認知無線電頻譜感知技術的應用探討

馬曉曉

摘要：本文探討了認知無線電頻譜感知技術的基本原理和作用，研究分析了認知無線電頻譜感知技術的應用。

關鍵詞：認知無線電;頻譜感知;物聯網

中圖分類號：TN925 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）05-0069-02

1認知無線電頻譜感知技術的基本原理和作用

頻譜感知技術是對無線電頻譜在時間、頻率、空間等方面的檢測，以得到頻譜是否被占用的檢測結果，基于該檢測結果對無線電頻譜進行動態調整。頻譜感知技術在認知無線電中不僅可以搜尋頻譜空洞，還可以實時監測頻譜狀態。在特定狀況下，頻譜感知技術能夠正確的預估到射頻信息相撞的情況，使非授權用戶能夠盡快進行主動退避，避免對授權用戶產生大的干擾。頻譜感知技術具有：（1）頻譜協調作用，頻譜感知技術能夠協調頻譜資源的分配，將更多的空閑頻譜資源分配給需要的用戶，解決頻譜資源短缺的問題;（2）頻譜排斥作用，對于特定的授權頻段，當檢測方檢測其已被使用，則檢測方不會使用該頻段，從而避免同時使用該頻段帶來后續干擾;（3）頻譜共享作用，在保證認知用戶不會影響到主用戶的正常使用時，通過與主用戶一起使用授權頻譜，達到頻譜資源利用的最大化。

2認知無線電頻譜感知技術的應用

2.1認知無線電頻譜感知技術在智能家居網中的應用

智能終端，小到手表、手機、平板，大到照明燈具、電視、冰箱、洗衣機，支持多種無線接入頻譜資源（比如2G-5G，WIFI、ZIGBEE、RFID、藍牙等），越來越廣泛運用于家庭生活中，為了滿足用戶的業務需求，基于認知無線電頻譜感知技術，部署自組網形式的網絡覆蓋區域，智能終端可以選擇最佳無線接人頻譜資源，從而為用戶提供高速、可靠的數據業務服務。

2.2認知無線電頻譜感知技術在車聯網中的應用

根據實際交通道路狀況，參照車聯網WAVE協議，通過多個車載無線通信設備、多個主用戶、多個信道構建認知車載網絡模型。車載無線通信設備作為次用戶，其在不干擾主用戶前提下利用空閑頻譜傳輸數據，其中空閑頻譜為不被主用戶使用的頻率。車載無線通信設備感知多個信道，并且在該信道未被主用戶使用的情況下，車載無線通信設備利用該頻率進行無線通信。即使在進行無線通信期間，也必須定期感知主用戶是否利用該頻率，并且一旦感知到主用戶對該頻率的利用，就立即停止在該頻率處的無線通信。通過組合在感知期間每個車載無線通信設備在多個循環中獲得的感知結果，或者通過組合多個車載無線通信設備獲得的感知結果，獲得分集效果，并且感知精度被提高。

2.3認知無線電頻譜感知技術在農業物聯網中的應用

相對城市而言，農村建筑物少，多以平房居多，人口密度低，無線電頻譜資源在農村使用率低，尤其是低頻段，農村頻譜資源的現狀為頻譜感知在農業物聯網的應用提供了很好的契機。認知農業物聯網的網絡模型主要包括授權網絡、認知節點、各種農業傳感器及匯聚節點，其中授權網絡是指現存的對無線頻譜有使用資格的網絡。在農作物種植區域內，各種農業傳感器將土壤的溫濕度、當前農作物生長情況實時匯報給匯聚節點，匯聚節點必須將信息數據實時上報，以供農作物專家或農作物種植人員遠程監控和管理。這時，認知節點運用頻譜感知技術，感知網絡中可使用的頻譜資源，并告知匯聚節點，使得匯聚節點使用該頻譜資源實現信息數據的實時傳遞匯報，各種農業傳感器借助頻譜資源實現農作物種植區域的實時監測，在一定程序解決了頻譜資源擁擠的問題。

2.4認知無線電頻譜感知技術在食品安全生產中的應用

在食品生產中，食品安全問題對食品生產至關重要，大量低成本的無線傳感器部署于食品安全生產中，無線傳感器通信質量在一定程度影響企業的生產效益，建立食品安全生產方面的認知無線傳感器網絡很有必要。假設認知無線傳感器網絡中有M個信道、N個傳感器，每個傳感器同時檢測多個信道，隨機選擇空閑頻段。對于信道的分配有兩種情況：（1）一個傳感器獨占一個信道，如果檢測的信道被其他傳感器占用，當前傳感器便會選擇其他可用信道完成食品安全檢測;（2）多個傳感器共享同—個信道，這種情況下，當前傳感器根據頻譜檢測結果來決定是否占用當前信道，從而解決信道擁堵，提高通信速率，食品生產的相關信息快速而準確傳達給每一位觀察者，為食品安全可溯源提供有力的保障。

2.5認知無線電頻譜感知技術在智能電網中的應用

將頻譜感知技術引用智能電網，在每一個電力消費單元配置一臺智能電表，在電力消費單元的上級供電單元配置需求響應管理模塊，智能電表與需求響應管理模塊之間通過非授權信道和授權信道進行數據傳輸;智能電表通過頻譜感知算法實現對授權信道占用情況的監測，需求響應管理模塊根據各個智能電表中頻譜感知情況確定每個電力消費單元的平均中斷率，然后根據上級供電單元的供應量、每個電力消費單元的平均中斷率以及每個電力消費單元的用電量調整用電價格，實現社會效益的最大化。

2.6認知無線電頻譜感知技術在公共安全網中的應用

報警、火警和醫療急救等公共安全事務需要使用無線電，然而目前分配給公共安全網的頻譜資源有限，且公安、消防、醫院等部門所用的硬件軟件不統一，部門之間網絡聯動存在障礙。將頻譜感知技術引用公共安全網，公共安全工作者使用具有認知功能的移動設備，能夠實時監測信道頻譜變化，保證網絡暢通，隨時隨地接入網絡，為公共安全提供可靠的網絡服務。

2.7認知無線電頻譜感知技術在遠程醫療中的應用

遠程醫療是通過無線通信技術建立病患與醫療資源之間的溝通橋梁，為遠地病患提供醫療服務。在遠程醫療中，通過多個醫學傳感器節點、移動終端、基站、遠程醫療監控中心構建基于無線體域網的認知遠程醫療網絡模型，其中，醫學傳感器節點感測病患的生理狀況并傳送給移動終端，按照緊急程度進行分級，對生命攸關的數據優先分配良好的資源，對于非緊急的生理參數、保健信息、教育信息等數據可以分配較低級別的資源，除了使用針對醫療無線體域網開放的2360-2400MHz頻段外，還可以檢測并使用其他空閑頻段，由移動終端通過基站傳輸到遠程醫療監控中心，再由醫療人員或相關醫療設備對遠程數據信息進行處理及反饋，保證了遠程醫療的順序開展。

2.8認知無線電頻譜感知技術在衛星導航中的應用

隨著GPS、GLONASS、BDS和Galileo四大衛星導航技術的發展，衛星頻譜資源的利用也面臨瓶頸，認知無線電頻譜感知技術在衛星導航中的應用應運而生。在軍事方面，可以根據頻譜感知結果關閉部分衛星的導航，使得敵方捕獲不到導航信號;又或者主動對作戰區域或敵方進行頻譜干擾，從而使敵方設備失去導航作用而無法正常作戰，通過科技技術提高我方戰斗力。在民用方面，可以對根據頻譜感知，對目標區域的導航信號進行增強，對非目標區域的導航信號消弱，保證目標區域連續可靠導航，而非目標區域不享受導航服務，使衛星的導航作用得到充分發揮。

3結語

頻譜感知是認知無線電中最為關鍵的技術之一，頻譜感知技術以其突出的優點而具有廣泛的應用前景。然而，頻譜感知技術從概念到應用尚面臨諸多挑戰，還有很多難題需要解決，認知無線電頻譜感知技術的檢測硬件、通信協議、以及在其他領域的應用等方面將需要進一步的研究。