认知无线电网络中的频谱感知技术及面临的挑战

摘要：频谱感知作为认知无线电的关键技术之一，允许非授权用户伺机访问未使用的授权频带资源，从而大大改善了频谱利用率，并且具有较低的部署成本和较好的兼容性。文章首先介绍了认知无线电的概念和频谱感知提出的背景；然后详细探讨了频谱感知面临的技术挑战和设计权衡，并考虑了安全性问题；最后对可能威胁频谱感知的安全问题进行了说明并给出了结论。

关键词：认知无线电；软件无线电；频谱感知；动态频谱访问；协同感知

王海涛1江瑾尧2（1.解放军理工大学通信工程学院南京210007；

2.解放军理工大学理学院南京211101）

认知无线电网络中的频谱感知技术及面临的挑战

收稿日期：2010-03-10

1前言

当前无线频谱资源日趋紧张，造成这种状况的

原因主要包括以下几个方面：一是资源本身有限；二是无线设备和应用越来越普及，消费者对无线频谱的需求越来越大；三是无线频谱资源的分配极不合理。因此，

有效搜索和利用未用的频谱是一项富有挑战的任务。频谱分配方式主要有两种[1]：

专用方式，出售或分配给具有唯一支配权的服务提供商或机构；公用方式，可以按照协商的方式共同使用频谱资源。需要指出的是，当前主要采用第一种分配方式，固定为用户分配指定的独占频带，这种分配方式非常低效和呆板，很快将会耗尽可用的频谱资源。实际上，许可频谱不论在时间和空间上都没有得到充分利

用。据Shared Spectrum 公司报导，所有可用频带的平均利用率不到10%，在某些频带，如30～300M Hz ，甚至低于2%[2]。专用分配方式和严格的管制策略是极

不合理的，人为加剧了无线资源的短缺问题。为此，管理层考虑实施新的频谱管理策略，引入了动态频谱访问（DSA ）的概念[3]，即允许非许可用户（ULU ）伺机利用许可用户（LU ）未使用的频带。

近来，FCC 已允许非许可用户访问TV 频带的频谱空洞。在此基础上，

IEEE 也成立了IEEE 802.22工作组负责开发相应的空中接口和此方面的标准化工

作[1]。认知无线电（Cognitive Radio ，CR ）正是在这种背

景下产生的一种崭新的无线通信模式，最早是由

Joseph M itola 博士于1999年提出的[4]。认知无线电是在软件无线电（SR ）的基础上增加了频谱感知和智能处理能力，允许认知无线电设备通过感知无线环境，按

照伺机（Opportunistic ）方式动态利用在空域、频域和时域上出现的空闲频谱资源（称为频谱空洞，即指分配给某授权用户但在特定时间和位置该用户没有使

用的频带

），从而提高现有频谱资源的利用率。2频谱感知技术

2.1

基本技术

认知无线电设备必须能够感知并分析特定区域的频段，找出适合通信的频谱空洞，在不影响已有通信系统的前提下进行工作，将认知无线电用户通过扫描频带以确定哪些频带可用于数据传输的过程称

为频谱感知。由此可见，频谱感知（或频谱检测）技术

是CR 应用的基础和前提[5]。CR 用户在工作时必须频繁地对当前工作频段和其他频段进行感知操作。对当前工作频段感知的目的是检测频段是否出现主用户：当出现主用户时可以进行快速的规避，放弃对当前工作频段的占用，从而避免对主用户形成干扰。对其他频段感知的目的是对周围其他频段的频谱使用状况进行监测：一方面在当前工作频段不可用时，可以及时切换到其他可用的工作频段；另一方面，可以

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利用新的可用频谱资源扩展工作频段，从而提高传输速率和网络的容量。

为了保护主用户的正常通信，必须可靠识别频谱空洞。当前可以采用的方法主要包括中心数据库注册、信号广播和频谱感知[6]。前两种方法要求许可用户（也称主用户）向非许可用户（称为次用户）提供当前的频谱使用信息（如主用户的位置、功率以及工作周期等），通过在中心数据库注册相关的数据或者通过beacon信号广播此信息。尽管这两种方法可以简化次用户终端的设计，但是要求对当前的系统作适当修改，无法与传统的系统兼容。另外，这种方法的部署成本较高，需要获得位置信息，并要求随时连接到数据库或使用专用的信道来广播beacon信号。与此不同，频谱感知仅依赖于次用户终端检测许可频带来发现频谱空洞，尽管其收发器相对复杂，但成本较低、不需要改动主系统并且具有较强的适应性，因而得到了业界广泛关注和研究。

频谱感知的基本方法主要有三种[7]：如果主用户信号的结构是已知的，那么可以通过基于门限检测的匹配滤波器来予以检测。但是这种方法成本较高，特别是在系统规模较大、用户较多的情况下。另一种方法是能量检测法，只需在检测间隔测量在主频带上收到的能量，如果能量低于设置的门限，则认为存在频谱空洞。相比而言，能量检测需要更长的检测时间，但是成本较低，实现相对简单。但它的缺点是难以区分接收的能量来源，容易受到噪声的影响。如果主信号的一些特性（如载波频谱或调制类型）是已知的，则可以采用更复杂但更精确的特征检测法。特征检测法的依据是大多数主信号由于具有内在的周期特性，如载波频率、比特速率和循环嵌缀，而展现出独特的频谱相关性。实际上，往往组合使用上述技术来实现频谱感知。例如首先使用能量检测进行快速粗略的扫描识别可能的空闲频带范围，然后再利用特征检测发现其中的频谱空洞。需要指出的是，无论采用哪种检测方法，检测时间越长，检测的精度相对也越高，但是检测时间受到频谱管理规则的限制。2.2面临的挑战

频谱感知的性能会受到多方面的限制，面临诸多挑战[8]。例如次用户在利用频谱空洞时仍需要周期性检测频带以了解主用户是否出现，因此检测周期T p确定了次用户无法了解主用户活动的最大时间，进而决定了主用户的性能降级程度。通常，T p取决于主用

户业务的类型和重要性，主用户对时延越敏感，T p也

应越小。由于无法在发送数据的同时进行检测，数据

传输和频谱检测必须交替执行。一方面，希望花费尽

量少的时间用于频谱检测以提高数据传输吞吐量，另一方面希望频谱监测的频度足够大以防止影响主

用户的通信。因此数据传输速率和频谱感知准确度

之间存在冲突。如果次用户引入的干扰使得主用户

的信干比低于工作门限，那么主用户则无法正常工作。工作门限取决于干扰信号的特性、接收器对噪声

的灵敏度和特定的频带范围，如模拟TV的门限是

34dB，而数字TV则为23dB。次用户的干扰范围定义

为次用户能够对主用户造成有害干扰的最大距离。根据此定义，干扰范围与次用户的传输功率和主用

户的干扰容忍度相关。一般来说，认知无线电用户数

越多、功率越强，那么干扰范围也越大。因此需要相

应的频谱管理机制根据主接收用户的检测灵敏度对

次用户的传输活动和功率加以限制。

认知无线电网络中频谱感知的困难源于无线信

道的动态特性以及设备和网络的不确定性。在信道

出现衰落或遮蔽的情况下，较低的信号接收强度不

一定意味着主用户位于次用户的干扰范围之外，因

为主用户信号此时可能经历深度衰落或严重遮蔽[9]。因此，频谱感知必须考虑这种情况，这通常也意味着

要求认知无线电设备具有更高的检测灵敏度。在深

度衰落的情况下，单个次用户设备往往难以获得期

望的检测灵敏度，因为需要的检测时间可能会超过

设定的检测周期。为此，需要通过一组设备协作实施

监测，分享它们测得的数据并共同决策是否存在主

用户。另一方面，由于测量误差和热噪音的随机变化，使得噪音功率也难以准确测量。因此，应该考虑

最坏的噪音情况，也就要求检测器更加敏感。能量检

测受噪音不确定性影响较大，而特征检测法受其影

响较小。

此外，当次级用户数量较多时，可能存在多个次

级用户使用同一频带资源的情况，这样就存在不确

定的聚集干扰（次级用户的数量和位置未知）。在这

种情况下，即使主用户在每个次用户的干扰范围以外，但是聚集的干扰可能会对它造成影响。当次用户

距离较近时，它们可以互相检测到而避免同时发送

数据，但当距离较远时则无能为力。因此，需要协调

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