認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的頻譜感知問題研究

楊洪賓

（常德市無線電管理處，湖南常德 417000）

認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的頻譜感知問題研究

楊洪賓

（常德市無線電管理處，湖南常德 417000）

認(rèn)知無線電系統(tǒng)是一種通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠充分感知到其周圍環(huán)境的具體變化，利用其周圍空閑的資源，實現(xiàn)智能化無線通信。認(rèn)知無線電系統(tǒng)的出現(xiàn)可以有效解決目前無線頻譜資源缺乏、利用率低的問題。為了保證認(rèn)知無線電系統(tǒng)可以正常工作，其中，頻譜感知技術(shù)是最為關(guān)鍵的技術(shù)之一，必須進行深度的研究討論。然而，在實際的通信過程中，由于系統(tǒng)中的噪聲存在著不確定性，授權(quán)用戶的具體信號信息又是未知的，傳統(tǒng)已知的頻譜感知算法并不能滿足當(dāng)前認(rèn)知無線電系統(tǒng)的使用要求。所以，必須在信息量較小的情況下，找出高效檢測頻譜方法，改進頻譜感知技術(shù)。

認(rèn)知無線電 頻譜感知 算法 問題

無線電頻譜是一種自然資源，其具體的使用與分配完全由國家的政府相關(guān)部門控制，我國的相關(guān)管理部門就叫做無線電管理委員會。目前，使用頻譜通常是將完整的無線電分成幾個部分，各個部分都是連續(xù)的頻段，然后管理部門將其授權(quán)給不同的用戶。若是沒有經(jīng)過授權(quán)，其他用戶就不能使用該段資源。伴隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，無線通信設(shè)備和業(yè)務(wù)都得到了廣泛的應(yīng)用，進而無線頻譜開始變得資源緊缺，在目前的頻譜分配方式中很難找到新的資源。然而，經(jīng)調(diào)查研究，人們發(fā)現(xiàn)仍然存在著大量已經(jīng)分配出去的頻譜長期處于空閑狀態(tài)，這與資源緊缺的現(xiàn)狀產(chǎn)生了矛盾。所以，人們必須找出新的頻譜分配方式，改變這種畸形的分配現(xiàn)狀，進而，認(rèn)知無線電系統(tǒng)應(yīng)運而生。

1 認(rèn)知無線電概述

1.1 基本概念

認(rèn)知無線電，也稱CR。CR技術(shù)是一種看似神奇的技術(shù)，與先進的軟件結(jié)合到一起以后可以在多個行業(yè)各個領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。CR可以通過學(xué)習(xí)幫助用戶進行高性能的語音理解、GPS導(dǎo)航、自適應(yīng)組網(wǎng)等大量機器學(xué)習(xí)，其本質(zhì)是一種無線電。

1.2 研究現(xiàn)狀

認(rèn)知無線電在世界各國都有研究，相關(guān)的頻譜管制部門對其非常重視。CR技術(shù)的誕生對傳統(tǒng)的頻譜分配提出了新的挑戰(zhàn)，很多相關(guān)部門都給與了極大的支持。在2005年，認(rèn)知無線電技術(shù)及其使用設(shè)備有了相關(guān)的法規(guī)進行規(guī)范。

世界上第一個為認(rèn)知無線電提供標(biāo)準(zhǔn)化空中接口的組織是在2004年成立，該工作組的主要目標(biāo)是開發(fā)出一套無線區(qū)域網(wǎng)，該網(wǎng)絡(luò)可以通過認(rèn)知無線電技術(shù)將物理層和相關(guān)媒體都收入到控制層中。同時，世界上很多研究機構(gòu)和大學(xué)都在研究CR技術(shù)：荷蘭在2005年研制了自適應(yīng)自組網(wǎng)免費頻段通信項目，主要研究應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)；維吉尼亞工學(xué)院正在研究一種認(rèn)知模型，在遺傳算法的基礎(chǔ)上開發(fā)認(rèn)知無線電節(jié)點。我國在2005年就將認(rèn)知無線電技術(shù)劃入到計劃課題中，目前為止也取得了一些成績。綜上所述，可以看出認(rèn)知無線電正在被全世界廣泛關(guān)注。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

（1）頻譜感知技。認(rèn)知無線電系統(tǒng)想要建立起來，首先必須能夠感知到空間環(huán)境中的頻譜空洞，進而將其利用起來，提升頻譜利用效率。所以，頻譜感知技術(shù)是認(rèn)知無線電系統(tǒng)中最為核心的關(guān)鍵技術(shù)，也是最重要的基礎(chǔ)。

頻譜感知的主要目的是為認(rèn)知用戶找出時空中的頻譜空洞，同時不會對主用戶帶來干擾。認(rèn)知用戶在使用頻譜的過程中，要時時監(jiān)視住用戶的使用狀況，及時切換信道、調(diào)整功率或是改變調(diào)制方式。

（2）頻譜管理技術(shù)。認(rèn)知無線電系統(tǒng)通過頻譜感知技術(shù)找出一些空閑的頻帶，這些頻帶很可能分布于非常廣的頻域中，具有著不同的帶寬、中心頻率以及動態(tài)特征，使用的具體時間也有著區(qū)別。所以，認(rèn)知無線電想要在眾多頻帶中找出更加適合使用的頻帶，就必須具備頻譜管理技術(shù)。通過頻譜管理可以快速找出能夠高效利用的頻譜自適應(yīng)策略，提升認(rèn)知系統(tǒng)的安全可靠性。

（3）頻譜共享技術(shù)。由于頻譜的空洞是隨著時間變化而變化的，那么相應(yīng)的認(rèn)知設(shè)備也需要適時調(diào)整具體載頻。頻譜共享技術(shù)的產(chǎn)生可以實現(xiàn)在不同時間按照具體的頻譜空洞狀況合理分配頻譜帶寬，即便頻譜空洞實時變化，認(rèn)知無線電系統(tǒng)仍然可以在指定區(qū)域中完成正常運行。

2 頻譜感知算法的存在問題和改進策略

2.1 概述

（1）頻譜空洞的基本概念。通常情況下，我們會將一段相對較寬的授權(quán)頻帶分成幾個不重疊的連續(xù)子頻帶，將運行狀況較好的頻帶授權(quán)給不同的用戶進行通信。這時，頻帶中沒有被使用的子頻帶自然會在頻譜上留下不連續(xù)的區(qū)間，這種區(qū)間就叫做“頻譜空洞”。也就是說，頻譜空洞就是指暫時沒有被相應(yīng)授權(quán)用戶使用的授權(quán)子頻帶。所以，認(rèn)知無線電可以在保證不干擾授權(quán)用戶的同時，在該頻帶空閑期間交由感知用戶使用。

授權(quán)頻譜在使用期間總共有三種使用狀態(tài)模型，包括：黑色空間，認(rèn)知無線電系統(tǒng)在進行頻譜感知期間，將檢測到該頻帶正在被頻繁使用，那么相應(yīng)的感知用戶就要避免使用該頻帶；灰色空間，認(rèn)知無線電感知到該頻帶中只有一些功率較低的信號，那么相應(yīng)的感知用戶可以將該頻帶設(shè)為備選頻帶；白色空間，認(rèn)知無限電感知到該頻帶幾乎沒有信號，這種頻帶也被稱為頻譜空洞，那么感知用戶便可以正常使用該頻帶。

（2）頻譜感知算法的基本概念。認(rèn)知無線電進行感知時，采用的檢測方式包括三種類型：授權(quán)用戶發(fā)射機檢測、授權(quán)用戶接收機檢測、多感知用戶合作檢測等。其中較為常用的具體算法如表1所示。

2.2 存在問題

（1）依賴噪聲環(huán)境。眾所周知，自然環(huán)境中不可避免的存在著很多噪聲，而噪聲正是會影響到感知用戶進行頻譜檢測的最主要因素之一。目前，大部分的頻譜檢測算法對于噪聲較大的環(huán)境都比較敏感，甚至有些感知算法甚至要求完全已知該區(qū)域的噪聲環(huán)境。然而，在信號快速變化的環(huán)境中，周圍的噪聲環(huán)境并不能被完全掌握，因此為頻譜感知造成了一定的麻煩。

表1 頻譜感知算法

（2）依賴采樣數(shù)。收集大量的數(shù)據(jù)可以在一定程度上幫助感知用戶提升頻譜感知效率，即便在噪聲條件不能完全確定的環(huán)境中也能取得很好的效果。然而，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)到達了一定的臨界值以后，伴隨著采樣值的增加，感知檢測效率并不會繼續(xù)大幅度提升，甚至可能出現(xiàn)“信噪比墻”。另外，大量數(shù)據(jù)采集處理也會為機械設(shè)備帶來負擔(dān)，花費更多的時間，甚至影響到授權(quán)用戶。

（3）依賴授權(quán)用戶。傳統(tǒng)的一些感知算法往往需要授權(quán)用戶的一些信號和信息，這種算法很容易為授權(quán)用戶的正常通信帶來麻煩。雖然該方法在目前的公共頻段中可以正常使用，但是隨著無線頻譜資源的需求越來越高，很多頻段需要被嚴(yán)密保護，該類算法便不適合繼續(xù)使用了。

2.3 新型頻譜感知算法

（1）廣義似然比檢測算法。為了找出更好可供利用的空閑頻帶，感知用戶必須在很寬的一段頻帶中進行授權(quán)用戶檢測，通常這段頻帶上會有許多不同類型的授權(quán)用戶，若是想要了解所有授權(quán)用戶的具體信息，這是非常不現(xiàn)實的，那么感知用戶只能在這種條件下找出更加有效的檢測算法。所以，廣義似然比檢測算法應(yīng)運而生。該算法能夠?qū)κ跈?quán)用戶的具體信號進行最大似然估計，進而為自身的檢測系統(tǒng)提供一個虛警概率，再參考Neyman-Pearson定理得出最大的統(tǒng)計量。經(jīng)過仿真模擬，發(fā)現(xiàn)廣義似然比檢測算法在信噪比相對較低的環(huán)境中可以取得較好的效果。

（2）壓縮多用戶合作感知算法。感知用戶在進行頻譜感知的過程中，往往都是對各個子頻帶進行檢測，直到找到能夠使用的空閑頻帶為止。然而，想要在一個授權(quán)用戶相對集中的區(qū)域中找出空閑頻帶，工作將非常繁瑣。所以，針對這種狀況壓縮多用戶合作感知算法產(chǎn)生了。該算法首先先對感知算法進行壓縮，進而提升感知信號的工作效率，隨后，再通過融合算法在空間中進行合作檢測，有效提升認(rèn)知無線電系統(tǒng)的檢測工作效率。想要得到更好的性能，必須對信道參數(shù)先行估計，然后通過壓縮感知提升信噪比增益，最后通過多感知用戶達成空間增益。各個感知用戶全部得出具體的檢測結(jié)果以后，通過平均一致算法可以得出最終的檢測結(jié)果，同時認(rèn)知無線電的整個系統(tǒng)整體檢測效率也能得到有效提升。經(jīng)仿真模擬實驗后，該算法確實表現(xiàn)出了很好的性能。

（3）循環(huán)前綴特征值檢測算法。伴隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸對于數(shù)量和速度提出了更高的要求，進而無限高數(shù)據(jù)傳輸也需要更多的帶寬予以支持?？紤]到頻譜起到一定的限制作用，貿(mào)然增大帶寬只能一味的增高成本，并不能采用該方法。所以，針對該問題，多天線傳輸技術(shù)被發(fā)明出來。該技術(shù)采用的是循環(huán)前綴特征值檢測算法，此算法充分利用了不同假設(shè)條件下，接收的信號存在著不同特性的相關(guān)系數(shù)，進而得出循環(huán)前綴協(xié)方差矩陣最大特征值以及最小特征值，求比以后便可以計算出具體的檢測統(tǒng)計值。該算法經(jīng)過仿真模擬實驗以后，結(jié)果表示該算法具備很好的性能。

3 結(jié)語

認(rèn)知無線電近年來越來越受到相關(guān)部門的重視，作為該系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的頻譜感知技術(shù)，也要不斷改進創(chuàng)新，提升工作效率，創(chuàng)造更高的社會效益以及經(jīng)濟效益。

［1］李映雪.認(rèn)知無線電中的頻譜感知技術(shù)研究［D］.北京郵電大學(xué)，2013.

［2］賀巖.認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的頻譜感知問題研究［D］.吉林大學(xué)，2013.

［3］孟濤.認(rèn)知無線電中的頻譜感知技術(shù)研究［D］.南京理工大學(xué)，2010.

［4］鄧麗粼.認(rèn)知無線電中的頻譜感知技術(shù)研究［D］.西南交通大學(xué)，2010.

［5］漆春梅.認(rèn)知無線電中的頻譜感知技術(shù)研究［D］.電子科技大學(xué)，2009.

［6］李維昌.認(rèn)知無線電中的頻譜感知技術(shù)研究［D］.電子科技大學(xué)，2012.

［7］許曄峰.認(rèn)知無線電中的頻譜感知技術(shù)研究及OPNET仿真［D］.電子科技大學(xué)，2013.

［8］劉欣.認(rèn)知無線電系統(tǒng)中頻譜感知關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.西安電子科技大學(xué)，2011.