無(wú)線(xiàn)電中頻譜感知技術(shù)的設計和實(shí)現

隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信業(yè)務(wù)的增長(cháng)，可利用的頻帶日趨緊張，頻譜資源匾乏的問(wèn)題日益嚴重。怎樣才能提高頻譜利用率，在不同區域和不同時(shí)間段里有效地利用不同的空閑頻道，成為人們非常關(guān)注的技術(shù)問(wèn)題。為了解決該問(wèn)題，Joseph Mito1a于1999年在軟件無(wú)線(xiàn)電的基礎上提出了認知無(wú)線(xiàn)電(Cognitive Radio，簡(jiǎn)稱(chēng)CR)的概念，要實(shí)現動(dòng)態(tài)頻譜接入，首先要解決的問(wèn)題就是如何檢測頻譜空穴，避免對主用戶(hù)的干擾，也就是頻譜感知技術(shù)。CR用戶(hù)通過(guò)頻譜感知檢測主用戶(hù)是否存在，從而利用頻譜空穴。

　　認知無(wú)線(xiàn)電(CR)概念由Joseph Mitola博士提出，其主導思想是實(shí)現伺機的動(dòng)態(tài)頻譜接入，即非授權用戶(hù)(也稱(chēng)次用戶(hù)或認知用戶(hù))通過(guò)檢測，機會(huì )性地接入已分配給授權用戶(hù)(或主用戶(hù))但暫時(shí)很少使用甚至未被使用的空閑頻段，一旦主用戶(hù)重新接入該頻段，次用戶(hù)迅速騰出信道。這種技術(shù)需解決的首要問(wèn)題就是如何快速準確地獲取授權頻譜的使用情況，目前主要有3類(lèi)解決方案：建立數據庫檔案、傳送信標信號和頻譜感知。表1從多個(gè)方面對3種方案進(jìn)行了比較，其中頻譜感知方案因具有建設成本低、與現有主系統的兼容性強等突出優(yōu)點(diǎn)，得到了大多數研究學(xué)者的認同;另外兩種由于受到政治、經(jīng)濟等因素的制約而很難實(shí)現，對其研究相對較少。

　　頻譜感知，是指認知用戶(hù)通過(guò)各種信號檢測和處理手段來(lái)獲取無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中的頻譜使用信息。從無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的功能分層角度看，頻譜感知技術(shù)主要涉及物理層和鏈路層，其中物理層主要關(guān)注各種具體的本地檢測算法，而鏈路層主要關(guān)注用戶(hù)間的協(xié)作以及對本地感知、協(xié)作感知和感知機制優(yōu)化3 個(gè)方面。因此，目前頻譜感知技術(shù)的研究大多數集中在本地感知、協(xié)作感知和感知機制優(yōu)化3個(gè)方面。文章正是從這3個(gè)方面對頻譜感知技術(shù)的最新研究進(jìn)展情況進(jìn)行了總結歸納，分析了主要難點(diǎn)，并在此基礎上討論了下一步的研究方向。

　　1 本地感知技術(shù)

　　1.1 主要檢測算法

　　本地頻譜感知是指單個(gè)認知用戶(hù)獨立執行某種檢測算法來(lái)感知頻譜使用情況，其檢測性能通常由虛警概率以及漏檢概率進(jìn)行衡量。比較典型的感知算法包括：

　　能量檢測算法，其主要原理是在特定頻段上，測量某段觀(guān)測時(shí)間內接收信號的總能量，然后與某一設定門(mén)限比較來(lái)判決主信號是否存在。由于該算法復雜度較低，實(shí)施簡(jiǎn)單，同時(shí)不需要任何先驗信息，因此被認為是CR系統中最通用的感知算法。

　　匹配濾波器檢測算法，是在確知主用戶(hù)信號先驗信息(如調制類(lèi)型，脈沖整形，幀格式)情況下的最佳檢測算法。該算法的優(yōu)勢在于能使檢測信噪比最大化，在相同性能限定下較能量檢測所需的采樣點(diǎn)個(gè)數少，因此處理時(shí)間更短。

　　循環(huán)平穩特征檢測算法，其原理是通過(guò)分析循環(huán)自相關(guān)函數或者二維頻譜相關(guān)函數的方法得到信號頻譜相關(guān)統計特性，利用其呈現的周期性來(lái)區分主信號與噪聲。該算法在很低的信噪比下仍具有很好的檢測性能，而且針對各種信號類(lèi)型獨特的統計特征進(jìn)行循環(huán)譜分析，可以克服惡意干擾信號，大大提高檢測的性能和效率。

　　協(xié)方差矩陣檢測算法，利用主信號的相關(guān)性建立信號樣本協(xié)方差矩陣，并以計算矩陣最大、最小特征值比率的方法做出判決。文獻[1]提出基于過(guò)采樣接收信號或多路接收天線(xiàn)的盲感知算法。通過(guò)對接收信號矩陣的線(xiàn)性預測和奇異值分解(QR)得到信號統計值的比率來(lái)判定是否有主用戶(hù)信號。

　　以上這些算法都是對主用戶(hù)發(fā)射端信號的直接檢測，基本都是從經(jīng)典的信號檢測理論中移植過(guò)來(lái)的。此外，近期一些文獻從主用戶(hù)接收端的角度提出了本振泄露功率檢測和基于干擾溫度的檢測。有些文獻對經(jīng)典算法進(jìn)行了改進(jìn)，如文獻[2]提出了一種基于能量檢測-循環(huán)特征檢測結合的兩級感知算法。文獻[3]研究了基于頻偏補償的匹配濾波器檢測、聯(lián)合前向和參數匹配的能量檢測、多分辨率頻譜檢測和基于小波變換頻譜檢測等。表2歸納了文獻中提及較多的一些感知算法，并對其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。

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