浅析感知无线电技术中的频谱感测技术

贾世军

摘要：在无线电技术飞速发展的今天，通信技术以互联网为载体已促进了经济转型和快速增长。无线频谱传输的需求正在逐日的增加，因此，加大无线通信系统的研究力度是非常必要的。科学研究者想要对频谱资源进行有效规划以及利用，必须从提升核心技术的角度出发，建立并逐步发展综合通信系统的分布和共享频谱。也就是说，整个系统高效地实现频谱的最优分配是无线通信技术发展的不竭动力。因此，本文从认知无线电技术的定义入手，探讨了认知无线电技术中的频谱感知技术，有效利用频谱资源则可对未来无线电技术提供一定的有益参考。

关键词 无线电；频谱感测；感知

Abstract： With the incredible boom， the radio communication nowadays has promoted the development and the transformation of economy taking internet as the carrier. However， since the need of wireless spectrum transmission increases drastically， strengthening the research of radio communication system is absolutely necessary. Therefore， scientists of this field must try to establish the share and distribution mechanism of spectrum from the perspective of improving the core technology if they want to project and utilize this limited resource in an effective way. Namely， the system itself is the fundamental impetus for the high efficiency of utilization and the optimization of spectrum. Thus， the study in this paper discussed in brief the spectrum sensing technology from the definition of radio communication， so as to provide certain reference for the development of radio communication， in the sense of effective utilization of spectrum resources.

Key Words： radio； spectrum sensing；perception

1 感知无线电技术的定义

感知无线电是一种具备智能感知和智能代理功能的信息传输技术，通过借鉴和运用现代软件技术原理而获得了进一步的丰富和发展，现已成为传统无线电技术的一种智能延伸。与传统的盲预先定义的协议不同，就是认知无线电技术的本质：信息资源的分配在传输过程中即能实现有效识别，并且形成最优信息传播，这是两者在设计方案上的最大区别。同时，随着该技术的日趋成熟，也已逐渐成为现代无线电研究的主要领域。

2 无线电技术的发展趋势

自1980年以来，世界各国的无线通信技术均已获得了飞速发展，而且该种势头也仍在继续。与此同时，以互联网+技术为根本导向的网络通信在信息整合和对接方面促成了无线电通信的质的飞跃，并且随着便携式微机、掌上电脑以及智能手机等的普及，也随即开辟了无线电领域发展的新纪元。因此，把无线通信、计算机和因特网三者结合起来能在提供更为便捷优质的通讯服务基础上，通过升级的接入，实现无线电资源的综合优化配置，这也将是无线通信的未来发展趋势。

与以模拟话音通讯方式为基本特色的传统第一等待通信模式不同，第二代通信系统是以GSM、以及IS-95 CDMA为主要传输载体，在当今无线电通信，尤其是移动通信方面主导着整个资源市场。而在目前有限的无线电资源市场中，用户数量正急剧增加，因此，需要一种更为科学的接入方式以及无线电资源分配方式，以提高信息传输和利用效率。这种方式便是第二代无线电传输中的数字化语音，能在多址接入的情况下，将模拟信号有效转化为数字信号，并在合理分址的同时，通过科学分配资源，最大化同时接入用户数量。即使在这种情况下，人们从GSM处得到的服务也是极其有限的，14.4kbps的电路交换话音业务已是该系统所能配置的最大值。在GPPS和EDGE的作用下给予的分组交换数据业务是144kbps和384kbps。IS-95提供的接入更加优质，其速率可不断地变化，当其在最快时可分别达到9.6kbps和14.4kbps。综上分析可以看出，随着人们对知识以及信息需求的增长，第二代移动通信已经无法为其提供技术发展支持。

在此背景推动下，第三代移动通信应运而生。其作用表现是能够更加方便人们的生产生活，提供更加优质快捷的服务速度，（ 室内可达2Mbps、步行可达384Kbps、车速可达144 Kbps）。而且比特速率随着开发服务对象的不同而得不同数值，对高中低端的业务也各具现实适用性， FDD、TDD两种模式在该系统中可以相互协作，联手构建更趋全面的服务。目前，IMT-2000一共有5种标准，其中三个主流标准分别是欧洲的WCDMA、北美的CDMA2000以及中国的TD-SCDMA标准[1]。

3G系统的最低传输速率是2mbps。当其处于快速运动的条件下 ，也能够实现144Kbps的数据速率。其后研发的升级式优化技术更是可以提供高达10Mbps左右的传输速率。即便如此，高效的传输速率以及高可信性依然是无线通信技术设定追求目标，研究学界则始终围绕改目标研发和设计下一代系统。

根据香农信息理论，无线通信传输速率越快，无线通信系统对频谱资源的要求也将呈现递增，从而导致了可使用频谱资源的利用率将日渐落低，这成为了无线电发展的困惑与局限。另外，已被分配使用的频谱资源在时间和空间上并不能再得到完全使用。因此，研究者提出采用感知无线电（CR）技术，其主要原理就是从时间和空间的角度出发，使频谱资源能够得到尽量充分的使用。于是如图1所示，研究者提出了一种新的研究思路，就是从发现“频谱空洞”，并合理利用所发现的“空洞”的能力作为出发点，来寻求适当的解决办法。

图2～3分别测量了无线电的动态频谱接入。在如今的科技前提下，有效地解决当前频谱利用效率低下和频谱资源有限的方法，就是动态频谱接入技术。人们发现了一个绝佳的动态频谱接入发展前景，美国国防部高等研究计划局（DARPAs）将动态频谱接入技术作为在研究下一代通信网中的智能无线电技术（也叫感知无线）中的候选技术。下一代通信网，即动态频谱接入网或感知无线网，将利用网络科技为无线通信提供更加优质的服务。而频谱感测就是利用无线通信探测用户对外界无线环境的感知，以此来确定“频谱空洞”。“频谱空洞”就是那些已被人们利用的，但在闲暇时刻未获使用或者说用户在使用但是能够检测到低功率信号的频段。在此频带上，存在着2种状态：低功率的噪声或低功率的授权用户信号，因此形成了一定的“频谱空洞”，这为感知无线电系统通信提供了潜在可能频谱资源。待感测的频段可分为3种：黑空频谱、灰空频谱和白空频谱。

3 感知无线电中的频谱感测技术

3.1频谱感知的基本方法

相干感测，也可称为匹配滤波器感测。匹配滤波器感测方案是最优的授权用户信号，感测方法的前提就是知道授权用户信号的结构特征，如导频、前导或同步消息等。相干感测能为人们提供性能更佳的服务，优点是可以检测到精确的频谱结果，但也存在显著劣势，不但必须检测出用户的先验知识，还必须实现多种信号的相互协作，因此投资成本将远超出预算。能量传感器，可针对感兴趣的频率测量一定观察期间接收到的信号总能量，如果能量低于某一阈值，定义空白的频谱，因而可以使用频谱感知用户通信。与相干传感相比，能量传感器需要更多的时间以达到同样效果，但是其所呈现的成本低的特点，使其成为易于实现频谱的认知无线网络传感技术。总体而言，以上2种光谱传感技术方法都有着成熟的理论基础，性能分析更趋理想。而光滑的环流特征传感器实现的复杂度较高，但是传感器性能更好。能量传感器的功能劣势就是不能从授权用户信号辨别接收功率或者说该方法的检测结果缺乏可信度。授权用户信号载频和调制类型或循环前缀，以及一些其他研究特性，比如使用信号给出了自相关函数和周期固定光谱相关性属性，即可区分信号功率和噪声功率，从而突破能量传感器的瓶颈。周期图法是使用傅里叶变换得到信号的功率谱密度，算法可以利用快速傅里叶变换，在实现上具备便捷优势。为了更好地设计量化和管理干扰，前提基础条件就是频谱感知的过程中存在诸多人为以外的因素需要考虑，比如噪音等都可以使检测结果受到一定的影响，从而降低了可信度。随即，研究再度提出干扰温度的概念，从而使频谱感知接入的机会获得显著改善。研究中，通过功率谱估计可确定干扰温度限制。只要干扰温度变动能够可控在限制范围内，感知用户的访问造成干扰，对于授权用户即为可容忍，用户便可以实现频谱共享。，如图4所示。

综合图5和文献[2]研究可知，基于授权用户信号感测的频谱感知目的在于避开授权用户或尽量降低对授权用户的干扰，而基于干扰温度模型的频谱感知则试图与授权用户同时并存于同一个频段。

3.2 协作与数据融合频谱感知

由于缺乏有效的交流，各用户之间信息隔绝不畅；而且只有在低噪音的条件下，感知用户才能实现频谱感测。感测环境通常包括多径大尺度衰落的可视距线路和隐藏站点，但是为了获得用户的信赖，就必须提供最为精确的检测信息，因此调整用户之间的关系，推动和促进用户合作则已成为发展必要。针对这一情况，研究提出一种更为合理精确的频谱检测的方法，那就是协同感测。协同频谱感知就是合理分配各种信息，并对信息进行综合整理，从而大大增强频谱检测的效果。协同感测具优众多优点：可以尽量减少各种突发因素，消除多径衰落和阴影的影响，即使在大尺度阴影衰落的环境下，也可以有较好的感测性能。频谱感知性能主要由感知范围、感测时间、感测概率、虚警概率等相互关联的技术指标来评测衡定，协同频谱感知可利用空间分集增益改善上述指标，解决单节点感知中设计固存的多径衰落、阴影衰落和隐藏终端等弊端不足，同时也可降低对单个节点感知灵敏度的要求，从而减少运行实现成本。中心式和分布式是实现频谱感知的2种基本方式。具体给出如下概述：

1）中心式感知。中心单元收集各节点的感知信息，负责识别可用频谱，并将频谱可用信息广播给各感知节点或直接控制感知节点的通信参数。

2）分布式感知。感知节点彼此之间共享感知信息，但独立判断各自的可用频谱。与中心式感知相比，分布式感知的优点是不需要基础结构网络，部署更趋灵活高效[3]。

无论中心式还是分布式感知，就协同频谱感知的研究内容而言，重点包含以下2个方面：

1） 感知节点感知信息的合并处理，即考虑信息融合问题。

2） 感知信息传递过程的合作，即考虑中继传输问题。

参考文献

1 刘晓贞. 基于合作中继的频谱感知技术研究[D].烟台：烟台大学，2010.

2 陈星.感知无线电物理层关键技术研究[D].北京：北京邮电大学，2008.

3 虞贵才. 感知无线电系统中的频谱感测技术研究[D].北京：北京邮电大学，2010.

4 韩维佳.认知无线电中频谱感知策略的研究[D]. 西安：西安电子科技大学，2012.

5.何丽华，谢显中，董雪涛，等.感知无线电中的频谱检测技术[J].通信技术，2007（5）：9-11.