認知無線電在震后應急通信中的應用

1．前言
四川汶川地震造成了巨大的生命財產(chǎn)損失，挽救損失最關(guān)鍵的就是如何在震后迅速有效的恢復應急通信，這樣才能了解災情，統(tǒng)一指揮，為在災后72小時黃金救援時間內(nèi)更好的組織協(xié)調(diào)，因此災后應急通信的恢復顯得至關(guān)重要。地震發(fā)生r，電信企業(yè)都面臨兩大考驗：一方面，通信網(wǎng)絡因災害受到不同程度的損壞，信息通信服務保障能力大大降低；另一方面，災害發(fā)生后，政府和公眾均十分迫切地想了解災情，通信業(yè)務“井噴式”增長，形成通信阻塞。面對這兩大難題，有人提出要開展重要線路第二路由的建O、通過主干線路的備份建設(shè)來提高抗災能力；還有提出要建立起天地結(jié)合、模式多樣的應急通信手段。然而這些僅僅只是從線路的建設(shè)和途徑的多樣化上來進行防范，面對災后應急通信的巨大信息流量，這些線路是否能承受的了如此大信息量？是否會因此又造成通信堵塞？認知無線電技術(shù)從解決高頻段頻譜利用率低下的問題出發(fā)，使得無線通信設(shè)備可以接入授權(quán)的高頻空閑頻譜，并動態(tài)的利用頻譜，有望緩解現(xiàn)有通信線路的擁堵問題，為應急通信的建設(shè)展開了另一種技術(shù)前景。

2．認知無線電的基本概念
認知無線電的概念是由Joseph Mitola在1999年提出的，其核心思想是使無線通信設(shè)備具有發(fā)現(xiàn)空閑頻譜并合理利用頻譜資源的能力。眾所周知，無線電通信頻譜是一種寶貴的自然資源，一般由政府授權(quán)使用。在頻率需求非常緊張的數(shù)百MHZ-3GHZ無線頻帶中，一些頻帶大部分時間內(nèi)并沒有用戶使用，另有一些偶爾才被占用，其它頻段使用競爭則相對激烈。認知無線電被認為是解決目前無線頻譜利用率的最佳方案，它是一個智能的無線通信系統(tǒng)，具有環(huán)境感知和傳輸參數(shù)自我修改的功能，通過對環(huán)境的理解實時改變和調(diào)整它的內(nèi)部狀態(tài)，適應外部無線環(huán)境的變化，從而實現(xiàn)頻譜共享，動態(tài)的增加網(wǎng)絡和個人用戶的可用頻譜總數(shù)，為頻譜分配提供了一個可能的解決方案。
認知無線電的認知能力表現(xiàn)在能實時與它所處的環(huán)境交互，從而決定合適的通信參數(shù)并適應動態(tài)的無線環(huán)境。這個任務要求在公開頻譜中的自適應性操作，如圖1所示，稱之為認知循環(huán)。認知循環(huán)包含3個主要步驟：頻譜感知、頻譜分析和頻譜決策。

3．認知無線電的應急通信模型
針對地震后通信系統(tǒng)出現(xiàn)的問題，由于常用頻段信道容量有限，通信量突增會造成信道的堵塞，為了緩解通信線路擁擠的壓力，結(jié)合認知無線電頻譜感知技術(shù)，如圖2所示表示了一個基于認知無線電的信號傳輸系統(tǒng)的模型，其中模型的設(shè)計就是對被測信號空間進行信號處理，從噪聲背景下發(fā)現(xiàn)信號和提取信號所攜帶的信息，并制定檢測估計準則，做出有無授權(quán)用戶存在（或頻譜空穴）的檢測報告，這就是認知無線電的頻譜感知過程，然后將頻譜空穴所在頻段劃分成若干信道，并把基帶信號調(diào)制到空隙頻段上，實際就是頻譜搬移，將相對較低的頻譜搬遷到較高的頻譜上，這樣信號就可以在這些高頻信道上進行傳輸了。

圖1 認知循環(huán)

圖2 基于認知無線電的信號傳輸模型圖

進行信號處理，從噪聲背景下發(fā)現(xiàn)信號和提取信號所攜帶的信息，并制定檢測估計準則，做出有無授權(quán)用戶存在（或頻譜空穴）的檢測報告，這就是認知無線電的頻譜感知過程，然后將頻譜空穴所在頻段劃分成若干信道，并把基帶信號調(diào)制到空隙頻段上，實際就是頻譜搬移，將相對較低的頻譜搬遷到較高的頻譜上，這樣信號就可以在這些高頻信道上進行傳輸了。

4．認知無線電的頻譜感知技術(shù)
頻譜感知是認知無線電系統(tǒng)的基本功能，是實現(xiàn)頻譜管理、頻譜共享的前提。所謂的“感知”就是在時域、頻域和空域多維空間，對被分配給授權(quán)用戶頻段不斷地進行頻譜檢測，檢測這些頻段內(nèi)主用戶是否工作，從而得到頻譜的使用情況。如果該頻段未被授權(quán)用戶占用，那么該頻段被稱為“頻譜空穴”，認知用戶可以臨時使用頻譜空穴。結(jié)合上述的模型，通常有匹配濾波檢測、能量檢測和周期平穩(wěn)過程特征檢測三種檢測感知用戶發(fā)生源方案。
4．1 匹配濾波檢測
匹配濾波檢測是信號檢測中的一種比較常用的方法，它能夠使接收信號的信噪比最大化。在認知無線電設(shè)備中使用匹配濾波器，實際上完成的是解調(diào)授權(quán)用戶的信號，這樣認知無線電用戶就要知道授權(quán)用戶的物理層和媒體控制層的信息，利用這些來實現(xiàn)與待測信號在時域和頻域上的同步，從而解調(diào)信號。這種檢測方法的優(yōu)點是可以在很短時間內(nèi)完成同步而提高信號的處理增益，缺點是必須要認知用戶掌握每一類授權(quán)用戶的各種信息。
4．2 能量檢測
能量檢測是一種非相干的檢測方法，它只需要知道被檢測頻段內(nèi)信號的能量。為了測量接收信號的能量，需要對帶通濾波器的輸出信號進行平方運算并在觀測時間段內(nèi)進行積分，將積分器的輸出和固定門限值相比較。這種檢測方法由于受到檢測門限的限制，感知精度不高，通常用于粗略感知階段。能量檢測模型如圖3所示。

圖3 能量檢測模型