基于認(rèn)知無線電系統(tǒng)頻譜共享的干擾抑制技術(shù)研究

摘 要：認(rèn)知無線電技術(shù)是在無線電通信技術(shù)快速發(fā)展、頻譜資源出現(xiàn)匱乏的背景下所產(chǎn)生的。由于采用了動(dòng)態(tài)頻譜接入的概念，它有效的拓展了用戶之間頻譜資源的共享，解決了頻譜資源匱乏的難題。但是，頻譜資源共享過程中所出現(xiàn)的干擾問題又成為了無線電通信技術(shù)領(lǐng)域的新課題。本文針對(duì)認(rèn)知無線電系統(tǒng)中頻譜共享干擾的理論和技術(shù)，對(duì)其理論原理、實(shí)際技術(shù)的應(yīng)用范圍進(jìn)行闡述，將系統(tǒng)的理論知識(shí)運(yùn)用的生產(chǎn)生活中解決實(shí)際問題，對(duì)其進(jìn)行了深入的分析和研究。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知無線電 頻譜資源 頻譜共享 干擾抑制 系統(tǒng) 多天線系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TN911 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）04（a）-0000-00

1 認(rèn)知無線電技術(shù)

1.1 起源

認(rèn)知無線電（Cognitive Radio.CR），其概念起源于1999年，是美國博士Joseph Mitola提出的。它的核心思想就是具備學(xué)習(xí)能力、能融合并與周圍環(huán)境進(jìn)行信息交互、通過感知和利用空間內(nèi)的有效頻譜資源來限制和降低沖突的發(fā)生。如果CR具備一定程度的人工智能，它就可以通過過去的干擾、死區(qū)等工作經(jīng)驗(yàn)來對(duì)實(shí)際情況作出實(shí)時(shí)響應(yīng)，從而確定采用何種頻帶的功能進(jìn)行通信。為此，Mitola博士提出了基于機(jī)器學(xué)習(xí)和模式推力的認(rèn)知循環(huán)模型，目的就是為了發(fā)展CR的學(xué)習(xí)能力，強(qiáng)調(diào)軟件定義無線電，通過CR實(shí)現(xiàn)無線電通訊的理想平臺(tái)。

在同一時(shí)期，美國聯(lián)邦通訊委員會(huì)（Federal Communications Commission.FCC）提出了CR的簡(jiǎn)化版本，無線電的基本含義為“結(jié)合其自身所處的工作環(huán)境，環(huán)境的變化對(duì)其自身的工作狀態(tài)造成一定的影響，無線電是一種適應(yīng)自身工作環(huán)境的終端參數(shù)?！蓖ㄟ^不同層面看待無線電，可以對(duì)其有不同的定義，排除無線電本身的含義，從無線信號(hào)方面對(duì)其定義進(jìn)行分析，可以將CR定義為一種人工智能化的無線信號(hào)接收、傳輸?shù)南到y(tǒng)。CR智能無線系統(tǒng)可以根據(jù)環(huán)境的變化而變化，通過自身對(duì)環(huán)境的適應(yīng)與感知，在環(huán)境的變化中將自身的信號(hào)參數(shù)進(jìn)行改變，從而達(dá)到無線信號(hào)的接收、傳輸功能運(yùn)用，從而達(dá)到任何時(shí)刻任何地點(diǎn)的穩(wěn)定通信，最大限度的有效利用頻譜資源。”

1.2 特點(diǎn)

由于引進(jìn)了動(dòng)態(tài)頻譜接入的思想，CR能夠以無線通信和網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)方式，有效利用頻譜資源來適應(yīng)周圍無線環(huán)境的變化。所謂“認(rèn)知”，顧名思義就是CR能夠以無線通信的方式對(duì)其自身所處的環(huán)境進(jìn)行感知、獲取其自身所感知到的信息。這些信息包含很多種，其中包括其在環(huán)境感知中所獲取的環(huán)境位置信息；信號(hào)傳輸、接收的波形信息；同時(shí)還包括其感知的設(shè)備用戶、信號(hào)網(wǎng)絡(luò)等各方面的信息等等各方面，以上為CR感知中比較重要的信息。通過上述資源的認(rèn)知，就可以識(shí)別空間中可利用的頻譜資源；認(rèn)知設(shè)備在動(dòng)態(tài)識(shí)別所獲信息后會(huì)作出反應(yīng)，其主要工作為，通信設(shè)備及其通信協(xié)議的信號(hào)操作，還有其工作步驟及設(shè)備頻率的操作等各方面，使其設(shè)備功能利用率最大化。這就是CR的又一大特點(diǎn)—重構(gòu)能力。

1.3 主要技術(shù)

CR的特點(diǎn)就是動(dòng)態(tài)感知和利用頻譜資源，根據(jù)其特點(diǎn)要求，結(jié)合其設(shè)備技術(shù)進(jìn)行以下簡(jiǎn)單分析介紹。

1、這種技術(shù)是根據(jù)CR設(shè)備的動(dòng)態(tài)感知功能，通過動(dòng)態(tài)感知功能的介入對(duì)其所處的自然環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，其檢測(cè)范圍可以使設(shè)備所處的任何區(qū)域以及設(shè)備所處的任何時(shí)間，通過檢測(cè)能夠找出不被用戶所利用的設(shè)備頻譜。這種空閑的頻譜就是“頻譜空洞”。頻譜空洞可以在授權(quán)頻段和非授權(quán)頻段上，當(dāng)使用頻譜的一些信號(hào)用戶在一定時(shí)間段對(duì)其使用的過程中，CR設(shè)備能夠在第一時(shí)間對(duì)其環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)感知，并且檢查到頻譜在信息傳輸中出現(xiàn)的問題與空洞，在發(fā)現(xiàn)問題之后及時(shí)對(duì)其進(jìn)行彌補(bǔ)，將頻譜空洞根據(jù)實(shí)際情況轉(zhuǎn)移至其系統(tǒng)的頻段上，避免為首要用戶帶來干擾。

2、頻譜共享技術(shù)。所謂頻譜共享技術(shù)就是其技術(shù)操作會(huì)受到環(huán)境的較大影響，其所用的頻譜數(shù)量與CR設(shè)備應(yīng)用用戶之間存在一定的關(guān)系，其數(shù)量隨著用戶的變化而變化，在此基礎(chǔ)上，為了達(dá)到用戶對(duì)CR設(shè)備的合理利用頻譜信息資源，CR用戶應(yīng)該學(xué)會(huì)判斷使用頻段的時(shí)間和方法，解決CR多用戶共存而帶來的頻譜干擾問題。利用水平頻譜共享和垂直頻譜共享，非授權(quán)CR用戶可以享受到同樣頻段接入權(quán)。

2 頻譜干擾

如果同一個(gè)無線設(shè)備共享裝置在進(jìn)行無線信號(hào)的接收與傳輸工作的情況下，必定會(huì)造成其使用用戶之間對(duì)于信號(hào)頻譜資源的競(jìng)爭(zhēng)，影響信號(hào)質(zhì)量，造成一定的干擾問題。所以當(dāng)用戶在進(jìn)行首要用戶的接入工作時(shí)也會(huì)造成一定情況的干擾，這種干擾不是來源于頻譜的工作環(huán)境，而是與其對(duì)于首要用戶檢測(cè)工作有關(guān)，檢測(cè)工作的進(jìn)行會(huì)對(duì)用戶在頻譜中的應(yīng)用造成一定的干擾。即使頻譜檢測(cè)準(zhǔn)確，但是由于無線環(huán)境的衰落和路徑的損耗也會(huì)給認(rèn)知用戶帶來無法避免的干擾，這也和認(rèn)知用戶和首要用戶之間缺乏通信聯(lián)系有關(guān)。可以說，干擾是嚴(yán)重影響認(rèn)知無線電技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展的桎梏，它促使人們不得不開始研究抑制頻譜共享干擾的相關(guān)技術(shù)。

3 干擾抑制技術(shù)

3.1 多天線頻譜共享的干擾協(xié)調(diào)

認(rèn)知用戶與首要用戶共享頻譜時(shí)，受到認(rèn)知無線電系統(tǒng)其自身的工作環(huán)境和工作模式的影響，認(rèn)知用戶在進(jìn)行共享頻譜時(shí)必定會(huì)對(duì)首要用戶的工作造成一定的影響，干擾信號(hào)的質(zhì)量。所以為了保證認(rèn)知用戶的傳輸性能，同時(shí)也不影響首要用戶的正常通信，相關(guān)技術(shù)人員要根據(jù)信號(hào)的干擾問題進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)措施，首要問題就是要通過對(duì)設(shè)備的信號(hào)發(fā)射裝置進(jìn)行仔細(xì)檢查，并且采取相關(guān)措施進(jìn)行改進(jìn)，通過改進(jìn)保證認(rèn)證用戶在共享頻譜時(shí)不受到干擾，不影響信號(hào)傳輸、接收的質(zhì)量。共享頻譜能夠通過其自身功能發(fā)揮，能夠在其認(rèn)知用戶達(dá)到平均干擾的同時(shí)與最根本的首要用戶的信息接收干擾的情況下，證明波束成形發(fā)射可以很大程度抑制干擾。所以為了驗(yàn)證這一結(jié)果，本文設(shè)計(jì)了認(rèn)知無線電系統(tǒng)的系統(tǒng)模型。

（1）系統(tǒng)模型

本文所涉及的認(rèn)知無線電模型是由其系統(tǒng)模型中無線點(diǎn)鏈路為根本，在此基礎(chǔ)上還需要配合首要用戶，兩者相互聯(lián)系到一起構(gòu)成的系統(tǒng)模型，這個(gè)系統(tǒng)模型是單用戶的場(chǎng)景模型。其中認(rèn)知用戶的發(fā)射端表示為SU-Tx，接收端表示為SU-Rx，首要用戶的發(fā)射端表示為PU-Tx，接收端表示為PU-Rx。認(rèn)知用戶在發(fā)射端和首要用戶發(fā)射端同樣配置M根發(fā)射天線，而所有的接收端用戶都只配備一根天線。這就形成了認(rèn)知用戶系統(tǒng)與首要用戶系統(tǒng)的共存狀態(tài)。

（2）信道模型

首先要組成一條通信通道，即SU-Tx到SU-Rx的多天線通信通道。將它表示為h=CM1x1，其中M1表示發(fā)送的天線數(shù)，而且它是服從于循環(huán)對(duì)稱的高斯分布的。同時(shí)，認(rèn)知用戶對(duì)首要用戶的干擾信道也是一個(gè)多天線信道，我們將它也表示為g= CM1x1。因?yàn)檎J(rèn)知用戶和首要用戶共享授權(quán)頻段，所以認(rèn)知用戶與首要用戶之間不能夠進(jìn)行雙方功能的協(xié)作應(yīng)用。通常，由于其雙方不能夠互相協(xié)作，這就導(dǎo)致了設(shè)備的信號(hào)發(fā)射裝置無法找到信道信息，這種信道信息就是眾所周知的認(rèn)證用戶的干擾信息。對(duì)此，我們可以對(duì)其進(jìn)行假設(shè)、進(jìn)行計(jì)算，如果設(shè)備的信號(hào)發(fā)射裝置指導(dǎo)干擾信息的信道信息，但是其所獲取的信息不夠完整，其計(jì)算可以是信道信息g以一定的信號(hào)發(fā)生概率P1、P2…Pn在有限集G={g1、g2、…gn}中隨意選取，這種模型便于之后的計(jì)算。而在實(shí)際系統(tǒng)的場(chǎng)景中，其正常的計(jì)算公式為：y=hx+w。

3.2 基于終端概率的干擾協(xié)調(diào)算法

（1） 算法介紹

在對(duì)其終端概率進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，要確保其認(rèn)證用戶對(duì)于信號(hào)干擾程度在首要用戶能夠接受的情況下，進(jìn)行頻譜共享，就要對(duì)其信號(hào)的傳輸速率進(jìn)行全面的分析與調(diào)整，做出最精準(zhǔn)的計(jì)算。本文對(duì)此進(jìn)行了假設(shè)，如果將結(jié)果表示為P1，那么P1為：

P1： maximize： log（1+h+Kxh） subject to： tr（Kx）≤Ptr1 E{g+Kxg}≤Ptr2

Pr（g+Kxg≥r）≤Pth Kx≥0

（2） 發(fā)送端方案

通過對(duì)其上述的計(jì)算，本文在整體的假設(shè)中又進(jìn)行了最優(yōu)發(fā)射端方案的設(shè)計(jì)。它同時(shí)也能夠證明最優(yōu)協(xié)方差矩陣Kx的特性。如果假設(shè)方案為P2，則P2為：

maximize：log（1+h+Kxh）

subject to： tr（Kx）≤Ptr1 tr（KxE{gg+}）≤Ptr2 tr（Kxgng+n）≤r+M Kx≥0

當(dāng)矩陣中Kx的秩為1時(shí)，即可得到最優(yōu)解矩陣，通過這樣的計(jì)算方案，可以有效的得出其設(shè)備的最有發(fā)射端方案。

（3）評(píng)價(jià)

在發(fā)射方案的設(shè)計(jì)中，如果假設(shè)平均干擾的功率門限值為2W，那么發(fā)射功率就可以設(shè)置為從0dB到10dB，進(jìn)而就可以將中斷概率門限設(shè)置為零點(diǎn)二一和零點(diǎn)三一。我們通過計(jì)算能夠得知終端的信號(hào)發(fā)射概率中所涉及到的參數(shù)，即將轉(zhuǎn)變?yōu)榱泓c(diǎn)七與零點(diǎn)五。通過以上的分析，不能看出，如果將零點(diǎn)三一作為終端概率門限的時(shí)候，其設(shè)備的信號(hào)傳輸速率會(huì)受到其影響，其信號(hào)發(fā)送功率的大小相比于零點(diǎn)二一會(huì)一直大于或者等于的設(shè)備信號(hào)傳輸速率。在此基礎(chǔ)上，如果設(shè)備的終端概率處于較低情況下，能夠準(zhǔn)確無誤的看出頻段對(duì)設(shè)備的認(rèn)知用戶所發(fā)送的干擾信號(hào)進(jìn)行了加強(qiáng)工作。

3 總結(jié)

本文簡(jiǎn)要分析了最為典型的多天線單用戶認(rèn)知系統(tǒng)與首要用戶系統(tǒng)共享頻段的場(chǎng)景。描述了如果利用認(rèn)知系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)送方案，對(duì)其共享頻譜的干擾問題進(jìn)行了深入的分析。

參考文獻(xiàn)

[1] 王晶.基于認(rèn)知無線電系統(tǒng)頻譜共享的干擾抑制技術(shù)研究[D].北京郵電大學(xué)，2012.

[2] 詹德睿.認(rèn)知無線電中頻譜共享技術(shù)研究[D].北京郵電大學(xué)，2013.

[3] 湯海冰.認(rèn)知無線電系統(tǒng)中接入控制與頻譜共享技術(shù)研究[D].中南大學(xué)，2013.