動(dòng)態(tài)頻譜接入中的偵測(cè)與避讓技術(shù)*

時(shí) 穎，林茂六

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 哈爾濱 150001；2.黑龍江科技學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院 哈爾濱150027)

1 引言

2 動(dòng)態(tài)頻譜接入

隨著信息社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)移動(dòng)通信及寬帶無(wú)線接入業(yè)務(wù)的需求不斷增長(zhǎng)，無(wú)線頻譜資源也就顯得更加珍貴。近幾年，許多研究報(bào)告指出：在一定的時(shí)間和空間上，已分配的頻譜資源存在大量的空閑。由于無(wú)線電法規(guī)的限制，即使授權(quán)頻段空閑。其他非授權(quán)用戶也不能使用該頻段，這造成了頻譜資源的浪費(fèi)。隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線服務(wù)的重點(diǎn)已向視頻、音頻和高清晰圖片等需要較寬頻譜和較高下載速率的服務(wù)轉(zhuǎn)移，有限的頻譜資源已成為高速率、高性能數(shù)據(jù)服務(wù)的嚴(yán)重阻礙。為此，人們開(kāi)始考慮可否在不對(duì)授權(quán)用戶產(chǎn)生任何干擾的情況下，允許非授權(quán)用戶使用已授權(quán)用戶的空閑頻段，對(duì)頻譜資源采取動(dòng)態(tài)的分配與使用，這一想法直到認(rèn)知無(wú)線電（cognitive radio,CR）的出現(xiàn)才得以實(shí)現(xiàn)。

動(dòng)態(tài)頻譜接入(dynamic spectrum access，DSA)是認(rèn)知無(wú)線電的一個(gè)重要分支，是解決現(xiàn)今頻譜利用率低及資源緊缺等難題的有效途徑，是無(wú)線通信產(chǎn)業(yè)未來(lái)的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。為此，IEEE已將動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù)列為無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域具有重大發(fā)展?jié)摿Φ捻?xiàng)目，并于2005年開(kāi)始每?jī)赡昱e辦一次IEEE動(dòng)態(tài)頻譜接入網(wǎng)絡(luò)國(guó)際論壇(dynamic spectrum access networks，DySPAN)，研討無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備動(dòng)態(tài)使用管理無(wú)線頻譜的所有相關(guān)問(wèn)題[1]，包括相關(guān)頻譜分配、頻譜管理、經(jīng)濟(jì)和公共政策等各方面問(wèn)題。本文僅就動(dòng)態(tài)頻譜接入的偵測(cè)與避讓關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行綜述。

DSA的關(guān)鍵技術(shù)是頻譜的偵測(cè)與系統(tǒng)的避讓。其核心思想是：將已授權(quán)頻譜的用戶定義為主用戶（或一級(jí)用戶），那些聲明要使用已授權(quán)頻譜的新用戶為CR用戶（或二級(jí)用戶），并要求新用戶必須具有對(duì)主用戶的偵測(cè)與避讓[2](detect and avoid，DAA)功能。按照上述思想，CR用戶在傳輸信息前必須對(duì)所有頻段進(jìn)行偵測(cè)，在無(wú)主用戶信號(hào)的頻段上進(jìn)行信息傳遞，并且在傳輸過(guò)程中時(shí)刻偵測(cè)所占頻段，一旦偵測(cè)到主用戶，立刻進(jìn)行避讓，轉(zhuǎn)入到其他空閑頻段。

3 頻譜偵測(cè)技術(shù)

實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜接入的首要任務(wù)是頻譜偵測(cè)，即頻譜檢測(cè)，完成感知并分析特定區(qū)域頻段，找出適合通信的頻譜空穴。頻譜偵測(cè)大致分為3種：一是對(duì)主用戶發(fā)射端的偵測(cè)，主要有匹配濾波器、能量檢測(cè)器和循環(huán)平穩(wěn)檢測(cè)法等；二是對(duì)主用戶接收端的偵測(cè)，主要有本振泄露功率檢測(cè)法和基于干擾溫度檢測(cè)法等；最后是合作頻譜偵測(cè)。本文主要討論對(duì)主用戶發(fā)射端的頻譜偵測(cè)（非合作式）和合作式頻譜偵測(cè)。

3.1 非合作式頻譜偵測(cè)

3.1.1 匹配濾波器

匹配濾波器是信號(hào)檢測(cè)理論中一種較常用的方法，它能使輸出信號(hào)信噪比最大化，短時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高的處理增益，從某種意義來(lái)說(shuō)可以是最優(yōu)的檢測(cè)器。但是它要求已知主用戶信號(hào)的先驗(yàn)信息（如調(diào)制類型、脈沖整形、幀格式等），信息的準(zhǔn)確度直接影響系統(tǒng)的檢測(cè)性能，這導(dǎo)致了對(duì)于不同類型的主用戶需要專門的檢測(cè)設(shè)備，使得通用性差[3]。同時(shí)，匹配濾波檢測(cè)法是一種相干檢測(cè)法，對(duì)同步要求很高。因此，匹配濾波器在認(rèn)知無(wú)線電的檢測(cè)環(huán)境中總體實(shí)用性不高。

3.1.2 能量檢測(cè)法

1967年，Harry Urknowitz提出了適用于任何信號(hào)且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的能量檢測(cè)方法。該方法是在信號(hào)有無(wú)兩種假設(shè)前提下，以接收信號(hào)能量的大小與閾值進(jìn)行比較來(lái)判斷信號(hào)的有無(wú)，繼而完成信號(hào)檢測(cè)[4]。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該方法由于其算法簡(jiǎn)單、計(jì)算量小、設(shè)備復(fù)雜度低、不需要主用戶的先驗(yàn)知識(shí)且是一種非相干檢測(cè)，對(duì)相位同步要求不高等特點(diǎn)，使其成為常用頻譜偵測(cè)方法之一。

由于判決門限直接影響能量檢測(cè)器的檢測(cè)性能，而門限值很大程度上受到未知噪聲的影響，因此如何準(zhǔn)確設(shè)定門限值成了能量檢測(cè)法的關(guān)鍵問(wèn)題。常用的方法有似然比判決法和虛警概率判決法[5]。似然比判決法是從計(jì)算信號(hào)存在時(shí)的檢測(cè)概率和只有噪聲時(shí)的檢測(cè)概率的似然比L(x)出發(fā)來(lái)推導(dǎo)判決閾值。虛警概率判決法是一種更為直接、簡(jiǎn)捷的判決方法，對(duì)于給定的虛警概率，通過(guò)公式計(jì)算出判決門限，但是它無(wú)法達(dá)到似然比判定法的檢測(cè)精度，因此是次優(yōu)的方法。

能量檢測(cè)法還有一個(gè)噪聲不確定度的問(wèn)題。因?yàn)樵肼暡粌H來(lái)源于接收機(jī)和熱噪聲，還來(lái)源于一些不可知的外部環(huán)境，所以實(shí)際噪聲只接近于高斯噪聲，存在一個(gè)不確定度的問(wèn)題[6]。可知在噪聲不確定的時(shí)候，存在一個(gè)信噪比檢測(cè)門限，在低于這個(gè)門限的時(shí)候，即使取無(wú)窮多個(gè)觀察樣本，也達(dá)不到預(yù)期的檢測(cè)性能，所以即使是很小的噪聲不確定性也會(huì)給檢測(cè)的性能帶來(lái)極大的影響。雖然通過(guò)在主用戶發(fā)射信號(hào)中加入導(dǎo)頻的方法可以減小影響，但還需要有更可靠的方法使影響減到最小[6,7]。

總之，應(yīng)用于頻譜檢測(cè)的能量檢測(cè)器還需面臨閾值的選擇，不能區(qū)分主用戶的干擾和噪聲，低信噪比時(shí)檢測(cè)性能差，且能量檢測(cè)器不能有效地檢測(cè)擴(kuò)頻信號(hào)等多項(xiàng)挑戰(zhàn)。

3.1.3 循環(huán)平穩(wěn)檢測(cè)法

循環(huán)平穩(wěn)特征用于信號(hào)處理分析領(lǐng)域，最初是由W.A.Gardner等人提出來(lái)的，他們把各種通信調(diào)制信號(hào)建模成循環(huán)平穩(wěn)過(guò)程，并分別對(duì)它們的循環(huán)譜進(jìn)行定性、定量分析，指出即使在低信噪比情況下，利用循環(huán)平穩(wěn)特征也能很好地完成信號(hào)的檢測(cè)、分類與識(shí)別[8,9]。除此之外，該方法還能用于系統(tǒng)或信道辨識(shí)、信號(hào)同步、盲信道均衡和信號(hào)到達(dá)方向估計(jì)等[10～12]。

在認(rèn)知無(wú)線電應(yīng)用中，循環(huán)平穩(wěn)檢測(cè)是通過(guò)對(duì)接收信號(hào)循環(huán)平穩(wěn)特征的辨識(shí)來(lái)完成對(duì)主用戶傳輸鏈路的檢測(cè),具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。它除了計(jì)算量較大，檢測(cè)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)外，可以克服上述匹配濾波器和能量檢測(cè)器的諸多缺點(diǎn)，已成為認(rèn)知無(wú)線電頻譜偵測(cè)的重點(diǎn)選擇對(duì)象[13]。

目前，已出現(xiàn)多種以IEEE 802.22WRAN TV頻段為檢測(cè)背景的循環(huán)平穩(wěn)檢測(cè)方案[14～16]。參考文獻(xiàn)[14]給出以帶寬為6 MHz的ATSC DTV和帶寬為200 kHz的AM調(diào)制無(wú)線電話信號(hào)為主用戶信號(hào)的循環(huán)平穩(wěn)頻譜檢測(cè)方案及分析結(jié)果。參考文獻(xiàn)[15]討論了在信噪比低于-20 dB的惡劣環(huán)境下，如何利用循環(huán)平穩(wěn)檢測(cè)法的良好抗噪聲性能來(lái)實(shí)現(xiàn)ATSC A/74 DTV信號(hào)的頻譜檢測(cè)。文中指出理想狀態(tài)下平穩(wěn)隨機(jī)噪聲的循環(huán)譜為零，而在實(shí)際計(jì)算中，一個(gè)平穩(wěn)隨機(jī)噪聲過(guò)程的循環(huán)譜是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程。因此，循環(huán)譜各采樣點(diǎn)是隨機(jī)變量，檢測(cè)性能依賴于這些隨機(jī)變量的變化。為了能在低信噪比環(huán)境下有效檢測(cè)信號(hào)，我們就必須使其隨機(jī)變量的方差盡可能的低，所以，有效、準(zhǔn)確的循環(huán)譜檢測(cè)方法是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。參考文獻(xiàn)[16]給出了一個(gè)改進(jìn)型譜相關(guān)檢測(cè)方案，提高在低信噪比下的檢測(cè)靈敏度，從計(jì)算復(fù)雜度的角度分析其總復(fù)雜度與原方案幾乎相同。具體是在FFT前多加了一個(gè)接收信號(hào)與自身延遲信號(hào)的相關(guān)運(yùn)算，因?yàn)橐颜{(diào)信號(hào)具有周期性，其自相關(guān)函數(shù)也具有周期性，而噪聲是隨機(jī)信號(hào)且無(wú)周期性，在所有延遲時(shí)間軸上的相關(guān)性幾乎為零。最后，以ATSC DTV信號(hào)為例進(jìn)行理論仿真驗(yàn)證。但是無(wú)定量分析，只從仿真圖角度分析改善了的檢測(cè)性能，沒(méi)有分析延遲時(shí)間的選擇與系統(tǒng)檢測(cè)性能的關(guān)系。除此之外，對(duì)OFDM信號(hào)的循環(huán)譜建模，循環(huán)譜結(jié)構(gòu)分析等也成為循環(huán)平穩(wěn)檢測(cè)方法的一個(gè)重要方向[17～20]。

循環(huán)平穩(wěn)檢測(cè)法的檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，這主要是由于循環(huán)平穩(wěn)檢測(cè)法要求△f△t>>1所導(dǎo)致的。Sutton P.D.以O(shè)FDM信號(hào)為背景，提出通過(guò)以子載波映射嵌入循環(huán)特征標(biāo)記的方法，使循環(huán)特征檢測(cè)時(shí)不受頻譜分辨率的限制，以達(dá)到縮短檢測(cè)時(shí)間的目的。同時(shí)，該方法也能有效地提高頻譜檢測(cè)概率和抗多徑性能，但是這些都是以犧牲帶寬為代價(jià)的[19,20]。

3.1.4 檢測(cè)方法的比較

頻譜檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較見(jiàn)表1。除了以上3種頻譜檢測(cè)方法以外，還有相干頻譜檢測(cè)、multi-taper譜估計(jì)，基于估計(jì)的小波變換、時(shí)頻分析等。

表1 頻譜檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)

3.2 合作式頻譜偵測(cè)

為了克服噪聲的不確定性、多徑衰落和遮蔽等對(duì)頻譜檢測(cè)性能產(chǎn)生的影響，相繼出現(xiàn)了多種合作式頻譜偵測(cè)方案。Alexe E.Leu 等人基于“講前先聽(tīng)”（listen before talk）接入機(jī)制和EPM-73電磁傳播模型首次建立了一種與周圍環(huán)境有關(guān)的捷變頻無(wú)線電（frequency-agile radio）結(jié)點(diǎn)（二級(jí)用戶發(fā)射機(jī)）與受損結(jié)點(diǎn)（主用戶接收機(jī)）間的電磁干擾狀態(tài)模型[21]。從該模型可看出，一級(jí)用戶地理區(qū)域內(nèi)實(shí)際上存在相當(dāng)可觀的頻譜空穴區(qū)域，也指出合作偵測(cè)比單用戶頻譜偵測(cè)能提供更高的頻譜容量增益。合作式偵測(cè)方案中，各CR用戶之間甚至和主用戶之間能相互合作，共享頻譜偵測(cè)信息，以達(dá)到提高偵測(cè)概率和頻譜利用率的目的。它們不僅能降低系統(tǒng)的誤檢概率和漏檢概率，縮短檢測(cè)時(shí)間，還能進(jìn)一步解決主用戶的隱蔽終端問(wèn)題[22]。根據(jù)合作方式的不同分為集中式和分布式。

3.2.1 集中式

集中合作式是指用一個(gè)中央服務(wù)器(centralized server，CS)集中控制各CR用戶的頻譜接入信息以及整個(gè)頻譜的分配政策等，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。每個(gè)CR用戶與中央服務(wù)器之間利用無(wú)線控制信道相互傳遞信息。參考文獻(xiàn)[23]提到偵測(cè)結(jié)果由被稱為AP的集中收集，目的是減輕信道衰落的影響和提高檢測(cè)性能，參考文獻(xiàn)[24]分析了該方案的偵測(cè)結(jié)果和誤檢概率。參考文獻(xiàn)[25]也提到為了偵測(cè)TV信道，由被稱為主控制結(jié)點(diǎn)的中央結(jié)點(diǎn)綜合各偵測(cè)結(jié)果。由于無(wú)線控制信道的存在，增加了網(wǎng)絡(luò)密度，也影響了數(shù)據(jù)通信的帶寬利用率；另外，中央服務(wù)器處理數(shù)據(jù)的復(fù)雜度與CR用戶數(shù)目呈多項(xiàng)式關(guān)系，當(dāng)CR用戶數(shù)過(guò)多時(shí)，中央服務(wù)器的處理速度將成為整個(gè)系統(tǒng)的瓶頸。隨著CR用戶數(shù)的增加，無(wú)線控制信道的帶寬要求越來(lái)越大。為了減少共享帶寬，參考文獻(xiàn)[26]提出將認(rèn)知結(jié)點(diǎn)的本地偵測(cè)信息量化成一比特傳輸，以減輕對(duì)帶寬的要求。此外，要求只有可靠信息的認(rèn)知結(jié)點(diǎn)被允許與中央控制單元相互傳遞。

3.2.2 分布式

在分布式頻譜偵測(cè)方案中，各認(rèn)知結(jié)點(diǎn)間彼此共享偵測(cè)信息，但是它們能獨(dú)立完成自己的頻譜接入決策，不需要中樞結(jié)構(gòu)，降低了成本，因此分布式比集中式更具有優(yōu)勢(shì)。具體如圖4所示。為獲得各認(rèn)知結(jié)點(diǎn)間的有效協(xié)調(diào)，參考文獻(xiàn) [27]提出了一個(gè)GUESS（gossiping updates for efficient spectrum sensing）方法，該方法能有效地完成分布合作檢測(cè)中認(rèn)知結(jié)點(diǎn)間的協(xié)調(diào)工作，且復(fù)雜度較低，并討論了增量式集合方法以及隨機(jī)gossiping算法。參考文獻(xiàn)[28]以兩個(gè)認(rèn)知結(jié)點(diǎn)為例討論了用戶之間的分布協(xié)作算法，得出離主用戶較近的CR用戶相對(duì)于較遠(yuǎn)的用戶會(huì)有更好的接入機(jī)會(huì)。參考文獻(xiàn)[29]提出了無(wú)集中機(jī)制的成對(duì)二級(jí)用戶的分布式偵測(cè)算法，為減少網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷，只共享最終的決策信息，結(jié)果表明通過(guò)用戶協(xié)作提高了系統(tǒng)的檢測(cè)性能。除此之外，參考文獻(xiàn)[30～33]也給出了頻譜偵測(cè)的分布式認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

在合作式方案中，控制信道有著非常重要的作用，它主要用來(lái)在CR用戶之間或CR用戶與中央服務(wù)器之間共享頻譜偵測(cè)信息以及信道分配信息等。它的實(shí)現(xiàn)有多種方法，例如專用授權(quán)信道、免費(fèi)信道（如ISM）或采用UWB的underlay系統(tǒng)信道等，可根據(jù)具體的系統(tǒng)需求，選擇不同的控制信道結(jié)構(gòu)[34,35]。

4 避讓技術(shù)

避讓是指在CR用戶占用的授權(quán)頻帶上，一旦偵測(cè)到主用戶的出現(xiàn)，CR用戶立即停止通信或降低信號(hào)的傳輸功率。避讓是屬于有意識(shí)接收機(jī)或無(wú)意識(shí)接收機(jī)中的一種。有意識(shí)接收機(jī)是指接收機(jī)能感知鏈路參數(shù)變化（例如：接收機(jī)知道哪個(gè)子載波空閑）并且能根據(jù)所獲信息來(lái)改善該鏈路性能。無(wú)意識(shí)接收機(jī)是指接收機(jī)不能自動(dòng)感知鏈路參數(shù)變化，只能借助信道編碼來(lái)檢測(cè)冗余試著重建鏈路參數(shù)變化的信息。它的實(shí)現(xiàn)方法有許多種，下面列出幾種針對(duì)基于WiMedia標(biāo)準(zhǔn)的UWB可執(zhí)行的避讓方法[36～38]。

（1）頻帶釋放法（band dropping）

這是最簡(jiǎn)單的一種避讓方式，但僅局限于跳頻通信模式的認(rèn)知用戶。例如認(rèn)知用戶（UWB）在由3個(gè)子頻帶組成的頻帶組中進(jìn)行跳頻通信，一旦在其中任何一個(gè)子頻帶中偵測(cè)到主用戶信號(hào)的存在，這時(shí)認(rèn)知用戶設(shè)備會(huì)立刻切換成雙頻帶跳頻模式，讓出頻帶。這個(gè)切換是由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中的MAC層控制的。

（2）子載波空閑法（subcarrier nulling）

認(rèn)知用戶發(fā)射機(jī)在需要避讓的子載波上不傳送數(shù)據(jù)。此時(shí)接收機(jī)可能知道或不知道空閑子載波的存在。

（3）時(shí)域窗法（time-domain windows）

利用升余弦濾波器平滑時(shí)域信號(hào)波形能改善由子載波空閑而引起的衰減現(xiàn)象，且接收機(jī)不需要知道所使用的具體窗函數(shù)。

（4）子載波對(duì)消法（subcarrier cancellation）

調(diào)整與需要避讓的子載波相鄰部分載波的調(diào)制技術(shù)，以達(dá)到抑制被傳信號(hào)頻譜旁瓣的目的。這種方法有時(shí)也稱為主動(dòng)干擾抵消法（active interference cancellation，AIC）。

（5）陷波濾波器法（notch filter）

時(shí)域數(shù)字陷波濾波器能有效地濾除有響應(yīng)的子載波。它克服了子載波空閑法的不足，并且用高階濾波器在D/A輸入能成功得到40 dB的衰減。然而，在射頻輸出端的切口深度受D/A和模擬RF傳輸鏈的非線性限制。

以上5種避讓方法的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表2。綜合各方面，陷波濾波器法要優(yōu)于其他方法。又因?yàn)榇朔椒芡耆腤iMedia標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并在對(duì)UWB傳輸數(shù)據(jù)通道作最小改變的前提下可獲得較深凹口。可見(jiàn)，陷波濾波器可作為UWB的首選避讓方法。

表2 5種避讓方法的優(yōu)缺點(diǎn)

5 結(jié)束語(yǔ)

動(dòng)態(tài)頻譜接入網(wǎng)絡(luò)能有效地解決當(dāng)今無(wú)線頻譜所面臨的頻譜缺乏和利用率低的難題，受到無(wú)線通信領(lǐng)域各方的廣泛關(guān)注。偵測(cè)與避讓方法是其關(guān)鍵技術(shù)，它能有效地解決認(rèn)知結(jié)點(diǎn)接入主用戶空閑頻帶的問(wèn)題。目前，對(duì)于動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù)的研究還處于起始階段，其技術(shù)遠(yuǎn)未成熟，存在諸多問(wèn)題急待解決。從概念到應(yīng)用尚面臨著許多問(wèn)題與挑戰(zhàn)，比如偵測(cè)算法的改進(jìn)與通用化、精確干擾模型的建模、硬件實(shí)現(xiàn)的高要求以及頻譜管理政策的改革。

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