上海船舶電子設(shè)備研究所 胡必楠 施丹華 金嘉榮

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

分析無線電技術(shù)的主要原因就是在已有的頻譜環(huán)境下，更加高效地利用頻譜機會，頻譜感知技術(shù)主要是基于固定的頻譜分配原則，然后通信系統(tǒng)會利用專業(yè)的通信設(shè)備以及協(xié)議在相應(yīng)的頻段上進行工作，由于當(dāng)前無線技術(shù)正處于不斷發(fā)展的階段，用戶日益增加，造成頻譜資源處于嚴(yán)重擁擠的狀態(tài)，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(shù)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(fā)揮頻譜感知技術(shù)的作用。

1 無線電頻譜感知技術(shù)的基本原理分析

由于利用無線電頻譜技術(shù)，工作人員就可以清楚地感知到頻譜環(huán)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(dāng)?shù)仡l譜，為主用戶提供高質(zhì)量的通信質(zhì)量，以下將對頻譜感知技術(shù)的基本原理展開分析。

1.1 頻譜感知技術(shù)的原理分析

頻譜感知術(shù)語無線電系統(tǒng)的核心功能之一，是管理頻譜以及實現(xiàn)頻譜共享的主要方式，由于當(dāng)前用戶是通過連續(xù)的頻譜感知發(fā)現(xiàn)閑置的頻譜，也就是頻譜空穴，一旦頻譜感知技術(shù)發(fā)現(xiàn)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(shù)的應(yīng)用，也有利于用戶獲取到主用戶的有關(guān)信息，然后將騰出通信通道，或者通過調(diào)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(shù)的算法分析

頻譜感知技術(shù)屬于一種信號檢測問題，感知技術(shù)的主要目的就是對以下兩種假設(shè)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(tǒng)所接收到的信號，x（t）表示的是通信系統(tǒng)中的用戶發(fā)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(shè)，其中Y（t）通過建立相應(yīng)的檢驗系統(tǒng)Y，然后在特定的判決條件下，按照判決規(guī)則得出相應(yīng)的檢測結(jié)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?？偠灾?，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(yōu)質(zhì)的信號，減少其他用戶對于主用戶的干擾。因此，只有設(shè)計出良好的通信感知頻率技術(shù)，才能降低系統(tǒng)的虛警概率。另外，根據(jù)IEEE802.22的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，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(yōu)質(zhì)的信號服務(wù)。

2 無線電系統(tǒng)下的核心頻譜感知技術(shù)分析

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

2.1 濾波器的匹配檢測技術(shù)分析

如果頻譜感知技術(shù)中的X（t）是已知的，則可以通過利用濾波器匹配技術(shù)，然后充分發(fā)揮檢測作用，將系統(tǒng)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(fù)共軛的信號X(n)，其中n表示采樣點數(shù)。因此，工作人員可以利用該公式的檢測量Y，以及預(yù)先設(shè)置的檢測門限值λ進行比較，當(dāng)Y＞λ時，系統(tǒng)則能夠自動判定該頻段上存在空閑的用戶信號，而當(dāng)Y＜λ，系統(tǒng)就會得出當(dāng)前頻段不存在頻譜空穴的結(jié)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(shù)進行檢測，可以在較短的時間內(nèi)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(guān)信息，才能保證信號的準(zhǔn)確性，但是一旦無法保證信息的準(zhǔn)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(guān)聯(lián)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(shù)來說，無論哪一個主用戶頻段，系統(tǒng)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(yè)的經(jīng)濟效益。

2.2 循環(huán)平穩(wěn)特征檢測技術(shù)分析

在無線電通信系統(tǒng)下，在平均值、自相關(guān)等信息技術(shù)的作用下，調(diào)制信號具有極強的循環(huán)平穩(wěn)性，由于其主要是由信號以及信號的周期性引發(fā)的，但是噪聲通常在循環(huán)的頻率下不會反映出頻譜的相關(guān)性質(zhì)。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(guān)函數(shù)：，而且也可以計算出。另外，由于循環(huán)平穩(wěn)特征檢測有助于區(qū)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(huán)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(huán)檢測技術(shù)和其他技術(shù)結(jié)合起來，提升信號調(diào)制參數(shù)的質(zhì)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(shù)分析

本振泄漏功率的檢測技術(shù)，指的是主用戶通過接收機的前端來判斷當(dāng)?shù)卣袷幤髦惺欠翊嬖谡鹗幤?，但是由于現(xiàn)階段絕大多數(shù)無線電接收設(shè)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(diào)整接收信號，從而通過變頻來獲取到中頻信號。因此，當(dāng)接收機在工作時，接收設(shè)備內(nèi)部的本地振蕩器就會產(chǎn)生相應(yīng)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(guān)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(tài)，但是只有經(jīng)過用戶的授權(quán)，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(quán)的用戶數(shù)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(yīng)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(jù)調(diào)查研究顯示，近年來我國接收機研究工作快速發(fā)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(guān)工作人員也對該技術(shù)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(jié)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(jié)點，確定授權(quán)用戶處于哪一個通信系統(tǒng)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(nèi)做出評估。

2.4 合作頻譜感知技術(shù)分析

由于認知用戶和系統(tǒng)授權(quán)用戶之間并且建立直接的信令交互，因此，在對授權(quán)用戶展開發(fā)射信號檢測時，必須要利用無線認知系統(tǒng)的接收機，來獲取到微弱的信號，在接收授權(quán)用戶信號時，經(jīng)常會受到外部環(huán)境的影響，從而產(chǎn)生陰影效應(yīng)，致使外部無線環(huán)境發(fā)生干擾，降低接收信號的準(zhǔn)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(shù)，對于解決用戶檢測系統(tǒng)中的陰影效應(yīng)具有顯著的效果，當(dāng)前合作頻譜感知技術(shù)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(dāng)前通信頻段是否處于被占用的狀態(tài)?？傊朔N檢測技術(shù)不僅能夠確保檢測工作的質(zhì)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(tǒng)的性能，因此，相關(guān)工作人員需要加強對該技術(shù)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(shù)分析

窄帶感知技術(shù)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(shù)必須在寬帶內(nèi)進行，由于傳統(tǒng)的窄帶技術(shù)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(shù)，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(shù)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(shù)的效率，實現(xiàn)識別不同類型信號的目的。

結(jié)束語：由于頻譜感知技術(shù)屬于一項關(guān)鍵的無線電技術(shù)，是其他無線電技術(shù)的重要技術(shù)，其主要的作用就是如果出現(xiàn)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(xiàn)，還能及時釋放占用的頻譜，避免對主用戶產(chǎn)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(tǒng)的性能。因此，相關(guān)的工作人員需要加強對頻譜感知技術(shù)的研究工作，充分發(fā)揮其作用。