)法充分保證用戶(hù)的信息安全。利用此種檢測(cè)方式，相關(guān)的工作人員就可以通過(guò)泄漏的信號(hào)，判斷出用戶(hù)接收機(jī)是否處于工作狀態(tài)，但是只有經(jīng)過(guò)用戶(hù)的授權(quán)，才可以在其接收機(jī)附近安裝一個(gè)傳感器，因此會(huì)對(duì)用戶(hù)造成一定干擾，而且如果授權(quán)的用戶(hù)數(shù)量較大、分布較廣時(shí)，此種方式需要耗費(fèi)大量的人力和物力，可行性不高。另外，該種方式應(yīng)用的范圍較小，為了保證其可靠性，通常需要耗費(fèi)較多的時(shí)間。根據(jù)調(diào)查研究顯示，近年來(lái)我國(guó)接收機(jī)研究工作快速發(fā)展，本振泄漏功率泄漏的情況逐漸減少，但是如果距離較遠(yuǎn)，則很難檢測(cè)到本振泄漏。除此之外，由于接收機(jī)的種類(lèi)較多，工作年限也不同，其泄漏的功率也是不同的，因此，相關(guān)工作人員也對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，具體的方式如下，即建立一個(gè)整體的緊湊以及低成本的傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)將其安置在原始的接收機(jī)附近，然后評(píng)估這些泄漏的節(jié)點(diǎn)，確定授權(quán)用戶(hù)處于哪一個(gè)通信系統(tǒng)上，然后將恒定的功率傳遞給無(wú)線(xiàn)電的使用用戶(hù)，提升其精確度，令其可以在最短的時(shí)間內(nèi)做出評(píng)估。

2.4 合作頻譜感知技術(shù)分析

由于認(rèn)知用戶(hù)和系統(tǒng)授權(quán)用戶(hù)之間并且建立直接的信令交互，因此，在對(duì)授權(quán)用戶(hù)展開(kāi)發(fā)射信號(hào)檢測(cè)時(shí)，必須要利用無(wú)線(xiàn)認(rèn)知系統(tǒng)的接收機(jī)，來(lái)獲取到微弱的信號(hào)，在接收授權(quán)用戶(hù)信號(hào)時(shí)，經(jīng)常會(huì)受到外部環(huán)境的影響，從而產(chǎn)生陰影效應(yīng)，致使外部無(wú)線(xiàn)環(huán)境發(fā)生干擾，降低接收信號(hào)的準(zhǔn)確性，令工作人員作出錯(cuò)誤的判斷，影響用戶(hù)的正常工作。通常合作式的頻譜感知技術(shù)，對(duì)于解決用戶(hù)檢測(cè)系統(tǒng)中的陰影效應(yīng)具有顯著的效果，當(dāng)前合作頻譜感知技術(shù)主要是為了能夠進(jìn)行集中式的采樣融合模型，對(duì)于不同位置的感知階段均可以相對(duì)獨(dú)立地進(jìn)行本地感知，有助于融合中心展開(kāi)信息融合，最終判斷出當(dāng)前通信頻段是否處于被占用的狀態(tài)。總之，此種檢測(cè)技術(shù)不僅能夠確保檢測(cè)工作的質(zhì)量和效率，而且還能縮減檢測(cè)時(shí)間，提高合作增益，但是由于會(huì)占用較多的信道帶寬以及頻譜資源，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的性能，因此，相關(guān)工作人員需要加強(qiáng)對(duì)該技術(shù)的研究工作，最大限度地減少資源的占用。

2.5 多信道的寬帶感知技術(shù)分析

窄帶感知技術(shù)通常被用于檢測(cè)窄帶信號(hào)，但是為了提升頻譜效率，頻譜感知技術(shù)必須在寬帶內(nèi)進(jìn)行，由于傳統(tǒng)的窄帶技術(shù)只能對(duì)某一個(gè)信道展開(kāi)檢測(cè)，一旦對(duì)主信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，則認(rèn)知用戶(hù)就必須退出該頻譜，只能在主用戶(hù)用完后，才能展開(kāi)工作，而利用寬帶感知技術(shù)，則可以為認(rèn)知用戶(hù)尋找到多個(gè)信道，即使主用戶(hù)使用頻譜時(shí)，認(rèn)知用戶(hù)還能使用其他信道，顯著提升了頻譜感知技術(shù)的工作效率。在利用此種方式的過(guò)程中，往往需要安裝濾波器，才能保證感知技術(shù)的效率，實(shí)現(xiàn)識(shí)別不同類(lèi)型信號(hào)的目的。

結(jié)束語(yǔ)：由于頻譜感知技術(shù)屬于一項(xiàng)關(guān)鍵的無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，是其他無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的重要技術(shù)，其主要的作用就是如果出現(xiàn)空閑信道，可以及時(shí)尋找到頻譜空穴，有助于認(rèn)知用戶(hù)接入使用，而且如果主用戶(hù)出現(xiàn)，還能及時(shí)釋放占用的頻譜，避免對(duì)主用戶(hù)產(chǎn)生干擾，總而言之，頻譜感知能力的強(qiáng)弱程度，直接影響著無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)的性能。因此，相關(guān)的工作人員需要加強(qiáng)對(duì)頻譜感知技術(shù)的研究工作，充分發(fā)揮其作用。