認知無線電頻譜感知技術(shù)的應(yīng)用探討

馬曉曉

摘要：本文探討了認知無線電頻譜感知技術(shù)的基本原理和作用，研究分析了認知無線電頻譜感知技術(shù)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：認知無線電;頻譜感知;物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：TN925 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）05-0069-02

1認知無線電頻譜感知技術(shù)的基本原理和作用

頻譜感知技術(shù)是對無線電頻譜在時間、頻率、空間等方面的檢測，以得到頻譜是否被占用的檢測結(jié)果，基于該檢測結(jié)果對無線電頻譜進行動態(tài)調(diào)整。頻譜感知技術(shù)在認知無線電中不僅可以搜尋頻譜空洞，還可以實時監(jiān)測頻譜狀態(tài)。在特定狀況下，頻譜感知技術(shù)能夠正確的預(yù)估到射頻信息相撞的情況，使非授權(quán)用戶能夠盡快進行主動退避，避免對授權(quán)用戶產(chǎn)生大的干擾。頻譜感知技術(shù)具有：（1）頻譜協(xié)調(diào)作用，頻譜感知技術(shù)能夠協(xié)調(diào)頻譜資源的分配，將更多的空閑頻譜資源分配給需要的用戶，解決頻譜資源短缺的問題;（2）頻譜排斥作用，對于特定的授權(quán)頻段，當檢測方檢測其已被使用，則檢測方不會使用該頻段，從而避免同時使用該頻段帶來后續(xù)干擾;（3）頻譜共享作用，在保證認知用戶不會影響到主用戶的正常使用時，通過與主用戶一起使用授權(quán)頻譜，達到頻譜資源利用的最大化。

2認知無線電頻譜感知技術(shù)的應(yīng)用

2.1認知無線電頻譜感知技術(shù)在智能家居網(wǎng)中的應(yīng)用

智能終端，小到手表、手機、平板，大到照明燈具、電視、冰箱、洗衣機，支持多種無線接入頻譜資源（比如2G-5G，WIFI、ZIGBEE、RFID、藍牙等），越來越廣泛運用于家庭生活中，為了滿足用戶的業(yè)務(wù)需求，基于認知無線電頻譜感知技術(shù)，部署自組網(wǎng)形式的網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域，智能終端可以選擇最佳無線接人頻譜資源，從而為用戶提供高速、可靠的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)。

2.2認知無線電頻譜感知技術(shù)在車聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

根據(jù)實際交通道路狀況，參照車聯(lián)網(wǎng)WAVE協(xié)議，通過多個車載無線通信設(shè)備、多個主用戶、多個信道構(gòu)建認知車載網(wǎng)絡(luò)模型。車載無線通信設(shè)備作為次用戶，其在不干擾主用戶前提下利用空閑頻譜傳輸數(shù)據(jù)，其中空閑頻譜為不被主用戶使用的頻率。車載無線通信設(shè)備感知多個信道，并且在該信道未被主用戶使用的情況下，車載無線通信設(shè)備利用該頻率進行無線通信。即使在進行無線通信期間，也必須定期感知主用戶是否利用該頻率，并且一旦感知到主用戶對該頻率的利用，就立即停止在該頻率處的無線通信。通過組合在感知期間每個車載無線通信設(shè)備在多個循環(huán)中獲得的感知結(jié)果，或者通過組合多個車載無線通信設(shè)備獲得的感知結(jié)果，獲得分集效果，并且感知精度被提高。

2.3認知無線電頻譜感知技術(shù)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

相對城市而言，農(nóng)村建筑物少，多以平房居多，人口密度低，無線電頻譜資源在農(nóng)村使用率低，尤其是低頻段，農(nóng)村頻譜資源的現(xiàn)狀為頻譜感知在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用提供了很好的契機。認知農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)模型主要包括授權(quán)網(wǎng)絡(luò)、認知節(jié)點、各種農(nóng)業(yè)傳感器及匯聚節(jié)點，其中授權(quán)網(wǎng)絡(luò)是指現(xiàn)存的對無線頻譜有使用資格的網(wǎng)絡(luò)。在農(nóng)作物種植區(qū)域內(nèi)，各種農(nóng)業(yè)傳感器將土壤的溫濕度、當前農(nóng)作物生長情況實時匯報給匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點必須將信息數(shù)據(jù)實時上報，以供農(nóng)作物專家或農(nóng)作物種植人員遠程監(jiān)控和管理。這時，認知節(jié)點運用頻譜感知技術(shù)，感知網(wǎng)絡(luò)中可使用的頻譜資源，并告知匯聚節(jié)點，使得匯聚節(jié)點使用該頻譜資源實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的實時傳遞匯報，各種農(nóng)業(yè)傳感器借助頻譜資源實現(xiàn)農(nóng)作物種植區(qū)域的實時監(jiān)測，在一定程序解決了頻譜資源擁擠的問題。

2.4認知無線電頻譜感知技術(shù)在食品安全生產(chǎn)中的應(yīng)用

在食品生產(chǎn)中，食品安全問題對食品生產(chǎn)至關(guān)重要，大量低成本的無線傳感器部署于食品安全生產(chǎn)中，無線傳感器通信質(zhì)量在一定程度影響企業(yè)的生產(chǎn)效益，建立食品安全生產(chǎn)方面的認知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)很有必要。假設(shè)認知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中有M個信道、N個傳感器，每個傳感器同時檢測多個信道，隨機選擇空閑頻段。對于信道的分配有兩種情況：（1）一個傳感器獨占一個信道，如果檢測的信道被其他傳感器占用，當前傳感器便會選擇其他可用信道完成食品安全檢測;（2）多個傳感器共享同—個信道，這種情況下，當前傳感器根據(jù)頻譜檢測結(jié)果來決定是否占用當前信道，從而解決信道擁堵，提高通信速率，食品生產(chǎn)的相關(guān)信息快速而準確傳達給每一位觀察者，為食品安全可溯源提供有力的保障。

2.5認知無線電頻譜感知技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

將頻譜感知技術(shù)引用智能電網(wǎng)，在每一個電力消費單元配置一臺智能電表，在電力消費單元的上級供電單元配置需求響應(yīng)管理模塊，智能電表與需求響應(yīng)管理模塊之間通過非授權(quán)信道和授權(quán)信道進行數(shù)據(jù)傳輸;智能電表通過頻譜感知算法實現(xiàn)對授權(quán)信道占用情況的監(jiān)測，需求響應(yīng)管理模塊根據(jù)各個智能電表中頻譜感知情況確定每個電力消費單元的平均中斷率，然后根據(jù)上級供電單元的供應(yīng)量、每個電力消費單元的平均中斷率以及每個電力消費單元的用電量調(diào)整用電價格，實現(xiàn)社會效益的最大化。

2.6認知無線電頻譜感知技術(shù)在公共安全網(wǎng)中的應(yīng)用

報警、火警和醫(yī)療急救等公共安全事務(wù)需要使用無線電，然而目前分配給公共安全網(wǎng)的頻譜資源有限，且公安、消防、醫(yī)院等部門所用的硬件軟件不統(tǒng)一，部門之間網(wǎng)絡(luò)聯(lián)動存在障礙。將頻譜感知技術(shù)引用公共安全網(wǎng)，公共安全工作者使用具有認知功能的移動設(shè)備，能夠?qū)崟r監(jiān)測信道頻譜變化，保證網(wǎng)絡(luò)暢通，隨時隨地接入網(wǎng)絡(luò)，為公共安全提供可靠的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

2.7認知無線電頻譜感知技術(shù)在遠程醫(yī)療中的應(yīng)用

遠程醫(yī)療是通過無線通信技術(shù)建立病患與醫(yī)療資源之間的溝通橋梁，為遠地病患提供醫(yī)療服務(wù)。在遠程醫(yī)療中，通過多個醫(yī)學(xué)傳感器節(jié)點、移動終端、基站、遠程醫(yī)療監(jiān)控中心構(gòu)建基于無線體域網(wǎng)的認知遠程醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)模型，其中，醫(yī)學(xué)傳感器節(jié)點感測病患的生理狀況并傳送給移動終端，按照緊急程度進行分級，對生命攸關(guān)的數(shù)據(jù)優(yōu)先分配良好的資源，對于非緊急的生理參數(shù)、保健信息、教育信息等數(shù)據(jù)可以分配較低級別的資源，除了使用針對醫(yī)療無線體域網(wǎng)開放的2360-2400MHz頻段外，還可以檢測并使用其他空閑頻段，由移動終端通過基站傳輸?shù)竭h程醫(yī)療監(jiān)控中心，再由醫(yī)療人員或相關(guān)醫(yī)療設(shè)備對遠程數(shù)據(jù)信息進行處理及反饋，保證了遠程醫(yī)療的順序開展。

2.8認知無線電頻譜感知技術(shù)在衛(wèi)星導(dǎo)航中的應(yīng)用

隨著GPS、GLONASS、BDS和Galileo四大衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星頻譜資源的利用也面臨瓶頸，認知無線電頻譜感知技術(shù)在衛(wèi)星導(dǎo)航中的應(yīng)用應(yīng)運而生。在軍事方面，可以根據(jù)頻譜感知結(jié)果關(guān)閉部分衛(wèi)星的導(dǎo)航，使得敵方捕獲不到導(dǎo)航信號;又或者主動對作戰(zhàn)區(qū)域或敵方進行頻譜干擾，從而使敵方設(shè)備失去導(dǎo)航作用而無法正常作戰(zhàn)，通過科技技術(shù)提高我方戰(zhàn)斗力。在民用方面，可以對根據(jù)頻譜感知，對目標區(qū)域的導(dǎo)航信號進行增強，對非目標區(qū)域的導(dǎo)航信號消弱，保證目標區(qū)域連續(xù)可靠導(dǎo)航，而非目標區(qū)域不享受導(dǎo)航服務(wù)，使衛(wèi)星的導(dǎo)航作用得到充分發(fā)揮。

3結(jié)語

頻譜感知是認知無線電中最為關(guān)鍵的技術(shù)之一，頻譜感知技術(shù)以其突出的優(yōu)點而具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，頻譜感知技術(shù)從概念到應(yīng)用尚面臨諸多挑戰(zhàn)，還有很多難題需要解決，認知無線電頻譜感知技術(shù)的檢測硬件、通信協(xié)議、以及在其他領(lǐng)域的應(yīng)用等方面將需要進一步的研究。