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认知无线电中频谱检测的现状分析本文由superlongxp贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 论 文 选 粹 2009 年 第 2 期 认知无线电中频谱检测的现状分析 周 鹏 （重庆邮电大学通信新技术应用研究所， 重庆市 400065） 摘 要 认知无线电是一种用于提高无线电通信频谱利用率的新的智能技术。 文章简述 了认知无线电的背景和概念，针对认知无线电的频谱感知能力，详细对比分析了四种频 谱检测技术：匹配滤波器法、能量检测法、循环平稳特性检测法和基于干扰的检测法，在 此基础上分析了当前频谱检测技术所面临的挑战。 最后探讨了干扰温度模型，并展望了 频谱检测技术的发展前景。 关键词 认知无线电； 频谱检测； 频谱空洞； 干扰温度 现代社会无线通信技术发展迅速， 无线业务种 类越来越丰富，同时也造成了频谱资源越来越紧张， 频谱资源成为非常宝贵的资源之一。一方面，随着无 线通信技术不断发展， 越来越多的无线业务要占用 有限的资源；另一方面，各种业务在利用频谱资源时 存在浪费的现象。 例如，某些频段划分给某种行业， 但该行业并没有全部利用整个频段， 有相当一部分 频段闲置不用，造成频谱利用率非常低。 频谱是无线电通信中最为重要的资源， 目前频 谱资源分配主要基于静态的分配原则，利用率低。认 知无线电（CR ）是解决无线频谱利用率低问题的最 佳方案。 认知无线电是一种能提高无线电通信频谱 利用率的新的智能技术 3，4 察的主用户发射机检测方法展开研究。目前，频谱检 测技术主要分为合作式检测和非合作式检测。 1.1 非合作式检测 认知无线电应该能识别授权和非授权频段，因 此， 认知无线电具备判断来自主用户发射机信号的 能力，发射机检测是一种非合作式的检测，该方法通 过观察本地用户进而检测来自主用户发射机的微弱 信号。发射机检测技术又可分为匹配滤波器检测、能 量检测、循环特征检测。 1）匹配滤波器检测 匹配滤波器检测的工作原理是指滤波器的性能 与信号的特性取得某种一致， 使滤波器输出端的信 号瞬时功率与噪声平均功率的比值最大， 即当信号 与噪声同时进入滤波器时， 它使信号成分在某一瞬 间出现尖峰值，而噪声成分受到抑制。在认知无线电 设备中使用匹配滤波器， 实际上完成的是解调授权 用户的信号， 这样认知无线电用户就要知道授权用 户的物理层和媒体控制层的信息，包括调制方式、时 序、脉冲形状、封装格式等。 利用这些信息实现与待 检测信号在时域和频域上的同步， 从而解调这些信 息，并存放在 CR 的存储器里。 匹配滤波器检测的优 点是可以在很短时间内完成同步， 提高了信号的处 理增益； 缺点是要求认知用户掌握每一类授权用户 的各种信息。 匹配滤波器法可应用于对授权用户信 息比较了解的频谱环境中，如超高频的电视频段等。 由于目前大部分无线网络都存在导频、 同步码和扩 频码，故该技术理论上能够实现。 ，它通过对频谱环境的感 知，将特定时间、特定空间上的空闲频谱分配给未授 权用户，以提高频谱利用率。认知无线电的首要任务 是感知频谱环境，即频谱空穴的检测和选择。 1 频谱检测 感知频谱环境是认知无线电的首要任务， 它体 现了认知无线电最显著的特征： 能感知并分析特定 区域的频段，找出适合通信的频谱空穴。这里的频谱 空穴 （也称空闲频谱或白空间） 是指已经授权的频 段，但在特定时间和空间里授权用户并没有使用它， 此时未授权用户在对授权用户不造成干扰的前提下 可以介入此频段。 检测频谱空穴最有效的方法是检 测正在通信的主用户（授权用户），但对认知无线电 来说， 对主用户发射机和接收机之间的信道进行直 接测量是很困难的。因此，目前主要针对基于本地观 2）能量检测 22 2009 年 第 2 期 论 文 选 粹 合作式检测方法又分为集中式和分布式检测。 在集中式检测方法中，通过认知网络中的基站，将认 知用户的感知信息集中起来， 再进行频谱抉择以及 频谱分配。在分布式检测方法中，认知用户通过自组 网络进行感知信息的交流。 认知用户间的合作检测在理论上比非合作检测 更加准确，它能降低认知用户检测结果的不确定性， 更重要的是它能降低多径衰落和阴影效应所带来的 影响，在很大程度上能提高正确检测概率。但由于缺 少本地主用户接收机的相关信息， 合作检测仍然无 法解决主用户接收机不确定性问题。还有一种情况： 当主用户的发射机与接收机相距很远， 以至于它们 从边缘开始接受信号，此时，频谱环境的感知可归类 为极弱信号的检测问题。 我们不仅可以通过改进频 谱检测法来提高弱信号的检测概率，还可以引入“协 同机制”更好地改善极弱信号的接收情况。 频谱检测方法比较见表 1。 当认知用户对主用户发射信号不是很了解，而 只知道随机高斯噪声功率时，可以采用能量检测，由 于这种方法实现起来较简单， 故目前对主用户进行 检测时一般都采用这种检测技术。 但是能量检测容 易受到噪声功率的不确定性影响， 目前对这个问题 的解决方案是在主用户发射机处引入一个控制音， 提高能量检测的准确性。 3）循环特征检测 由于信号受人工周期信号的调制， 对信号的离 散采样、扫描、调制、多址、编码以及物理现象固有的 周期性都使信号的统计特性呈现周期性， 因此调制 信号具有典型的循环平稳性， 可利用其循环谱密度 函数特征完成其检测及参数估计。 在认知无线电中， 采用循环特征检测技术检测 频谱空穴就是利用其调制信号具有典型的循环平稳 性。 谱相关函数（SCF）又称循环谱，与一维的功率谱 密度函数不同，SCF 是一个二维的复函数。 参数 为循环频率，当 =0 时，谱相关函数与功率谱密度 函数等价。 谱相关函数的最大特点就是能够区分噪 声能量和调制信号能量， 由于不同循环平稳信号具 有不同的频谱冗余特性， 所以可以用谱相关函数区 别调制信号中的噪声和有用信号。同时，具有相同功 率谱密度函数调制信号的循环谱呈现出完全不同的 特性，平稳噪声和干扰也具有不同的循环谱。实验表 明，该方法性能良好，即使在 -20dB 信噪比的情况下 也能检测出调制信号。 循环平稳特性检测法克服了匹配滤波器法和能 量检测法的诸多缺点， 还可以应用于扩频信号的检 测，优点不言而喻。 它的缺点是计算量大，检测时间 相对长一些。 2 基于干扰检测 为了解决合作式检测方法中存在的问题， 提出 了基于干扰的检测方法。 基于干扰的检测方法也是 一种典型的、以发射机为中心的检测方法，其基本原 理是通过辐射功率、超宽带发射、本地个别发射机来 控制发射机处的干扰，但这种方法仍存在问题。 2.1 干扰温度模型提出的背景 根据香农定理 C = B log （1 + S ），在噪声与信 N 号独立的高斯白噪声信道中， 信道容量和系统信噪 比有关。 提高信噪比可以增加信道容量；反之，可以 通过损失部分信道容量来降低对系统工作信噪比的 要求。基于这种考虑，利用现有授权用户系统的信噪 比冗余量， 可使授权系统损失部分信道容量允许非 授权用户接入工作。这样，既保证了原有授权系统的 正常运行，又为新的非授权用户提供了工作的机会， 从而提高了频谱利用率。 基于这种机制，FCC 提出 干扰温度模型。 了测量干扰的一种新模型 该模型是以接收机为中心、 接收机与发射机交 互式的自适应功率控制方式。 这一提案的基础是干 扰温度机制， 通过接收机端的干扰温度来量化和管 理无线通信环境中的干扰源。在干扰温度机制中，干 扰温度用来表征非授权用户在共享频段内对授权用 户接收机产生的干扰功率与授权接收机处系统噪声 功率之和，类似于热噪声功率，可以用等效噪声温度 1.2 合作式检测 如果认知用户不了解主用户接收机， 由于认知 用户与户主用户之间没有信息交流， 在以发射机为 中心进行频谱检测（即非合作式检测）时，认知用户 只能感知到主用户发射机发射的微弱信号， 并且在 大多数情况下， 认知网络与主用户所在网络是彼此 分离的，不存在任何联系，结果使认知用户无法避免 来自外界的干扰，影响频谱检测。 另外，发射机检测 还存在隐藏终端问题。 非合作式检测主要以发射机 为中心，通过认知用户的本地观察，独立检测主用户 发射机的信号。而合作式检测则不同，在合作式检测 方法中， 频谱感知信息来自多个认知用户对主用户 的感知结果。 23 论 文 选 粹 表1 频谱检测方法 优点 频谱检测方法比较 现状分析 2009 年 第 2 期 缺点 在固定高斯噪声环境下能够最 被检测信号输入之前， 要求认知用 由 于 目 前 大 部 分 无 线 网 络 都 存 在 匹配滤波器检测 大 化 接 收 SNR ，可 以 在 很 短 的 户 掌 握 每 一 类 授 权 用 户 的 各 种 信 导 频 、同 步 码 和 扩 频 码 ，故 该 技 术 时 间 内 完 成 同 步 ，提 高 信 号 的 息，如调制方式 时序、脉冲形状、封 理论上能实现。 如超高频的电视频 处理增益 不需要认知用户预先对主用户 能量检测 信 号 的 相 关 信 息 充 分 了 解 ，且 只能识别信号的存在性， 而不能区 目 前 该 技 术 主 要 用 于 无 意 信 号 所 接收机可以只知道随机高斯噪 分信号类型。 声功率 循环特征检测 能解决以上两种检测方法存在 的缺陷 能解决非合作式检测中存在的 阴影效应所带来问题 计算量大，检测时间相对长一些。 应用于扩频信号的检测 目前采用了协同机制来解决极弱 仍然存在主用户不确定性问题 信号的检测问题，在此基础上提出 了基于干扰的检测方法 触发的错误检测 装格式等 段 合作式检测 来进行描述， 干扰温度是干扰功率的另一种表示形 式。同时设定一个保证授权用户系统正常运行的“干 扰温度门限”，该门限由授权用户系统能正常工作的 最坏信噪比决定。非授权用户作为授权用户的干扰， 一旦累积干扰超过了干扰温度门限， 授权用户系统 就无法正常工作；反之，可以保证授权用户与非授权 用户同时正常工作。 以上模型仍然存在缺陷， 它只考虑了单个认知 用户的接入给主用户所带来的影响， 没有考虑多个 认知用户接入时给主用户所带来的影响， 同时也没 有考虑主用户之间的干扰， 即干扰温度的测量具有 单一性。 干扰温度模型中的两个难点是干扰温度门限的 确定及干扰温度值的计算（需要考虑干扰源）。 的问题。 由于隐藏终端问题会造成对授权用户的干 扰，而暴露终端问题则会降低频谱资源的利用率，因 而自我检测机制无法正常有效地工作。 b）间接检测 在一个固定的地区安置检测机， 不断检测频段 的干扰水平，并把它转化为干扰温度值，通过特定的 信道报告给准备工作的非授权发射机， 非授权用户 以此来判断是否占用该频段。 该检测机制受到检测 相关性和检测机安装位置的限制， 为了使间接检测 的测量值有效， 必须保证检测机测量到的干扰和授 权接收机受到的实际干扰有很强的相关性。但是，由 于非授权用户位置的离散性和随机性， 使得授权用 户接收机周围的干扰有着很强的地域独立性， 不同 位置测得的干扰值是不同的， 使检测机很难准确测 出整个频带内的干扰水平。另外，为了保证测量的准 确性，需要将检测机放置在授权用户接收机的附近。 然而很多授权用户接收机的位置通常难以确定，例 如，移动电台和广播接收机。 3 当前频谱检测技术所面临挑战 目前所提出的各种频谱检测技术在一定程度上 能满足需要，解决一些问题，但是都不完善，都存在 考虑不周的缺陷，面临一些难题。 c）直接检测 在下行链路中由受影响的授权用户接收机本身 检测自身附近的干扰温度值， 然后报告给各个非授 权用户。这个方法可以克服间接检测的缺陷，但是要 改变现在所有的授权用户系统， 使它们具有测量干 扰温度值的能力是很困难的。 1）干扰温度值的测量 目前干扰温度值的测量方法主要有自我检测、 间接检测和直接检测，这 3 种检测方法都存在一定 问题。 a）自我检测 认知用户自带干扰温度测量装置， 将测量的干 扰温度值与干扰温度门限值相对比， 决定是否使用 该频段。在这种检测方式中，用户间干扰的避免完全 由非授权用户负责， 导致了典型的隐蔽站和暴露站 2）多用户网络中的频谱感知 一般情况下，认知网络工作于多用户环境中，即 该网络存在多个认知用户和主用户，而且不同的认 （下转第 31 页） 24 2009 年 第 2 期 论 文 选 粹 波束形成技术的稳健性成为人们十分关心的问题。 参考文献 1 2 3 谢 显 中 . TD-SCDMA 第 四 代 移 动 通 信 系 统 技 术 与 实 现 扰法等。 由于篇幅有限，这里不再赘述。 4 结束语 从未来发展角度看， 自适应波束形成是智能天 线发展的方向。但从实际应用角度看，预多波束实现 智能天线是未来自适应波束实现智能天线之前研究 最为热门的课题。从目前发表的文章看，有关预多波 束天线的内容较少，即用现成的、预置好的波束来代 替实时 DBF，而且波束生成（实际是波束匹配挑选） 也是跟着用户走的。 但是预多波束无法像自适应中 实时产生的 DBF 那样对干扰信号进行零陷。 当前自 适应波束形成技术在理论上具有十分优良的性能， 然而在实际应用中却不尽人意， 究其原因是阵列天 线不可避免地存在着各种误差，如阵元响应误差、通 道频率响应误差、阵元位置扰动误差、互耦等，自适 应波束形成技术对这些因素较为敏感， 因而自适应 4 5 M. 北京：电子工业出版社，2004. 高康强 . 智 能 天 线 波 束 形 成 技 术 研 究 D . 西 安 电 子 科 技 大学 硕士学位论文 , 2002 John Litva, Titus Kwok-Yeung Lo. Digital Beam forming in Wireless Communications M ，London: Artech House ，1996. 龚耀寰 . 自适应滤波 M. 北京：电子工业出版社，2003. 腾 红 . 部分自适应阵波束形成技术 D. 电子科技大学 硕士学位论文 ，2004. 贺 勋（1982），男，硕士研究生，主 要研究方 收稿日期：2008-10-31 向为智能天线波束形成算法及 FPGA 实现。 ! （上接第 24 页） 知网络会为了使用同一个频段而产生竞争。 以上提 出的干扰温度模型并没有考虑到这些因素，因此，实 际环境中该模型存在很多缺陷，为了解决这个问题， 提出了通过使用认知网络固有的空间分集的合作检 测技术。 测法、循环平稳特性检测法和基于干扰的检测方法， 对它们的优缺点进行了比较。另外，本文还介绍了干 扰温度模型和频谱感知面临的挑战，我们相信，随着 科学技术的发展和 CR 技术的成熟，在不久的未来， 认知无线电将有效服务于人们的生活。 参考文献 1 2 Federal Communications Commission. Spectrum Policy Task Force. Rep. ET Docket no. 02-135 ，Nov. 2002. M A McHenry. NSF spectrum occupanc