认知无线电频谱感知技术分析.doc

认知无线电频谱感知技术分析摘要：认识无线电技术做为近年来通信领域的热点研究课题，是无线通信新兴智有技术之一，它对目前频谱资源利用率较低的固定频谱分配制度问题能够有效加以解决。因此，深入探讨做为认知无线电实现频谱分配、频谱共享前提和基础的频谱感知过程，则成为整个系统环节的重中之重。关键词：认知无线电 频谱感知技术 研究意义 分类 分析中图分类号：tn925文献标识码：a文章编号：1007-9416(2012)02-0033-02伴随着广播电视、移动通信等领域中的应用越来越广泛，无线电技术应用面不断得到扩展，这使得有限的无线电频谱资源，与社会不断增长的需求产生一定的矛盾，可以说，随着人类社会对无线电频谱资源需求的增长，其也已成为稀缺的信息社会重要资源之一。认知无线电技术正是在这种背景下产生的，它可从有效解决因固定频谱分配政策导致的频谱资源不合理分配问题，并在探索频谱空穴特性的基础上，对无线频谱资源高效利用的重要手段。因此，探讨频谱感知这一认知无线电关键技术越来越为人们所关注，对此进行进入地探究也更具重要的现实意义。1、认知无线电频谱感知技术的研究意义频谱感知/空闲频谱检测和动态频谱资源管理是认知无线电最核心两项技术，而频谱感知过程决定了其后续环节实施的顺利与否，可以说，感兴趣频段的检测，成为整个系统实现与否的重要前提条件。因此，频谱感知技对于认知无线电的研究与发展作用极大。感知无线信道的环境，对信息检测、感知过程中出现的空闲频谱，并将其看做是作用在物理层上的信号处理技术，频谱感知在认知无线电中的主要任务包含两方面的内容：一方面应检测授权用户的信号存在与否，判断频段是否可用，这个任务要求频谱检测具有较高的可靠性；另一方面，由于接入权差异的客观存在，认知用户在使用某一频段的过程中，必须时刻保持有效的监测状态，对授权用户接入或使用该频段时不接入或是及时用最快的速度退出占用，以避免干扰到授权用户的正常工作。对认知无线电接收机而言，其工作地点即可在授权频段，也可在非授权频段。在授权频段上，授权用户比认知用户的接入权要高，认知用户在占用频段后，需进行周期性检测，以防与授权用户出现使用冲突现象，若频谱空穴已为信号所占用，则还需要去寻找新的空闲频段才能进行信号的传输，所以认知用户需要判断频谱空穴是否真实存在，这个过程包含在授权频段的检测过程中。为了满足无线电频谱的检测要求，需要使认知无线电系统中的频谱感知执行得更加可靠和有效，以确保授权业务免受干扰，还要使不同认知用户利用授权频段来传输非授权信号更加合理。通过以上分析可知，在认知无线电应用中，频谱感知/空闲频谱检测具有着重要的基础意义，因此，探讨频谱感知技术很有其必要性，这也是认识无线电应用中必须加以讨论的的核心内容。2、认知无线电频谱感知技术分类的形式从本质上来讲，频谱感知是通过对接收信号的检测，认识用户能够对某信道存在授权用户与否作出准确判断。同时为避免对授权用户使用造成干扰，认知用户必须能够检测出空闲频谱，以及授权用户的出现。也就是要求认知用户有效提升检测的可靠性，从而能够实现连续、实时地侦听频谱。在频谱感知过程中，授权用户的类型不同对感知灵敏度也有着不同的要求。举例来讲，普通电视接收器较gps接收机而言，其灵敏度要差一些，所以电视广播信号就较gps信号更容易检测。因此，认知无线电的灵敏度相对较高，至少要超过授权用户接收机的灵敏度，并拥有3044db的余量，以避免“隐藏终端问题”(hidden terminal problem，htp)。同时，由于认知环境的差异，实现频谱感知还需要高度的灵活性。频谱感知对信号的处理表现在通过信号统计对授权用户作出身份辨识和通过处理增益提高射频前端灵敏性。总体来讲，频谱感知技术可归纳为授权用户发射端检测、授权用户接收端检测和协作检测。其中，本地频谱检测是指单个认知用户独立执行频谱检测算法检测的过程，又可以分为: 授权用户接收端检测(primary receiver-sensing)和授权用户发射端检测(primary transmitter-sensing)。协作检测(cooperative sensing)则是指多个认知用户互相合作认知无线电频谱感知技术而执行的检测。3、对认知无线电频谱感知技术的进一步分析实现频谱管理、频谱共享是频谱感知技术的前提，更是认知无线电系统的基本功能，在认知无线电中具有基础地位。根据检测的依据，当前频谱感知技术类型主要可划分为两种：一种如接收信号强度检测rssi、多分辨率频谱感知mrss等，是基于能量的检测；另一种则包括基于信号符号构成的感知和基于信号相关特征的感知等，这是基于特征的检测。3.1 基于能量检测的认知无线电感知技术分析能量检测是非相干检测，为目前使用最多，也最简单的方案。采用能量检测，接收机可以不用预知主用户信号发射的相关特征。接收机将信号依次通过模/数转换器、自相关运算、fft，取得接收信号平均功率，然后再拿得到的结果和阈值进行比较，从而判断当前信道主用户占用与否。通过增加接收机每次信号接收时间的长度，或增加fft运算的点数，就能够提高能量检测准确性。不过，能量检测虽较易实现，却也存在局限性，即对主用户信号和接收噪声不能进行有效分离，如果工作条件信噪比相对较低其性能不够稳定。3.2 基于匹配滤波的感知技术分析在输入信噪比一定的条件下，采用匹配滤波器能使输出信噪比在某一时间达到最大。这使得这种技术检测信号耗时短、效益高，从这个意义上盾来，匹配滤波是最优的信号检测技术。但它需要待测信号的先验信息，这个显著的弱点，加之硬件上的相对复杂，使其在实际感知条件下不易实现。在信号检测理论中匹配滤波器占有十分重要的地位。对实信号s（t）的匹配滤波器，其冲激响应如下式所示：h(t)=ks(t0一t)由式可见，匹配滤波器的脉冲响应h(t)基本为输入信号s(t)的镜像，只不过是时间上右移，同时幅度上乘以中这一非零常数。匹配滤波器能使输出端信噪比达到最大，但是为了匹配滤波的实现，获得较多被检信号的先验知识是重要前提，加之其计算量相对较大，所以这样方法通常用来检测那些发送双方都预知特征的信号。3.3 基于信号周期平稳特征的感知技术分析由于信号的统计量达到期望值，自相关函数等便具有周期性，这也使得信号与噪声相较而言循环平稳特性更为明显。在己知信号自相关函数的情况下，就能够实现信号与噪声的有效分离，也就能够进行更为准确的感知。此外，由于信号不同，其自相关函数也是不相同的，在已知某一信号频谱特性的前提下，那么将已知信号与其它信号进行分离也是可实现的。这种基于信号循环平稳特征的频谱感知更加有效，当然这需要一个重要的前提，就是已知待检信号的循环平稳特征，且执行复杂度较高。信号的循环平稳特征检测模型如图1所示:图1 信号的循环平稳特征检测模型如果信号是功率有限的循环平稳信号，那在时间t/2，t/2上其循环自相关函数为：谱相关函数为:其中，是循环频率，s()是=0时信道没有信号，仅有噪声情况下的功率谱密度，s()是待检测到信号的功率谱密度。谱相关检测法其优点表现为：基于信号特征离散地分布于循环谱的循环频率之中，而背景噪声与干扰在非零循环频率处不会呈现谱相关特性，所以信号辨识能力较高。谱相关检测法的局限则表现在：其计算量很大，且算法要使用傅里叶变换两次对信号进行处理，其所提供的只能是对傅立叶频谱的补充。3.4 认知无线电频谱感知技术中的协作检测分析由于认知用户对主用户位置信息不掌握，所以只能检测主用户可能较为微弱的信号，这也是对主用户进行基于发射机检测的原因所在。在大多情况下，主用户网络和认知用户在物理上是分隔开来的，因此，认知用户在发射机检测中，无法避免因主用户接收机位置未知而形成的干扰。认知无线电发射机与接收机之间即便是视距传输，但由于遮蔽等客观原因，无法检测到主用户发射信号的可能也是存在的。因此，认知无线电用户需要其他用户协作感知，也就是从其他用户那里得到信息并进行准确检测。认知用户之间的协作检测能够有效减少单一用户检测所带来的不确定性，从理论上来讲，协作检测准确性更强。协作检测可在最大程度上避免阴影疚和多径衰落造成检测性能下降的可能，即使在遮蔽环境相对严重的状态下，也能获得较好检测概率。协作检测结构既可以是分散式的，也可以是集中式的。所谓分布式协同感知，是指各个节点均独立决策，只是相互交换感知信息。协作频谱感知的影响因素不仅包括参与协作的各个节点感知性能，还包括网络拓扑结构和数据融合方法；而所谓集中式协作感知，则是将各个感知节点的感知结果送到基站(bs)或接入点(ap)进行统一的数据融合，并据此做出决策。值得注意的是，在协作频谱感知过程中，单个节点的不可靠性和不同感知节点的相关性也会对频谱感知的性能产生一定的影响。3.5 认知无线电频谱感知技术中基于干扰的检测发射机可称为无线环境的中心，距发射机一定距离的信号功率在设计中必须要达到一个底限才能降低干扰。但由于不可预知的、新的干扰源出现，射频噪声底限随之升高，从而导致信号减粘覆盖范围。因此，为了提高频谱利用率，也为了提升认知无线电技术应用性，美国联邦通信委员会提出了干扰温度机制，通过干扰温度模型进行评价（如图2所示）。这种转换为干扰提供了一个度量，用以量化和管理无线环境中的干扰源。设定一个保证授权用户系统正常运行的“干扰温度门限”，该门限是由授权用户系统能够正常工作的最坏信噪比决定的。非授权用户对授权用户的干扰累积如达到或超过干扰温度门限，授权用户系统就可能无法正常工作；反之，则可以保证授权用户与认知用户同时正常工作。干扰温度机制能更好地量化和管理干扰，并在确定的频段上增加更多的非授权操作。相比于仅基于发射机操作的简单评估方式，干扰温度模型基于实际环境和发射机与接收机间的交互，考虑了所有干扰源的累积效应。当认知用户发现自己可能导致干扰温度超过门限时，则应选择其它频率，如果没有可用频率，则应停止频谱占用直至情况允许。干扰温度机制的执行过程涉及三个环节:一是以某种方式准确地测量出授权接收机处的干扰温度，即认知用户必须明确目标频谱内现有的用户的工作状况，定量计算目标频带中可接受的噪声干扰水平，并准确预测接入后对原有授权用户接收机产生的干扰；二是合理“干扰温度门限”的设置，只要引入认知用户后，产生的附加干扰温度值不超过既定门限，系统就可以正常工作；三是有效控制认知用户的累积干扰，使授权用户接收机处的干扰温度不超过既定门限，从而保证授权用户系统的正常工作。利用干扰温度概念，认知无线电能够与授权用户真正实施频谱资源共享，而非频谱机会接入。3.6 其它感知技术分析基于波束的感知:如果已知发射信号的导频，扩频码等信息，即可利用这些先验信息判断有无主用户。基于无线身份验证的感知:如果知道主用户所采用的通信技术标准，获得其发射信号的完整特性，则可进行更为准确的感知。比如，如果认知节点知道主用户采用的是蓝牙技术，凭借这一信息，认知节点可以从中提取出有用的信息，因为己知蓝牙信号的传输距离为10米内。验证通常包含两个步骤:imi(初始模式身份鉴定)，认知用户根据感知到的主用户(由于已知主用户采用的通信技术)，选择适合自己的通信技术标准，不对主用户造成干扰amm(替代模式监测)，认知用户在使用特定技术标准通信时，也应监测其他可能的备选模式。除以上几种常见的感知技术外，还有multitaper spectral estimation多抽头频谱估计，wavelet transform based estimation小波变换估计，hough transform霍夫变换，time-frequency analysis时频分析等感知技术。4、结语频谱感知不仅是认知无线电系统中必不可少的功能，更是当前认知无线电研究的热点课题。为了保证不干扰已授权用户的通信，认知用户的感知功能要尽可能准确