华中科技大学 曲晨

刍议认知无线电中的频谱检测技术

华中科技大学 曲晨

认知无线电是提高无线频谱利用率的有效手段。全文首先介绍了认知无线电及其关键技术,然后分析了认知无线电中的频谱监测技术,其一是基于发射机的单点检测技术,如匹配滤波器法、能量检测法、周期特性检测等。其二是协同检测法,它分为集中式协同检测和分布式协同检测。

认知无线电频谱检测单点检测协同检测

一、认知无线电及其关键技术

认知无线电就是在不影响授权频段正常通信的基础上,通过具有认知功能的无线通信设备按照某种待机方式接入授权的频段内,并动态地利用频谱。它基于对周围无线环境的感知交互作用而自动改变发送和接收参数的无线电,是一种通过智能频谱管理来解决频谱资源短缺的最有效方法[1]。其关键技术有三点: (1)频谱感知。(2)动态频谱管理,也称为动态频谱分配。(3)功率控制。

二、认知无线电中的频谱监测技术

1.基于发射机的单点检测。单节点检测是指单个CR节点根据本地的无线射频环境进行频谱特性标识,其检测技术包括匹配滤波、能量检测和周期特性检测3种。(1)匹配滤波器法,它能够使接收信号的信噪比最大化,其冲击响应,其中K为常数,S(f)为信号的频谱函数[2]。是实际工作中,匹配滤波器完成以下工作:识别授权用户的物理层和媒体控制层的信息,如调制方式、时序、脉冲形状、封装格式等,并利用这些信息来实现与待检测信号在时域和频域上的同步,从而达到解调信号的目的。事实上由于无线电环境中往往是多种信号并存,一般难以预先获知信号的参数,甚至连信号的类型也可能不知道,因此匹配滤波器的应用价值并不高。(2)能量检测。该方法对信号类型不作限制,并依据信号在有、无假设情况下接收信号功率大小的不同对信号进行检测。其主要过程是:将授权信号的功率在一个时间段(K个采样点)内求平均,与预设门限进行比较,来判定该频段是否存在授权信号。衡量该方法的性能采取马库姆Q函数,设信号带宽为W,检测时间为T,对于给定的门限值V′t,虚警概率,其中Γ(a,b)是非完全gamma函数,那么检测概率为广义马库姆Q函数[2]。该方法最大的缺点在于门限很大程度上受到未知噪声的影响,如果信号淹没在噪声中,检测性能很差。(3)周期特性检测。调制信号一般都具有某种程度上的周期性,而噪声没有这个特性,为此可以利用其统计特性诸如均值和自相关都呈现出周期性的特征进行检测。根据傅里叶函数相关理论,非平稳信号x(t)具有循环遍历性时,有以下公式:

2.协同检测。当认知用户存在阴影和衰落效应时,认知无线电不能识别到底是深度衰落还是未被使用频段,另外基于发射机的单点检测方式无法解决隐藏终端的问题,为此需要采取协同检测方法,即通过数据融合,基于多个节点的检测结果将进行综合判决。协同检测的机制如图1所示:接收机R距离授权授权用户发送机P很远,只能从P用户功率边缘上接受信号,此时信号较弱。C1进行频谱检测后,极有可能误认为该频带是频谱空穴从而对授权用户P造成干扰,为此需要引入协同机制。假设存在认知用户C2满足条件:C2处于P发射的功率主瓣范围内,并且C2与P之间的距离相对于R与P更近,由C2作为C1的中继点来感知P的发射功率,则能比较准确地分辨出P是否在和R进行通信[3]。C1将数据包发送给C2,由C2来转发,如果P与R正在通信,C2就返回给C1一个信息,由C1决定是否等待或是寻找另外的频谱空穴。这样,C1和C2就构建了协同的关系,使C1更快更准确地感知频谱环境。

图1 认知无线电中的协同机制

在该模型中,只考虑了用户C1和C2的存在,在真实的无线环境中,存在更多的授权用户,其频谱检测和分析就更加复杂。对于以上的两个用户机制,在检测中可以采取两种方法:①集中式协同检测,即“与”逻辑合并,其主要思想是:接入点(AP)将每个认知用户的判决结果Di用逻辑“与”的方式进行合并,其意义是:当所有的节点认为有信号存在时才最终判决有信号存在,否则判决没有信号存在。假设第i个节点的检测概率和虚警概率分别为Pdi和Pfi,通过与逻辑之后,检测概率和虚警概率分别为:,其中N表示参与协作的节点个数。相反,如果采取;②“或”逻辑合并,即接入点(AP)将每个认知用户的判决结果Di用逻辑“或”的方式进行合并,其意义是:当任何一个节点认为有信号存在时就最终判决有信号存在,否则判决没有信号存在。假设第i个节点的检测概率和虚警概率分别为Pdi和Pfi,通过或逻辑之后,检测概率和虚警概率分别为:,(N同上)。

多点协作的检测方式可以克服单个认知设备处于极度恶劣的无线环境时,单点检测方式不能可靠检测甚至不能检测授权用户信号的缺点,在一定的程度上,避免对主用户造成干扰,提高了检测的性能。然而在资源受限的网络中,合作检测方式会对网络产生负面影响,因为在这种方式下,节点汇集了大量的信息,这些信息需要传递给基站或者在节点间进行相互传递。而且由于不同节点的灵敏度和探测时间的不同,在结合这些节点所探知的信息的时候要采用加权结合的方式。

[1]张宇,冯春.认知无线电网络频谱检测研究[J].吉林大学学报(信息科学版),2008(3)

[2]王丽娜.认知无线电的合作频谱检测分析[J].电视技术,2008(7)

[3]陈国东,夏海轮,武穆清.认知超宽带无线通信系统及关键技术分析[J].中央民族大学学报(自然科学版),2007(8)

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