淺析感知無線電技術中的頻譜感測技術

賈世軍

摘要：在無線電技術飛速發(fā)展的今天，通信技術以互聯(lián)網為載體已促進了經濟轉型和快速增長。無線頻譜傳輸?shù)男枨笳谥鹑盏脑黾樱虼?，加大無線通信系統(tǒng)的研究力度是非常必要的?？茖W研究者想要對頻譜資源進行有效規(guī)劃以及利用，必須從提升核心技術的角度出發(fā)，建立并逐步發(fā)展綜合通信系統(tǒng)的分布和共享頻譜。也就是說，整個系統(tǒng)高效地實現(xiàn)頻譜的最優(yōu)分配是無線通信技術發(fā)展的不竭動力。因此，本文從認知無線電技術的定義入手，探討了認知無線電技術中的頻譜感知技術，有效利用頻譜資源則可對未來無線電技術提供一定的有益參考。

關鍵詞 無線電；頻譜感測；感知

Abstract： With the incredible boom， the radio communication nowadays has promoted the development and the transformation of economy taking internet as the carrier. However， since the need of wireless spectrum transmission increases drastically， strengthening the research of radio communication system is absolutely necessary. Therefore， scientists of this field must try to establish the share and distribution mechanism of spectrum from the perspective of improving the core technology if they want to project and utilize this limited resource in an effective way. Namely， the system itself is the fundamental impetus for the high efficiency of utilization and the optimization of spectrum. Thus， the study in this paper discussed in brief the spectrum sensing technology from the definition of radio communication， so as to provide certain reference for the development of radio communication， in the sense of effective utilization of spectrum resources.

Key Words： radio； spectrum sensing；perception

1 感知無線電技術的定義

感知無線電是一種具備智能感知和智能代理功能的信息傳輸技術，通過借鑒和運用現(xiàn)代軟件技術原理而獲得了進一步的豐富和發(fā)展，現(xiàn)已成為傳統(tǒng)無線電技術的一種智能延伸。與傳統(tǒng)的盲預先定義的協(xié)議不同，就是認知無線電技術的本質：信息資源的分配在傳輸過程中即能實現(xiàn)有效識別，并且形成最優(yōu)信息傳播，這是兩者在設計方案上的最大區(qū)別。同時，隨著該技術的日趨成熟，也已逐漸成為現(xiàn)代無線電研究的主要領域。

2 無線電技術的發(fā)展趨勢

自1980年以來，世界各國的無線通信技術均已獲得了飛速發(fā)展，而且該種勢頭也仍在繼續(xù)。與此同時，以互聯(lián)網+技術為根本導向的網絡通信在信息整合和對接方面促成了無線電通信的質的飛躍，并且隨著便攜式微機、掌上電腦以及智能手機等的普及，也隨即開辟了無線電領域發(fā)展的新紀元。因此，把無線通信、計算機和因特網三者結合起來能在提供更為便捷優(yōu)質的通訊服務基礎上，通過升級的接入，實現(xiàn)無線電資源的綜合優(yōu)化配置，這也將是無線通信的未來發(fā)展趨勢。

與以模擬話音通訊方式為基本特色的傳統(tǒng)第一等待通信模式不同，第二代通信系統(tǒng)是以GSM、以及IS-95 CDMA為主要傳輸載體，在當今無線電通信，尤其是移動通信方面主導著整個資源市場。而在目前有限的無線電資源市場中，用戶數(shù)量正急劇增加，因此，需要一種更為科學的接入方式以及無線電資源分配方式，以提高信息傳輸和利用效率。這種方式便是第二代無線電傳輸中的數(shù)字化語音，能在多址接入的情況下，將模擬信號有效轉化為數(shù)字信號，并在合理分址的同時，通過科學分配資源，最大化同時接入用戶數(shù)量。即使在這種情況下，人們從GSM處得到的服務也是極其有限的，14.4kbps的電路交換話音業(yè)務已是該系統(tǒng)所能配置的最大值。在GPPS和EDGE的作用下給予的分組交換數(shù)據業(yè)務是144kbps和384kbps。IS-95提供的接入更加優(yōu)質，其速率可不斷地變化，當其在最快時可分別達到9.6kbps和14.4kbps。綜上分析可以看出，隨著人們對知識以及信息需求的增長，第二代移動通信已經無法為其提供技術發(fā)展支持。

在此背景推動下，第三代移動通信應運而生。其作用表現(xiàn)是能夠更加方便人們的生產生活，提供更加優(yōu)質快捷的服務速度，（ 室內可達2Mbps、步行可達384Kbps、車速可達144 Kbps）。而且比特速率隨著開發(fā)服務對象的不同而得不同數(shù)值，對高中低端的業(yè)務也各具現(xiàn)實適用性， FDD、TDD兩種模式在該系統(tǒng)中可以相互協(xié)作，聯(lián)手構建更趨全面的服務。目前，IMT-2000一共有5種標準，其中三個主流標準分別是歐洲的WCDMA、北美的CDMA2000以及中國的TD-SCDMA標準[1]。

3G系統(tǒng)的最低傳輸速率是2mbps。當其處于快速運動的條件下 ，也能夠實現(xiàn)144Kbps的數(shù)據速率。其后研發(fā)的升級式優(yōu)化技術更是可以提供高達10Mbps左右的傳輸速率。即便如此，高效的傳輸速率以及高可信性依然是無線通信技術設定追求目標，研究學界則始終圍繞改目標研發(fā)和設計下一代系統(tǒng)。

根據香農信息理論，無線通信傳輸速率越快，無線通信系統(tǒng)對頻譜資源的要求也將呈現(xiàn)遞增，從而導致了可使用頻譜資源的利用率將日漸落低，這成為了無線電發(fā)展的困惑與局限。另外，已被分配使用的頻譜資源在時間和空間上并不能再得到完全使用。因此，研究者提出采用感知無線電（CR）技術，其主要原理就是從時間和空間的角度出發(fā)，使頻譜資源能夠得到盡量充分的使用。于是如圖1所示，研究者提出了一種新的研究思路，就是從發(fā)現(xiàn)“頻譜空洞”，并合理利用所發(fā)現(xiàn)的“空洞”的能力作為出發(fā)點，來尋求適當?shù)慕鉀Q辦法。

圖2～3分別測量了無線電的動態(tài)頻譜接入。在如今的科技前提下，有效地解決當前頻譜利用效率低下和頻譜資源有限的方法，就是動態(tài)頻譜接入技術。人們發(fā)現(xiàn)了一個絕佳的動態(tài)頻譜接入發(fā)展前景，美國國防部高等研究計劃局（DARPAs）將動態(tài)頻譜接入技術作為在研究下一代通信網中的智能無線電技術（也叫感知無線）中的候選技術。下一代通信網，即動態(tài)頻譜接入網或感知無線網，將利用網絡科技為無線通信提供更加優(yōu)質的服務。而頻譜感測就是利用無線通信探測用戶對外界無線環(huán)境的感知，以此來確定“頻譜空洞”?！邦l譜空洞”就是那些已被人們利用的，但在閑暇時刻未獲使用或者說用戶在使用但是能夠檢測到低功率信號的頻段。在此頻帶上，存在著2種狀態(tài)：低功率的噪聲或低功率的授權用戶信號，因此形成了一定的“頻譜空洞”，這為感知無線電系統(tǒng)通信提供了潛在可能頻譜資源。待感測的頻段可分為3種：黑空頻譜、灰空頻譜和白空頻譜。

3 感知無線電中的頻譜感測技術

3.1頻譜感知的基本方法

相干感測，也可稱為匹配濾波器感測。匹配濾波器感測方案是最優(yōu)的授權用戶信號，感測方法的前提就是知道授權用戶信號的結構特征，如導頻、前導或同步消息等。相干感測能為人們提供性能更佳的服務，優(yōu)點是可以檢測到精確的頻譜結果，但也存在顯著劣勢，不但必須檢測出用戶的先驗知識，還必須實現(xiàn)多種信號的相互協(xié)作，因此投資成本將遠超出預算。能量傳感器，可針對感興趣的頻率測量一定觀察期間接收到的信號總能量，如果能量低于某一閾值，定義空白的頻譜，因而可以使用頻譜感知用戶通信。與相干傳感相比，能量傳感器需要更多的時間以達到同樣效果，但是其所呈現(xiàn)的成本低的特點，使其成為易于實現(xiàn)頻譜的認知無線網絡傳感技術?？傮w而言，以上2種光譜傳感技術方法都有著成熟的理論基礎，性能分析更趨理想。而光滑的環(huán)流特征傳感器實現(xiàn)的復雜度較高，但是傳感器性能更好。能量傳感器的功能劣勢就是不能從授權用戶信號辨別接收功率或者說該方法的檢測結果缺乏可信度。授權用戶信號載頻和調制類型或循環(huán)前綴，以及一些其他研究特性，比如使用信號給出了自相關函數(shù)和周期固定光譜相關性屬性，即可區(qū)分信號功率和噪聲功率，從而突破能量傳感器的瓶頸。周期圖法是使用傅里葉變換得到信號的功率譜密度，算法可以利用快速傅里葉變換，在實現(xiàn)上具備便捷優(yōu)勢。為了更好地設計量化和管理干擾，前提基礎條件就是頻譜感知的過程中存在諸多人為以外的因素需要考慮，比如噪音等都可以使檢測結果受到一定的影響，從而降低了可信度。隨即，研究再度提出干擾溫度的概念，從而使頻譜感知接入的機會獲得顯著改善。研究中，通過功率譜估計可確定干擾溫度限制。只要干擾溫度變動能夠可控在限制范圍內，感知用戶的訪問造成干擾，對于授權用戶即為可容忍，用戶便可以實現(xiàn)頻譜共享。，如圖4所示。

綜合圖5和文獻[2]研究可知，基于授權用戶信號感測的頻譜感知目的在于避開授權用戶或盡量降低對授權用戶的干擾，而基于干擾溫度模型的頻譜感知則試圖與授權用戶同時并存于同一個頻段。

3.2 協(xié)作與數(shù)據融合頻譜感知

由于缺乏有效的交流，各用戶之間信息隔絕不暢；而且只有在低噪音的條件下，感知用戶才能實現(xiàn)頻譜感測。感測環(huán)境通常包括多徑大尺度衰落的可視距線路和隱藏站點，但是為了獲得用戶的信賴，就必須提供最為精確的檢測信息，因此調整用戶之間的關系，推動和促進用戶合作則已成為發(fā)展必要。針對這一情況，研究提出一種更為合理精確的頻譜檢測的方法，那就是協(xié)同感測。協(xié)同頻譜感知就是合理分配各種信息，并對信息進行綜合整理，從而大大增強頻譜檢測的效果。協(xié)同感測具優(yōu)眾多優(yōu)點：可以盡量減少各種突發(fā)因素，消除多徑衰落和陰影的影響，即使在大尺度陰影衰落的環(huán)境下，也可以有較好的感測性能。頻譜感知性能主要由感知范圍、感測時間、感測概率、虛警概率等相互關聯(lián)的技術指標來評測衡定，協(xié)同頻譜感知可利用空間分集增益改善上述指標，解決單節(jié)點感知中設計固存的多徑衰落、陰影衰落和隱藏終端等弊端不足，同時也可降低對單個節(jié)點感知靈敏度的要求，從而減少運行實現(xiàn)成本。中心式和分布式是實現(xiàn)頻譜感知的2種基本方式。具體給出如下概述：

1）中心式感知。中心單元收集各節(jié)點的感知信息，負責識別可用頻譜，并將頻譜可用信息廣播給各感知節(jié)點或直接控制感知節(jié)點的通信參數(shù)。

2）分布式感知。感知節(jié)點彼此之間共享感知信息，但獨立判斷各自的可用頻譜。與中心式感知相比，分布式感知的優(yōu)點是不需要基礎結構網絡，部署更趨靈活高效[3]。

無論中心式還是分布式感知，就協(xié)同頻譜感知的研究內容而言，重點包含以下2個方面：

1） 感知節(jié)點感知信息的合并處理，即考慮信息融合問題。

2） 感知信息傳遞過程的合作，即考慮中繼傳輸問題。

參考文獻

1 劉曉貞. 基于合作中繼的頻譜感知技術研究[D].煙臺：煙臺大學，2010.

2 陳星.感知無線電物理層關鍵技術研究[D].北京：北京郵電大學，2008.

3 虞貴才. 感知無線電系統(tǒng)中的頻譜感測技術研究[D].北京：北京郵電大學，2010.

4 韓維佳.認知無線電中頻譜感知策略的研究[D]. 西安：西安電子科技大學，2012.

5.何麗華，謝顯中，董雪濤，等.感知無線電中的頻譜檢測技術[J].通信技術，2007（5）：9-11.