認(rèn)知無(wú)線電的頻譜感知技術(shù)研究

O 引言
    隨著無(wú)線通信業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)，可利用的頻帶日趨緊張，頻譜資源匾乏的問(wèn)題日益嚴(yán)重。世界各國(guó)現(xiàn)行的頻率使用政策除分配極少的ISM頻段之外，大多采用許可證制度。而獲得許可的用戶，并非全部都是全天候占用許可頻段，一些頻帶部分時(shí)間內(nèi)并沒(méi)有用戶使用，另有一些偶爾才被占用，即使系統(tǒng)頻譜使用率低，仍無(wú)法將空間的頻譜分配給其他系統(tǒng)使用，即無(wú)法實(shí)現(xiàn)頻譜共享。怎樣才能提高頻譜利用率，在不同區(qū)域和不同時(shí)間段里有效地利用不同的空閑頻道，成為人們非常關(guān)注的技術(shù)問(wèn)題。為了解決該問(wèn)題，Joseph Mito1a于1999年在軟件無(wú)線電的基礎(chǔ)上提出了認(rèn)知無(wú)線電(Cognitive Radio，簡(jiǎn)稱CR)的概念，要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜接入，首先要解決的問(wèn)題就是如何檢測(cè)頻譜空穴，避免對(duì)主用戶的干擾，也就是頻譜感知技術(shù)。CR用戶通過(guò)頻譜感知檢測(cè)主用戶是否存在，從而利用頻譜空穴。

1 匹配濾波器檢測(cè)(Matched Filtering)
    匹配濾波器是一種最優(yōu)的信號(hào)檢測(cè)法，因?yàn)樵谳敵龆怂軌蚴剐盘?hào)的信噪比達(dá)到最大。匹配濾波器最大的優(yōu)點(diǎn)就是能夠在短時(shí)間里獲得高處理增益。但是使用匹配濾波器進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)必須知道被檢測(cè)的主用戶信號(hào)的先驗(yàn)知識(shí)，比如調(diào)制方式、脈沖波形、數(shù)據(jù)包格式等，如果這些信息不準(zhǔn)確就會(huì)嚴(yán)重影響其性能，同時(shí)匹配濾波器計(jì)算量也較大。因此它可以用來(lái)檢測(cè)一些特定的信號(hào)，但是每類主用戶認(rèn)知無(wú)線電都要有一個(gè)專門(mén)的接收器，這就增加了系統(tǒng)的資源耗費(fèi)量和復(fù)雜度。

2 能量檢測(cè)(Energy Detector—Based Sensing)
    能量檢測(cè)是一種較簡(jiǎn)單的信號(hào)非相干檢測(cè)方法。根據(jù)基本假設(shè)模型，在高斯加性白噪聲(AWGN)信道情況下，采用能量檢測(cè)法進(jìn)行主用戶信號(hào)檢測(cè)的性能。在AWGN信道非衰落的環(huán)境中，可知信道增益h是確定的。在H1下，當(dāng)接收到的信號(hào)超過(guò)判決門(mén)限入時(shí)，判斷主用戶信號(hào)存在。在H0下，當(dāng)接收信號(hào)超過(guò)判決門(mén)限時(shí)，則會(huì)作出錯(cuò)誤的判斷。分別用Pd和Pf，來(lái)表示檢測(cè)到主用戶的概率(檢測(cè)概率)和錯(cuò)誤判斷警報(bào)的(虛警)概率，對(duì)H．Urkowitz的研究結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)化，可以得到通過(guò)無(wú)衰落的AWGN信道檢測(cè)的概率和虛警概率的近似表達(dá)式為

 其中：γ是信噪；σ是一個(gè)正數(shù)；r0，r(，g)是方差；是完整和不完整Gamma函數(shù)；Qm是普遍馬庫(kù)姆(Marcum)函數(shù)，其定義為

由公式(1)可以看出如果Pd很低，將會(huì)導(dǎo)致不能檢測(cè)主用戶信號(hào)的概率很大，這樣反過(guò)來(lái)就增加了對(duì)主用戶的干擾。如果Pf過(guò)高，則錯(cuò)誤警報(bào)會(huì)使認(rèn)識(shí)無(wú)線電用戶錯(cuò)過(guò)許多頻譜利用的機(jī)會(huì)，導(dǎo)致頻譜利用效率低下。為了提高能量檢測(cè)的可靠行，最近關(guān)于這方面的研究主要集中在能量檢測(cè)器上。

3 靜態(tài)循環(huán)特征檢測(cè)
    靜態(tài)循環(huán)特征檢測(cè)是通過(guò)利用接收信號(hào)的靜態(tài)循環(huán)特征來(lái)檢測(cè)主用戶的。靜態(tài)循環(huán)特征檢測(cè)除了復(fù)雜度較高外，可以克服匹配濾波器檢測(cè)和能量檢測(cè)的缺點(diǎn)。調(diào)制后的主用戶信號(hào)一般會(huì)有載頻、跳頻序列、循環(huán)前綴等，從而使信號(hào)有內(nèi)在的周期性。若信號(hào)的均值和自相關(guān)函數(shù)呈現(xiàn)周期性，且周期與信號(hào)的周期相同，則稱其是靜態(tài)循環(huán)的。我們可以通過(guò)分析信號(hào)譜相關(guān)函數(shù)中循環(huán)頻率的特性來(lái)確定主用戶信號(hào)是否存在。譜相關(guān)函數(shù)中，零循環(huán)頻率處體現(xiàn)信號(hào)的平穩(wěn)特征，非零循環(huán)頻率處則體現(xiàn)信號(hào)的靜態(tài)循環(huán)特征。因?yàn)樵肼暿瞧椒€(wěn)的，在非零循環(huán)頻率處不呈現(xiàn)頻譜相關(guān)性，而主用戶信號(hào)是靜態(tài)循環(huán)的，在非零循環(huán)頻率處呈現(xiàn)頻譜相關(guān)性。因此可以判定，若非零循環(huán)頻率處呈現(xiàn)頻譜相關(guān)性，說(shuō)明存在主用戶信號(hào)；若僅在零循環(huán)頻率處呈現(xiàn)頻譜相關(guān)性，則說(shuō)明只存在噪聲，主用戶信號(hào)不存在。靜態(tài)循環(huán)特征檢測(cè)無(wú)需知道信號(hào)的先驗(yàn)信息而且能夠區(qū)分噪聲和有用信號(hào)，可以擺脫背景噪聲的影響，因此與上述兩種主用戶發(fā)射端檢測(cè)算法相比對(duì)信號(hào)有較好的檢測(cè)性能。但是，靜態(tài)循環(huán)特征檢測(cè)計(jì)算的復(fù)雜度高，所要求的觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)。

4 合作檢測(cè)
    無(wú)線環(huán)境中，信號(hào)傳輸會(huì)受到陰影、多徑等因素的影響，感知用戶的本地頻譜檢測(cè)不能滿足所要求的可靠性及快速性；更甚者，感知用戶受到嚴(yán)重陰影的影響時(shí)，會(huì)發(fā)生漏檢，從而會(huì)對(duì)主用戶系統(tǒng)造成干擾。為此，需要同頻段上不同感知用戶之間進(jìn)行協(xié)同，提高檢測(cè)的可靠性以及快速性。合作檢測(cè)可分為中心式和分布式兩種協(xié)同方式。
4．1 中心式檢測(cè)
    中心式檢測(cè)指認(rèn)知無(wú)線電基站收集各認(rèn)知無(wú)線電設(shè)備感知到信息，探測(cè)可用頻譜，然后廣播該信息給其它認(rèn)知無(wú)線電設(shè)備或者直接控制認(rèn)知無(wú)線電通信。該感知結(jié)果由稱之為AP的接入點(diǎn)收集，目的是減輕信道衰落影響，增強(qiáng)檢測(cè)效果。研究軟硬信息匯總方式是為了減少錯(cuò)失機(jī)會(huì)的概率。文獻(xiàn)表明，在錯(cuò)失機(jī)會(huì)概率方面，軟信息相結(jié)合優(yōu)于硬信息相結(jié)合的方法。
4．2 分布式檢測(cè)
    多徑衰落和陰影衰落都會(huì)影響單一檢測(cè)器的檢測(cè)性能。由于所有檢測(cè)器都位于深衰落的概率非常低，研究者傾向于采用分布式感知方法來(lái)提高檢測(cè)性能和可靠性，從而降低對(duì)單一檢測(cè)器的苛刻要求。在分布式感知技術(shù)中，為了達(dá)到良好的檢測(cè)性能，往往需要較高的控制信道帶寬。雖然量化將引入額外的噪聲和信噪比的降低，但卻是一種降低帶寬需求的有效手段。研究表明：2—3Bits量化不會(huì)引入明顯的性能損失，而采用1Bit量化(決策)時(shí)，隨著參與分布式感知的用戶數(shù)趨向于無(wú)窮大，其性能也是漸進(jìn)最優(yōu)的。

5 本振泄露功率檢測(cè)
    主用戶接收機(jī)工作時(shí)，接收的高頻信號(hào)經(jīng)過(guò)本地振蕩器后，會(huì)產(chǎn)生特定頻率的信號(hào)，一些信號(hào)不可避免的從天線泄露出去，該方法就是通過(guò)檢測(cè)有無(wú)泄露信號(hào)來(lái)判斷主用戶是否在工作。然而，CR用戶直接檢測(cè)L0泄漏并不可行，這是由于L0泄漏能量通常很小，而且L0泄漏能量隨接收機(jī)模型和L0的生產(chǎn)指標(biāo)不同而不同，這些變化因素將導(dǎo)致CR用戶檢測(cè)錯(cuò)誤率增加。為解決這一問(wèn)題，在應(yīng)用中，將小而低成本的傳感器安置在接收端，當(dāng)傳感器檢測(cè)到本振泄漏功率時(shí)，會(huì)以特定的功率通過(guò)一個(gè)特殊的控制信道感知用戶。

6 基于干擾溫度的檢測(cè)
    干擾溫度是美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)提出的一個(gè)新概念。它是感知用戶在檢測(cè)出頻帶內(nèi)已有通信的基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)的自己的傳輸將對(duì)主用戶接收機(jī)產(chǎn)生的干擾。干擾溫度模型被定義為每單位帶寬里未經(jīng)授權(quán)的發(fā)射機(jī)RF功率與接收機(jī)系統(tǒng)噪聲功率之和，是建立在實(shí)際的RF環(huán)境中以及發(fā)射機(jī)和接收機(jī)交互的基礎(chǔ)之上的，充分考慮了所有干擾的累積效應(yīng)。干擾溫度可以用下式來(lái)表示：
    T1=(Ps+P0)/KB    (4)
    其中Ps未經(jīng)授權(quán)的發(fā)射機(jī)RF功率(單位是W)，P0為接收機(jī)系統(tǒng)噪聲功率(單位是W)，K為常數(shù)，等于1．38*10—23(單位是焦耳／絕對(duì)溫度)，B為信號(hào)帶寬(單位是Hz)。
    干擾溫度的準(zhǔn)確測(cè)量需要感知用戶對(duì)主用戶系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確的定位。只要感知用戶造成的干擾溫度不超過(guò)干擾溫度限，感知用戶通過(guò)調(diào)整自己的參數(shù)(如發(fā)射功率、調(diào)制方式等)就可以使用這個(gè)頻段中的頻譜空洞。但是該方法不能保證對(duì)主用戶系統(tǒng)的有力保護(hù)，特別是處于邊緣接收的主用戶接收機(jī)就很容易受到感知用戶的干擾。

7 結(jié)束語(yǔ)
    認(rèn)知無(wú)線電具有使頻譜得到充分利用的潛能，但前提是必須保證這個(gè)頻率上的已授權(quán)用戶的使用不受影響，其中關(guān)鍵技術(shù)之一就是頻譜感知技術(shù)。本文就認(rèn)知無(wú)線電的一些頻譜感知技術(shù)進(jìn)行了討論，隨著其相關(guān)技術(shù)的成熟，該技術(shù)將會(huì)成為未來(lái)最熱門(mén)的無(wú)線技術(shù)，并且給未來(lái)的頻譜使用策略帶來(lái)革命性變化。