認知無(wú)線(xiàn)電在震后應急通信中的應用

1．前言
四川汶川地震造成了巨大的生命財產(chǎn)損失，挽救損失最關(guān)鍵的就是如何在震后迅速有效的恢復應急通信，這樣才能了解災情，統一指揮，為在災后72小時(shí)黃金救援時(shí)間內更好的組織協(xié)調，因此災后應急通信的恢復顯得至關(guān)重要。地震發(fā)生r，電信企業(yè)都面臨兩大考驗：一方面，通信網(wǎng)絡(luò )因災害受到不同程度的損壞，信息通信服務(wù)保障能力大大降低；另一方面，災害發(fā)生后，政府和公眾均十分迫切地想了解災情，通信業(yè)務(wù)“井噴式”增長(cháng)，形成通信阻塞。面對這兩大難題，有人提出要開(kāi)展重要線(xiàn)路第二路由的建O、通過(guò)主干線(xiàn)路的備份建設來(lái)提高抗災能力；還有提出要建立起天地結合、模式多樣的應急通信手段。然而這些僅僅只是從線(xiàn)路的建設和途徑的多樣化上來(lái)進(jìn)行防范，面對災后應急通信的巨大信息流量，這些線(xiàn)路是否能承受的了如此大信息量？是否會(huì )因此又造成通信堵塞？認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)從解決高頻段頻譜利用率低下的問(wèn)題出發(fā)，使得無(wú)線(xiàn)通信設備可以接入授權的高頻空閑頻譜，并動(dòng)態(tài)的利用頻譜，有望緩解現有通信線(xiàn)路的擁堵問(wèn)題，為應急通信的建設展開(kāi)了另一種技術(shù)前景。

2．認知無(wú)線(xiàn)電的基本概念
認知無(wú)線(xiàn)電的概念是由Joseph Mitola在1999年提出的，其核心思想是使無(wú)線(xiàn)通信設備具有發(fā)現空閑頻譜并合理利用頻譜資源的能力。眾所周知，無(wú)線(xiàn)電通信頻譜是一種寶貴的自然資源，一般由政府授權使用。在頻率需求非常緊張的數百MHZ-3GHZ無(wú)線(xiàn)頻帶中，一些頻帶大部分時(shí)間內并沒(méi)有用戶(hù)使用，另有一些偶爾才被占用，其它頻段使用競爭則相對激烈。認知無(wú)線(xiàn)電被認為是解決目前無(wú)線(xiàn)頻譜利用率的最佳方案，它是一個(gè)智能的無(wú)線(xiàn)通信系統，具有環(huán)境感知和傳輸參數自我修改的功能，通過(guò)對環(huán)境的理解實(shí)時(shí)改變和調整它的內部狀態(tài)，適應外部無(wú)線(xiàn)環(huán)境的變化，從而實(shí)現頻譜共享，動(dòng)態(tài)的增加網(wǎng)絡(luò )和個(gè)人用戶(hù)的可用頻譜總數，為頻譜分配提供了一個(gè)可能的解決方案。
認知無(wú)線(xiàn)電的認知能力表現在能實(shí)時(shí)與它所處的環(huán)境交互，從而決定合適的通信參數并適應動(dòng)態(tài)的無(wú)線(xiàn)環(huán)境。這個(gè)任務(wù)要求在公開(kāi)頻譜中的自適應性操作，如圖1所示，稱(chēng)之為認知循環(huán)。認知循環(huán)包含3個(gè)主要步驟：頻譜感知、頻譜分析和頻譜決策。

3．認知無(wú)線(xiàn)電的應急通信模型
針對地震后通信系統出現的問(wèn)題，由于常用頻段信道容量有限，通信量突增會(huì )造成信道的堵塞，為了緩解通信線(xiàn)路擁擠的壓力，結合認知無(wú)線(xiàn)電頻譜感知技術(shù)，如圖2所示表示了一個(gè)基于認知無(wú)線(xiàn)電的信號傳輸系統的模型，其中模型的設計就是對被測信號空間進(jìn)行信號處理，從噪聲背景下發(fā)現信號和提取信號所攜帶的信息，并制定檢測估計準則，做出有無(wú)授權用戶(hù)存在（或頻譜空穴）的檢測報告，這就是認知無(wú)線(xiàn)電的頻譜感知過(guò)程，然后將頻譜空穴所在頻段劃分成若干信道，并把基帶信號調制到空隙頻段上，實(shí)際就是頻譜搬移，將相對較低的頻譜搬遷到較高的頻譜上，這樣信號就可以在這些高頻信道上進(jìn)行傳輸了。

圖1 認知循環(huán)

圖2 基于認知無(wú)線(xiàn)電的信號傳輸模型圖

進(jìn)行信號處理，從噪聲背景下發(fā)現信號和提取信號所攜帶的信息，并制定檢測估計準則，做出有無(wú)授權用戶(hù)存在（或頻譜空穴）的檢測報告，這就是認知無(wú)線(xiàn)電的頻譜感知過(guò)程，然后將頻譜空穴所在頻段劃分成若干信道，并把基帶信號調制到空隙頻段上，實(shí)際就是頻譜搬移，將相對較低的頻譜搬遷到較高的頻譜上，這樣信號就可以在這些高頻信道上進(jìn)行傳輸了。

4．認知無(wú)線(xiàn)電的頻譜感知技術(shù)
頻譜感知是認知無(wú)線(xiàn)電系統的基本功能，是實(shí)現頻譜管理、頻譜共享的前提。所謂的“感知”就是在時(shí)域、頻域和空域多維空間，對被分配給授權用戶(hù)頻段不斷地進(jìn)行頻譜檢測，檢測這些頻段內主用戶(hù)是否工作，從而得到頻譜的使用情況。如果該頻段未被授權用戶(hù)占用，那么該頻段被稱(chēng)為“頻譜空穴”，認知用戶(hù)可以臨時(shí)使用頻譜空穴。結合上述的模型，通常有匹配濾波檢測、能量檢測和周期平穩過(guò)程特征檢測三種檢測感知用戶(hù)發(fā)生源方案。
4．1 匹配濾波檢測
匹配濾波檢測是信號檢測中的一種比較常用的方法，它能夠使接收信號的信噪比最大化。在認知無(wú)線(xiàn)電設備中使用匹配濾波器，實(shí)際上完成的是解調授權用戶(hù)的信號，這樣認知無(wú)線(xiàn)電用戶(hù)就要知道授權用戶(hù)的物理層和媒體控制層的信息，利用這些來(lái)實(shí)現與待測信號在時(shí)域和頻域上的同步，從而解調信號。這種檢測方法的優(yōu)點(diǎn)是可以在很短時(shí)間內完成同步而提高信號的處理增益，缺點(diǎn)是必須要認知用戶(hù)掌握每一類(lèi)授權用戶(hù)的各種信息。
4．2 能量檢測
能量檢測是一種非相干的檢測方法，它只需要知道被檢測頻段內信號的能量。為了測量接收信號的能量，需要對帶通濾波器的輸出信號進(jìn)行平方運算并在觀(guān)測時(shí)間段內進(jìn)行積分，將積分器的輸出和固定門(mén)限值相比較。這種檢測方法由于受到檢測門(mén)限的限制，感知精度不高，通常用于粗略感知階段。能量檢測模型如圖3所示。

圖3 能量檢測模型