基于认知无线电的频谱检测方法研究

陈志刚 程水军

摘 要在无线通信中，随着无线通信设备的爆发式增长，越来越拥挤的频谱分段和频谱资源的不充分利用这对矛盾越来越尖锐，认知无线电被认为是解决这对矛盾的有效方案，其中频谱检测是认知无线电的重要组成部分。只有采用适合相应无线通信环境的频谱检测策略，次级用户才能以较高的检测概率检测到频带的使用情况，从而作出正确的选择，即接入该频段或者不接入该频段。本文对不同的频谱检测方法进行了研究，包括能量检测，匹配滤波器检测，序列检测等检测方法，对其优劣进行了分析，为不同的认知无线电环境如何选取最合适的频谱检测方法提供参考。

【关键词】认知无线电 能量检测 匹配滤波器检测 序列检测

1 认知无线电简介

近年来，以高可靠性，高并发，高传输速率为主要特征的无线通信技术飞速发展，比如4G，5G等，这些无线通信技术使得人们的生活更加便捷，能够实时与世界各地的人通信。可是，这些无线通信技术的发展离不开无线频带资源的支撑，可是，从目前频谱分配的总体情况可以发现，能够继续分配的频谱越来越少，这将严重制约无线通信技术的持续发展。因此如何解决无线频谱资源匮乏的问题变得越来越急迫。在这个时候，越来越多的人将希望放在了认知无线电技术上。

认知无线电是一种能够进行自我学习的智能网络，如图1所示，具有能够收集并且分析处理所在电磁频谱环境信息的强大能力，具体来说，该智能网络首先与周围电磁环境进行交互，通过频谱检测技术判断出可以使用的频带，即授权用户暂时没有使用的频段。如果授权用户需要重新使用该频段，那么认知网络就需要及时检测到该信息，然后减小功率甚至放弃使用该频谱。可以看出认知无线电的核心是频谱检测，只有正确地检测到频段的使用情况，才能实现认知无线电的功能。

2 基于认知无线电的频谱检测方法研究

2.1 能量检测

能量检测是一种较为简单的频谱检测方法，它的检测原理是根据一定时间内接收到的能量大小来判定是否存在工作信号还是只有噪声，如果周围环境噪声服从高斯分布，那么能量检测是实际检测环境中使用最为广泛的检测方法，因为使用该检测方法不用知道授权用户的任何先验知识，并且运算速度快，时间复杂度较低，更重要的是，在很多情况下次级用户是不知道授权用户的相关信息的。一般在理论分析上，可以认为环境噪声是服从高斯分布的，不过需要注意的是在实际的电磁环境中，其只是近似服从高斯分布，并且在噪声波动较大时，误差会变大。

能量检测方法的具体实施方法是通过对接收到的信号进行采样，然后求模加平方和就可得到检验统计量，而后与门限进行比较，就可进行判决。需要注意的是能量检测是通过对周围环境中的噪声进行动态检测，根据检测得到的结果判决授权用户是否工作。因此，对周围环境噪声检测得到的结果是否准确将直接影响到最后的检测性能。

2.2 匹配滤波器检测

匹配滤波器检测是通过在信号的接收端按照匹配滤波器的要求来设计检测方法，以达到改善信噪比的目的。匹配滤波器指的是如果周围环境噪声是加性平稳噪声，在输入功率信噪比一定的条件下，使输出功率信噪比最大的滤波器，就是一个与输入信号相匹配的最佳滤波器，称之为匹配滤波器。匹配滤波器对振幅和时延参量不同的信号具有很强的适应能力，不过对频移信号不具有适应能力。匹配滤波器的主要优势在于该滤波器能够使输出功率信噪比最大化，因此可以得到最好的检测性能。

不过该检测方法存在一些明显的缺点：该检测方法需要知道授权用户的相关信息才能进行检测，而对该信息的存储将会花费更多的存储空间。并且，为了能够保证授权用户的工作信号发生变化时，次级用户能够使用同样的滤波器，认知网络必须进行非常复杂的运算，而这将花费更多的时间资源。

2.3 序列检测

在对接收信号的观测达到预设的观测次数后，必须作出授权用户是否存在的判决方法称为硬判决，能量检测和匹配滤波器检测都属于硬判决的范畴。如果事先不预设观测次数，而是边观测边作出判决，即如果在这次判决中无法得到满意的判决结果，就继续增加观测次数，再次判决，直到得到满意的判决结果为止，这种判决方式称为信号的序列检测。序列检测方法是一种观测次数不定的实时判决方法，由于与传统的硬判决方法相比，在保证检测性能不变的前提条件下，该方法使用的平均采样点数更少，可以减少感知时间，从而提高频谱利用率。因此，该方法在频谱检测领域得到了越来越多的关注。不过该检测方法由于需要边检测边判决，与传统的硬判决相比，其运算复杂度会更高，因此在实际使用中需要权衡是否能够承受较高的运算复杂度。

3 结论

本文研究了认知无线电环境下的常用频谱检测方法，包括能量检测，匹配滤波器检测和序列检测。对上述检测方法的优劣进行了分析，为不同的检测环境如何选取检测方法提供了参考。随着认知无线电技术的研究越来越深入，相信频谱资源匮乏的问题将会逐步得到解决，人们的生活也会越来越便捷。

参考文献

[1]王钦辉，叶保留，田宇等.认知无线电网络中频谱分配方法[J].电子学报，2012，40（01）：147-154.

[2]王軍，李少谦.认知无线电：原理、技术与发展趋势[J].中兴通讯技术，2007，13（03）：27-31.

[3]周贤伟，辛晓瑜，王丽娜等.认知无线电安全关键技术研究[J].电信科学，2008，24（02）：72-77.

作者单位

1.海装沈阳局 辽宁省沈阳市 110081

2.中国舰船研究设计中心 湖北省武汉市 430064