认知无线电频谱感知技术分析

认知无线电频谱感知技术分析

摘要：认识无线电技术做为近年来通信领域的热点研究课题，是无线通信新兴智有技术之一，它对目前频谱资源利用率较低的固定频谱分配制度问题能够有效加以解决。因此，深入探讨做为认知无线电实现频谱分配、频谱共享前提和基础的频谱感知过程，则成为整个系统环节的重中之重。

关键词：认知无线电频谱感知技术研究意义分类分析中图分类号：tn925 文献标识码：a 文章编号：

1007-9416(2012)02-0033-02

伴随着广播电视、移动通信等领域中的应用越来越广泛，无线电技术应用面不断得到扩展，这使得有限的无线电频谱资源，与社会不断增长的需求产生一定的矛盾，可以说，随着人类社会对无线电频谱资源需求的增长，其也已成为稀缺的信息社会重要资源之一。认知无线电技术正是在这种背景下产生的，它可从有效解决因固定频谱分配政策导致的频谱资源不合理分配问题，并在探索频谱空穴特性的基础上，对无线频谱资源高效利用的重要手段。因此，探讨频谱感知这一认知无线电关键技术越来越为人们所关注，对此进行进入地探究也更具重要的现实意义。

1、认知无线电频谱感知技术的研究意义

频谱感知/空闲频谱检测和动态频谱资源管理是认知无线电最核心两项技术，而频谱感知过程决定了其后续环节实施的顺利与否，

可以说，感兴趣频段的检测，成为整个系统实现与否的重要前提条件。因此，频谱感知技对于认知无线电的研究与发展作用极大。

感知无线信道的环境，对信息检测、感知过程中出现的空闲频谱，并将其看做是作用在物理层上的信号处理技术，频谱感知在认知无线电中的主要任务包含两方面的内容：一方面应检测授权用户的信号存在与否，判断频段是否可用，这个任务要求频谱检测具有较高的可靠性；另一方面，由于接入权差异的客观存在，认知用户在使用某一频段的过程中，必须时刻保持有效的监测状态，对授权用户接入或使用该频段时不接入或是及时用最快的速度退出占用，以避免干扰到授权用户的正常工作。

对认知无线电接收机而言，其工作地点即可在授权频段，也可在非授权频段。在授权频段上，授权用户比认知用户的接入权要高，认知用户在占用频段后，需进行周期性检测，以防与授权用户出现使用冲突现象，若频谱空穴已为信号所占用，则还需要去寻找新的空闲频段才能进行信号的传输，所以认知用户需要判断频谱空穴是否真实存在，这个过程包含在授权频段的检测过程中。

为了满足无线电频谱的检测要求，需要使认知无线电系统中的频谱感知执行得更加可靠和有效，以确保授权业务免受干扰，还要使不同认知用户利用授权频段来传输非授权信号更加合理。通过以上分析可知，在认知无线电应用中，频谱感知/空闲频谱检测具有着重要的基础意义，因此，探讨频谱感知技术很有其必要性，这也是

认识无线电应用中必须加以讨论的的核心内容。

2、认知无线电频谱感知技术分类的形式

从本质上来讲，频谱感知是通过对接收信号的检测，认识用户能够对某信道存在授权用户与否作出准确判断。同时为避免对授权用户使用造成干扰，认知用户必须能够检测出空闲频谱，以及授权用户的出现。也就是要求认知用户有效提升检测的可靠性，从而能够实现连续、实时地侦听频谱。

在频谱感知过程中，授权用户的类型不同对感知灵敏度也有着不同的要求。举例来讲，普通电视接收器较gps接收机而言，其灵敏度要差一些，所以电视广播信号就较gps信号更容易检测。因此，认知无线电的灵敏度相对较高，至少要超过授权用户接收机的灵敏度，并拥有30～44db的余量，以避免“隐藏终端问题”(hidden terminal problem，htp)。

同时，由于认知环境的差异，实现频谱感知还需要高度的灵活性。频谱感知对信号的处理表现在通过信号统计对授权用户作出身份

辨识和通过处理增益提高射频前端灵敏性。总体来讲，频谱感知技术可归纳为授权用户发射端检测、授权用户接收端检测和协作检测。其中，本地频谱检测是指单个认知用户独立执行频谱检测算法检测的过程，又可以分为: 授权用户接收端检测(primary receiver-sensing)和授权用户发射端检测(primary

transmitter-sensing)。协作检测(cooperative sensing)则是指

多个认知用户互相合作认知无线电频谱感知技术而执行的检测。

3、对认知无线电频谱感知技术的进一步分析

实现频谱管理、频谱共享是频谱感知技术的前提，更是认知无线电系统的基本功能，在认知无线电中具有基础地位。根据检测的依据，当前频谱感知技术类型主要可划分为两种：一种如接收信号强度检测rssi、多分辨率频谱感知mrss等，是基于能量的检测；另一种则包括基于信号符号构成的感知和基于信号相关特征的感知等，这是基于特征的检测。

3.1 基于能量检测的认知无线电感知技术分析

能量检测是非相干检测，为目前使用最多，也最简单的方案。采用能量检测，接收机可以不用预知主用户信号发射的相关特征。接收机将信号依次通过模/数转换器、自相关运算、fft，取得接收信号平均功率，然后再拿得到的结果和阈值进行比较，从而判断当前信道主用户占用与否。通过增加接收机每次信号接收时间的长度，或增加fft运算的点数，就能够提高能量检测准确性。不过，能量检测虽较易实现，却也存在局限性，即对主用户信号和接收噪声不能进行有效分离，如果工作条件信噪比相对较低其性能不够稳定。

3.2 基于匹配滤波的感知技术分析

在输入信噪比一定的条件下，采用匹配滤波器能使输出信噪比在某一时间达到最大。这使得这种技术检测信号耗时短、效益高，从这个意义上盾来，匹配滤波是最优的信号检测技术。但它需要待测

信号的先验信息，这个显著的弱点，加之硬件上的相对复杂，使其在实际感知条件下不易实现。

在信号检测理论中匹配滤波器占有十分重要的地位。对实信号s （t）的匹配滤波器，其冲激响应如下式所示：

h(t)=ks(t0一t)

由式可见，匹配滤波器的脉冲响应h(t)基本为输入信号s(t)的镜像，只不过是时间上右移，同时幅度上乘以中这一非零常数。匹配滤波器能使输出端信噪比达到最大，但是为了匹配滤波的实现，获得较多被检信号的先验知识是重要前提，加之其计算量相对较大，所以这样方法通常用来检测那些发送双方都预知特征的信号。

3.3 基于信号周期平稳特征的感知技术分析

由于信号的统计量达到期望值，自相关函数等便具有周期性，这也使得信号与噪声相较而言循环平稳特性更为明显。在己知信号自相关函数的情况下，就能够实现信号与噪声的有效分离，也就能够进行更为准确的感知。此外，由于信号不同，其自相关函数也是不相同的，在已知某一信号频谱特性的前提下，那么将已知信号与其它信号进行分离也是可实现的。这种基于信号循环平稳特征的频谱感知更加有效，当然这需要一个重要的前提，就是已知待检信号的循环平稳特征，且执行复杂度较高。信号的循环平稳特征检测模型如图1所示:

图1 信号的循环平稳特征检测模型