認知無線電的頻譜感知技術的分析

上海船舶電子設備研究所 胡必楠 施丹華 金嘉榮

本文主要對頻譜感知技術進行分析，分析該技術的基本原理以及其中的關鍵技術，如濾波器檢測技術以及循環平穩特征技術，意在提高頻譜感應技術的利用率，最大限度降低用戶彼此之間產生的干擾，希望對相關的工作人員具有一定的參考價值。

分析無線電技術的主要原因就是在已有的頻譜環境下，更加高效地利用頻譜機會，頻譜感知技術主要是基于固定的頻譜分配原則，然后通信系統會利用專業的通信設備以及協議在相應的頻段上進行工作，由于當前無線技術正處于不斷發展的階段，用戶日益增加，造成頻譜資源處于嚴重擁擠的狀態，頻譜資源缺乏的問題逐漸顯露出來。因此，需要加強對頻譜感知技術的研究工作，充分利用好頻譜資源，盡可能降低對其他用戶造成的干擾，進一步發揮頻譜感知技術的作用。

1 無線電頻譜感知技術的基本原理分析

由于利用無線電頻譜技術，工作人員就可以清楚地感知到頻譜環境，檢測到無線電用戶對于頻譜的使用情況，同時有效地使用能即時利用的當地頻譜，為主用戶提供高質量的通信質量，以下將對頻譜感知技術的基本原理展開分析。

1.1 頻譜感知技術的原理分析

頻譜感知術語無線電系統的核心功能之一，是管理頻譜以及實現頻譜共享的主要方式，由于當前用戶是通過連續的頻譜感知發現閑置的頻譜，也就是頻譜空穴，一旦頻譜感知技術發現不同時域、視域以及空域的頻譜空穴，然后就可以為用戶使用頻譜提供便利。另外，通過對頻譜感知技術的應用，也有利于用戶獲取到主用戶的有關信息，然后將騰出通信通道，或者通過調整頻率傳輸頻率，避免對用戶的信號造成干擾，提高資源利用效率。

1.2 頻譜感知技術的算法分析

頻譜感知技術屬于一種信號檢測問題，感知技術的主要目的就是對以下兩種假設進行判決：H0：Y（t）=n（t）；H1：Y（t）=h（t）x（t）+n（t），其中n（t）代表的為高斯白噪聲，而Y（t）則代表的是認知信號系統所接收到的信號，x（t）表示的是通信系統中的用戶發送的信號，而h（t）則代表著信道的增益，其中t表示增益時間，而H0以及H1表示的則是該通信頻道中用戶是否可以滿足上述假設，其中Y（t）通過建立相應的檢驗系統Y，然后在特定的判決條件下，按照判決規則得出相應的檢測結果D0以及D1，但是頻譜感知的功能可以從以下幾方面來計算，檢測概率Pd=P（D1/H1）、虛警概率Pf=P（D1/H0）以及感知頻率丟失的概率從Pm=P（D0/H1）。由此可以看出，對于通信用戶來說，虛警概率往往會限制部分用戶使用空閑的頻段，降低頻帶的利用率，同時漏檢概率則表示的是部分用戶在連接到主用戶的過程中，對其造成了一定程度的干擾。總而言之，虛警概率的目的，就是將一些主用戶不存在的情況判定為存在，例如，低虛警概率表示的是用戶沒有使用的頻率，提升頻帶的使用效率，而漏檢概率則表示的是將主用戶不存在的情況判定為不存在，低漏檢概率是為了給主用戶提供優質的信號，減少其他用戶對于主用戶的干擾。因此，只有設計出良好的通信感知頻率技術，才能降低系統的虛警概率。另外，根據IEEE802.22的技術標準，要求用戶的檢測概率在90%以上，同時虛警概率也要保持在10%以下，才能為用戶提供優質的信號服務。

2 無線電系統下的核心頻譜感知技術分析

從檢測頻段帶寬來分析，可以將頻譜感知技術分成窄帶頻譜感知技術以及寬帶頻譜感知技術，窄帶頻譜感知技術分為經過用戶授權的發射信號段檢測以及授權用戶接收的通信信號檢測以及能夠合作的頻譜感知技術，而授權用戶發射的檢測，其中關鍵的技術就是濾波匹配檢測技術、能量檢測技術以及特征值檢測技術等，以下將對上述技術展開分析。

2.1 濾波器的匹配檢測技術分析

如果頻譜感知技術中的X（t）是已知的，則可以通過利用濾波器匹配技術，然后充分發揮檢測作用，將系統中接收到的信號Y（t）通過離散采樣的方式，輸入到濾波器中，可以利用，其中y(n)表示的是y(t)離散采樣之后的新信號，而X*(n)則表示為復共軛的信號X(n)，其中n表示采樣點數。因此，工作人員可以利用該公式的檢測量Y，以及預先設置的檢測門限值λ進行比較，當Y＞λ時，系統則能夠自動判定該頻段上存在空閑的用戶信號，而當Y＜λ，系統就會得出當前頻段不存在頻譜空穴的結論，為用戶使用信號提供一定較大的便利。因此，運用匹配的濾波器對頻譜感知技術進行檢測，可以在較短的時間內提高信號增益，保持輸出的信噪比處于最大值，但是此種方式也存在一定的弊端，首先，是用戶必須了解主用戶的有關信息，才能保證信號的準確性，但是一旦無法保證信息的準確性，就會影響匹配濾波器的工作效率。其次，由于為了保證匹配濾波器的工作效率，還需要保證定時與頻率同步，才能提高主信號的關聯度。最后，近年來越來越多的主用戶評斷逐漸開展了機會頻段，但是對于認知無線電技術來說，無論哪一個主用戶頻段，系統接收機均必須要安裝一個單獨的匹配濾波器，因此，需要耗費較高的投資，影響企業的經濟效益。

2.2 循環平穩特征檢測技術分析

在無線電通信系統下，在平均值、自相關等信息技術的作用下，調制信號具有極強的循環平穩性，由于其主要是由信號以及信號的周期性引發的，但是噪聲通常在循環的頻率下不會反映出頻譜的相關性質。因此，只有利用CAF才能對主用戶展開信號檢測，分離出噪聲以及信號，充分使用閑置資源，可以通過以下方式計算定義譜的有關函數：，而且也可以計算出。另外，由于循環平穩特征檢測有助于區分噪音以及主用戶的信號，從理論上來講，其不受到噪音的干擾，因此，在低音噪中具有良好的檢測性能。但是和能量檢測法相比，循環特征的檢測方式對于降低噪音，提高檢測性能具備良好的效果，但是從實踐效果中分析，此種方式的計算量較多，因此，在具體的操作過程中，可以將循環檢測技術和其他技術結合起來，提升信號調制參數的質量和效率，令用戶在通信的過程中，能有效識別不同的信號，提升認知工作的效率。

2.3 本振泄漏功率的檢測技術分析

本振泄漏功率的檢測技術，指的是主用戶通過接收機的前端來判斷當地振蕩器中是否存在震蕩器，但是由于現階段絕大多數無線電接收設備安裝的均是超外差式的接收機，其需要利用本地的振蕩器來調整接收信號，從而通過變頻來獲取到中頻信號。因此，當接收機在工作時，接收設備內部的本地振蕩器就會產生相應的本振信號，致使信號被泄漏，無法充分保證用戶的信息安全。利用此種檢測方式，相關的工作人員就可以通過泄漏的信號，判斷出用戶接收機是否處于工作狀態，但是只有經過用戶的授權，才可以在其接收機附近安裝一個傳感器，因此會對用戶造成一定干擾，而且如果授權的用戶數量較大、分布較廣時，此種方式需要耗費大量的人力和物力，可行性不高。另外，該種方式應用的范圍較小，為了保證其可靠性，通常需要耗費較多的時間。根據調查研究顯示，近年來我國接收機研究工作快速發展，本振泄漏功率泄漏的情況逐漸減少，但是如果距離較遠，則很難檢測到本振泄漏。除此之外，由于接收機的種類較多，工作年限也不同，其泄漏的功率也是不同的，因此，相關工作人員也對該技術進行了改進，具體的方式如下，即建立一個整體的緊湊以及低成本的傳感器節點，通過將其安置在原始的接收機附近，然后評估這些泄漏的節點，確定授權用戶處于哪一個通信系統上，然后將恒定的功率傳遞給無線電的使用用戶，提升其精確度，令其可以在最短的時間內做出評估。

2.4 合作頻譜感知技術分析

由于認知用戶和系統授權用戶之間并且建立直接的信令交互，因此，在對授權用戶展開發射信號檢測時，必須要利用無線認知系統的接收機，來獲取到微弱的信號，在接收授權用戶信號時，經常會受到外部環境的影響，從而產生陰影效應，致使外部無線環境發生干擾，降低接收信號的準確性，令工作人員作出錯誤的判斷，影響用戶的正常工作。通常合作式的頻譜感知技術，對于解決用戶檢測系統中的陰影效應具有顯著的效果，當前合作頻譜感知技術主要是為了能夠進行集中式的采樣融合模型，對于不同位置的感知階段均可以相對獨立地進行本地感知，有助于融合中心展開信息融合，最終判斷出當前通信頻段是否處于被占用的狀態。總之，此種檢測技術不僅能夠確保檢測工作的質量和效率，而且還能縮減檢測時間，提高合作增益，但是由于會占用較多的信道帶寬以及頻譜資源，從而影響整個系統的性能，因此，相關工作人員需要加強對該技術的研究工作，最大限度地減少資源的占用。

2.5 多信道的寬帶感知技術分析

窄帶感知技術通常被用于檢測窄帶信號，但是為了提升頻譜效率，頻譜感知技術必須在寬帶內進行，由于傳統的窄帶技術只能對某一個信道展開檢測，一旦對主信號進行檢測時，則認知用戶就必須退出該頻譜，只能在主用戶用完后，才能展開工作，而利用寬帶感知技術，則可以為認知用戶尋找到多個信道，即使主用戶使用頻譜時，認知用戶還能使用其他信道，顯著提升了頻譜感知技術的工作效率。在利用此種方式的過程中，往往需要安裝濾波器，才能保證感知技術的效率，實現識別不同類型信號的目的。

結束語：由于頻譜感知技術屬于一項關鍵的無線電技術，是其他無線電技術的重要技術，其主要的作用就是如果出現空閑信道，可以及時尋找到頻譜空穴，有助于認知用戶接入使用，而且如果主用戶出現，還能及時釋放占用的頻譜，避免對主用戶產生干擾，總而言之，頻譜感知能力的強弱程度，直接影響著無線電系統的性能。因此，相關的工作人員需要加強對頻譜感知技術的研究工作，充分發揮其作用。