基于认知无线电的频谱检测技术研究



基于认知无线电的频谱检测技术研究

张佳民

（张家口学院，河北张家口,075000）

1　认知无线电的核心技术

认知无线电的核心技术有：动态频谱连接与频谱管理、频谱检测技术、频谱感知技术、自适应频谱资源配置等技术。频谱感知技术和频谱检测技术是认知无线电功能的基础，没有获得权限资格的使用者的频谱优先连接权力比那些得到权限资格的使用者要低。要想不对授权使用者形成不良影响，可靠检测概率要求很高。对于频谱分配技术，需要使用有效的方法来利用无线频谱资源。基本途径两条：第一，为使授权用户的频谱资源得到充分利用要尽可能的提高利用率；第二,提高系统通信效率,将已有的频率资源优化分配,从而提高利用率。动态频谱分配也被叫做动态频谱管理，它是以结合功率控制提供一个自适应的用于有效的利用射频频谱的策略为目的。通过频谱检测技术获得认知用户可以使用的频谱池，选择调制策略来适应当时的无线射频环境。

2　认知无线电的频谱检测

认知无线电的频谱检测性能的前提是智能化，通过对其工作区域的频谱的探测，认知无线电能够获得空间频谱的使用情况，当发现主用户的授权频段上并没有主用户出现，在不影响已有通信系统的前提下则可以伺机占用此频段。认知无线电活动的实现先要实施感知无线条件的要求，即实施频谱检测与评断频谱空洞是不是出现了。

频谱检测技术在认知无线电系统中不仅可以搜寻频谱空洞，还可以进行频谱状态的实时监测。在特定状况下，频谱侦测技术能够正确的预估到射频信息相撞的情况，使非授权用户能够尽快进行主动退避, 避免对授权用户产生大的干扰。

2.1单一节点检测

单一节点检测又称为基于本地的检测，就是指单个节点独立完成对空间频谱的当前测定活动，是靠匹配滤波器检测、静态循环谱分析探测和能量检测等3种方法来完成频谱检测任务的。

（1） 匹配滤波器检测

当认知无线电提醒存在授权使用者具有先验知识的时候，最好的滤波装置就是匹配滤波装置。

输出信噪比最大是匹配滤波装置方式的最大特征，可以让失误判断比例最低。但是使用匹配滤波器作为频谱感知的信号操作形式，需要存在授权使用者信号的先验知识，如工作频率、调制形式，波形指数、物理层规划等内容，因此应该在认知无线电装置内储存众多的要进行维护的授权频段信号的使用者资料，就会提升认知无线电装置完成权限授予使用者信号的有关调节需要的时间相符、载波同步与信道平衡等操作的复杂性。当认知无线电系统对授权用户的先验知识不全面时，匹配滤波器的功能就会被削弱。并且，针对各个类别的权限授予使用者，认知无线电体系应有一个专门的接收器，这样就增加了设备的预算。

（2） 静态循环谱分析探测

对于实际环境来说，无线信号在其统计概率上大多数都不是平稳信号，其平稳性会与其载频、基带信号及编码等周期信息有关，其一阶或高阶统计参数呈时间周期性，称其具有周期平稳性，通过分析频谱相关函数可以识别和分析出信号，还能够探测出信号的一些特性，包括信号的调制方式、信息速率以及相位信息等,具体实现结构框图1所示.

谱相关函数法的优势：

第一，存在较好的分辨率。针对周期的稳定信号，尽管信号频谱是没有停止的，但是从谱有关平面图中表现出来的信息特性可以看出依旧根据周期频率零散布局的。所以在频谱中，重叠的特性，在用谱有关操作的时候可以判断。

第二，抗干扰能力强。当SNR比较低时，背景噪音在周期频率不是零的区域不存在谱特性，所以，在研究周期频率非零区域的周期谱的时候，不会受到背景噪音的干扰。

第三，谱有关函数结合高阶循环统计量知识，建立了循环频率-滞后平面，借助周期谱将信息实施隔离辨别操作，测定周期谱的大小、位移等，检测载波、脉冲、调节速度与相位信息。

（3）能量检测

图1　基于谱相关理论的检测模型

图2　能量监测基本模型

如果不能提前获得所接收的信号各种参数信息，最恰当的处理方式就是把输入信号看作为一个随机过程，此时能量探测器就是最佳的探测器。能量检测器是在时间段T中对通过带通滤波装置的输出信号给予平方运算与积分操作，将积分值Y与假定的门限X比较，从而判定授权用户是否出现，框图如图2所示。

能量检测是一类较为简单的信号非相干测定方式，其测定形式对装置需要较低，容易完成，运用性高，不必知道信号的先验知识，仅仅当信号能量大于特定规模之后就会被测定。但是其判决门限易受环境中的噪声水平所干扰，此外，尽管可以满足给定的门限值，信带内影响的形成也会干扰能量检测装置。并且，能量检测仅仅会测定信号是不是存在，而不能分辨信号的类型、功率水平和噪声等信息。

2.2众多节点的协同检测

众多节点的协同检测也称为合作检测。认知无线电技术体系运用合作检测的方式的目标是要借助众多认知无线电接点的频谱感知信号的合作得到任意一个单一频谱感知节点所不能够获得的测定功能，把基于单一节点测定得到的未知性降至最低，所以融合之后的认知无线电体系的频谱感知功能要好于单一频谱感知节点的效果。

（1）合作检测的结构

多种系统配置结构可以用在分布式检测融合系统中：并行结构、串行结构、树形结构、网状结构等。在这些融合结构中并行结构和串行结构是基本结构，其他的融合结构可以认为是由这两种结构衍生而来。

检测融合的并行结构，就是所有的感知节点间是并列的关系，相互间都是平等的，而且在此结构内仅存在唯一的融合中心，全部感知节点的当地判定结论都传递至这一融合中心，其按照有关的规定来作出最终的判决。

上图3中S1, S2,…Sn,为单个检测节点，Z1, Z2,…Zn,为观测数据，U1, U2,…Un,为检测节点的本地判决结果，U为融合中心的最后判定结论。

图3　检测融合的并行结构

图4　检测融合的串型结构

和并行架构进行比较，如图4所示，这是测定融合的串行架构。在这一架构中，节点感知结论是按照层级向上传输的，除整个串行结构中的第一个感知节点，感知节点Si的感知结果Ui都将根据前一级Si-1的判决结果Ui-1及其自身的本地检测结果Zi根据一定的规则再来融合而产生。因此最终的判决结果是由最后的一个感知节点所产生的。这样的串行结构中，第一个感知节点只按照本身的观测数字Z1形成期判定结论u1，最终的感知节点就会给出体系的最后决定。

显而易见，串行结构相对于并行结构而言易于受到链路故障的影响，一旦一个感知节点出现故障，则将直接影响之后所有节点以及整个网络的感知结果，而对于并行结构而言，主要的隐患在于其只有一个融合中心，融合决策成功与否决定于融合中心处。在目前的认知无线电网络体系中主要使用并行结构来进行合作感知的分析。

3　总结

由于阴影效果、多址衰败与建筑物中遭受过多的穿越损耗的作用让单一节点的测定结论存在失误，认知无线电就可能会对授权频段的用户造成干扰。在现有的认知无线电频谱检测技术中，还仍然存在许多值得研究的问题，有待于更深入地分析和研究。

参考文献

[1] 冯文江，郭瑜，胡志远.认知无线电中的频谱感知技术[J].重庆大学学报(自然科学版), 2007,30(11):1-4

[2] 官润胜,胡中豫,申涛.基于分布式检测和协作的自适应频谱感应机制[J].通信技术,2008,12(41):1-3.

摘要：信息时代无线通信飞速发展，许多需要较宽频谱和较高下载速率的业务，如多媒体通信业务，已经成为无线服务的重点对象。认知无线电是一种智能的无线通信技术，可以通过感知周围环境来自动调整其发射机参数，其核心思想是利用已分配但未获得充分利用的频谱，从而提高频谱利用率避免对主用户造成干扰是认知无线电最需要解决的问题，频谱感知则是实现这一目标的前提。

关键词：认知无线电;频谱检测

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