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，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，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)行某種檢測算法來感知頻譜使用情況，其檢測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：

　　能量檢測算法，其主要原理是在特定頻段上，測量某段觀測時(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)情況下的最佳檢測算法。該算法的優(yōu)勢(shì)在于能使檢測信噪比最大化，在相同性能限定下較能量檢測所需的采樣點(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)，大大提高檢測的性能和效率。

　　協(xié)方差矩陣檢測算法，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，基本都是從經(jīng)典的信號(hào)檢測理論中移植過來的。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和基于干擾溫度的檢測。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-循環(huán)特征檢測結(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、聯(lián)合前向和參數(shù)匹配的能量檢測、多分辨率頻譜檢測和基于小波變換頻譜檢測等。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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