淺論認(rèn)知無線電中頻譜感知技術(shù)研究

艾爾肯.艾則孜

（烏魯木齊職業(yè)大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830002）

淺論認(rèn)知無線電中頻譜感知技術(shù)研究

艾爾肯.艾則孜

（烏魯木齊職業(yè)大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830002）

認(rèn)知無線電技術(shù)能夠讓非授權(quán)用戶利用已經(jīng)分配給授權(quán)用戶的某些頻段.為了不對授權(quán)用戶的通信造成干擾，認(rèn)知用戶需要對頻譜進(jìn)行不斷的感知來判斷授權(quán)用戶是否存在.因此，頻譜感知是認(rèn)知無線電技術(shù)的前提和基礎(chǔ).本文介紹了幾種主要的頻譜感知技術(shù)，重點(diǎn)分析了能量檢測的基本原理，并提出基于能量感知的合作式感知技術(shù)將是最可靠、靈敏度最高、最有發(fā)展前景的感知技術(shù).

認(rèn)知無線電；頻譜感知；能量檢測

隨著通信的不斷發(fā)展，無線服務(wù)和設(shè)備的出現(xiàn)及廣泛使用，無線頻譜已成為一種寶貴的自然資源，變得越來越缺乏，傳統(tǒng)的管理方法也受到了極大的挑戰(zhàn).通過研究發(fā)現(xiàn)，大量授權(quán)無線頻譜在大部分時間內(nèi)被閑置或者利用率極低，而非授權(quán)用戶卻無權(quán)接入這些頻段.因此，認(rèn)知無線電技術(shù)受到了越來越多的關(guān)注.認(rèn)知無線電通過對頻譜進(jìn)行不斷的監(jiān)測來發(fā)現(xiàn)頻譜空穴，并利用發(fā)現(xiàn)的頻譜空穴進(jìn)行通信.但是，為了不對法定用戶的通信造成干擾，認(rèn)知用戶必須在法定用戶恢復(fù)通信的時候及時的察覺并退出該頻段.所以，認(rèn)知無線電技術(shù)的基礎(chǔ)和前提是頻譜感知.本文從頻譜感知的功能入手，分析了幾種主要的頻譜感知技術(shù)，著重介紹了能量檢測技術(shù)，并比較了它們的優(yōu)缺點(diǎn).

1 頻譜感知的功能

認(rèn)知無線電也被稱為智能無線電,它通過對周圍無線環(huán)境的歷史和當(dāng)前狀況進(jìn)行檢測、分析、學(xué)習(xí)、推理和規(guī)劃,利用相應(yīng)結(jié)果調(diào)整自己的傳輸參數(shù),使用最適合的無線資源完成無線傳輸.由于法定用戶網(wǎng)絡(luò)沒有義務(wù)改變它的結(jié)構(gòu)來與認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)共享頻譜，因此，認(rèn)知無線電只能獨(dú)立地、可靠地、通過連續(xù)的頻譜感知對法定用戶進(jìn)行檢測.這是認(rèn)知無線電的一項(xiàng)核心功能.最有效的檢測頻譜孔的方法就是檢測在認(rèn)知無線電通信范圍內(nèi)的、正在發(fā)送數(shù)據(jù)的法定用戶.

2 幾種主要的感知技術(shù)

2.1 發(fā)射機(jī)檢測

發(fā)射機(jī)檢測又被稱為非合作檢測.認(rèn)知無線電應(yīng)該能夠識別被使用的和未被使用的頻段.因此，如果法定用戶的信號在某一確定頻段內(nèi)出現(xiàn)的話，認(rèn)知無線電應(yīng)該具有檢測出這個信號的能力.發(fā)射機(jī)檢測正是基于認(rèn)知無線電對法定用戶發(fā)射機(jī)發(fā)出的微弱信號進(jìn)行檢測.發(fā)射機(jī)檢測的基本假設(shè)模型可以用式（1）描述：

其中，x(t)是認(rèn)知無線電接收到的信號；s(t)是法定用戶傳輸?shù)男盘枺籲(t)是加性白高斯噪聲；h(t)是信道增益，此處假設(shè)在檢測間隔內(nèi)，信道增益為恒定值，即無線環(huán)境為非衰落環(huán)境；H0是未被占用的假設(shè)，表明了目前在這一確定頻段上沒有法定用戶；H1是被占用的假設(shè)，表明目前存在法定用戶.根據(jù)所用到的信號處理技術(shù)的不同，發(fā)射機(jī)檢測又可分為匹配濾波器檢測、能量檢測、靜態(tài)循環(huán)特征檢測等，下面分別介紹.

2.1.1 匹配濾波器檢測

當(dāng)認(rèn)知無線電獲悉了法定用戶的信號后，匹配濾波器就是理想檢測器，原因在于它能使接收到的信號的信噪比最大化.匹配濾波器的主要優(yōu)點(diǎn)是它只需很短的時間就可以獲得高處理增益.然而，它必須有效地對法定用戶的信號進(jìn)行解調(diào)，這就意味著它需要法定用戶的先驗(yàn)知識，比如調(diào)制方式、階數(shù)、脈沖波形和數(shù)據(jù)包格式等.上述信息可以預(yù)存于認(rèn)知無線電的內(nèi)存中，然而，對解調(diào)來講，認(rèn)知無線電必須通過時間和載頻同步甚至信道同步來獲得與法定用戶的相關(guān)性.如果這些信息不準(zhǔn)確，那么匹配濾波器的性能就會變得很差.大多數(shù)無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)信息頭、同步字和擴(kuò)展碼字等，這些都可以用來做相關(guān)檢測.匹配濾波器的一個明顯的缺點(diǎn)在于，認(rèn)知無線電對每一類型的法定用戶都要有一個專門的接收器.這等待增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性.

2.1.2 能量檢測

如果接收機(jī)不能夠收集到法定用戶信號的足夠信息，此時的最佳檢測器就是能量檢測器.為了測量接收信號的能量，需要對帶寬為W的帶通濾波器的輸出信號進(jìn)行平方運(yùn)算并在觀測時間段T內(nèi)進(jìn)行積分，如式（2）所示，并將積分器的輸出Y與門限值γ進(jìn)行比較，從而判定合法用戶是否出現(xiàn).

其中x0(t)為經(jīng)過帶寬為W的帶通濾波器后的輸出信號，T為觀測時間.

如果能量檢測應(yīng)用在非衰落環(huán)境中，即信道增益如式（1）中h(t)所示，那么檢測到第一用戶信號的概率和錯誤判決警報(bào)的概率分別是[5]

其中，E(Y|H0)、Var(Y|H0)和γ-E(Y|H1)、Var(Y|H1)為主要用戶出現(xiàn)時和主要用戶未出現(xiàn)時接收端積分器的輸出Y的均值和方差.Q(·)為Q函數(shù)，定義為

由上述公式可以看出，檢測概率Pd越小，檢測到已出現(xiàn)的第一用戶信號的概率就越低，從而增加了對第一用戶的干擾；反之，如果Pf過高的話，由于錯誤警報(bào)會使頻譜利用機(jī)會丟失，將會導(dǎo)致頻譜利用率的降低.因此，Pf決定了頻譜利用效率的上限.因此，可以在滿足某一給定Pf的條件下，通過選擇合適的門限值，使檢測概率Pd達(dá)到最大.

以上對于能量檢測的分析是在無衰落環(huán)境的假設(shè)下進(jìn)行的，而實(shí)際的無線信道都是有衰落的.在這種情況下，由于信道衰落的原因，信道增益h(t)是變化的，檢測概率Pd便與瞬時信噪比有關(guān)了，即

其中，f(x)是在衰落情況下的信噪比的概率分布函數(shù).

能量檢測器的一個缺點(diǎn)就是它只能檢測到有信號出現(xiàn)，而不能區(qū)分信號的類型，即它不能區(qū)分已調(diào)信號、噪聲及干擾.因此，能量檢測器容易被不明信號誤導(dǎo)而產(chǎn)生誤判決.但由于這種檢測方式易于實(shí)現(xiàn)，很多有關(guān)第一用戶檢測方面的研究主要集中在能量檢測器上.

2.1.3 靜態(tài)循環(huán)特征檢測

靜態(tài)循環(huán)特征檢測的主要優(yōu)點(diǎn)是它能把已調(diào)制信號從噪聲中區(qū)分出來.調(diào)制信號一般都經(jīng)過了載波、脈沖序列、重復(fù)性擴(kuò)展、跳頻及循環(huán)前綴等耦合處理，這使已調(diào)信號的均值和自相關(guān)函數(shù)具有了內(nèi)在的周期性，稱為靜態(tài)循環(huán)性.由于噪聲是一個寬帶的、靜態(tài)的、沒有相關(guān)性的信號，而已調(diào)信號具有頻譜相關(guān)性和周期性，因而通過分析頻譜自相關(guān)函數(shù)能夠把噪聲能量和已調(diào)信號的能量區(qū)分開來.靜態(tài)循環(huán)檢測器具有更強(qiáng)的抵抗噪聲功率中不確定性的能力，因而能夠比能量檢測器更好地分辨出噪聲信號.當(dāng)然，它也比能量檢測器更加復(fù)雜并且需要更長的觀測時間.

2.2 合作檢測

前面所描述的三種發(fā)射機(jī)檢測技術(shù)都是認(rèn)知用戶獨(dú)立地檢測法定用戶的發(fā)射信號.然而，在整個系統(tǒng)中，認(rèn)知用戶與法定用戶之間的信道狀況有好有壞.通過分析知道，當(dāng)多徑和陰影效應(yīng)的影響使得信噪比下降到低于信噪比門限值以下的時候，認(rèn)知用戶將不能夠獨(dú)立地檢測首要用戶的存在.并且，發(fā)射機(jī)檢測模式不能解決“隱終端”問題，如圖1所示.由于被障礙物隔開，次級用戶可能檢測不到法定用戶發(fā)送端，一旦它使用相應(yīng)頻段進(jìn)行通信，就會干擾到法定用戶接收端對信號的正確接收.在這種情況下，各認(rèn)知用戶就需要從其他的用戶那里得到信息并進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測，也就是需要與其他用戶進(jìn)行合作.由于能量檢測是三種發(fā)射機(jī)檢測中最簡單最易實(shí)現(xiàn)的檢測方式，最新的有關(guān)合作檢測的研究都是基于能量檢測的方式.在合作檢測中，多個認(rèn)知用戶檢測到的信息相互合并，用來檢測首要用戶.

圖1 隱終端問題

合作檢測有兩種結(jié)構(gòu)：一種是集中式的，判決中心接收認(rèn)知用戶的信息進(jìn)行總體判決；另一種是分散式的，各認(rèn)知用戶采用能量檢測的方式獨(dú)立判決，并交互各自的判決結(jié)果.在實(shí)際通信系統(tǒng)的限制下，判決中心采集所有次級用戶的信息是非常困難的，并且每個認(rèn)知用戶只能與在它附近并且監(jiān)測同一頻帶的其他用戶進(jìn)行合作，因此，這兩種結(jié)構(gòu)各有缺點(diǎn).一種更加靈活的合作方案是：各次級用戶獨(dú)立判決，并將他們的判決結(jié)果發(fā)給中心，中心采用一定的算法，根據(jù)各個次級用戶所發(fā)信息信噪比的大小，采用不同的加權(quán)，進(jìn)而對法定用戶的出現(xiàn)進(jìn)行判決.通過相關(guān)仿真表明，合作檢測能夠極大地改進(jìn)檢測的性能，提高檢測的靈敏度.因此，對于合作探測的研究吸引了越來越多的專家學(xué)者的關(guān)注，相信在不久的將來，合作探測將成為認(rèn)知無線電中頻譜感知技術(shù)的首選方案.

3 結(jié)束語

本文簡單地分析了幾種主要的頻譜感知技術(shù)，重點(diǎn)對能量檢測技術(shù)進(jìn)行了說明，并簡要地介紹了基于能量檢測的合作探測技術(shù).本文只是一些理論分析，具體的方案和算法的仿真實(shí)現(xiàn)還需在以后的研究中進(jìn)一步完善和提高.

〔1〕Brodersen RW,Wolisz A,Cabric D,Mishra SM, Willkomm D.Corvus:a cognitive radio approach for usage of virtual unlicensed spectrum.Berkeley Wireless Research Center(BWRC)White paper,2004.

〔2〕周小飛.認(rèn)知無線電原理與應(yīng)用.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2007.19-21.

〔3〕ZhiQuan,Shuguang Cui,AliH.Sayed.OptimalLinear Cooperation for Spectrum Sensing in Cognitive Radio Networks.IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN SIGNAL PROCESSING,2008,VOL.2,NO.1:28-40.

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1673-260X（2010）05-0106-02