無線電中頻譜感知技術(shù)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

隨著無線通信業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)，可利用的頻帶日趨緊張，頻譜資源匾乏的問題日益嚴(yán)重。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)問題。為了解決該問題，Joseph Mito1a于1999年在軟件無線電的基礎(chǔ)上提出了認(rèn)知無線電(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用戶通過頻譜感知檢測(cè)主用戶是否存在，從而利用頻譜空穴。

　　認(rèn)知無線電(CR)概念由Joseph Mitola博士提出，其主導(dǎo)思想是實(shí)現(xiàn)伺機(jī)的動(dòng)態(tài)頻譜接入，即非授權(quán)用戶(也稱次用戶或認(rèn)知用戶)通過檢測(cè)，機(jī)會(huì)性地接入已分配給授權(quán)用戶(或主用戶)但暫時(shí)很少使用甚至未被使用的空閑頻段，一旦主用戶重新接入該頻段，次用戶迅速騰出信道。這種技術(shù)需解決的首要問題就是如何快速準(zhǔn)確地獲取授權(quán)頻譜的使用情況，目前主要有3類解決方案：建立數(shù)據(jù)庫(kù)檔案、傳送信標(biāo)信號(hào)和頻譜感知。表1從多個(gè)方面對(duì)3種方案進(jìn)行了比較，其中頻譜感知方案因具有建設(shè)成本低、與現(xiàn)有主系統(tǒng)的兼容性強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)，得到了大多數(shù)研究學(xué)者的認(rèn)同;另外兩種由于受到政治、經(jīng)濟(jì)等因素的制約而很難實(shí)現(xiàn)，對(duì)其研究相對(duì)較少。

　　頻譜感知，是指認(rèn)知用戶通過各種信號(hào)檢測(cè)和處理手段來獲取無線網(wǎng)絡(luò)中的頻譜使用信息。從無線網(wǎng)絡(luò)的功能分層角度看，頻譜感知技術(shù)主要涉及物理層和鏈路層，其中物理層主要關(guān)注各種具體的本地檢測(cè)算法，而鏈路層主要關(guān)注用戶間的協(xié)作以及對(duì)本地感知、協(xié)作感知和感知機(jī)制優(yōu)化3 個(gè)方面。因此，目前頻譜感知技術(shù)的研究大多數(shù)集中在本地感知、協(xié)作感知和感知機(jī)制優(yōu)化3個(gè)方面。文章正是從這3個(gè)方面對(duì)頻譜感知技術(shù)的最新研究進(jìn)展情況進(jìn)行了總結(jié)歸納，分析了主要難點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上討論了下一步的研究方向。

　　1 本地感知技術(shù)

　　1.1 主要檢測(cè)算法

　　本地頻譜感知是指單個(gè)認(rèn)知用戶獨(dú)立執(zhí)行某種檢測(cè)算法來感知頻譜使用情況，其檢測(cè)性能通常由虛警概率以及漏檢概率進(jìn)行衡量。比較典型的感知算法包括：

　　能量檢測(cè)算法，其主要原理是在特定頻段上，測(cè)量某段觀測(cè)時(shí)間內(nèi)接收信號(hào)的總能量，然后與某一設(shè)定門限比較來判決主信號(hào)是否存在。由于該算法復(fù)雜度較低，實(shí)施簡(jiǎn)單，同時(shí)不需要任何先驗(yàn)信息，因此被認(rèn)為是CR系統(tǒng)中最通用的感知算法。

　　匹配濾波器檢測(cè)算法，是在確知主用戶信號(hào)先驗(yàn)信息(如調(diào)制類型，脈沖整形，幀格式)情況下的最佳檢測(cè)算法。該算法的優(yōu)勢(shì)在于能使檢測(cè)信噪比最大化，在相同性能限定下較能量檢測(cè)所需的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)少，因此處理時(shí)間更短。

　　循環(huán)平穩(wěn)特征檢測(cè)算法，其原理是通過分析循環(huán)自相關(guān)函數(shù)或者二維頻譜相關(guān)函數(shù)的方法得到信號(hào)頻譜相關(guān)統(tǒng)計(jì)特性，利用其呈現(xiàn)的周期性來區(qū)分主信號(hào)與噪聲。該算法在很低的信噪比下仍具有很好的檢測(cè)性能，而且針對(duì)各種信號(hào)類型獨(dú)特的統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)行循環(huán)譜分析，可以克服惡意干擾信號(hào)，大大提高檢測(cè)的性能和效率。

　　協(xié)方差矩陣檢測(cè)算法，利用主信號(hào)的相關(guān)性建立信號(hào)樣本協(xié)方差矩陣，并以計(jì)算矩陣最大、最小特征值比率的方法做出判決。文獻(xiàn)[1]提出基于過采樣接收信號(hào)或多路接收天線的盲感知算法。通過對(duì)接收信號(hào)矩陣的線性預(yù)測(cè)和奇異值分解(QR)得到信號(hào)統(tǒng)計(jì)值的比率來判定是否有主用戶信號(hào)。

　　以上這些算法都是對(duì)主用戶發(fā)射端信號(hào)的直接檢測(cè)，基本都是從經(jīng)典的信號(hào)檢測(cè)理論中移植過來的。此外，近期一些文獻(xiàn)從主用戶接收端的角度提出了本振泄露功率檢測(cè)和基于干擾溫度的檢測(cè)。有些文獻(xiàn)對(duì)經(jīng)典算法進(jìn)行了改進(jìn)，如文獻(xiàn)[2]提出了一種基于能量檢測(cè)-循環(huán)特征檢測(cè)結(jié)合的兩級(jí)感知算法。文獻(xiàn)[3]研究了基于頻偏補(bǔ)償?shù)钠ヅ錇V波器檢測(cè)、聯(lián)合前向和參數(shù)匹配的能量檢測(cè)、多分辨率頻譜檢測(cè)和基于小波變換頻譜檢測(cè)等。表2歸納了文獻(xiàn)中提及較多的一些感知算法，并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。

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