基于認知無線電的頻譜檢測方法研究

陳志剛 程水軍

摘 要在無線通信中，隨著無線通信設(shè)備的爆發(fā)式增長，越來越擁擠的頻譜分段和頻譜資源的不充分利用這對矛盾越來越尖銳，認知無線電被認為是解決這對矛盾的有效方案，其中頻譜檢測是認知無線電的重要組成部分。只有采用適合相應(yīng)無線通信環(huán)境的頻譜檢測策略，次級用戶才能以較高的檢測概率檢測到頻帶的使用情況，從而作出正確的選擇，即接入該頻段或者不接入該頻段。本文對不同的頻譜檢測方法進行了研究，包括能量檢測，匹配濾波器檢測，序列檢測等檢測方法，對其優(yōu)劣進行了分析，為不同的認知無線電環(huán)境如何選取最合適的頻譜檢測方法提供參考。

【關(guān)鍵詞】認知無線電 能量檢測 匹配濾波器檢測 序列檢測

1 認知無線電簡介

近年來，以高可靠性，高并發(fā)，高傳輸速率為主要特征的無線通信技術(shù)飛速發(fā)展，比如4G，5G等，這些無線通信技術(shù)使得人們的生活更加便捷，能夠?qū)崟r與世界各地的人通信。可是，這些無線通信技術(shù)的發(fā)展離不開無線頻帶資源的支撐，可是，從目前頻譜分配的總體情況可以發(fā)現(xiàn)，能夠繼續(xù)分配的頻譜越來越少，這將嚴重制約無線通信技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。因此如何解決無線頻譜資源匱乏的問題變得越來越急迫。在這個時候，越來越多的人將希望放在了認知無線電技術(shù)上。

認知無線電是一種能夠進行自我學(xué)習(xí)的智能網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示，具有能夠收集并且分析處理所在電磁頻譜環(huán)境信息的強大能力，具體來說，該智能網(wǎng)絡(luò)首先與周圍電磁環(huán)境進行交互，通過頻譜檢測技術(shù)判斷出可以使用的頻帶，即授權(quán)用戶暫時沒有使用的頻段。如果授權(quán)用戶需要重新使用該頻段，那么認知網(wǎng)絡(luò)就需要及時檢測到該信息，然后減小功率甚至放棄使用該頻譜?？梢钥闯稣J知無線電的核心是頻譜檢測，只有正確地檢測到頻段的使用情況，才能實現(xiàn)認知無線電的功能。

2 基于認知無線電的頻譜檢測方法研究

2.1 能量檢測

能量檢測是一種較為簡單的頻譜檢測方法，它的檢測原理是根據(jù)一定時間內(nèi)接收到的能量大小來判定是否存在工作信號還是只有噪聲，如果周圍環(huán)境噪聲服從高斯分布，那么能量檢測是實際檢測環(huán)境中使用最為廣泛的檢測方法，因為使用該檢測方法不用知道授權(quán)用戶的任何先驗知識，并且運算速度快，時間復(fù)雜度較低，更重要的是，在很多情況下次級用戶是不知道授權(quán)用戶的相關(guān)信息的。一般在理論分析上，可以認為環(huán)境噪聲是服從高斯分布的，不過需要注意的是在實際的電磁環(huán)境中，其只是近似服從高斯分布，并且在噪聲波動較大時，誤差會變大。

能量檢測方法的具體實施方法是通過對接收到的信號進行采樣，然后求模加平方和就可得到檢驗統(tǒng)計量，而后與門限進行比較，就可進行判決。需要注意的是能量檢測是通過對周圍環(huán)境中的噪聲進行動態(tài)檢測，根據(jù)檢測得到的結(jié)果判決授權(quán)用戶是否工作。因此，對周圍環(huán)境噪聲檢測得到的結(jié)果是否準確將直接影響到最后的檢測性能。

2.2 匹配濾波器檢測

匹配濾波器檢測是通過在信號的接收端按照匹配濾波器的要求來設(shè)計檢測方法，以達到改善信噪比的目的。匹配濾波器指的是如果周圍環(huán)境噪聲是加性平穩(wěn)噪聲，在輸入功率信噪比一定的條件下，使輸出功率信噪比最大的濾波器，就是一個與輸入信號相匹配的最佳濾波器，稱之為匹配濾波器。匹配濾波器對振幅和時延參量不同的信號具有很強的適應(yīng)能力，不過對頻移信號不具有適應(yīng)能力。匹配濾波器的主要優(yōu)勢在于該濾波器能夠使輸出功率信噪比最大化，因此可以得到最好的檢測性能。

不過該檢測方法存在一些明顯的缺點：該檢測方法需要知道授權(quán)用戶的相關(guān)信息才能進行檢測，而對該信息的存儲將會花費更多的存儲空間。并且，為了能夠保證授權(quán)用戶的工作信號發(fā)生變化時，次級用戶能夠使用同樣的濾波器，認知網(wǎng)絡(luò)必須進行非常復(fù)雜的運算，而這將花費更多的時間資源。

2.3 序列檢測

在對接收信號的觀測達到預(yù)設(shè)的觀測次數(shù)后，必須作出授權(quán)用戶是否存在的判決方法稱為硬判決，能量檢測和匹配濾波器檢測都屬于硬判決的范疇。如果事先不預(yù)設(shè)觀測次數(shù)，而是邊觀測邊作出判決，即如果在這次判決中無法得到滿意的判決結(jié)果，就繼續(xù)增加觀測次數(shù)，再次判決，直到得到滿意的判決結(jié)果為止，這種判決方式稱為信號的序列檢測。序列檢測方法是一種觀測次數(shù)不定的實時判決方法，由于與傳統(tǒng)的硬判決方法相比，在保證檢測性能不變的前提條件下，該方法使用的平均采樣點數(shù)更少，可以減少感知時間，從而提高頻譜利用率。因此，該方法在頻譜檢測領(lǐng)域得到了越來越多的關(guān)注。不過該檢測方法由于需要邊檢測邊判決，與傳統(tǒng)的硬判決相比，其運算復(fù)雜度會更高，因此在實際使用中需要權(quán)衡是否能夠承受較高的運算復(fù)雜度。

3 結(jié)論

本文研究了認知無線電環(huán)境下的常用頻譜檢測方法，包括能量檢測，匹配濾波器檢測和序列檢測。對上述檢測方法的優(yōu)劣進行了分析，為不同的檢測環(huán)境如何選取檢測方法提供了參考。隨著認知無線電技術(shù)的研究越來越深入，相信頻譜資源匱乏的問題將會逐步得到解決，人們的生活也會越來越便捷。

參考文獻

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作者單位

1.海裝沈陽局 遼寧省沈陽市 110081

2.中國艦船研究設(shè)計中心 湖北省武漢市 430064