认知无线电频谱感知技术的应用探讨

马晓晓

摘要：本文探讨了认知无线电频谱感知技术的基本原理和作用，研究分析了认知无线电频谱感知技术的应用。

关键词：认知无线电;频谱感知;物联网

中图分类号：TN925 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）05-0069-02

1认知无线电频谱感知技术的基本原理和作用

频谱感知技术是对无线电频谱在时间、频率、空间等方面的检测，以得到频谱是否被占用的检测结果，基于该检测结果对无线电频谱进行动态调整。频谱感知技术在认知无线电中不仅可以搜寻频谱空洞，还可以实时监测频谱状态。在特定状况下，频谱感知技术能够正确的预估到射频信息相撞的情况，使非授权用户能够尽快进行主动退避，避免对授权用户产生大的干扰。频谱感知技术具有：（1）频谱协调作用，频谱感知技术能够协调频谱资源的分配，将更多的空闲频谱资源分配给需要的用户，解决频谱资源短缺的问题;（2）频谱排斥作用，对于特定的授权频段，当检测方检测其已被使用，则检测方不会使用该频段，从而避免同时使用该频段带来后续干扰;（3）频谱共享作用，在保证认知用户不会影响到主用户的正常使用时，通过与主用户一起使用授权频谱，达到频谱资源利用的最大化。

2认知无线电频谱感知技术的应用

2.1认知无线电频谱感知技术在智能家居网中的应用

智能终端，小到手表、手机、平板，大到照明灯具、电视、冰箱、洗衣机，支持多种无线接入频谱资源（比如2G-5G，WIFI、ZIGBEE、RFID、蓝牙等），越来越广泛运用于家庭生活中，为了满足用户的业务需求，基于认知无线电频谱感知技术，部署自组网形式的网络覆盖区域，智能终端可以选择最佳无线接人频谱资源，从而为用户提供高速、可靠的数据业务服务。

2.2认知无线电频谱感知技术在车联网中的应用

根据实际交通道路状况，参照车联网WAVE协议，通过多个车载无线通信设备、多个主用户、多个信道构建认知车载网络模型。车载无线通信设备作为次用户，其在不干扰主用户前提下利用空闲频谱传输数据，其中空闲频谱为不被主用户使用的频率。车载无线通信设备感知多个信道，并且在该信道未被主用户使用的情况下，车载无线通信设备利用该频率进行无线通信。即使在进行无线通信期间，也必须定期感知主用户是否利用该频率，并且一旦感知到主用户对该频率的利用，就立即停止在该频率处的无线通信。通过组合在感知期间每个车载无线通信设备在多个循环中获得的感知结果，或者通过组合多个车载无线通信设备获得的感知结果，获得分集效果，并且感知精度被提高。

2.3认知无线电频谱感知技术在农业物联网中的应用

相对城市而言，农村建筑物少，多以平房居多，人口密度低，无线电频谱资源在农村使用率低，尤其是低频段，农村频谱资源的现状为频谱感知在农业物联网的应用提供了很好的契机。认知农业物联网的网络模型主要包括授权网络、认知节点、各种农业传感器及汇聚节点，其中授权网络是指现存的对无线频谱有使用资格的网络。在农作物种植区域内，各种农业传感器将土壤的温湿度、当前农作物生长情况实时汇报给汇聚节点，汇聚节点必须将信息数据实时上报，以供农作物专家或农作物种植人员远程监控和管理。这时，认知节点运用频谱感知技术，感知网络中可使用的频谱资源，并告知汇聚节点，使得汇聚节点使用该频谱资源实现信息数据的实时传递汇报，各种农业传感器借助频谱资源实现农作物种植区域的实时监测，在一定程序解决了频谱资源拥挤的问题。

2.4认知无线电频谱感知技术在食品安全生产中的应用

在食品生产中，食品安全问题对食品生产至关重要，大量低成本的无线传感器部署于食品安全生产中，无线传感器通信质量在一定程度影响企业的生产效益，建立食品安全生产方面的认知无线传感器网络很有必要。假设认知无线传感器网络中有M个信道、N个传感器，每个传感器同时检测多个信道，随机选择空闲频段。对于信道的分配有两种情况：（1）一个传感器独占一个信道，如果检测的信道被其他传感器占用，当前传感器便会选择其他可用信道完成食品安全检测;（2）多个传感器共享同—个信道，这种情况下，当前传感器根据频谱检测结果来决定是否占用当前信道，从而解决信道拥堵，提高通信速率，食品生产的相关信息快速而准确传达给每一位观察者，为食品安全可溯源提供有力的保障。

2.5认知无线电频谱感知技术在智能电网中的应用

将频谱感知技术引用智能电网，在每一个电力消费单元配置一台智能电表，在电力消费单元的上级供电单元配置需求响应管理模块，智能电表与需求响应管理模块之间通过非授权信道和授权信道进行数据传输;智能电表通过频谱感知算法实现对授权信道占用情况的监测，需求响应管理模块根据各个智能电表中频谱感知情况确定每个电力消费单元的平均中断率，然后根据上级供电单元的供应量、每个电力消费单元的平均中断率以及每个电力消费单元的用電量调整用电价格，实现社会效益的最大化。

2.6认知无线电频谱感知技术在公共安全网中的应用

报警、火警和医疗急救等公共安全事务需要使用无线电，然而目前分配给公共安全网的频谱资源有限，且公安、消防、医院等部门所用的硬件软件不统一，部门之间网络联动存在障碍。将频谱感知技术引用公共安全网，公共安全工作者使用具有认知功能的移动设备，能够实时监测信道频谱变化，保证网络畅通，随时随地接入网络，为公共安全提供可靠的网络服务。

2.7认知无线电频谱感知技术在远程医疗中的应用

远程医疗是通过无线通信技术建立病患与医疗资源之间的沟通桥梁，为远地病患提供医疗服务。在远程医疗中，通过多个医学传感器节点、移动终端、基站、远程医疗监控中心构建基于无线体域网的认知远程医疗网络模型，其中，医学传感器节点感测病患的生理状况并传送给移动终端，按照紧急程度进行分级，对生命攸关的数据优先分配良好的资源，对于非紧急的生理参数、保健信息、教育信息等数据可以分配较低级别的资源，除了使用针对医疗无线体域网开放的2360-2400MHz频段外，还可以检测并使用其他空闲频段，由移动终端通过基站传输到远程医疗监控中心，再由医疗人员或相关医疗设备对远程数据信息进行处理及反馈，保证了远程医疗的顺序开展。

2.8认知无线电频谱感知技术在卫星导航中的应用

随着GPS、GLONASS、BDS和Galileo四大卫星导航技术的发展，卫星频谱资源的利用也面临瓶颈，认知无线电频谱感知技术在卫星导航中的应用应运而生。在军事方面，可以根据频谱感知结果关闭部分卫星的导航，使得敌方捕获不到导航信号;又或者主动对作战区域或敌方进行频谱干扰，从而使敌方设备失去导航作用而无法正常作战，通过科技技术提高我方战斗力。在民用方面，可以对根据频谱感知，对目标区域的导航信号进行增强，对非目标区域的导航信号消弱，保证目标区域连续可靠导航，而非目标区域不享受导航服务，使卫星的导航作用得到充分发挥。

3结语

频谱感知是认知无线电中最为关键的技术之一，频谱感知技术以其突出的优点而具有广泛的应用前景。然而，频谱感知技术从概念到应用尚面临诸多挑战，还有很多难题需要解决，认知无线电频谱感知技术的检测硬件、通信协议、以及在其他领域的应用等方面将需要进一步的研究。