認(rèn)知無(wú)線電頻譜感知技術(shù)現(xiàn)狀研究

張永萍 周榮政

【摘要】近年來(lái)無(wú)線電技術(shù)飛速發(fā)展，無(wú)線通信得到廣泛應(yīng)用，隨之而來(lái)的是更多的用戶需求與無(wú)線電頻譜資源緊張的矛盾。認(rèn)知無(wú)線電可以有效地解決無(wú)線通信中頻譜資源緊張的問(wèn)題，為資源的高效利用提供方案。

【關(guān)鍵詞】節(jié)點(diǎn)選擇；頻譜感知；協(xié)作頻譜感知

從1999年CR這一概念被Joseph Mitola III提出至今，認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)一直為無(wú)線通信研究的熱門。認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)和頻譜感知技術(shù)的發(fā)展日新月異，近期開始有更多的學(xué)者開始研究復(fù)雜環(huán)境下的協(xié)作頻譜感知方案。

一、認(rèn)知無(wú)線電

Simon Haykin定義CR通過(guò)構(gòu)建理解方法論來(lái)學(xué)習(xí)環(huán)境并且通過(guò)實(shí)時(shí)改變運(yùn)行過(guò)程中的某些參數(shù)來(lái)適應(yīng)環(huán)境帶來(lái)的統(tǒng)計(jì)變化，這些參數(shù)包括載頻、調(diào)制方法和發(fā)射功率等參數(shù)。總之它是一種感知周圍環(huán)境的智能無(wú)線通信系統(tǒng)，其中核心目標(biāo)包括：隨時(shí)隨地，高度可靠的通信和高效的頻帶利用率。Simon Haykin構(gòu)建CR的框架是從信號(hào)處理和自適應(yīng)過(guò)程的角度進(jìn)行的。另外，Joseph Mitola III認(rèn)為，為了提高無(wú)線電技術(shù)的靈活性，認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)使用“；無(wú)線電知識(shí)表達(dá)語(yǔ)言”；（Radio Knowledge Representation Language，RKRL）。這一語(yǔ)言將會(huì)逐步演變成由軟件進(jìn)行配置，符合網(wǎng)絡(luò)或者用戶要求的通信功能和參數(shù)的軟件無(wú)線電。CR通過(guò)對(duì)環(huán)境的觀察、自身定位、計(jì)劃決策、學(xué)習(xí)、判斷和執(zhí)行來(lái)完成自身功能的循環(huán)。

同時(shí)，美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)發(fā)布的FCC 03-322文件，申明了CR是一種能通過(guò)和其所在的環(huán)境相互作用來(lái)改變自身發(fā)射頻率的無(wú)線電技術(shù)。包括主動(dòng)地與其他頻帶使用用戶進(jìn)行交流協(xié)商或者通過(guò)被動(dòng)的感知與判斷等方式[1]。FCC還具體對(duì)CR的使用標(biāo)準(zhǔn)和適用場(chǎng)合做了規(guī)定。

二、頻譜感知技術(shù)

在CR中，頻譜感知已經(jīng)成為核心研究?jī)?nèi)容，而且頻譜感知技術(shù)目前又以對(duì)主用戶發(fā)射機(jī)進(jìn)行檢測(cè)的為主。對(duì)發(fā)射機(jī)進(jìn)行檢測(cè)分為單節(jié)點(diǎn)檢測(cè)和多節(jié)點(diǎn)檢測(cè)（又稱作合作檢測(cè)或者協(xié)作頻譜感知）。單節(jié)點(diǎn)檢測(cè)主流的方法又有能量檢測(cè)（Energy Detection），循環(huán)平穩(wěn)特性檢測(cè)（Cyclostationarity）和匹配濾波器檢測(cè)（Matched Filtering Detection）。

協(xié)作頻譜感知，又稱多節(jié)點(diǎn)頻譜檢測(cè)。由于主用戶的發(fā)送信號(hào)經(jīng)過(guò)不同的衰落的信道到達(dá)感知從用戶（CU），因此主用戶的信號(hào)伴隨著一定的陰影效應(yīng)或多徑衰落，將多個(gè)CU的單節(jié)點(diǎn)檢測(cè)作為可以互相協(xié)作的整體，共同對(duì)同一段頻譜進(jìn)行感知，多節(jié)點(diǎn)能量檢測(cè)技術(shù)可以通過(guò)AP的信息融合技術(shù)，將這一信道的不良干擾大幅度降低。這樣，在AP通過(guò)特定的融合、判決后得到對(duì)主用戶LU的頻譜感知的結(jié)果。與單節(jié)點(diǎn)檢測(cè)相比，多節(jié)點(diǎn)檢測(cè)對(duì)頻譜感知的結(jié)果來(lái)自多個(gè)節(jié)點(diǎn)的綜合判斷，其準(zhǔn)確性有很高的可靠性，在一定程度上極大地提高了ROC特性。 “與”“或”和“K秩”；判決是三種常見的協(xié)作頻譜感知的規(guī)則。一種典型的K秩協(xié)作感知使用統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)減少感知單元（CU）的數(shù)量，不允許不可靠的CU發(fā)送，而只允許可靠的從用戶發(fā)送判決值給AP。這樣，我們可以因此不需要很多CU單元，提高了協(xié)作感知的速度，而且同時(shí)保證了感知精度。

三、協(xié)作頻譜感知技術(shù)

和分集的思想類似，由概率特性知道，所有節(jié)點(diǎn)同時(shí)被遮蔽或干擾的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單個(gè)節(jié)點(diǎn)，協(xié)作頻譜感知通過(guò)多個(gè)用戶的協(xié)作達(dá)到魯棒性的提高。另一方面，只要從用戶感知節(jié)點(diǎn)的分布合理，所有節(jié)點(diǎn)同時(shí)出現(xiàn)同時(shí)判斷性能下降的概率大大降低。因此協(xié)作頻譜感知減少許多因素對(duì)檢測(cè)性能的影響，并使感知時(shí)間縮短，提高ROC曲線的性能。

協(xié)作頻譜感知可以在不提高單節(jié)點(diǎn)的感知性能的情況下，提高整體感知的穩(wěn)定性。按照協(xié)作頻譜感知的數(shù)據(jù)融合方法不同，包括分布和集中兩種方式。檢測(cè)信息在各個(gè)參與協(xié)作的CU節(jié)點(diǎn)傳遞，通過(guò)共同的判決，最后得出感知結(jié)果，這種方式叫作分布式的頻譜感知。如果每個(gè)CU節(jié)點(diǎn)分別通過(guò)能量檢測(cè)，得到自己的判決信息，然后將信息發(fā)送到融合中心，在融合中心處采用相應(yīng)的融合算法最后得出判決的結(jié)果，這種方法是協(xié)作頻譜感知中集中式的方法。

另外兩種協(xié)作頻譜感知的分類是硬判決與軟判決的區(qū)分。每個(gè)感知節(jié)點(diǎn)CU單獨(dú)的進(jìn)行能量檢測(cè)，會(huì)得到一個(gè)本地的檢測(cè)結(jié)果，然后通過(guò)將這一信息發(fā)送給融合中心，在主節(jié)點(diǎn)P對(duì)信息采用“與”、“或”、“K秩”判決等算法進(jìn)行融合判決，最終可以給出主用戶是否占用頻譜資源的判斷，我們把這種方法叫做硬判決。如果每個(gè)感知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行能量判決后，不給出一個(gè)明確的判決結(jié)果，而是直接把能量檢測(cè)的信息傳遞給主節(jié)點(diǎn)P，最后由統(tǒng)一的融合判決算法給出判斷，這種方法稱為軟判決。

協(xié)作頻譜感知中還有一個(gè)重要的問(wèn)題，就是感知時(shí)間的問(wèn)題。我們知道，當(dāng)感知一個(gè)用戶是否占用頻譜的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，很可能做出最終判斷時(shí)，此用戶的占用狀態(tài)已經(jīng)改變，反而可能造成判決的錯(cuò)誤，影響主用戶LU的正常使用。這就需要我們?cè)谶M(jìn)行協(xié)作頻譜感知時(shí)，不僅要考慮整體準(zhǔn)確性的提高，更要兼顧到感知時(shí)間的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)時(shí)效性與準(zhǔn)確性的兼顧。這是協(xié)作頻譜感知的研究熱點(diǎn)也是難點(diǎn)。圖1為協(xié)作頻譜感知框圖，可以看到，在兩種基本的協(xié)作頻譜無(wú)線信道中，感知信道主要負(fù)責(zé)每個(gè)CU的感知主用戶存在與否的檢測(cè)信道。以能量檢測(cè)算法為例，CU通過(guò)檢測(cè)算法得到LU的統(tǒng)計(jì)信息，通過(guò)門限等參數(shù)設(shè)置，可以調(diào)節(jié)本地檢測(cè)的性能，使之符合協(xié)作頻譜感知的整體要求。

控制信道上傳遞的是每個(gè)CU向融合中心發(fā)送的判決和統(tǒng)計(jì)信息，即本地判決上報(bào)。這個(gè)過(guò)程包括了協(xié)作頻譜感知中的時(shí)延和能耗問(wèn)題：參加感知的CU節(jié)點(diǎn)數(shù)目越多，可以獲得的信息越多，分集效果越好，最終在融合中心進(jìn)行信息融合判決的結(jié)果越準(zhǔn)確，整體的協(xié)作頻譜感知性能越好。但是更多的CU節(jié)點(diǎn)，意味著更多的功耗。

同時(shí)更多的CU在融合中心進(jìn)行判決融合時(shí)，不論采用什么樣的算法，融合的算法復(fù)雜度都將要大大增加。所以，我們必須通過(guò)協(xié)作節(jié)點(diǎn)選擇算法，達(dá)到協(xié)作頻譜感知的ROC性能與時(shí)延功耗之間的折中。這種折中可以通過(guò)對(duì)控制信道中的CU個(gè)數(shù)的選擇，實(shí)現(xiàn)算法性能的綜合提高。

最后，各個(gè)CU的感知信息傳遞給數(shù)據(jù)融合中心，采用不同的數(shù)據(jù)融合算法，依照每個(gè)CU節(jié)點(diǎn)的信息，最終判定主用戶LU存在與否。這里的數(shù)據(jù)融合就會(huì)因?yàn)樗惴ú煌嬖谝粋€(gè)算法魯棒性的問(wèn)題，所以，要根據(jù)情況選擇相應(yīng)的不同的數(shù)據(jù)融合算法。

參考文獻(xiàn)：

[1]宮潤(rùn)勝，胡中豫，申濤.認(rèn)知無(wú)線電中多節(jié)點(diǎn)協(xié)作頻譜感知及其融合算法[J].西南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，30（11）：151-155.

[2]K.Hyoil，G.S.Kang.Adaptive MAC-layer Sensing of Spectrum Availability in Cognitive Radio Networks[C].IEEE Radio and wireless Symposium，2007，25（1）：464-469.