淺析認(rèn)知無線電的頻譜感知技術(shù)

摘 要：無線電技術(shù)的發(fā)展與業(yè)務(wù)范圍的拓展，使通信等領(lǐng)域?qū)φJ(rèn)知無線電的頻譜感知技術(shù)需求不斷增加，頻譜感知技術(shù)資源成為影響國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展與通信行業(yè)進(jìn)步的重要因素。加大對頻譜感知技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用力度成為行業(yè)進(jìn)步的關(guān)鍵。本文闡述了頻譜感知技術(shù)的相關(guān)理念以及技術(shù)前提和設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，分析了幾種典型的頻譜感知技術(shù)，并研究了認(rèn)知無線電的頻譜感知技術(shù)要點(diǎn)。旨在通過本文的研究，分析得出認(rèn)知無線電頻譜感知技術(shù)發(fā)展的方向與難點(diǎn)，為頻譜感知技術(shù)的長效發(fā)展奠定理論與數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知無線電；頻譜感知技術(shù)；智能通信

中圖分類號：TN925 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2018）05-0064-03

Analysis of Spectrum Sensing Technology in Cognitive Radio

ZHANG Junqiang

（Xinzhou Vocational Technical College，Xinzhou 034000，China）

Abstract：The development of radio technology and the expansion of business scope make communication and other fields increase the demand for spectrum sensing technology of cognitive radio. Spectrum sensing technology resources have become important factors affecting the development of national economy and the progress of communication industry，increasing the research and application of spectrum sensing technology has become the key to the progress of the industry. In this paper，the concept of spectrum sensing technology，technical premise and design challenge are expounded. Several typical spectrum sensing techniques are analyzed，and the key points of cognitive radio spectrum sensing technology are studied. The aim of this paper is to analyze the direction and difficulties of the development of cognitive radio spectrum sensing technology，and to lay a theoretical and data base for the long-term development of spectrum sensing technology.

Keywords：cognitive radio；spectrum sensing technology；intelligent communication

0 引 言

目前的技術(shù)資源市場中，頻譜感知技術(shù)資源十分緊張，對頻譜感知技術(shù)進(jìn)行研發(fā)與應(yīng)用的形勢較為嚴(yán)峻。專用頻譜由占有相關(guān)頻譜的機(jī)構(gòu)使用，共同頻譜可以由用戶協(xié)商共享使用。相關(guān)研發(fā)與統(tǒng)計(jì)機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)顯示，目前頻譜資源應(yīng)用仍以專用形式為主，頻譜資源共享利用率不足10%，資源的利用率較低，無論是時(shí)間上還是空間上均存在資源無法充分利用的狀況。將動態(tài)頻譜訪問機(jī)制引入頻譜管理與技術(shù)應(yīng)用中，能夠在很大程度上增加無線頻譜資源的利用率，為認(rèn)知無線電頻譜感知技術(shù)的長效發(fā)展提供助力。

1 頻譜感知技術(shù)概述

認(rèn)知無線電的頻譜感知技術(shù)是指通過對頻帶進(jìn)行掃描，確定能夠用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l譜。在分析特定區(qū)域頻段的基礎(chǔ)上，認(rèn)知與識別能夠用于通信的頻譜空洞，因此，頻譜感知技術(shù)是認(rèn)知無線電應(yīng)用的前提條件。認(rèn)知無線電通過不斷檢測正在占用的工作頻段以及可用頻譜，能夠保證主用戶的通信不受到干擾[1]。一方面，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和識別主用戶，規(guī)避對主用戶造成干擾的可能性；另一方面通過對可用無線電頻譜的識別，獲取可用的頻段，以達(dá)到正常通信的目的。同時(shí)，通過對可用頻譜資源進(jìn)行識別與合并能夠提升認(rèn)知用戶的通信水平。

2 技術(shù)前提與設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

2.1 頻譜感知的基本前提

頻譜感知技術(shù)通過對授權(quán)頻段工作狀態(tài)的識別與判斷來增加頻譜動態(tài)接入的機(jī)會，能夠避免對主用戶的通信造成影響。實(shí)施認(rèn)知無線電的頻譜感知技術(shù)應(yīng)該在以下兩個(gè)基本前提下實(shí)現(xiàn)：第一，物理層協(xié)議中要對認(rèn)知用戶的信號狀態(tài)進(jìn)行規(guī)范，保障頻譜感知探測中認(rèn)知用戶不發(fā)射信號，在此基礎(chǔ)上，保證授權(quán)用戶產(chǎn)生的頻譜功率具有獨(dú)立性與單一性[2]；第二，要保證授權(quán)用戶發(fā)射機(jī)及認(rèn)知用戶接收機(jī)的探測成功率在99.90%以上，保證頻譜感知的有效性與及時(shí)性。

2.2 頻譜感知的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

頻譜感知技術(shù)的應(yīng)用效率與使用性能會受到諸多因素的影響，在設(shè)計(jì)使用中面臨著較大的挑戰(zhàn)與困難。對頻譜感知技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用影響最大的問題是如何在動態(tài)變化的無線信道以及異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中保證技術(shù)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。當(dāng)無線信道發(fā)生衰落或是遮蔽狀況時(shí)，主用戶信號可能會受到遮蔽或是經(jīng)歷衰落，導(dǎo)致無法根據(jù)信號接收強(qiáng)度來判斷主用戶是否受到次用戶的干擾影響[3]。頻譜感知技術(shù)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性需要保證無線電設(shè)備對頻譜檢測具有較強(qiáng)的靈敏度，必要時(shí)應(yīng)該使用多用戶協(xié)同檢測的方式，保證頻譜檢測的精度。

3 幾種典型的頻譜感知技術(shù)

3.1 基于發(fā)射機(jī)的頻譜感知技術(shù)

基于發(fā)射機(jī)的頻譜感知技術(shù)是在微弱信號檢測的原理上形成的，主要有能量檢測、匹配濾波檢測以及循環(huán)平穩(wěn)過程特征檢測三種類型。能量檢測通過對一定時(shí)間頻帶信號能量的積累，在此基礎(chǔ)上對設(shè)置的闕值進(jìn)行比較，當(dāng)比較結(jié)果大于闕值時(shí)，屬于頻帶的主要用戶，能量檢測的技術(shù)原理如圖1所示；匹配濾波檢測屬于無線信號檢測中較為常見的方式，能夠完成解調(diào)授權(quán)用戶信號，在應(yīng)用中不僅能夠完成信號處理，還能夠使輸出信號信噪比達(dá)到最佳；循環(huán)平穩(wěn)過程特征檢測通過在未知噪聲以及強(qiáng)干擾等環(huán)境中對人工周期信號進(jìn)行調(diào)制檢測，保證檢測的平穩(wěn)性與循環(huán)性。

圖1 能量檢測技術(shù)原理

3.2 基于接收機(jī)的頻譜感知技術(shù)

基于接收機(jī)的頻譜感知主要有干擾溫度檢測和本振泄露檢測方式，能夠在保證檢測效果的同時(shí)有效解決隱藏終端的問題。干擾溫度檢測模型是在射頻環(huán)境中發(fā)射機(jī)和接收機(jī)交互的基礎(chǔ)上產(chǎn)生與建立的，模型建立的過程綜合考量了干擾的累積效應(yīng)。原有的干擾評價(jià)分析方式建立在大量發(fā)射機(jī)操作的基礎(chǔ)上，干擾溫度模型的評價(jià)則是在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)交互的基礎(chǔ)上實(shí)施的[4]。

本振泄露檢測方式能夠?qū)χ饔脩羰欠窆ぷ鬟M(jìn)行檢測判斷，是保證認(rèn)知無線電工作的重要條件。本振泄露檢測通過對接收機(jī)的高頻信號泄露情況進(jìn)行檢測來實(shí)現(xiàn)頻道檢測與判斷的目的。

3.3 協(xié)作頻譜感知技術(shù)

在一般情況下，主用戶網(wǎng)絡(luò)同認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)是相互獨(dú)立、互不影響的。當(dāng)認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)用戶頻譜感知檢測無法對主用戶接收機(jī)信息進(jìn)行準(zhǔn)確檢測時(shí)，難免會對主用戶產(chǎn)生干擾。因此，在認(rèn)知用戶之間實(shí)施信息交流共享是十分必要的。受陰影衰落影響較小的情況下，認(rèn)知用戶檢測的結(jié)果會較為精準(zhǔn)，其他用戶也可以參照認(rèn)知用戶的檢測進(jìn)行頻帶選擇。例如有n個(gè)認(rèn)知用戶時(shí)，合作協(xié)作檢測概率及虛警概率分別為：

Pdc=1-（1-Pd）n

Pfc=1-（1-Pf）n

其中Pd與Pf分別是非合作方式下單一認(rèn)知用戶的檢測概率和虛警概率，協(xié)助檢測機(jī)制能夠使兩者的概率同時(shí)得到提升。

4 認(rèn)知無線電的頻譜感知技術(shù)要點(diǎn)

4.1 安全問題

無線電通信網(wǎng)絡(luò)中的安全問題是影響網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行與技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵性內(nèi)容，也是技術(shù)研發(fā)的關(guān)鍵內(nèi)容。認(rèn)知無線電技術(shù)的技術(shù)特性，使其研發(fā)與應(yīng)用面臨的安全問題更加復(fù)雜和多樣，如授權(quán)用戶仿冒攻擊等問題[5]。協(xié)作感知技術(shù)模式下，多個(gè)認(rèn)知用戶同時(shí)進(jìn)行頻譜感知探測，并通過共享信息判斷主用戶的工作狀態(tài)。在這一過程中，網(wǎng)絡(luò)可信度及信息準(zhǔn)確性將會對安全性產(chǎn)生重要的影響。網(wǎng)絡(luò)不可信時(shí)，將會使認(rèn)知用戶自身感知產(chǎn)生錯(cuò)誤，或是授權(quán)用戶仿冒惡意攻擊，進(jìn)而使信息準(zhǔn)確性受到嚴(yán)重的影響。

4.2 隱藏終端問題

在多徑衰落及陰影衰落等外界因素的影響下會產(chǎn)生隱藏終端問題，使認(rèn)知用戶獲取的信號產(chǎn)生嚴(yán)重的傳播損耗，導(dǎo)致認(rèn)知用戶無法檢測感知主用戶的存在，從而對主用戶的通信產(chǎn)生干擾。大部分認(rèn)知無線電通信模型中，頻段判斷為未被占用，則認(rèn)知用戶可以對該頻段進(jìn)行使用。在隱藏終端問題影響下，主用戶到達(dá)認(rèn)知用戶的信號微弱，認(rèn)知用戶會對信道產(chǎn)生錯(cuò)誤的判斷，進(jìn)行通信傳輸，導(dǎo)致主用戶通信受到嚴(yán)重的干擾[6]。利用多用戶協(xié)作檢測的方式能夠解決隱藏終端問題，但鑒于多徑條件的變化特征，問題無法得到完全解決。

4.3 多用戶問題

大部分條件下，認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中存在多個(gè)認(rèn)知用戶及主用戶，多個(gè)認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)將會對單一頻段的使用權(quán)產(chǎn)生競爭，這在很大程度上增加了主用戶受到的干擾程度，這也是影響感知無線電的頻譜感知技術(shù)應(yīng)用效果的重要因素。在頻譜感知技術(shù)中，對多用戶網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行識別與分析是頻譜感知技術(shù)研究與發(fā)展的重要方向，也是影響無線電通信技術(shù)質(zhì)量的重要因素。

4.4 溫度測量與感知時(shí)間

認(rèn)知用戶與主用戶之間不具備相應(yīng)的通信機(jī)制，導(dǎo)致認(rèn)知用戶無法對主用戶接收機(jī)的位置進(jìn)行明確，因此，精準(zhǔn)測量主用戶端干擾溫度的難度較大，從而對認(rèn)知用戶的通信產(chǎn)生不良影響。對干擾溫度的測量是頻譜感知技術(shù)發(fā)展的難點(diǎn)之一，認(rèn)知用戶無法準(zhǔn)確地測量干擾溫度，將會使認(rèn)知用戶無法探測信息傳輸對主用戶接收機(jī)造成的影響[7]。頻譜感知時(shí)間是影響認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的重要因素，盡量在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對主用戶的探測才能夠保證無線電通信的有效性。認(rèn)知用戶高效率地對主用戶通信傳輸進(jìn)行探知才能夠有效地避免對主用戶通信造成不良影響。這給認(rèn)知無線電頻譜感知的時(shí)間提出了較高的要求，在頻譜感知技術(shù)研發(fā)及測算中，應(yīng)對誤判概率范圍進(jìn)行明確，實(shí)現(xiàn)探測主用戶樣本的最小化。

5 結(jié) 論

綜上所述，認(rèn)知無線電的頻譜感知技術(shù)對通信行業(yè)及相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的促進(jìn)作用，目前應(yīng)用中較為典型的頻譜感知技術(shù)有基于發(fā)射機(jī)的頻譜感知技術(shù)、基于接收機(jī)的頻譜感知技術(shù)以及協(xié)作頻譜感知技術(shù)。在頻譜感知技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注安全感知、隱藏終端、多用戶使用、溫度測量與感知時(shí)間幾個(gè)方面的技術(shù)難點(diǎn)，為技術(shù)發(fā)展提供更好的方向與助力。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：張俊強(qiáng)（1980.02-），漢族，山西忻州人，講師。研究方向：無線電物理。