认知无线电的频谱感知技术的分析

上海船舶电子设备研究所 胡必楠 施丹华 金嘉荣

本文主要对频谱感知技术进行分析，分析该技术的基本原理以及其中的关键技术，如滤波器检测技术以及循环平稳特征技术，意在提高频谱感应技术的利用率，最大限度降低用户彼此之间产生的干扰，希望对相关的工作人员具有一定的参考价值。

分析无线电技术的主要原因就是在已有的频谱环境下，更加高效地利用频谱机会，频谱感知技术主要是基于固定的频谱分配原则，然后通信系统会利用专业的通信设备以及协议在相应的频段上进行工作，由于当前无线技术正处于不断发展的阶段，用户日益增加，造成频谱资源处于严重拥挤的状态，频谱资源缺乏的问题逐渐显露出来。因此，需要加强对频谱感知技术的研究工作，充分利用好频谱资源，尽可能降低对其他用户造成的干扰，进一步发挥频谱感知技术的作用。

1 无线电频谱感知技术的基本原理分析

由于利用无线电频谱技术，工作人员就可以清楚地感知到频谱环境，检测到无线电用户对于频谱的使用情况，同时有效地使用能即时利用的当地频谱，为主用户提供高质量的通信质量，以下将对频谱感知技术的基本原理展开分析。

1.1 频谱感知技术的原理分析

频谱感知术语无线电系统的核心功能之一，是管理频谱以及实现频谱共享的主要方式，由于当前用户是通过连续的频谱感知发现闲置的频谱，也就是频谱空穴，一旦频谱感知技术发现不同时域、视域以及空域的频谱空穴，然后就可以为用户使用频谱提供便利。另外，通过对频谱感知技术的应用，也有利于用户获取到主用户的有关信息，然后将腾出通信通道，或者通过调整频率传输频率，避免对用户的信号造成干扰，提高资源利用效率。

1.2 频谱感知技术的算法分析

频谱感知技术属于一种信号检测问题，感知技术的主要目的就是对以下两种假设进行判决：H0：Y（t）=n（t）；H1：Y（t）=h（t）x（t）+n（t），其中n（t）代表的为高斯白噪声，而Y（t）则代表的是认知信号系统所接收到的信号，x（t）表示的是通信系统中的用户发送的信号，而h（t）则代表着信道的增益，其中t表示增益时间，而H0以及H1表示的则是该通信频道中用户是否可以满足上述假设，其中Y（t）通过建立相应的检验系统Y，然后在特定的判决条件下，按照判决规则得出相应的检测结果D0以及D1，但是频谱感知的功能可以从以下几方面来计算，检测概率Pd=P（D1/H1）、虚警概率Pf=P（D1/H0）以及感知频率丢失的概率从Pm=P（D0/H1）。由此可以看出，对于通信用户来说，虚警概率往往会限制部分用户使用空闲的频段，降低频带的利用率，同时漏检概率则表示的是部分用户在连接到主用户的过程中，对其造成了一定程度的干扰。总而言之，虚警概率的目的，就是将一些主用户不存在的情况判定为存在，例如，低虚警概率表示的是用户没有使用的频率，提升频带的使用效率，而漏检概率则表示的是将主用户不存在的情况判定为不存在，低漏检概率是为了给主用户提供优质的信号，减少其他用户对于主用户的干扰。因此，只有设计出良好的通信感知频率技术，才能降低系统的虚警概率。另外，根据IEEE802.22的技术标准，要求用户的检测概率在90%以上，同时虚警概率也要保持在10%以下，才能为用户提供优质的信号服务。

2 无线电系统下的核心频谱感知技术分析

从检测频段带宽来分析，可以将频谱感知技术分成窄带频谱感知技术以及宽带频谱感知技术，窄带频谱感知技术分为经过用户授权的发射信号段检测以及授权用户接收的通信信号检测以及能够合作的频谱感知技术，而授权用户发射的检测，其中关键的技术就是滤波匹配检测技术、能量检测技术以及特征值检测技术等，以下将对上述技术展开分析。

2.1 滤波器的匹配检测技术分析

如果频谱感知技术中的X（t）是已知的，则可以通过利用滤波器匹配技术，然后充分发挥检测作用，将系统中接收到的信号Y（t）通过离散采样的方式，输入到滤波器中，可以利用，其中y(n)表示的是y(t)离散采样之后的新信号，而X*(n)则表示为复共轭的信号X(n)，其中n表示采样点数。因此，工作人员可以利用该公式的检测量Y，以及预先设置的检测门限值λ进行比较，当Y＞λ时，系统则能够自动判定该频段上存在空闲的用户信号，而当Y＜λ，系统就会得出当前频段不存在频谱空穴的结论，为用户使用信号提供一定较大的便利。因此，运用匹配的滤波器对频谱感知技术进行检测，可以在较短的时间内提高信号增益，保持输出的信噪比处于最大值，但是此种方式也存在一定的弊端，首先，是用户必须了解主用户的有关信息，才能保证信号的准确性，但是一旦无法保证信息的准确性，就会影响匹配滤波器的工作效率。其次，由于为了保证匹配滤波器的工作效率，还需要保证定时与频率同步，才能提高主信号的关联度。最后，近年来越来越多的主用户评断逐渐开展了机会频段，但是对于认知无线电技术来说，无论哪一个主用户频段，系统接收机均必须要安装一个单独的匹配滤波器，因此，需要耗费较高的投资，影响企业的经济效益。

2.2 循环平稳特征检测技术分析

在无线电通信系统下，在平均值、自相关等信息技术的作用下，调制信号具有极强的循环平稳性，由于其主要是由信号以及信号的周期性引发的，但是噪声通常在循环的频率下不会反映出频谱的相关性质。因此，只有利用CAF才能对主用户展开信号检测，分离出噪声以及信号，充分使用闲置资源，可以通过以下方式计算定义谱的有关函数：，而且也可以计算出。另外，由于循环平稳特征检测有助于区分噪音以及主用户的信号，从理论上来讲，其不受到噪音的干扰，因此，在低音噪中具有良好的检测性能。但是和能量检测法相比，循环特征的检测方式对于降低噪音，提高检测性能具备良好的效果，但是从实践效果中分析，此种方式的计算量较多，因此，在具体的操作过程中，可以将循环检测技术和其他技术结合起来，提升信号调制参数的质量和效率，令用户在通信的过程中，能有效识别不同的信号，提升认知工作的效率。

2.3 本振泄漏功率的检测技术分析

本振泄漏功率的检测技术，指的是主用户通过接收机的前端来判断当地振荡器中是否存在震荡器，但是由于现阶段绝大多数无线电接收设备安装的均是超外差式的接收机，其需要利用本地的振荡器来调整接收信号，从而通过变频来获取到中频信号。因此，当接收机在工作时，接收设备内部的本地振荡器就会产生相应的本振信号，致使信号被泄漏，无法充分保证用户的信息安全。利用此种检测方式，相关的工作人员就可以通过泄漏的信号，判断出用户接收机是否处于工作状态，但是只有经过用户的授权，才可以在其接收机附近安装一个传感器，因此会对用户造成一定干扰，而且如果授权的用户数量较大、分布较广时，此种方式需要耗费大量的人力和物力，可行性不高。另外，该种方式应用的范围较小，为了保证其可靠性，通常需要耗费较多的时间。根据调查研究显示，近年来我国接收机研究工作快速发展，本振泄漏功率泄漏的情况逐渐减少，但是如果距离较远，则很难检测到本振泄漏。除此之外，由于接收机的种类较多，工作年限也不同，其泄漏的功率也是不同的，因此，相关工作人员也对该技术进行了改进，具体的方式如下，即建立一个整体的紧凑以及低成本的传感器节点，通过将其安置在原始的接收机附近，然后评估这些泄漏的节点，确定授权用户处于哪一个通信系统上，然后将恒定的功率传递给无线电的使用用户，提升其精确度，令其可以在最短的时间内做出评估。

2.4 合作频谱感知技术分析

由于认知用户和系统授权用户之间并且建立直接的信令交互，因此，在对授权用户展开发射信号检测时，必须要利用无线认知系统的接收机，来获取到微弱的信号，在接收授权用户信号时，经常会受到外部环境的影响，从而产生阴影效应，致使外部无线环境发生干扰，降低接收信号的准确性，令工作人员作出错误的判断，影响用户的正常工作。通常合作式的频谱感知技术，对于解决用户检测系统中的阴影效应具有显著的效果，当前合作频谱感知技术主要是为了能够进行集中式的采样融合模型，对于不同位置的感知阶段均可以相对独立地进行本地感知，有助于融合中心展开信息融合，最终判断出当前通信频段是否处于被占用的状态。总之，此种检测技术不仅能够确保检测工作的质量和效率，而且还能缩减检测时间，提高合作增益，但是由于会占用较多的信道带宽以及频谱资源，从而影响整个系统的性能，因此，相关工作人员需要加强对该技术的研究工作，最大限度地减少资源的占用。

2.5 多信道的宽带感知技术分析

窄带感知技术通常被用于检测窄带信号，但是为了提升频谱效率，频谱感知技术必须在宽带内进行，由于传统的窄带技术只能对某一个信道展开检测，一旦对主信号进行检测时，则认知用户就必须退出该频谱，只能在主用户用完后，才能展开工作，而利用宽带感知技术，则可以为认知用户寻找到多个信道，即使主用户使用频谱时，认知用户还能使用其他信道，显著提升了频谱感知技术的工作效率。在利用此种方式的过程中，往往需要安装滤波器，才能保证感知技术的效率，实现识别不同类型信号的目的。

结束语：由于频谱感知技术属于一项关键的无线电技术，是其他无线电技术的重要技术，其主要的作用就是如果出现空闲信道，可以及时寻找到频谱空穴，有助于认知用户接入使用，而且如果主用户出现，还能及时释放占用的频谱，避免对主用户产生干扰，总而言之，频谱感知能力的强弱程度，直接影响着无线电系统的性能。因此，相关的工作人员需要加强对频谱感知技术的研究工作，充分发挥其作用。