馬曉曉

摘要：本文探討了認(rèn)知無線電頻譜感知技術(shù)的基本原理和作用，研究分析了認(rèn)知無線電頻譜感知技術(shù)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知無線電;頻譜感知;物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TN925 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）05-0069-02

1認(rèn)知無線電頻譜感知技術(shù)的基本原理和作用

頻譜感知技術(shù)是對(duì)無線電頻譜在時(shí)間、頻率、空間等方面的檢測(cè)，以得到頻譜是否被占用的檢測(cè)結(jié)果，基于該檢測(cè)結(jié)果對(duì)無線電頻譜進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。頻譜感知技術(shù)在認(rèn)知無線電中不僅可以搜尋頻譜空洞，還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)頻譜狀態(tài)。在特定狀況下，頻譜感知技術(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(duì)授權(quán)用戶產(chǎn)生大的干擾。頻譜感知技術(shù)具有：（1）頻譜協(xié)調(diào)作用，頻譜感知技術(shù)能夠協(xié)調(diào)頻譜資源的分配，將更多的空閑頻譜資源分配給需要的用戶，解決頻譜資源短缺的問題;（2）頻譜排斥作用，對(duì)于特定的授權(quán)頻段，當(dāng)檢測(cè)方檢測(cè)其已被使用，則檢測(cè)方不會(huì)使用該頻段，從而避免同時(shí)使用該頻段帶來后續(xù)干擾;（3）頻譜共享作用，在保證認(rèn)知用戶不會(huì)影響到主用戶的正常使用時(shí)，通過與主用戶一起使用授權(quán)頻譜，達(dá)到頻譜資源利用的最大化。

2認(rèn)知無線電頻譜感知技術(shù)的應(yīng)用

2.1認(rèn)知無線電頻譜感知技術(shù)在智能家居網(wǎng)中的應(yīng)用

智能終端，小到手表、手機(jī)、平板，大到照明燈具、電視、冰箱、洗衣機(jī)，支持多種無線接入頻譜資源（比如2G-5G，WIFI、ZIGBEE、RFID、藍(lán)牙等），越來越廣泛運(yùn)用于家庭生活中，為了滿足用戶的業(yè)務(wù)需求，基于認(rèn)知無線電頻譜感知技術(shù)，部署自組網(wǎng)形式的網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域，智能終端可以選擇最佳無線接人頻譜資源，從而為用戶提供高速、可靠的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)。

2.2認(rèn)知無線電頻譜感知技術(shù)在車聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

根據(jù)實(shí)際交通道路狀況，參照車聯(lián)網(wǎng)WAVE協(xié)議，通過多個(gè)車載無線通信設(shè)備、多個(gè)主用戶、多個(gè)信道構(gòu)建認(rèn)知車載網(wǎng)絡(luò)模型。車載無線通信設(shè)備作為次用戶，其在不干擾主用戶前提下利用空閑頻譜傳輸數(shù)據(jù)，其中空閑頻譜為不被主用戶使用的頻率。車載無線通信設(shè)備感知多個(gè)信道，并且在該信道未被主用戶使用的情況下，車載無線通信設(shè)備利用該頻率進(jìn)行無線通信。即使在進(jìn)行無線通信期間，也必須定期感知主用戶是否利用該頻率，并且一旦感知到主用戶對(duì)該頻率的利用，就立即停止在該頻率處的無線通信。通過組合在感知期間每個(gè)車載無線通信設(shè)備在多個(gè)循環(huán)中獲得的感知結(jié)果，或者通過組合多個(gè)車載無線通信設(shè)備獲得的感知結(jié)果，獲得分集效果，并且感知精度被提高。

2.3認(rèn)知無線電頻譜感知技術(shù)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

相對(duì)城市而言，農(nóng)村建筑物少，多以平房居多，人口密度低，無線電頻譜資源在農(nóng)村使用率低，尤其是低頻段，農(nóng)村頻譜資源的現(xiàn)狀為頻譜感知在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用提供了很好的契機(jī)。認(rèn)知農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)模型主要包括授權(quán)網(wǎng)絡(luò)、認(rèn)知節(jié)點(diǎn)、各種農(nóng)業(yè)傳感器及匯聚節(jié)點(diǎn)，其中授權(quán)網(wǎng)絡(luò)是指現(xiàn)存的對(duì)無線頻譜有使用資格的網(wǎng)絡(luò)。在農(nóng)作物種植區(qū)域內(nèi)，各種農(nóng)業(yè)傳感器將土壤的溫濕度、當(dāng)前農(nóng)作物生長情況實(shí)時(shí)匯報(bào)給匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)必須將信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上報(bào)，以供農(nóng)作物專家或農(nóng)作物種植人員遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。這時(shí)，認(rèn)知節(jié)點(diǎn)運(yùn)用頻譜感知技術(shù)，感知網(wǎng)絡(luò)中可使用的頻譜資源，并告知匯聚節(jié)點(diǎn)，使得匯聚節(jié)點(diǎn)使用該頻譜資源實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳遞匯報(bào)，各種農(nóng)業(yè)傳感器借助頻譜資源實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物種植區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在一定程序解決了頻譜資源擁擠的問題。

2.4認(rèn)知無線電頻譜感知技術(shù)在食品安全生產(chǎn)中的應(yīng)用

在食品生產(chǎn)中，食品安全問題對(duì)食品生產(chǎn)至關(guān)重要，大量低成本的無線傳感器部署于食品安全生產(chǎn)中，無線傳感器通信質(zhì)量在一定程度影響企業(yè)的生產(chǎn)效益，建立食品安全生產(chǎn)方面的認(rèn)知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)很有必要。假設(shè)認(rèn)知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中有M個(gè)信道、N個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器同時(shí)檢測(cè)多個(gè)信道，隨機(jī)選擇空閑頻段。對(duì)于信道的分配有兩種情況：（1）一個(gè)傳感器獨(dú)占一個(gè)信道，如果檢測(cè)的信道被其他傳感器占用，當(dāng)前傳感器便會(huì)選擇其他可用信道完成食品安全檢測(cè);（2）多個(gè)傳感器共享同—個(gè)信道，這種情況下，當(dāng)前傳感器根據(jù)頻譜檢測(cè)結(jié)果來決定是否占用當(dāng)前信道，從而解決信道擁堵，提高通信速率，食品生產(chǎn)的相關(guān)信息快速而準(zhǔn)確傳達(dá)給每一位觀察者，為食品安全可溯源提供有力的保障。

2.5認(rèn)知無線電頻譜感知技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

將頻譜感知技術(shù)引用智能電網(wǎng)，在每一個(gè)電力消費(fèi)單元配置一臺(tái)智能電表，在電力消費(fèi)單元的上級(jí)供電單元配置需求響應(yīng)管理模塊，智能電表與需求響應(yīng)管理模塊之間通過非授權(quán)信道和授權(quán)信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;智能電表通過頻譜感知算法實(shí)現(xiàn)對(duì)授權(quán)信道占用情況的監(jiān)測(cè)，需求響應(yīng)管理模塊根據(jù)各個(gè)智能電表中頻譜感知情況確定每個(gè)電力消費(fèi)單元的平均中斷率，然后根據(jù)上級(jí)供電單元的供應(yīng)量、每個(gè)電力消費(fèi)單元的平均中斷率以及每個(gè)電力消費(fèi)單元的用電量調(diào)整用電價(jià)格，實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益的最大化。

2.6認(rèn)知無線電頻譜感知技術(shù)在公共安全網(wǎng)中的應(yīng)用

報(bào)警、火警和醫(yī)療急救等公共安全事務(wù)需要使用無線電，然而目前分配給公共安全網(wǎng)的頻譜資源有限，且公安、消防、醫(yī)院等部門所用的硬件軟件不統(tǒng)一，部門之間網(wǎng)絡(luò)聯(lián)動(dòng)存在障礙。將頻譜感知技術(shù)引用公共安全網(wǎng)，公共安全工作者使用具有認(rèn)知功能的移動(dòng)設(shè)備，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)信道頻譜變化，保證網(wǎng)絡(luò)暢通，隨時(shí)隨地接入網(wǎng)絡(luò)，為公共安全提供可靠的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

2.7認(rèn)知無線電頻譜感知技術(shù)在遠(yuǎn)程醫(yī)療中的應(yīng)用

遠(yuǎn)程醫(yī)療是通過無線通信技術(shù)建立病患與醫(yī)療資源之間的溝通橋梁，為遠(yuǎn)地病患提供醫(yī)療服務(wù)。在遠(yuǎn)程醫(yī)療中，通過多個(gè)醫(yī)學(xué)傳感器節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)終端、基站、遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控中心構(gòu)建基于無線體域網(wǎng)的認(rèn)知遠(yuǎn)程醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)模型，其中，醫(yī)學(xué)傳感器節(jié)點(diǎn)感測(cè)病患的生理狀況并傳送給移動(dòng)終端，按照緊急程度進(jìn)行分級(jí)，對(duì)生命攸關(guān)的數(shù)據(jù)優(yōu)先分配良好的資源，對(duì)于非緊急的生理參數(shù)、保健信息、教育信息等數(shù)據(jù)可以分配較低級(jí)別的資源，除了使用針對(duì)醫(yī)療無線體域網(wǎng)開放的2360-2400MHz頻段外，還可以檢測(cè)并使用其他空閑頻段，由移動(dòng)終端通過基站傳輸?shù)竭h(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控中心，再由醫(yī)療人員或相關(guān)醫(yī)療設(shè)備對(duì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理及反饋，保證了遠(yuǎn)程醫(yī)療的順序開展。

2.8認(rèn)知無線電頻譜感知技術(shù)在衛(wèi)星導(dǎo)航中的應(yīng)用

隨著GPS、GLONASS、BDS和Galileo四大衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星頻譜資源的利用也面臨瓶頸，認(rèn)知無線電頻譜感知技術(shù)在衛(wèi)星導(dǎo)航中的應(yīng)用應(yīng)運(yùn)而生。在軍事方面，可以根據(jù)頻譜感知結(jié)果關(guān)閉部分衛(wèi)星的導(dǎo)航，使得敵方捕獲不到導(dǎo)航信號(hào);又或者主動(dòng)對(duì)作戰(zhàn)區(qū)域或敵方進(jìn)行頻譜干擾，從而使敵方設(shè)備失去導(dǎo)航作用而無法正常作戰(zhàn)，通過科技技術(shù)提高我方戰(zhàn)斗力。在民用方面，可以對(duì)根據(jù)頻譜感知，對(duì)目標(biāo)區(qū)域的導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)，對(duì)非目標(biāo)區(qū)域的導(dǎo)航信號(hào)消弱，保證目標(biāo)區(qū)域連續(xù)可靠導(dǎo)航，而非目標(biāo)區(qū)域不享受導(dǎo)航服務(wù)，使衛(wèi)星的導(dǎo)航作用得到充分發(fā)揮。

3結(jié)語

頻譜感知是認(rèn)知無線電中最為關(guān)鍵的技術(shù)之一，頻譜感知技術(shù)以其突出的優(yōu)點(diǎn)而具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，頻譜感知技術(shù)從概念到應(yīng)用尚面臨諸多挑戰(zhàn)，還有很多難題需要解決，認(rèn)知無線電頻譜感知技術(shù)的檢測(cè)硬件、通信協(xié)議、以及在其他領(lǐng)域的應(yīng)用等方面將需要進(jìn)一步的研究。