?

基于認(rèn)知無線電的頻譜檢測技術(shù)研究

張佳民

（張家口學(xué)院，河北張家口,075000）

1　認(rèn)知無線電的核心技術(shù)

認(rèn)知無線電的核心技術(shù)有：動(dòng)態(tài)頻譜連接與頻譜管理、頻譜檢測技術(shù)、頻譜感知技術(shù)、自適應(yīng)頻譜資源配置等技術(shù)。頻譜感知技術(shù)和頻譜檢測技術(shù)是認(rèn)知無線電功能的基礎(chǔ)，沒有獲得權(quán)限資格的使用者的頻譜優(yōu)先連接權(quán)力比那些得到權(quán)限資格的使用者要低。要想不對授權(quán)使用者形成不良影響，可靠檢測概率要求很高。對于頻譜分配技術(shù)，需要使用有效的方法來利用無線頻譜資源?；就緩絻蓷l：第一，為使授權(quán)用戶的頻譜資源得到充分利用要盡可能的提高利用率；第二,提高系統(tǒng)通信效率,將已有的頻率資源優(yōu)化分配,從而提高利用率。動(dòng)態(tài)頻譜分配也被叫做動(dòng)態(tài)頻譜管理，它是以結(jié)合功率控制提供一個(gè)自適應(yīng)的用于有效的利用射頻頻譜的策略為目的。通過頻譜檢測技術(shù)獲得認(rèn)知用戶可以使用的頻譜池，選擇調(diào)制策略來適應(yīng)當(dāng)時(shí)的無線射頻環(huán)境。

2　認(rèn)知無線電的頻譜檢測

認(rèn)知無線電的頻譜檢測性能的前提是智能化，通過對其工作區(qū)域的頻譜的探測，認(rèn)知無線電能夠獲得空間頻譜的使用情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)主用戶的授權(quán)頻段上并沒有主用戶出現(xiàn)，在不影響已有通信系統(tǒng)的前提下則可以伺機(jī)占用此頻段。認(rèn)知無線電活動(dòng)的實(shí)現(xiàn)先要實(shí)施感知無線條件的要求，即實(shí)施頻譜檢測與評斷頻譜空洞是不是出現(xiàn)了。

頻譜檢測技術(shù)在認(rèn)知無線電系統(tǒng)中不僅可以搜尋頻譜空洞，還可以進(jìn)行頻譜狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。在特定狀況下，頻譜偵測技術(shù)能夠正確的預(yù)估到射頻信息相撞的情況，使非授權(quán)用戶能夠盡快進(jìn)行主動(dòng)退避, 避免對授權(quán)用戶產(chǎn)生大的干擾。

2.1單一節(jié)點(diǎn)檢測

單一節(jié)點(diǎn)檢測又稱為基于本地的檢測，就是指單個(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)立完成對空間頻譜的當(dāng)前測定活動(dòng)，是靠匹配濾波器檢測、靜態(tài)循環(huán)譜分析探測和能量檢測等3種方法來完成頻譜檢測任務(wù)的。

（1） 匹配濾波器檢測

當(dāng)認(rèn)知無線電提醒存在授權(quán)使用者具有先驗(yàn)知識的時(shí)候，最好的濾波裝置就是匹配濾波裝置。

輸出信噪比最大是匹配濾波裝置方式的最大特征，可以讓失誤判斷比例最低。但是使用匹配濾波器作為頻譜感知的信號操作形式，需要存在授權(quán)使用者信號的先驗(yàn)知識，如工作頻率、調(diào)制形式，波形指數(shù)、物理層規(guī)劃等內(nèi)容，因此應(yīng)該在認(rèn)知無線電裝置內(nèi)儲存眾多的要進(jìn)行維護(hù)的授權(quán)頻段信號的使用者資料，就會提升認(rèn)知無線電裝置完成權(quán)限授予使用者信號的有關(guān)調(diào)節(jié)需要的時(shí)間相符、載波同步與信道平衡等操作的復(fù)雜性。當(dāng)認(rèn)知無線電系統(tǒng)對授權(quán)用戶的先驗(yàn)知識不全面時(shí)，匹配濾波器的功能就會被削弱。并且，針對各個(gè)類別的權(quán)限授予使用者，認(rèn)知無線電體系應(yīng)有一個(gè)專門的接收器，這樣就增加了設(shè)備的預(yù)算。

（2） 靜態(tài)循環(huán)譜分析探測

對于實(shí)際環(huán)境來說，無線信號在其統(tǒng)計(jì)概率上大多數(shù)都不是平穩(wěn)信號，其平穩(wěn)性會與其載頻、基帶信號及編碼等周期信息有關(guān)，其一階或高階統(tǒng)計(jì)參數(shù)呈時(shí)間周期性，稱其具有周期平穩(wěn)性，通過分析頻譜相關(guān)函數(shù)可以識別和分析出信號，還能夠探測出信號的一些特性，包括信號的調(diào)制方式、信息速率以及相位信息等,具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖1所示.

譜相關(guān)函數(shù)法的優(yōu)勢：

第一，存在較好的分辨率。針對周期的穩(wěn)定信號，盡管信號頻譜是沒有停止的，但是從譜有關(guān)平面圖中表現(xiàn)出來的信息特性可以看出依舊根據(jù)周期頻率零散布局的。所以在頻譜中，重疊的特性，在用譜有關(guān)操作的時(shí)候可以判斷。

第二，抗干擾能力強(qiáng)。當(dāng)SNR比較低時(shí)，背景噪音在周期頻率不是零的區(qū)域不存在譜特性，所以，在研究周期頻率非零區(qū)域的周期譜的時(shí)候，不會受到背景噪音的干擾。

第三，譜有關(guān)函數(shù)結(jié)合高階循環(huán)統(tǒng)計(jì)量知識，建立了循環(huán)頻率-滯后平面，借助周期譜將信息實(shí)施隔離辨別操作，測定周期譜的大小、位移等，檢測載波、脈沖、調(diào)節(jié)速度與相位信息。

（3）能量檢測

圖1　基于譜相關(guān)理論的檢測模型

圖2　能量監(jiān)測基本模型

如果不能提前獲得所接收的信號各種參數(shù)信息，最恰當(dāng)?shù)奶幚矸绞骄褪前演斎胄盘柨醋鳛橐粋€(gè)隨機(jī)過程，此時(shí)能量探測器就是最佳的探測器。能量檢測器是在時(shí)間段T中對通過帶通濾波裝置的輸出信號給予平方運(yùn)算與積分操作，將積分值Y與假定的門限X比較，從而判定授權(quán)用戶是否出現(xiàn)，框圖如圖2所示。

能量檢測是一類較為簡單的信號非相干測定方式，其測定形式對裝置需要較低，容易完成，運(yùn)用性高，不必知道信號的先驗(yàn)知識，僅僅當(dāng)信號能量大于特定規(guī)模之后就會被測定。但是其判決門限易受環(huán)境中的噪聲水平所干擾，此外，盡管可以滿足給定的門限值，信帶內(nèi)影響的形成也會干擾能量檢測裝置。并且，能量檢測僅僅會測定信號是不是存在，而不能分辨信號的類型、功率水平和噪聲等信息。

2.2眾多節(jié)點(diǎn)的協(xié)同檢測

眾多節(jié)點(diǎn)的協(xié)同檢測也稱為合作檢測。認(rèn)知無線電技術(shù)體系運(yùn)用合作檢測的方式的目標(biāo)是要借助眾多認(rèn)知無線電接點(diǎn)的頻譜感知信號的合作得到任意一個(gè)單一頻譜感知節(jié)點(diǎn)所不能夠獲得的測定功能，把基于單一節(jié)點(diǎn)測定得到的未知性降至最低，所以融合之后的認(rèn)知無線電體系的頻譜感知功能要好于單一頻譜感知節(jié)點(diǎn)的效果。

（1）合作檢測的結(jié)構(gòu)

多種系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)可以用在分布式檢測融合系統(tǒng)中：并行結(jié)構(gòu)、串行結(jié)構(gòu)、樹形結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)等。在這些融合結(jié)構(gòu)中并行結(jié)構(gòu)和串行結(jié)構(gòu)是基本結(jié)構(gòu)，其他的融合結(jié)構(gòu)可以認(rèn)為是由這兩種結(jié)構(gòu)衍生而來。

檢測融合的并行結(jié)構(gòu)，就是所有的感知節(jié)點(diǎn)間是并列的關(guān)系，相互間都是平等的，而且在此結(jié)構(gòu)內(nèi)僅存在唯一的融合中心，全部感知節(jié)點(diǎn)的當(dāng)?shù)嘏卸ńY(jié)論都傳遞至這一融合中心，其按照有關(guān)的規(guī)定來作出最終的判決。

上圖3中S1, S2,…Sn,為單個(gè)檢測節(jié)點(diǎn)，Z1, Z2,…Zn,為觀測數(shù)據(jù)，U1, U2,…Un,為檢測節(jié)點(diǎn)的本地判決結(jié)果，U為融合中心的最后判定結(jié)論。

圖3　檢測融合的并行結(jié)構(gòu)

圖4　檢測融合的串型結(jié)構(gòu)

和并行架構(gòu)進(jìn)行比較，如圖4所示，這是測定融合的串行架構(gòu)。在這一架構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)感知結(jié)論是按照層級向上傳輸?shù)模麄€(gè)串行結(jié)構(gòu)中的第一個(gè)感知節(jié)點(diǎn)，感知節(jié)點(diǎn)Si的感知結(jié)果Ui都將根據(jù)前一級Si-1的判決結(jié)果Ui-1及其自身的本地檢測結(jié)果Zi根據(jù)一定的規(guī)則再來融合而產(chǎn)生。因此最終的判決結(jié)果是由最后的一個(gè)感知節(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的。這樣的串行結(jié)構(gòu)中，第一個(gè)感知節(jié)點(diǎn)只按照本身的觀測數(shù)字Z1形成期判定結(jié)論u1，最終的感知節(jié)點(diǎn)就會給出體系的最后決定。

顯而易見，串行結(jié)構(gòu)相對于并行結(jié)構(gòu)而言易于受到鏈路故障的影響，一旦一個(gè)感知節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，則將直接影響之后所有節(jié)點(diǎn)以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的感知結(jié)果，而對于并行結(jié)構(gòu)而言，主要的隱患在于其只有一個(gè)融合中心，融合決策成功與否決定于融合中心處。在目前的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)體系中主要使用并行結(jié)構(gòu)來進(jìn)行合作感知的分析。

3　總結(jié)

由于陰影效果、多址衰敗與建筑物中遭受過多的穿越損耗的作用讓單一節(jié)點(diǎn)的測定結(jié)論存在失誤，認(rèn)知無線電就可能會對授權(quán)頻段的用戶造成干擾。在現(xiàn)有的認(rèn)知無線電頻譜檢測技術(shù)中，還仍然存在許多值得研究的問題，有待于更深入地分析和研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 馮文江，郭瑜，胡志遠(yuǎn).認(rèn)知無線電中的頻譜感知技術(shù)[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2007,30(11):1-4

[2] 官潤勝,胡中豫,申濤.基于分布式檢測和協(xié)作的自適應(yīng)頻譜感應(yīng)機(jī)制[J].通信技術(shù),2008,12(41):1-3.

摘要：信息時(shí)代無線通信飛速發(fā)展，許多需要較寬頻譜和較高下載速率的業(yè)務(wù)，如多媒體通信業(yè)務(wù)，已經(jīng)成為無線服務(wù)的重點(diǎn)對象。認(rèn)知無線電是一種智能的無線通信技術(shù)，可以通過感知周圍環(huán)境來自動(dòng)調(diào)整其發(fā)射機(jī)參數(shù)，其核心思想是利用已分配但未獲得充分利用的頻譜，從而提高頻譜利用率避免對主用戶造成干擾是認(rèn)知無線電最需要解決的問題，頻譜感知?jiǎng)t是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的前提。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知無線電;頻譜檢測

Study of spectrum detection technology based on cognitive radio

Zhang Jiamin

（zhangjiakou University,075000)

Abstract：With the rapid development of wireless communication in information era,many need more bandwidth and higher rates of business,such as multimedia communication services,has become the focus of wireless services. Cognitive radio is an intelligent wireless communication technology,can be perceived by the surrounding environment to automatically adjust its transmitter parameters,its core idea is the use of allocated but not make full use of the spectrum,so as to improve the spectrum utilization rate to avoid interference to primary users is the most need to solve the problem of cognitive radio,spectrum sensing is the premise this goal.

Keywords：cognitive radio;spectrum detection