基于認知無線電系統頻譜共享的干擾抑制技術研究

摘 要：認知無線電技術是在無線電通信技術快速發展、頻譜資源出現匱乏的背景下所產生的。由于采用了動態頻譜接入的概念，它有效的拓展了用戶之間頻譜資源的共享，解決了頻譜資源匱乏的難題。但是，頻譜資源共享過程中所出現的干擾問題又成為了無線電通信技術領域的新課題。本文針對認知無線電系統中頻譜共享干擾的理論和技術，對其理論原理、實際技術的應用范圍進行闡述，將系統的理論知識運用的生產生活中解決實際問題，對其進行了深入的分析和研究。

關鍵詞：認知無線電 頻譜資源 頻譜共享 干擾抑制 系統 多天線系統

中圖分類號：TN911 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）04（a）-0000-00

1 認知無線電技術

1.1 起源

認知無線電（Cognitive Radio.CR），其概念起源于1999年，是美國博士Joseph Mitola提出的。它的核心思想就是具備學習能力、能融合并與周圍環境進行信息交互、通過感知和利用空間內的有效頻譜資源來限制和降低沖突的發生。如果CR具備一定程度的人工智能，它就可以通過過去的干擾、死區等工作經驗來對實際情況作出實時響應，從而確定采用何種頻帶的功能進行通信。為此，Mitola博士提出了基于機器學習和模式推力的認知循環模型，目的就是為了發展CR的學習能力，強調軟件定義無線電，通過CR實現無線電通訊的理想平臺。

在同一時期，美國聯邦通訊委員會（Federal Communications Commission.FCC）提出了CR的簡化版本，無線電的基本含義為“結合其自身所處的工作環境，環境的變化對其自身的工作狀態造成一定的影響，無線電是一種適應自身工作環境的終端參數。”通過不同層面看待無線電，可以對其有不同的定義，排除無線電本身的含義，從無線信號方面對其定義進行分析，可以將CR定義為一種人工智能化的無線信號接收、傳輸的系統。CR智能無線系統可以根據環境的變化而變化，通過自身對環境的適應與感知，在環境的變化中將自身的信號參數進行改變，從而達到無線信號的接收、傳輸功能運用，從而達到任何時刻任何地點的穩定通信，最大限度的有效利用頻譜資源。”

1.2 特點

由于引進了動態頻譜接入的思想，CR能夠以無線通信和網絡的動態方式，有效利用頻譜資源來適應周圍無線環境的變化。所謂“認知”，顧名思義就是CR能夠以無線通信的方式對其自身所處的環境進行感知、獲取其自身所感知到的信息。這些信息包含很多種，其中包括其在環境感知中所獲取的環境位置信息；信號傳輸、接收的波形信息；同時還包括其感知的設備用戶、信號網絡等各方面的信息等等各方面，以上為CR感知中比較重要的信息。通過上述資源的認知，就可以識別空間中可利用的頻譜資源；認知設備在動態識別所獲信息后會作出反應，其主要工作為，通信設備及其通信協議的信號操作，還有其工作步驟及設備頻率的操作等各方面，使其設備功能利用率最大化。這就是CR的又一大特點—重構能力。

1.3 主要技術

CR的特點就是動態感知和利用頻譜資源，根據其特點要求，結合其設備技術進行以下簡單分析介紹。

1、這種技術是根據CR設備的動態感知功能，通過動態感知功能的介入對其所處的自然環境進行檢測，其檢測范圍可以使設備所處的任何區域以及設備所處的任何時間，通過檢測能夠找出不被用戶所利用的設備頻譜。這種空閑的頻譜就是“頻譜空洞”。頻譜空洞可以在授權頻段和非授權頻段上，當使用頻譜的一些信號用戶在一定時間段對其使用的過程中，CR設備能夠在第一時間對其環境進行檢測感知，并且檢查到頻譜在信息傳輸中出現的問題與空洞，在發現問題之后及時對其進行彌補，將頻譜空洞根據實際情況轉移至其系統的頻段上，避免為首要用戶帶來干擾。

2、頻譜共享技術。所謂頻譜共享技術就是其技術操作會受到環境的較大影響，其所用的頻譜數量與CR設備應用用戶之間存在一定的關系，其數量隨著用戶的變化而變化，在此基礎上，為了達到用戶對CR設備的合理利用頻譜信息資源，CR用戶應該學會判斷使用頻段的時間和方法，解決CR多用戶共存而帶來的頻譜干擾問題。利用水平頻譜共享和垂直頻譜共享，非授權CR用戶可以享受到同樣頻段接入權。

2 頻譜干擾

如果同一個無線設備共享裝置在進行無線信號的接收與傳輸工作的情況下，必定會造成其使用用戶之間對于信號頻譜資源的競爭，影響信號質量，造成一定的干擾問題。所以當用戶在進行首要用戶的接入工作時也會造成一定情況的干擾，這種干擾不是來源于頻譜的工作環境，而是與其對于首要用戶檢測工作有關，檢測工作的進行會對用戶在頻譜中的應用造成一定的干擾。即使頻譜檢測準確，但是由于無線環境的衰落和路徑的損耗也會給認知用戶帶來無法避免的干擾，這也和認知用戶和首要用戶之間缺乏通信聯系有關。可以說，干擾是嚴重影響認知無線電技術應用和發展的桎梏，它促使人們不得不開始研究抑制頻譜共享干擾的相關技術。

3 干擾抑制技術

3.1 多天線頻譜共享的干擾協調

認知用戶與首要用戶共享頻譜時，受到認知無線電系統其自身的工作環境和工作模式的影響，認知用戶在進行共享頻譜時必定會對首要用戶的工作造成一定的影響，干擾信號的質量。所以為了保證認知用戶的傳輸性能，同時也不影響首要用戶的正常通信，相關技術人員要根據信號的干擾問題進行相應的改進措施，首要問題就是要通過對設備的信號發射裝置進行仔細檢查，并且采取相關措施進行改進，通過改進保證認證用戶在共享頻譜時不受到干擾，不影響信號傳輸、接收的質量。共享頻譜能夠通過其自身功能發揮，能夠在其認知用戶達到平均干擾的同時與最根本的首要用戶的信息接收干擾的情況下，證明波束成形發射可以很大程度抑制干擾。所以為了驗證這一結果，本文設計了認知無線電系統的系統模型。

（1）系統模型

本文所涉及的認知無線電模型是由其系統模型中無線點鏈路為根本，在此基礎上還需要配合首要用戶，兩者相互聯系到一起構成的系統模型，這個系統模型是單用戶的場景模型。其中認知用戶的發射端表示為SU-Tx，接收端表示為SU-Rx，首要用戶的發射端表示為PU-Tx，接收端表示為PU-Rx。認知用戶在發射端和首要用戶發射端同樣配置M根發射天線，而所有的接收端用戶都只配備一根天線。這就形成了認知用戶系統與首要用戶系統的共存狀態。

（2）信道模型

首先要組成一條通信通道，即SU-Tx到SU-Rx的多天線通信通道。將它表示為h=CM1x1，其中M1表示發送的天線數，而且它是服從于循環對稱的高斯分布的。同時，認知用戶對首要用戶的干擾信道也是一個多天線信道，我們將它也表示為g= CM1x1。因為認知用戶和首要用戶共享授權頻段，所以認知用戶與首要用戶之間不能夠進行雙方功能的協作應用。通常，由于其雙方不能夠互相協作，這就導致了設備的信號發射裝置無法找到信道信息，這種信道信息就是眾所周知的認證用戶的干擾信息。對此，我們可以對其進行假設、進行計算，如果設備的信號發射裝置指導干擾信息的信道信息，但是其所獲取的信息不夠完整，其計算可以是信道信息g以一定的信號發生概率P1、P2…Pn在有限集G={g1、g2、…gn}中隨意選取，這種模型便于之后的計算。而在實際系統的場景中，其正常的計算公式為：y=hx+w。

3.2 基于終端概率的干擾協調算法

（1） 算法介紹

在對其終端概率進行計算的時候，要確保其認證用戶對于信號干擾程度在首要用戶能夠接受的情況下，進行頻譜共享，就要對其信號的傳輸速率進行全面的分析與調整，做出最精準的計算。本文對此進行了假設，如果將結果表示為P1，那么P1為：

P1： maximize： log（1+h+Kxh） subject to： tr（Kx）≤Ptr1 E{g+Kxg}≤Ptr2

Pr（g+Kxg≥r）≤Pth Kx≥0

（2） 發送端方案

通過對其上述的計算，本文在整體的假設中又進行了最優發射端方案的設計。它同時也能夠證明最優協方差矩陣Kx的特性。如果假設方案為P2，則P2為：

maximize：log（1+h+Kxh）

subject to： tr（Kx）≤Ptr1 tr（KxE{gg+}）≤Ptr2 tr（Kxgng+n）≤r+M Kx≥0

當矩陣中Kx的秩為1時，即可得到最優解矩陣，通過這樣的計算方案，可以有效的得出其設備的最有發射端方案。

（3）評價

在發射方案的設計中，如果假設平均干擾的功率門限值為2W，那么發射功率就可以設置為從0dB到10dB，進而就可以將中斷概率門限設置為零點二一和零點三一。我們通過計算能夠得知終端的信號發射概率中所涉及到的參數，即將轉變為零點七與零點五。通過以上的分析，不能看出，如果將零點三一作為終端概率門限的時候，其設備的信號傳輸速率會受到其影響，其信號發送功率的大小相比于零點二一會一直大于或者等于的設備信號傳輸速率。在此基礎上，如果設備的終端概率處于較低情況下，能夠準確無誤的看出頻段對設備的認知用戶所發送的干擾信號進行了加強工作。

3 總結

本文簡要分析了最為典型的多天線單用戶認知系統與首要用戶系統共享頻段的場景。描述了如果利用認知系統設計發送方案，對其共享頻譜的干擾問題進行了深入的分析。

參考文獻

[1] 王晶.基于認知無線電系統頻譜共享的干擾抑制技術研究[D].北京郵電大學，2012.

[2] 詹德睿.認知無線電中頻譜共享技術研究[D].北京郵電大學，2013.

[3] 湯海冰.認知無線電系統中接入控制與頻譜共享技術研究[D].中南大學，2013.