频谱感知技术在无线电中运用的探讨

徐达 徐湘莹 王世祺

随着通信业务增加，电磁频谱资源利用效率亟待提高。认知无线电技术不同于传统频谱资源分配模式，结合人工智能技术，可以有效提高频谱资源利用率，缓解频谱资源紧张现状，是无线通信技术的一大进步。本文主要分析了认知无线电的原理、技术结构，并就电磁频谱在认知无线电中的应用进行了讨论研究。

一、引言

随着无线通信业务量的增加，电磁频谱在各个领域的应用越来越广泛，频谱资源也会变得越来越稀缺。为了有效地缓解这一情况，我们一般在技术和使用两个层面上提高频谱资源的利用效率，一是提高通信设备的传输效率，如使用MIMO无线技术；二是优化网络，提高网络能力。目前，这两种方法已经被广泛应用在各个领域，但可以预见的，随着时间的推移，这两种方法可以获得的，现有领域的频谱资源利用增益将会日益减少，频谱资源匮乏的问题也会日益加剧。

不过频谱使用资源的匮乏并不代表着频谱资源本身的稀缺，根据联邦通信委员会（FCC）的数据显示，当前已分配的频段资源中，3、4GHz频段的频谱利用率仅有0.5%，而 4、5GHz频段的频谱利用率甚至只有0.3%，极大一部分频谱资源处于不被使用的空闲状态。这种资源的浪费，很大程度是由当前采取的频谱固定分配政策所导致，因此区别于当前通用的静态频谱管理体制，开发出一种智能识别、高效分配、动态管控的频谱分配策略，是提高频谱资源利用率的有效手段。

二、认知无线电概述

认知无线电（Cognitive Radio，CR）的核心概念是使CR具有学习能力，即人工智能，使其可以通过学习和记忆，能够及时对用频的情况产生感应，自主对选用的频带进行确认，从而有效避免用频冲突的出现。

环境感知、适应环境、重新配置、自主运行是各种认知无线电具有的本质特征，所以将认知无线电定义如下：认知无线电网络是一个基于主-次分层接入共享模型的智能无线动态通信系统，网络中的各次用户通过自动地感知频域、时域、空域以及码域等多维空间上的频谱环境，根据一定的学习和决策算法，在对主用户通信不造成干扰的情况下，公平而有效地动态利用可用频谱资源，并实时、自适应地调整工作参数，以实现频谱的 大化利用，同时尽量满足次用户的服务质量需求，既实现高效、可靠通信。

认知无线电网络是一个特殊的动态无线网络，它不仅允许用户随时接入、退出和移动，更要考虑频谱环境的动态变化，并实现近实时的动态 优化网络管理。因此，认知无线电网络涉及的问题非常多而复杂，不仅能与现有的无线网络共存，还应该支持固定结构、自组网等多种形式，目前比较通用的一种认知网络结构如图1所示。

从水平方向看，该网络包括主用户网和认知用户网两部分，从垂直方向上看，包括授权频段和非授权频段。频谱中介是必不可少的功能模块，主要负责连接各个不同的认知网络，协调各网络间理地共享频谱资源。

三、认知无线电的技术特点与系统结构

（一）认知无线电的架构

认知无线电主要包括硬件和软件两部分。

硬件部分主要包括：安全模块、调制解调器、射频、天线、基带和用户接口等，可以确保信号安全稳定接入输出，并保证信号稳定；软件部分则分为普通软件系统和智能化软件系统，其中智能化系统是认知无线电的灵魂所在，它通过学习和记忆，将无线波段分类分配，使波段资源得到更加充分、更加饱满的应用。

（二）认知无线电的技术特点

认知无线电的智能化分配取代原有固额分配，可以保证频谱资源得到一个极高的利用率，又不会降低用户使用频谱资源的配额和效率，使得频谱资源的使用进入一个新的层次。

四、频谱感知技术在认知无线电中运用

（一）匹配滤波器检测的运用

匹配滤波器是检测用户信号的最理想的检测器，它的检测模式是在确定用户型号的模式下进行的，在输入滤波器信号的信噪比是固定值的前提下，匹配滤波器可以将输出信号的信噪比控制在最大值，可以在最短时间获得最大的效益。而认知无线电恰好可以事先保存用户的调制形式、数据包格式等先验信息，可以满足匹配滤波器对用户信息的需求。

不过由于匹配滤波器对于信息的精准程度要求较高，不精确的信息会造成匹配滤波器的性能更差，因此需要对法定用户针对性的配备专用接收器，这样的模式有着一定的局限性。

（二）合作检测

信号传递容易遭受多种因素的影响，当信噪比低于门限值时，认知用户就会很难检测到法定用户输出的信号而造成漏检，这可能会影响整个系统的工作。这种情况下，就需要认知用户互相合作，在同一频段中协同检测，共同完成检测任务。

合作检测一般有分散式检测和集中式检测两种模式。

1. 集中式检测

集中式检测是通过基站将所有无线装置采集的信息集中起来，分析探测，而后将分析结果广播到其他无线装置，或者直接调控无线通信。集中式检测的感知成果也被为AP接入点采集，目的就是降低信道衰落所造成的影响，提升检测功效。

2. 分散式检测

单一的检测器可能存在各种程度的偶然性，因此多点、多设备的分散式检测在结果上会更加的有说服力，同时也可以降低对检测设备的准确度、精度的需求。在分布式检测技术应用时，通常会通过调整带宽来获得更加优良的性能。

（三）静态循环特征检测

用户信号经过处理后，通常会具备内在的周期性，具有一定的静态循环的特征，可以通过分析信号谱中的循环特征，来确认信号中是否包括用户信号。

循环特征值探测不同于其他探测方式的地方在于，它是通过对信号谱的相关函数地进行分析，通过区分噪声和信号的循环率在信号谱函数中的频谱相关性的差异，区分出噪声和用户信号，因此它具有很强的抗噪声干扰能力，可以更加精确的区分出噪声信号，同时，由于循环特征值探测是针对于信号谱的计算和分析，所以也不需要事先掌握用户先验信息；缺点是这种检测方式需要进行大量计算并花费大量时间，不利于进行紧急任务。

五、结语

总而言之，频谱感知技术是达到认知无线电网络的重要基石，是现阶段认知无线电当中频谱感知技术所探讨的焦點话题。虽然还面对着非常大的技术挑战，然而伴随研究的日益深化，坚信在不久的未来，认知无线电技术必然逐渐趋向完善，为无线通信带来全新的发展动力与机遇。

作者单位：32282部队