浅析认知无线电的频谱感知技术

摘 要：无线电技术的发展与业务范围的拓展，使通信等领域对认知无线电的频谱感知技术需求不断增加，频谱感知技术资源成为影响国民经济发展与通信行业进步的重要因素。加大对频谱感知技术的研发与应用力度成为行业进步的关键。本文阐述了频谱感知技术的相关理念以及技术前提和设计挑战，分析了几种典型的频谱感知技术，并研究了认知无线电的频谱感知技术要点。旨在通过本文的研究，分析得出认知无线电频谱感知技术发展的方向与难点，为频谱感知技术的长效发展奠定理论与数据基础。

关键词：认知无线电；频谱感知技术；智能通信

中图分类号：TN925 文献标识码：A文章编号：2096-4706（2018）05-0064-03

Analysis of Spectrum Sensing Technology in Cognitive Radio

ZHANG Junqiang

（Xinzhou Vocational Technical College，Xinzhou 034000，China）

Abstract：The development of radio technology and the expansion of business scope make communication and other fields increase the demand for spectrum sensing technology of cognitive radio. Spectrum sensing technology resources have become important factors affecting the development of national economy and the progress of communication industry，increasing the research and application of spectrum sensing technology has become the key to the progress of the industry. In this paper，the concept of spectrum sensing technology，technical premise and design challenge are expounded. Several typical spectrum sensing techniques are analyzed，and the key points of cognitive radio spectrum sensing technology are studied. The aim of this paper is to analyze the direction and difficulties of the development of cognitive radio spectrum sensing technology，and to lay a theoretical and data base for the long-term development of spectrum sensing technology.

Keywords：cognitive radio；spectrum sensing technology；intelligent communication

0 引 言

目前的技术资源市场中，频谱感知技术资源十分紧张，对频谱感知技术进行研发与应用的形势较为严峻。专用频谱由占有相关频谱的机构使用，共同频谱可以由用户协商共享使用。相关研发与统计机构数据显示，目前频谱资源应用仍以专用形式为主，频谱资源共享利用率不足10%，资源的利用率较低，无论是时间上还是空间上均存在资源无法充分利用的状况。将动态频谱访问机制引入频谱管理与技术应用中，能够在很大程度上增加无线频谱资源的利用率，为认知无线电频谱感知技术的长效发展提供助力。

1 频谱感知技术概述

认知无线电的频谱感知技术是指通过对频带进行扫描，确定能够用于数据传输的频谱。在分析特定区域频段的基础上，认知与识别能够用于通信的频谱空洞，因此，频谱感知技术是认知无线电应用的前提条件。认知无线电通过不断检测正在占用的工作频段以及可用频谱，能够保证主用户的通信不受到干扰[1]。一方面，及时发现和识别主用户，规避对主用户造成干扰的可能性；另一方面通过对可用无线电频谱的识别，获取可用的频段，以达到正常通信的目的。同时，通过对可用频谱资源进行识别与合并能够提升认知用户的通信水平。

2 技术前提与设计挑战

2.1 频谱感知的基本前提

频谱感知技术通过对授权频段工作状态的识别与判断来增加频谱动态接入的机会，能够避免对主用户的通信造成影响。实施认知无线电的频谱感知技术应该在以下两个基本前提下实现：第一，物理层协议中要对认知用户的信号状态进行规范，保障频谱感知探测中认知用户不发射信号，在此基础上，保证授权用户产生的频谱功率具有独立性与单一性[2]；第二，要保证授权用户发射机及认知用户接收机的探测成功率在99.90%以上，保证频谱感知的有效性与及时性。

2.2 频谱感知的设计挑战

频谱感知技术的应用效率与使用性能会受到诸多因素的影响，在设计使用中面临着较大的挑战与困难。对频谱感知技术设计与应用影响最大的问题是如何在动态变化的无线信道以及异构网络环境中保证技术的稳定性与准确性。当无线信道发生衰落或是遮蔽状况时，主用户信号可能会受到遮蔽或是经历衰落，导致无法根据信号接收强度来判断主用户是否受到次用户的干扰影响[3]。频谱感知技术的稳定性与准确性需要保证无线电设备对频谱检测具有较强的灵敏度，必要时应该使用多用户协同检测的方式，保证频谱检测的精度。

3 几种典型的频谱感知技术

3.1 基于发射机的频谱感知技术

基于发射机的频谱感知技术是在微弱信号检测的原理上形成的，主要有能量检测、匹配滤波检测以及循环平稳过程特征检测三种类型。能量检测通过对一定时间频带信号能量的积累，在此基础上对设置的阙值进行比较，当比较结果大于阙值时，属于频带的主要用户，能量检测的技术原理如图1所示；匹配滤波检测属于无线信号检测中较为常见的方式，能够完成解调授权用户信号，在应用中不仅能够完成信号处理，还能够使输出信号信噪比达到最佳；循环平稳过程特征检测通过在未知噪声以及强干扰等环境中对人工周期信号进行调制检测，保证检测的平稳性与循环性。

图1 能量检测技术原理

3.2 基于接收机的频谱感知技术

基于接收机的频谱感知主要有干扰温度检测和本振泄露检测方式，能够在保证检测效果的同时有效解决隐藏终端的问题。干扰温度检测模型是在射频环境中发射机和接收机交互的基础上产生与建立的，模型建立的过程综合考量了干扰的累积效应。原有的干扰评价分析方式建立在大量发射机操作的基础上，干扰温度模型的评价则是在发射机和接收机交互的基础上实施的[4]。

本振泄露检测方式能够对主用户是否工作进行检测判断，是保证认知无线电工作的重要条件。本振泄露检测通过对接收机的高频信号泄露情况进行检测来实现频道检测与判断的目的。

3.3 协作频谱感知技术

在一般情况下，主用户网络同认知无线电网络是相互独立、互不影响的。当认知无线电网络用户频谱感知检测无法对主用户接收机信息进行准确检测时，难免会对主用户产生干扰。因此，在认知用户之间实施信息交流共享是十分必要的。受阴影衰落影响较小的情况下，认知用户检测的结果会较为精准，其他用户也可以参照认知用户的检测进行频带选择。例如有n个认知用户时，合作协作检测概率及虚警概率分别为：

Pdc=1-（1-Pd）n

Pfc=1-（1-Pf）n

其中Pd与Pf分别是非合作方式下单一认知用户的检测概率和虚警概率，协助检测机制能够使两者的概率同时得到提升。

4 认知无线电的频谱感知技术要点

4.1 安全问题

无线电通信网络中的安全问题是影响网络运行与技术发展的关键性内容，也是技术研发的关键内容。认知无线电技术的技术特性，使其研发与应用面临的安全问题更加复杂和多样，如授权用户仿冒攻击等问题[5]。协作感知技术模式下，多个认知用户同时进行频谱感知探测，并通过共享信息判断主用户的工作状态。在这一过程中，网络可信度及信息准确性将会对安全性产生重要的影响。网络不可信时，将会使认知用户自身感知产生错误，或是授权用户仿冒恶意攻击，进而使信息准确性受到严重的影响。

4.2 隐藏终端问题

在多径衰落及阴影衰落等外界因素的影响下会产生隐藏终端问题，使认知用户获取的信号产生严重的传播损耗，导致认知用户无法检测感知主用户的存在，从而对主用户的通信产生干扰。大部分认知无线电通信模型中，频段判断为未被占用，则认知用户可以对该频段进行使用。在隐藏终端问题影响下，主用户到达认知用户的信号微弱，认知用户会对信道产生错误的判断，进行通信传输，导致主用户通信受到严重的干扰[6]。利用多用户协作检测的方式能够解决隐藏终端问题，但鉴于多径条件的变化特征，问题无法得到完全解决。

4.3 多用户问题

大部分条件下，认知无线电网络环境中存在多个认知用户及主用户，多个认知无线电网络将会对单一频段的使用权产生竞争，这在很大程度上增加了主用户受到的干扰程度，这也是影响感知无线电的频谱感知技术应用效果的重要因素。在频谱感知技术中，对多用户网络环境进行识别与分析是频谱感知技术研究与发展的重要方向，也是影响无线电通信技术质量的重要因素。

4.4 温度测量与感知时间

认知用户与主用户之间不具备相应的通信机制，导致认知用户无法对主用户接收机的位置进行明确，因此，精准测量主用户端干扰温度的难度较大，从而对认知用户的通信产生不良影响。对干扰温度的测量是频谱感知技术发展的难点之一，认知用户无法准确地测量干扰温度，将会使认知用户无法探测信息传输对主用户接收机造成的影响[7]。频谱感知时间是影响认知无线电网络应用的重要因素，尽量在较短的时间内实现对主用户的探测才能够保证无线电通信的有效性。认知用户高效率地对主用户通信传输进行探知才能够有效地避免对主用户通信造成不良影响。这给认知无线电频谱感知的时间提出了较高的要求，在频谱感知技术研发及测算中，应对误判概率范围进行明确，实现探测主用户样本的最小化。

5 结 论

综上所述，认知无线电的频谱感知技术对通信行业及相关领域的发展具有重要的促进作用，目前应用中较为典型的频谱感知技术有基于发射机的频谱感知技术、基于接收机的频谱感知技术以及协作频谱感知技术。在频谱感知技术研发与应用中，应重点关注安全感知、隐藏终端、多用户使用、温度测量与感知时间几个方面的技术难点，为技术发展提供更好的方向与助力。

参考文献：

[1] 曾莉.认知无线电关键频谱感知技术及应用分析 [J].通信与信息技术，2017（1）：59-62.

[2] 魏宜平.探讨认知无线电中频谱感知技术的运用 [J].大科技，2016（14）：269.

[3] 陈彬，勾学荣.认知无线电频谱感知技术的一种改进策略 [J].中国科技论文2016，12（20）：128-130.

[4] 薛建岗.认知无线电中频谱感知技术研究 [J].工程技术：引文版，2016，15（4）：53-55.

[5] 卢光跃，徐偲，叶迎晖，等.基于拟合优度的频谱感知技术研究 [J].电信科学，2016，32（5）：52-61.

[6] 贾世军.浅析感知无线电技术中的频谱感测技术 [J].智能计算机与应用，2016，6（4）：116-118.

[7] 杨明哲.认知无线电频谱感知技术研究 [J].信息通信，2017（9）：33-34.

作者简介：张俊强（1980.02-），汉族，山西忻州人，讲师。研究方向：无线电物理。