頻譜感知技術在無線電中運用的探討

徐達 徐湘瑩 王世祺

隨著通信業務增加，電磁頻譜資源利用效率亟待提高。認知無線電技術不同于傳統頻譜資源分配模式，結合人工智能技術，可以有效提高頻譜資源利用率，緩解頻譜資源緊張現狀，是無線通信技術的一大進步。本文主要分析了認知無線電的原理、技術結構，并就電磁頻譜在認知無線電中的應用進行了討論研究。

一、引言

隨著無線通信業務量的增加，電磁頻譜在各個領域的應用越來越廣泛，頻譜資源也會變得越來越稀缺。為了有效地緩解這一情況，我們一般在技術和使用兩個層面上提高頻譜資源的利用效率，一是提高通信設備的傳輸效率，如使用MIMO無線技術；二是優化網絡，提高網絡能力。目前，這兩種方法已經被廣泛應用在各個領域，但可以預見的，隨著時間的推移，這兩種方法可以獲得的，現有領域的頻譜資源利用增益將會日益減少，頻譜資源匱乏的問題也會日益加劇。

不過頻譜使用資源的匱乏并不代表著頻譜資源本身的稀缺，根據聯邦通信委員會（FCC）的數據顯示，當前已分配的頻段資源中，3、4GHz頻段的頻譜利用率僅有0.5%，而 4、5GHz頻段的頻譜利用率甚至只有0.3%，極大一部分頻譜資源處于不被使用的空閑狀態。這種資源的浪費，很大程度是由當前采取的頻譜固定分配政策所導致，因此區別于當前通用的靜態頻譜管理體制，開發出一種智能識別、高效分配、動態管控的頻譜分配策略，是提高頻譜資源利用率的有效手段。

二、認知無線電概述

認知無線電（Cognitive Radio，CR）的核心概念是使CR具有學習能力，即人工智能，使其可以通過學習和記憶，能夠及時對用頻的情況產生感應，自主對選用的頻帶進行確認，從而有效避免用頻沖突的出現。

環境感知、適應環境、重新配置、自主運行是各種認知無線電具有的本質特征，所以將認知無線電定義如下：認知無線電網絡是一個基于主-次分層接入共享模型的智能無線動態通信系統，網絡中的各次用戶通過自動地感知頻域、時域、空域以及碼域等多維空間上的頻譜環境，根據一定的學習和決策算法，在對主用戶通信不造成干擾的情況下，公平而有效地動態利用可用頻譜資源，并實時、自適應地調整工作參數，以實現頻譜的 大化利用，同時盡量滿足次用戶的服務質量需求，既實現高效、可靠通信。

認知無線電網絡是一個特殊的動態無線網絡，它不僅允許用戶隨時接入、退出和移動，更要考慮頻譜環境的動態變化，并實現近實時的動態 優化網絡管理。因此，認知無線電網絡涉及的問題非常多而復雜，不僅能與現有的無線網絡共存，還應該支持固定結構、自組網等多種形式，目前比較通用的一種認知網絡結構如圖1所示。

從水平方向看，該網絡包括主用戶網和認知用戶網兩部分，從垂直方向上看，包括授權頻段和非授權頻段。頻譜中介是必不可少的功能模塊，主要負責連接各個不同的認知網絡，協調各網絡間理地共享頻譜資源。

三、認知無線電的技術特點與系統結構

（一）認知無線電的架構

認知無線電主要包括硬件和軟件兩部分。

硬件部分主要包括：安全模塊、調制解調器、射頻、天線、基帶和用戶接口等，可以確保信號安全穩定接入輸出，并保證信號穩定；軟件部分則分為普通軟件系統和智能化軟件系統，其中智能化系統是認知無線電的靈魂所在，它通過學習和記憶，將無線波段分類分配，使波段資源得到更加充分、更加飽滿的應用。

（二）認知無線電的技術特點

認知無線電的智能化分配取代原有固額分配，可以保證頻譜資源得到一個極高的利用率，又不會降低用戶使用頻譜資源的配額和效率，使得頻譜資源的使用進入一個新的層次。

四、頻譜感知技術在認知無線電中運用

（一）匹配濾波器檢測的運用

匹配濾波器是檢測用戶信號的最理想的檢測器，它的檢測模式是在確定用戶型號的模式下進行的，在輸入濾波器信號的信噪比是固定值的前提下，匹配濾波器可以將輸出信號的信噪比控制在最大值，可以在最短時間獲得最大的效益。而認知無線電恰好可以事先保存用戶的調制形式、數據包格式等先驗信息，可以滿足匹配濾波器對用戶信息的需求。

不過由于匹配濾波器對于信息的精準程度要求較高，不精確的信息會造成匹配濾波器的性能更差，因此需要對法定用戶針對性的配備專用接收器，這樣的模式有著一定的局限性。

（二）合作檢測

信號傳遞容易遭受多種因素的影響，當信噪比低于門限值時，認知用戶就會很難檢測到法定用戶輸出的信號而造成漏檢，這可能會影響整個系統的工作。這種情況下，就需要認知用戶互相合作，在同一頻段中協同檢測，共同完成檢測任務。

合作檢測一般有分散式檢測和集中式檢測兩種模式。

1. 集中式檢測

集中式檢測是通過基站將所有無線裝置采集的信息集中起來，分析探測，而后將分析結果廣播到其他無線裝置，或者直接調控無線通信。集中式檢測的感知成果也被為AP接入點采集，目的就是降低信道衰落所造成的影響，提升檢測功效。

2. 分散式檢測

單一的檢測器可能存在各種程度的偶然性，因此多點、多設備的分散式檢測在結果上會更加的有說服力，同時也可以降低對檢測設備的準確度、精度的需求。在分布式檢測技術應用時，通常會通過調整帶寬來獲得更加優良的性能。

（三）靜態循環特征檢測

用戶信號經過處理后，通常會具備內在的周期性，具有一定的靜態循環的特征，可以通過分析信號譜中的循環特征，來確認信號中是否包括用戶信號。

循環特征值探測不同于其他探測方式的地方在于，它是通過對信號譜的相關函數地進行分析，通過區分噪聲和信號的循環率在信號譜函數中的頻譜相關性的差異，區分出噪聲和用戶信號，因此它具有很強的抗噪聲干擾能力，可以更加精確的區分出噪聲信號，同時，由于循環特征值探測是針對于信號譜的計算和分析，所以也不需要事先掌握用戶先驗信息；缺點是這種檢測方式需要進行大量計算并花費大量時間，不利于進行緊急任務。

五、結語

總而言之，頻譜感知技術是達到認知無線電網絡的重要基石，是現階段認知無線電當中頻譜感知技術所探討的焦點話題。雖然還面對著非常大的技術挑戰，然而伴隨研究的日益深化，堅信在不久的未來，認知無線電技術必然逐漸趨向完善，為無線通信帶來全新的發展動力與機遇。

作者單位：32282部隊