摘 要：無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展與業(yè)務(wù)范圍的拓展，使通信等領(lǐng)域?qū)φJ(rèn)知無(wú)線電的頻譜感知技術(shù)需求不斷增加，頻譜感知技術(shù)資源成為影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展與通信行業(yè)進(jìn)步的重要因素。加大對(duì)頻譜感知技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用力度成為行業(yè)進(jìn)步的關(guān)鍵。本文闡述了頻譜感知技術(shù)的相關(guān)理念以及技術(shù)前提和設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，分析了幾種典型的頻譜感知技術(shù)，并研究了認(rèn)知無(wú)線電的頻譜感知技術(shù)要點(diǎn)。旨在通過(guò)本文的研究，分析得出認(rèn)知無(wú)線電頻譜感知技術(shù)發(fā)展的方向與難點(diǎn)，為頻譜感知技術(shù)的長(zhǎng)效發(fā)展奠定理論與數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知無(wú)線電；頻譜感知技術(shù)；智能通信

中圖分類(lèi)號(hào)：TN925 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2018）05-0064-03

Analysis of Spectrum Sensing Technology in Cognitive Radio

ZHANG Junqiang

（Xinzhou Vocational Technical College，Xinzhou 034000，China）

Abstract：The development of radio technology and the expansion of business scope make communication and other fields increase the demand for spectrum sensing technology of cognitive radio. Spectrum sensing technology resources have become important factors affecting the development of national economy and the progress of communication industry，increasing the research and application of spectrum sensing technology has become the key to the progress of the industry. In this paper，the concept of spectrum sensing technology，technical premise and design challenge are expounded. Several typical spectrum sensing techniques are analyzed，and the key points of cognitive radio spectrum sensing technology are studied. The aim of this paper is to analyze the direction and difficulties of the development of cognitive radio spectrum sensing technology，and to lay a theoretical and data base for the long-term development of spectrum sensing technology.

Keywords：cognitive radio；spectrum sensing technology；intelligent communication

0 引 言

目前的技術(shù)資源市場(chǎng)中，頻譜感知技術(shù)資源十分緊張，對(duì)頻譜感知技術(shù)進(jìn)行研發(fā)與應(yīng)用的形勢(shì)較為嚴(yán)峻。專(zhuān)用頻譜由占有相關(guān)頻譜的機(jī)構(gòu)使用，共同頻譜可以由用戶(hù)協(xié)商共享使用。相關(guān)研發(fā)與統(tǒng)計(jì)機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)顯示，目前頻譜資源應(yīng)用仍以專(zhuān)用形式為主，頻譜資源共享利用率不足10%，資源的利用率較低，無(wú)論是時(shí)間上還是空間上均存在資源無(wú)法充分利用的狀況。將動(dòng)態(tài)頻譜訪問(wèn)機(jī)制引入頻譜管理與技術(shù)應(yīng)用中，能夠在很大程度上增加無(wú)線頻譜資源的利用率，為認(rèn)知無(wú)線電頻譜感知技術(shù)的長(zhǎng)效發(fā)展提供助力。

1 頻譜感知技術(shù)概述

認(rèn)知無(wú)線電的頻譜感知技術(shù)是指通過(guò)對(duì)頻帶進(jìn)行掃描，確定能夠用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l譜。在分析特定區(qū)域頻段的基礎(chǔ)上，認(rèn)知與識(shí)別能夠用于通信的頻譜空洞，因此，頻譜感知技術(shù)是認(rèn)知無(wú)線電應(yīng)用的前提條件。認(rèn)知無(wú)線電通過(guò)不斷檢測(cè)正在占用的工作頻段以及可用頻譜，能夠保證主用戶(hù)的通信不受到干擾[1]。一方面，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和識(shí)別主用戶(hù)，規(guī)避對(duì)主用戶(hù)造成干擾的可能性；另一方面通過(guò)對(duì)可用無(wú)線電頻譜的識(shí)別，獲取可用的頻段，以達(dá)到正常通信的目的。同時(shí)，通過(guò)對(duì)可用頻譜資源進(jìn)行識(shí)別與合并能夠提升認(rèn)知用戶(hù)的通信水平。

2 技術(shù)前提與設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

2.1 頻譜感知的基本前提

頻譜感知技術(shù)通過(guò)對(duì)授權(quán)頻段工作狀態(tài)的識(shí)別與判斷來(lái)增加頻譜動(dòng)態(tài)接入的機(jī)會(huì)，能夠避免對(duì)主用戶(hù)的通信造成影響。實(shí)施認(rèn)知無(wú)線電的頻譜感知技術(shù)應(yīng)該在以下兩個(gè)基本前提下實(shí)現(xiàn)：第一，物理層協(xié)議中要對(duì)認(rèn)知用戶(hù)的信號(hào)狀態(tài)進(jìn)行規(guī)范，保障頻譜感知探測(cè)中認(rèn)知用戶(hù)不發(fā)射信號(hào)，在此基礎(chǔ)上，保證授權(quán)用戶(hù)產(chǎn)生的頻譜功率具有獨(dú)立性與單一性[2]；第二，要保證授權(quán)用戶(hù)發(fā)射機(jī)及認(rèn)知用戶(hù)接收機(jī)的探測(cè)成功率在99.90%以上，保證頻譜感知的有效性與及時(shí)性。

2.2 頻譜感知的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

頻譜感知技術(shù)的應(yīng)用效率與使用性能會(huì)受到諸多因素的影響，在設(shè)計(jì)使用中面臨著較大的挑戰(zhàn)與困難。對(duì)頻譜感知技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用影響最大的問(wèn)題是如何在動(dòng)態(tài)變化的無(wú)線信道以及異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中保證技術(shù)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。當(dāng)無(wú)線信道發(fā)生衰落或是遮蔽狀況時(shí)，主用戶(hù)信號(hào)可能會(huì)受到遮蔽或是經(jīng)歷衰落，導(dǎo)致無(wú)法根據(jù)信號(hào)接收強(qiáng)度來(lái)判斷主用戶(hù)是否受到次用戶(hù)的干擾影響[3]。頻譜感知技術(shù)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性需要保證無(wú)線電設(shè)備對(duì)頻譜檢測(cè)具有較強(qiáng)的靈敏度，必要時(shí)應(yīng)該使用多用戶(hù)協(xié)同檢測(cè)的方式，保證頻譜檢測(cè)的精度。

3 幾種典型的頻譜感知技術(shù)

3.1 基于發(fā)射機(jī)的頻譜感知技術(shù)

基于發(fā)射機(jī)的頻譜感知技術(shù)是在微弱信號(hào)檢測(cè)的原理上形成的，主要有能量檢測(cè)、匹配濾波檢測(cè)以及循環(huán)平穩(wěn)過(guò)程特征檢測(cè)三種類(lèi)型。能量檢測(cè)通過(guò)對(duì)一定時(shí)間頻帶信號(hào)能量的積累，在此基礎(chǔ)上對(duì)設(shè)置的闕值進(jìn)行比較，當(dāng)比較結(jié)果大于闕值時(shí)，屬于頻帶的主要用戶(hù)，能量檢測(cè)的技術(shù)原理如圖1所示；匹配濾波檢測(cè)屬于無(wú)線信號(hào)檢測(cè)中較為常見(jiàn)的方式，能夠完成解調(diào)授權(quán)用戶(hù)信號(hào)，在應(yīng)用中不僅能夠完成信號(hào)處理，還能夠使輸出信號(hào)信噪比達(dá)到最佳；循環(huán)平穩(wěn)過(guò)程特征檢測(cè)通過(guò)在未知噪聲以及強(qiáng)干擾等環(huán)境中對(duì)人工周期信號(hào)進(jìn)行調(diào)制檢測(cè)，保證檢測(cè)的平穩(wěn)性與循環(huán)性。

圖1 能量檢測(cè)技術(shù)原理

3.2 基于接收機(jī)的頻譜感知技術(shù)

基于接收機(jī)的頻譜感知主要有干擾溫度檢測(cè)和本振泄露檢測(cè)方式，能夠在保證檢測(cè)效果的同時(shí)有效解決隱藏終端的問(wèn)題。干擾溫度檢測(cè)模型是在射頻環(huán)境中發(fā)射機(jī)和接收機(jī)交互的基礎(chǔ)上產(chǎn)生與建立的，模型建立的過(guò)程綜合考量了干擾的累積效應(yīng)。原有的干擾評(píng)價(jià)分析方式建立在大量發(fā)射機(jī)操作的基礎(chǔ)上，干擾溫度模型的評(píng)價(jià)則是在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)交互的基礎(chǔ)上實(shí)施的[4]。

本振泄露檢測(cè)方式能夠?qū)χ饔脩?hù)是否工作進(jìn)行檢測(cè)判斷，是保證認(rèn)知無(wú)線電工作的重要條件。本振泄露檢測(cè)通過(guò)對(duì)接收機(jī)的高頻信號(hào)泄露情況進(jìn)行檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)頻道檢測(cè)與判斷的目的。

3.3 協(xié)作頻譜感知技術(shù)

在一般情況下，主用戶(hù)網(wǎng)絡(luò)同認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)是相互獨(dú)立、互不影響的。當(dāng)認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)頻譜感知檢測(cè)無(wú)法對(duì)主用戶(hù)接收機(jī)信息進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)時(shí)，難免會(huì)對(duì)主用戶(hù)產(chǎn)生干擾。因此，在認(rèn)知用戶(hù)之間實(shí)施信息交流共享是十分必要的。受陰影衰落影響較小的情況下，認(rèn)知用戶(hù)檢測(cè)的結(jié)果會(huì)較為精準(zhǔn)，其他用戶(hù)也可以參照認(rèn)知用戶(hù)的檢測(cè)進(jìn)行頻帶選擇。例如有n個(gè)認(rèn)知用戶(hù)時(shí)，合作協(xié)作檢測(cè)概率及虛警概率分別為：

Pdc=1-（1-Pd）n

Pfc=1-（1-Pf）n

其中Pd與Pf分別是非合作方式下單一認(rèn)知用戶(hù)的檢測(cè)概率和虛警概率，協(xié)助檢測(cè)機(jī)制能夠使兩者的概率同時(shí)得到提升。

4 認(rèn)知無(wú)線電的頻譜感知技術(shù)要點(diǎn)

4.1 安全問(wèn)題

無(wú)線電通信網(wǎng)絡(luò)中的安全問(wèn)題是影響網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行與技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵性?xún)?nèi)容，也是技術(shù)研發(fā)的關(guān)鍵內(nèi)容。認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的技術(shù)特性，使其研發(fā)與應(yīng)用面臨的安全問(wèn)題更加復(fù)雜和多樣，如授權(quán)用戶(hù)仿冒攻擊等問(wèn)題[5]。協(xié)作感知技術(shù)模式下，多個(gè)認(rèn)知用戶(hù)同時(shí)進(jìn)行頻譜感知探測(cè)，并通過(guò)共享信息判斷主用戶(hù)的工作狀態(tài)。在這一過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)可信度及信息準(zhǔn)確性將會(huì)對(duì)安全性產(chǎn)生重要的影響。網(wǎng)絡(luò)不可信時(shí)，將會(huì)使認(rèn)知用戶(hù)自身感知產(chǎn)生錯(cuò)誤，或是授權(quán)用戶(hù)仿冒惡意攻擊，進(jìn)而使信息準(zhǔn)確性受到嚴(yán)重的影響。

4.2 隱藏終端問(wèn)題

在多徑衰落及陰影衰落等外界因素的影響下會(huì)產(chǎn)生隱藏終端問(wèn)題，使認(rèn)知用戶(hù)獲取的信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重的傳播損耗，導(dǎo)致認(rèn)知用戶(hù)無(wú)法檢測(cè)感知主用戶(hù)的存在，從而對(duì)主用戶(hù)的通信產(chǎn)生干擾。大部分認(rèn)知無(wú)線電通信模型中，頻段判斷為未被占用，則認(rèn)知用戶(hù)可以對(duì)該頻段進(jìn)行使用。在隱藏終端問(wèn)題影響下，主用戶(hù)到達(dá)認(rèn)知用戶(hù)的信號(hào)微弱，認(rèn)知用戶(hù)會(huì)對(duì)信道產(chǎn)生錯(cuò)誤的判斷，進(jìn)行通信傳輸，導(dǎo)致主用戶(hù)通信受到嚴(yán)重的干擾[6]。利用多用戶(hù)協(xié)作檢測(cè)的方式能夠解決隱藏終端問(wèn)題，但鑒于多徑條件的變化特征，問(wèn)題無(wú)法得到完全解決。

4.3 多用戶(hù)問(wèn)題

大部分條件下，認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中存在多個(gè)認(rèn)知用戶(hù)及主用戶(hù)，多個(gè)認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)將會(huì)對(duì)單一頻段的使用權(quán)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)，這在很大程度上增加了主用戶(hù)受到的干擾程度，這也是影響感知無(wú)線電的頻譜感知技術(shù)應(yīng)用效果的重要因素。在頻譜感知技術(shù)中，對(duì)多用戶(hù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行識(shí)別與分析是頻譜感知技術(shù)研究與發(fā)展的重要方向，也是影響無(wú)線電通信技術(shù)質(zhì)量的重要因素。

4.4 溫度測(cè)量與感知時(shí)間

認(rèn)知用戶(hù)與主用戶(hù)之間不具備相應(yīng)的通信機(jī)制，導(dǎo)致認(rèn)知用戶(hù)無(wú)法對(duì)主用戶(hù)接收機(jī)的位置進(jìn)行明確，因此，精準(zhǔn)測(cè)量主用戶(hù)端干擾溫度的難度較大，從而對(duì)認(rèn)知用戶(hù)的通信產(chǎn)生不良影響。對(duì)干擾溫度的測(cè)量是頻譜感知技術(shù)發(fā)展的難點(diǎn)之一，認(rèn)知用戶(hù)無(wú)法準(zhǔn)確地測(cè)量干擾溫度，將會(huì)使認(rèn)知用戶(hù)無(wú)法探測(cè)信息傳輸對(duì)主用戶(hù)接收機(jī)造成的影響[7]。頻譜感知時(shí)間是影響認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的重要因素，盡量在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)主用戶(hù)的探測(cè)才能夠保證無(wú)線電通信的有效性。認(rèn)知用戶(hù)高效率地對(duì)主用戶(hù)通信傳輸進(jìn)行探知才能夠有效地避免對(duì)主用戶(hù)通信造成不良影響。這給認(rèn)知無(wú)線電頻譜感知的時(shí)間提出了較高的要求，在頻譜感知技術(shù)研發(fā)及測(cè)算中，應(yīng)對(duì)誤判概率范圍進(jìn)行明確，實(shí)現(xiàn)探測(cè)主用戶(hù)樣本的最小化。

5 結(jié) 論

綜上所述，認(rèn)知無(wú)線電的頻譜感知技術(shù)對(duì)通信行業(yè)及相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的促進(jìn)作用，目前應(yīng)用中較為典型的頻譜感知技術(shù)有基于發(fā)射機(jī)的頻譜感知技術(shù)、基于接收機(jī)的頻譜感知技術(shù)以及協(xié)作頻譜感知技術(shù)。在頻譜感知技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注安全感知、隱藏終端、多用戶(hù)使用、溫度測(cè)量與感知時(shí)間幾個(gè)方面的技術(shù)難點(diǎn)，為技術(shù)發(fā)展提供更好的方向與助力。

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作者簡(jiǎn)介：張俊強(qiáng)（1980.02-），漢族，山西忻州人，講師。研究方向：無(wú)線電物理。