认知无线电频谱感知技术研究

摘要：随着无线通信技术的迅猛发展，频谱资源短缺的问题越来越严重，甚至可能成为未来制约无线通信技术发展的瓶颈。认知无线电技术通过对频谱资源的“二次利用”，为缓解频谱资源紧缺开辟了一条新的路径。在认知无线电网络中，当认知用户感知到目标频段处于空闲状态时，可以接入该频段进行通信，一旦检测到主用户重新出现时，要及时做出避让，以免影响主用户的正常工作。由此可知，频谱感知技术是保证认知无线电技术得以实现的关键和前提。

关键词：认知无线电；主用户；认知用户；频谱感知

中图分类号：TN925 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 （2013） 01-0000-02

1 引言

随着无线通信技术的快速发展，可用的无线频谱资源越来越少。但是由于目前的固定式频谱分配体制，许多国家已经将本国可用的频谱资源发配殆尽了，然而在这些已经分配的频谱中，频谱利用率较低。可以预见，频谱资源甚至会成为未来制约无线通信技术发展的瓶颈。正是为了解决上述问题，认知无线电技术应用而生了。随着认知无线电的不断发展，对认知无线电的定义也不断发展，其中最具代表性的是FCC从频谱管理角度给出的定义[1]：“CR是指能够通过与工作的环境交互，改变发射机参数的无线电设备。CR的主体可能是SDR，但对CR设备而言，不一定必须具有软件或者现场可编程的要求。”

2 频谱感知技术

2.1 概述

频谱感知技术是认知无线电技术得以实现的关键和前提。频谱感知是指认知用户在时域、空域、频域等多个维度对目标频段进行检测发现频谱空洞的过程，其目标是在保证主用户不受到认知用户干扰的前提下，实现对目标频谱的快速、准确的检测[1]。

2.2 频谱感知技术的分类

根据感知技术的不同，频谱感知可以分为单用户本地感知和协同感知，其中单用户本地感知又可以进一步划分为主用户发射机检测和主用户接收机检测。协同感知是在单用户本地感知的基础上提出的，可用使用的融合方式的不同将其划分为硬融合和软融合两种。

3 本地感知

3.1 主用户发射端检测

3.1.1 匹配滤波器检测

如果认知用户事先掌握了主用户信号的相关信息例如调制方式、脉冲波形、帧格式等，可以使用匹配滤波器检测方法，该方法从某种程度上来说是最优的算法。因为匹配滤波器检测算法可以使输出信噪比达到最大，同时也可以大大缩短检测需要的时间。但是匹配滤波检测属于相干检测方法，前提是认知用户必须了解主用的相关信息，如果这些了解的信息不准确，也会严重的影响到匹配滤波检测的性能。

3.1.2 能量检测方法

能量检测算法的工作原理是，首先将获得的信号通过一个低通滤波器，然后再依次经过模，数转换器，平方器，进行抽样求和之后得到最终的检测统计量Y，然后又将检测统计量通过预先设定好规则的判决器，得出最终的判决结果[1]。当所检测频段上的检测统计量大于门限值时，就可以判定该目标频段正在被主用户使用，认知用户不能使用该频段进行通信；如果小于门限值，就判定该频段上没有主用户信号，该频段处于空闲状态，认知用户可以接入该频段。

能量检测的优点在于他的计算复杂度低，同时对设备的复杂度要求低，检测所需的时间也较短；属于非相干检测范畴，不需要事先了解主用户的任何信息，完全符合认知无线电的设计原则，因此，是现在应用最广泛的检测方法。但是它也有自身的局限性，能量检测不能够区分出主用户信号、噪声和干扰信号。

3.1.3 循环平稳特征检测

如果主用户信号具有强烈的循环平稳特征，那么它可以在SNR值非常低时被检测出来。假设信号的自相关是时间t的某个周期的周期函数，那么该信号就是循环平稳的（在广义检测当中）。循环平稳特征检测方法最明显的优势在于它能够有效的区分出噪声的能量以及主用户信号的能量，在认知用户信噪比较低的应用场景中下也能够获得较好的检测性能。但是，它的劣势在于探测器设计比较复杂，同时检测所需的时间长。

3.2 主用户接收机检测

主用户接收机检测的工作原理是根据主用户接收机的工作状态来判断主用户是否正在使用目标频段。目前使用较多的主用户接收端检测方法主要有：本振泄露检测和基于干扰温度的检测。

3.2.1 本地振荡器泄露检测

本地振荡器泄露检测的工作原理是根据是否检测到泄露信号的来判断接收机是否正在工作。然而在实际的应用中，如果直接让认知用户来检测本地振荡泄漏功率不太符合实际情况，主要是由于以下两个方面的因素造成的：一是对认知无线电的接收机来说，远距离的检测本振泄漏本身就比较困难。二是本振泄漏功率是在不断的变化之中，如果认知用户利用不断变化的功率来判断主用户的工作状态，误差会很大。本地振荡器泄露检测方法的缺点是算法的检测范围较小，同时需要的检测时间较长。

3.2.2 基于干扰温度的检测

FCC（美国联邦通信委员会）最先提出了干扰温度（Interference temperature）的概念。可以将干扰温度看作是感知用户对主用户频段内的干扰功率谱密度，针对经过谱估计得到的干扰温度，可以给出干扰温度界限（Interference temperature limit）[2]。干扰温度主要来自于两个方面：原始的噪声基底和认知用户的干扰。原始的噪声基底包含了热噪声、自然噪声以及人为噪声。当主用户网络允许认知用户接入时，认知用户对主用户网络的干扰温度就会增加。但是，只要满足实际的干扰温度小于主用户网络能够承受的最大的干扰温度（即干扰温度限），就不会干扰主用户的正常工作，认知用户就可以接入该频段进行通信。

4 协同频谱感知

协同频谱感知是在单用户本地频谱感知基础之上提出来的[2]，目的是为了解决单用户频谱感知中的隐藏终端，灵敏度要求高等问题。下面将分别介绍基于硬判决融合和基于软融合的合作感知以及两种特殊的协同感知算法。

4.1 基于硬判决融合的合作感知

“AND”判决准则

“AND”准则是指在所有认知用户中只要有一个认知用户检测到主用户没有使用目标频段，那么数据融合中心就判断目标频段是空闲的，认知用户可以使用该频段进行信号传输。所以，“AND”准则可以最大限度的利用可用的频谱，但是缺点是容易对主用户造成干扰。

“OR”判决准则

“OR”准则是指在所有认知用户同时检测到主用户没有使用目标频段，那么数据融合中心此时就判断目标频段是空闲的，认知用户可以使用该频段进行信号传输，一旦有一个认知用户检测到主用户正在使用目标频段，那么融合中心都判断该频段不可用。由此可知，“OR”准则可以最大限度的避免对主用的干扰，但是频谱利用率较低。

4.2 基于软判决融合方法的协同感知

软判决融合是相对于硬判决融合来说的概念。软判决融合相比硬判决融合而言将更多的信息发送到数据融合中心，因此它能获得比硬判决融合更好地感知性能。它的缺点在于，与硬判决融合相比较的话，它会消耗更多的带宽来发送本地感知信息。

软判决融合方法是在硬判决融合方法的基础上提出来的，现在已经出现了很多的软判决融合方法，其中应用较多的是线性融合和似然比融合。

5 结束语

认知无线电技术可以通过对频谱资源的“二次利用”有效的解决目前频谱资源的供需矛盾，因此被预言为未来最热门的无线技术，目前对认知无线电技术的研究正在全世界范围内积极开展，且迅速发展。

参考文献：

[1]谢显中.感知无线电技术及其应用[M].北京：电子工业出版社，2008.

[2]王悦，冯春燕，曾志明，郭彩丽.认知无线电网络中基于合作的频谱检测研究[J].电信科学，2008.