認知無線電系統中的頻譜感知問題研究

楊洪賓

（常德市無線電管理處，湖南常德 417000）

認知無線電系統中的頻譜感知問題研究

楊洪賓

（常德市無線電管理處，湖南常德 417000）

認知無線電系統是一種通信系統，該系統能夠充分感知到其周圍環境的具體變化，利用其周圍空閑的資源，實現智能化無線通信。認知無線電系統的出現可以有效解決目前無線頻譜資源缺乏、利用率低的問題。為了保證認知無線電系統可以正常工作，其中，頻譜感知技術是最為關鍵的技術之一，必須進行深度的研究討論。然而，在實際的通信過程中，由于系統中的噪聲存在著不確定性，授權用戶的具體信號信息又是未知的，傳統已知的頻譜感知算法并不能滿足當前認知無線電系統的使用要求。所以，必須在信息量較小的情況下，找出高效檢測頻譜方法，改進頻譜感知技術。

認知無線電 頻譜感知 算法 問題

無線電頻譜是一種自然資源，其具體的使用與分配完全由國家的政府相關部門控制，我國的相關管理部門就叫做無線電管理委員會。目前，使用頻譜通常是將完整的無線電分成幾個部分，各個部分都是連續的頻段，然后管理部門將其授權給不同的用戶。若是沒有經過授權，其他用戶就不能使用該段資源。伴隨著通信技術的飛速發展，無線通信設備和業務都得到了廣泛的應用，進而無線頻譜開始變得資源緊缺，在目前的頻譜分配方式中很難找到新的資源。然而，經調查研究，人們發現仍然存在著大量已經分配出去的頻譜長期處于空閑狀態，這與資源緊缺的現狀產生了矛盾。所以，人們必須找出新的頻譜分配方式，改變這種畸形的分配現狀，進而，認知無線電系統應運而生。

1 認知無線電概述

1.1 基本概念

認知無線電，也稱CR。CR技術是一種看似神奇的技術，與先進的軟件結合到一起以后可以在多個行業各個領域中廣泛應用。CR可以通過學習幫助用戶進行高性能的語音理解、GPS導航、自適應組網等大量機器學習，其本質是一種無線電。

1.2 研究現狀

認知無線電在世界各國都有研究，相關的頻譜管制部門對其非常重視。CR技術的誕生對傳統的頻譜分配提出了新的挑戰，很多相關部門都給與了極大的支持。在2005年，認知無線電技術及其使用設備有了相關的法規進行規范。

世界上第一個為認知無線電提供標準化空中接口的組織是在2004年成立，該工作組的主要目標是開發出一套無線區域網，該網絡可以通過認知無線電技術將物理層和相關媒體都收入到控制層中。同時，世界上很多研究機構和大學都在研究CR技術：荷蘭在2005年研制了自適應自組網免費頻段通信項目，主要研究應急網絡；維吉尼亞工學院正在研究一種認知模型，在遺傳算法的基礎上開發認知無線電節點。我國在2005年就將認知無線電技術劃入到計劃課題中，目前為止也取得了一些成績。綜上所述，可以看出認知無線電正在被全世界廣泛關注。

1.3 關鍵技術

（1）頻譜感知技。認知無線電系統想要建立起來，首先必須能夠感知到空間環境中的頻譜空洞，進而將其利用起來，提升頻譜利用效率。所以，頻譜感知技術是認知無線電系統中最為核心的關鍵技術，也是最重要的基礎。

頻譜感知的主要目的是為認知用戶找出時空中的頻譜空洞，同時不會對主用戶帶來干擾。認知用戶在使用頻譜的過程中，要時時監視住用戶的使用狀況，及時切換信道、調整功率或是改變調制方式。

（2）頻譜管理技術。認知無線電系統通過頻譜感知技術找出一些空閑的頻帶，這些頻帶很可能分布于非常廣的頻域中，具有著不同的帶寬、中心頻率以及動態特征，使用的具體時間也有著區別。所以，認知無線電想要在眾多頻帶中找出更加適合使用的頻帶，就必須具備頻譜管理技術。通過頻譜管理可以快速找出能夠高效利用的頻譜自適應策略，提升認知系統的安全可靠性。

（3）頻譜共享技術。由于頻譜的空洞是隨著時間變化而變化的，那么相應的認知設備也需要適時調整具體載頻。頻譜共享技術的產生可以實現在不同時間按照具體的頻譜空洞狀況合理分配頻譜帶寬，即便頻譜空洞實時變化，認知無線電系統仍然可以在指定區域中完成正常運行。

2 頻譜感知算法的存在問題和改進策略

2.1 概述

（1）頻譜空洞的基本概念。通常情況下，我們會將一段相對較寬的授權頻帶分成幾個不重疊的連續子頻帶，將運行狀況較好的頻帶授權給不同的用戶進行通信。這時，頻帶中沒有被使用的子頻帶自然會在頻譜上留下不連續的區間，這種區間就叫做“頻譜空洞”。也就是說，頻譜空洞就是指暫時沒有被相應授權用戶使用的授權子頻帶。所以，認知無線電可以在保證不干擾授權用戶的同時，在該頻帶空閑期間交由感知用戶使用。

授權頻譜在使用期間總共有三種使用狀態模型，包括：黑色空間，認知無線電系統在進行頻譜感知期間，將檢測到該頻帶正在被頻繁使用，那么相應的感知用戶就要避免使用該頻帶；灰色空間，認知無線電感知到該頻帶中只有一些功率較低的信號，那么相應的感知用戶可以將該頻帶設為備選頻帶；白色空間，認知無限電感知到該頻帶幾乎沒有信號，這種頻帶也被稱為頻譜空洞，那么感知用戶便可以正常使用該頻帶。

（2）頻譜感知算法的基本概念。認知無線電進行感知時，采用的檢測方式包括三種類型：授權用戶發射機檢測、授權用戶接收機檢測、多感知用戶合作檢測等。其中較為常用的具體算法如表1所示。

2.2 存在問題

（1）依賴噪聲環境。眾所周知，自然環境中不可避免的存在著很多噪聲，而噪聲正是會影響到感知用戶進行頻譜檢測的最主要因素之一。目前，大部分的頻譜檢測算法對于噪聲較大的環境都比較敏感，甚至有些感知算法甚至要求完全已知該區域的噪聲環境。然而，在信號快速變化的環境中，周圍的噪聲環境并不能被完全掌握，因此為頻譜感知造成了一定的麻煩。

表1 頻譜感知算法

（2）依賴采樣數。收集大量的數據可以在一定程度上幫助感知用戶提升頻譜感知效率，即便在噪聲條件不能完全確定的環境中也能取得很好的效果。然而，當采集的數據到達了一定的臨界值以后，伴隨著采樣值的增加，感知檢測效率并不會繼續大幅度提升，甚至可能出現“信噪比墻”。另外，大量數據采集處理也會為機械設備帶來負擔，花費更多的時間，甚至影響到授權用戶。

（3）依賴授權用戶。傳統的一些感知算法往往需要授權用戶的一些信號和信息，這種算法很容易為授權用戶的正常通信帶來麻煩。雖然該方法在目前的公共頻段中可以正常使用，但是隨著無線頻譜資源的需求越來越高，很多頻段需要被嚴密保護，該類算法便不適合繼續使用了。

2.3 新型頻譜感知算法

（1）廣義似然比檢測算法。為了找出更好可供利用的空閑頻帶，感知用戶必須在很寬的一段頻帶中進行授權用戶檢測，通常這段頻帶上會有許多不同類型的授權用戶，若是想要了解所有授權用戶的具體信息，這是非常不現實的，那么感知用戶只能在這種條件下找出更加有效的檢測算法。所以，廣義似然比檢測算法應運而生。該算法能夠對授權用戶的具體信號進行最大似然估計，進而為自身的檢測系統提供一個虛警概率，再參考Neyman-Pearson定理得出最大的統計量。經過仿真模擬，發現廣義似然比檢測算法在信噪比相對較低的環境中可以取得較好的效果。

（2）壓縮多用戶合作感知算法。感知用戶在進行頻譜感知的過程中，往往都是對各個子頻帶進行檢測，直到找到能夠使用的空閑頻帶為止。然而，想要在一個授權用戶相對集中的區域中找出空閑頻帶，工作將非常繁瑣。所以，針對這種狀況壓縮多用戶合作感知算法產生了。該算法首先先對感知算法進行壓縮，進而提升感知信號的工作效率，隨后，再通過融合算法在空間中進行合作檢測，有效提升認知無線電系統的檢測工作效率。想要得到更好的性能，必須對信道參數先行估計，然后通過壓縮感知提升信噪比增益，最后通過多感知用戶達成空間增益。各個感知用戶全部得出具體的檢測結果以后，通過平均一致算法可以得出最終的檢測結果，同時認知無線電的整個系統整體檢測效率也能得到有效提升。經仿真模擬實驗后，該算法確實表現出了很好的性能。

（3）循環前綴特征值檢測算法。伴隨著通信技術的飛速發展，數據傳輸對于數量和速度提出了更高的要求，進而無限高數據傳輸也需要更多的帶寬予以支持。考慮到頻譜起到一定的限制作用，貿然增大帶寬只能一味的增高成本，并不能采用該方法。所以，針對該問題，多天線傳輸技術被發明出來。該技術采用的是循環前綴特征值檢測算法，此算法充分利用了不同假設條件下，接收的信號存在著不同特性的相關系數，進而得出循環前綴協方差矩陣最大特征值以及最小特征值，求比以后便可以計算出具體的檢測統計值。該算法經過仿真模擬實驗以后，結果表示該算法具備很好的性能。

3 結語

認知無線電近年來越來越受到相關部門的重視，作為該系統中最為關鍵的頻譜感知技術，也要不斷改進創新，提升工作效率，創造更高的社會效益以及經濟效益。

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