2018-08-07 08:45:20
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近年來，隨著各種無線設備的大量使用和寬帶無線電業務不斷應用，對頻譜的需求越來越大，導致頻譜資源緊張的問題日益嚴重。根據我國的頻譜劃分圖，我 們可以看到無線頻譜資源幾乎已經分配殆盡，可用頻譜可以說相當缺乏，而這將嚴重阻礙無線通信服務的進一步發展。軟件無線電的廣泛應用帶來了部分頻段的高效 利用，但是在另外一些頻段(比如電視頻段)頻譜資源卻在時間和空間上存在不同程度的閑置，給頻譜資源帶來了較大的浪費。
認知無線電的提出
FCC的頻譜政策特別小組的調查與研究表明:任意一個給定時刻,人們所用到的頻譜只占可用頻譜資源的2%～6% 。也就是說大量昂貴的頻譜資源都處于閑置狀態,而并沒有得到完全利用。1999年，Joseph Mitola博士提出了認知無線電的概念，為利用空閑的頻譜資源提供了一種解決方案。他對于認知無線電是這樣描述的：“無線數字設備和相關網絡在無線電資 源和通信方面具有充分的計算智能來探測用戶通信需求，并根據這些需求來提供最適合的無線電資源和無線務。”
認知無線電系統工作流程
認知無線電定義系統可以對周圍的電磁環境進行掃描監視，找出“頻譜空洞”,并根據“頻譜空洞”特征選取最佳通信頻率及參數,最終建立起可靠的通信鏈路，在 鏈路建立后仍然繼續保持監測，一旦有新的用戶接入則自動匹配其他信道。因此，在發射端，通過對周圍電磁環境的自主偵察、分析，獲得無線信道傳輸特性,檢測 周圍信號的頻譜分布情況,選擇最佳頻段或最佳信道并主動向接收方發送通信鏈路建立信號;接收端,對工作頻段內的無線電頻譜進行全景搜索，自動截獲信號,并 對其進行分析識別，一旦信號格式匹配就立即建立起通信鏈路,實現通信。圖1是簡單的認知無線電系統通信流程。
認知無線電的關鍵技術
(1)準確的頻譜感知技術
認知用戶相對授權用戶具有更低的頻譜接入優先權，而且不能對授權用戶造成干擾, 因此，認知用戶必須實時地檢測出空閑頻譜及授權用戶的接入。頻譜感知技術是CR進行通信的基礎和前提，最重要的就是要進行頻譜檢測，即感知并分析特定區域 的頻段，利用某些特定的技術和處理，尋找合適的“頻譜空洞”，分析其時間分布特性、占用帶寬、噪聲電平等信號特征并反饋至發送端進行頻譜管理和功率控制， 以此確定通信載頻、通信體制、通信參數和發射電平。
(2)動態的頻譜資源管理技術
授權用戶可能隨時接入，因此“頻譜空洞”資源是不確定的，CR用戶一旦接收到授權用戶信號，必須立刻做出反應。動態的頻譜管理可以提高無線通信的靈活性，使授權用戶和非授權用戶之間避免沖突并公平共享頻譜。
(3)自適應的數據傳輸技術
數據傳輸技術對于認知無線電實現利用空閑頻譜進行通信非常關鍵。認知無線電可用頻譜可能位于很寬的頻帶范圍, 并且不連續, 因此認知無線電數據傳輸技術必需能夠適應這一特性。在多載波傳輸技術中,采用OFDM技術最佳選擇，基本思想是將檢測出的“頻譜空洞”作為多個OFDM系 統的子載波傳輸數據。
(4)功率控制技術
采用認知無線電技術的原則是必須保證對授權用戶不造成干擾，因此功率控制是認知無線電系統的關鍵技術之一。功率控制的功能主要在發送端實現，接收端只需把 檢測到的信道特征反饋到發送端由發送端通過某些策略來實現功率控制。值得一提的是在多用戶的認知無線電系統中，競爭現象會導致認知用戶間的互相干擾，因 此，功率控制技術也是認知無線電系統需要攻克的難題之一。
認知無線電頻譜感知的實現
作為認知用戶，必須實時、準確地監測頻譜變化，以避免與授權用戶使用發生沖突，因此頻譜檢測是認知無線電系統實現的關鍵點之一，頻譜檢測的精確性和準確性 直接決定了是否會影響授權用戶的正常通信。目前，針對頻譜檢測的技術主要基于三種，物理層檢測、MAC層檢測、多用戶協作檢測。物理層檢測關注如何借助數字信號處理增益實現高性能的檢測，分為在授權用戶的接收端檢測和發射端檢測。在授權用戶的接收端檢測復雜度相對高，檢測效率低，在授權用戶發送端的檢測主 要有匹配濾波器檢測法、能量檢測法、循環平穩特征檢測法。MAC層檢測則關注多信道條件下的檢測效率，通過對信道檢測次序和檢測周期優化，使檢測到的可用 信道數最多，或使信道搜索時延最短。這兩種方法都是針對單個用戶進行檢測的，另外一種就是多用戶協作檢測，主要解決了單用戶檢測可靠性不高的問題，通過多 用戶分集對抗無線信道衰落，提高檢測可靠度。
1.物理層檢測
(1)接收端檢測
接收端檢測是認知用戶通過檢測授權用戶接收端獲取授權用戶接收端的干擾信息，并利用該信息在滿足授權用戶干擾約束的前提下充分共享頻譜資源。主要有兩種方 法：一是基于干擾溫度的檢測，干擾溫度用來表征非授權用戶在共享頻段內對授權用戶接收機產生的干擾功率與授權接收機處的系統噪聲功率之和，也就是單位帶寬 上的接收功率，該方法是借助授權用戶接收機的干擾溫度來量化和管理無線通信環境中的干擾源，認知用戶對授權用戶的干擾只要控制在干擾溫度門限以內，就可以 與授權用戶同時使用該頻段。另一種是本振泄漏功率檢測。該檢測方式是一種借助射頻前端的本振泄漏功率檢測授權用戶接收機的方法，通過檢測接收機中本地振蕩 器在天線段功率的微弱泄漏來檢測接收機是否處于工作狀態，并將信息傳送給認知用戶。在不需要授權用戶參與的情況下， 為了測量某個授權用戶接收端的干擾溫度或者本振泄露，需要在授權接收用戶附近安置相應設備以實時監測干擾溫度值。
(2)發送端檢測
與接收端檢測不同的是，發射端檢測是基于授權用戶的發射端進行檢測的,因此，授權用戶只有在工作時才能進行檢測。關于授權用戶發送端檢測的研究也比較多，主要有三種常用的檢測方法：匹配濾波器檢測法、能量檢測法和循環平穩特征檢測法。
匹配濾波器檢測法是一種比較常用的信號檢測方法，當認知用戶獲得完備的授權用戶信號的先驗知識如調制類型和階數、脈沖波形和數據包格式時，匹配濾波器檢測 能使接收信噪比最大，在短時間內完成同步提高信號的處理增益，是一種最佳檢測。但是它要求認知用戶掌握每一類授權用戶的全部先驗信息，如果信息不準確，檢 測性能將大受影響，并且它是一種相干檢測法，對相位同步要求非常高。該檢測法僅適用于授權用戶的信號特征確知的特定場景。
能量檢測法則無需獲知授權用戶信號的先驗知識，對接收信號的處理也比較簡單。其原理是信號在經過A/D轉換后，先進行傅立葉變換得到信號的頻譜，由于能量 檢測法的處理增益取決于FFT的點數N和觀察時間T，因此可增加FFT的點數N可以改進對窄帶信號的頻率分辨率，增加觀察時間T可以降低噪聲功率，提高信 噪比，得到信號的頻譜后，開始進行峰值檢測，檢測出峰值后，再對信號頻譜加窗，計算信號的能量，再根據預先設定的判決門限對信號能量進行判決。而這其中也 存在一些問題：一是噪聲的不確定性使檢測門限的設置比較困難，不合適的檢測門限會將比較微弱的授權用戶信號排除在外， 而將幅度較大的脈沖噪聲檢測為信號;二是無法區分調制信號、噪聲和干擾，由于頻譜使用的策略只適用于授權用戶，接收機無法識別噪聲和其他感知無線電接收機 的干擾，這時能量檢測的方法就無法檢測出信號，比如當干擾來自其他認知用戶時，能量檢測法很可能將這種干擾判定為授權用戶信號;三是無法檢測出擴頻信號， 如直接序列擴頻和跳頻擴頻信號。雖然能量檢測法存在這些問題，但該方法仍然是信號檢測領域中使用最為廣泛的一種方法，我們下面頻譜感知模塊的設計就是采用 這種方法。
循環平穩特征檢測利用了調制信號在均值和自相關等統計參數方面具有循環平穩的周期特性而噪聲不具備這一特性而區分信號和噪聲的，循環平穩信號的統計參數包 括自相關函數、功率譜密度和譜相關函數等。因此該方法可以提取出信號的載波頻率、符號速率和調制類型等典型特征。循環性平穩特性檢測對抗噪聲環境的性能優 于能量檢測，在低信噪比情況下，該方法較為實用，但由于譜相關算法所需數據樣本較長，計算量和復雜度較大，要實現高精度檢測往往需要較長的檢測時間，有時 不能很好的滿足系統快速準確檢測頻譜的需求。
2.MAC 層檢測
物理層檢測技術關注的是檢測算法的靈敏度，而MAC層檢測則更多關注的是如何提高檢測效率。從檢測策略上來講，MAC 層檢測可分為被動檢測和主動檢測兩種。如果把頻譜資源被分為N條信道，在被動檢測模式下，認知用戶只要檢測到其中一條空閑信道便一直占用該信道通信，在數 據傳輸期間不再檢測其他信道，直至授權用戶使用該信道時，才會進行重新檢測轉換，其優點是不會引入不必要的檢測開銷，缺點是會漏掉某些較好的信道，而且一 旦授權用戶接入，又需重新檢測，增加了時延，QoS無法保證;在主動檢測模式下，認知用戶在每條信道上均采用獨立的自適應周期檢測，即使認知用戶不需要通 信，也會進行例行檢測，并建立相應數據庫，一旦認知用戶需要傳輸數據或需要轉換信道時，系統會根據統計和概率情況立即建立信道，降低了時延，但是主動檢測 用于檢測的帶寬開銷和能量相對消耗較大。
3.多用戶協作檢測
基于物理層和MAC層的檢測都是針對單個授權用戶進行的檢測，在實際無線環境中，頻譜信號特征非常復雜，物理層接收端的檢測很難檢測到授權用戶的弱信號, 另外信號在傳輸過程會受到陰影衰落、多徑效應等因素的影響，認知用戶會因為接收到的授權用戶信號太微弱而誤判為授權用戶未使用，從而占用該信道而造成對授 權用戶的干擾。利用多用戶協作檢測，可以減少信道的隨機性和復雜性對結果的影響。在多用戶協作檢測中，每個認知用戶分別將每塊區域檢測結果上傳到中心節 點，由中心節點對接收到的數據進行判決。判決規則一般分為硬判決、軟判決以及混合判決,硬判決和軟判決的區別主要體現在判決門限的選取上，硬判決依據單一 假設進行決策，軟判決在置信度測量基礎上，主要依據貝葉斯、奈曼-皮爾遜等準則得到判決門限，混合判決機制就是硬判決與軟判決的結合。多用戶協作檢測的優 點是可以有效對抗陰影和多徑衰落，提高檢測性能，缺點是增加了檢測技術的難度以及運算復雜度。
認知無線電的應用
首先，CR在WLAN系統中的應用應該算是比較早的,早在802.11a協議上,FCC就要求該系統能夠自適應測雷達信號避免干擾,現在,基于 IEEE802.11b/g/n協議的WLAN系統工作在2.4GHz及5GHz等不需授權的頻段上,這個頻段可能受到包括藍牙設備、微波爐、無繩電話以 及其他一些微功率發射設備的干擾。CR可通過對頻譜的不間斷掃描識別出干擾信號，并結合其獨有的頻譜感知和資源分配技術，自適應地選擇最佳的通信信道和調 整信道占用,進一步增強通信網絡的可靠性和安全性,最大限度地提高傳輸速率。
其次，CR與UWB相結合的技術CUWB，被認為是當今多媒體寬帶無線通信中最有前途的候選方案之一，UWB信號的超帶寬不可避免地與現有的窄帶無線電業 務重疊，因此，UWB與認知無線電技術的結合具有特殊意義。CUWB主要是利用CR能夠感知周圍的頻譜環境和UWB系統基于軟件無線電技術靈活多變的特 性，依據感知得到的頻譜信息和動態頻譜分配策略自適應地構建UWB系統的頻譜結構，并生成相應的脈沖波形，達到通信目的。
認知無線電前景廣泛
在軟件無線電發展的基礎上，認知無線電正朝著一種硬件平臺標準化和通用化方向發展，它將是無線電技術發展的下一個里程碑。對于頻譜管理者而言, 該技術可以大大提高頻譜利用率, 有效利用資源;對于頻譜使用者而言,可以使用較少的頻譜資源獲取最大的通信效果，并且不受干擾;對于設備生產廠商而言，CR技術可以為其帶來更多的空間和 機會;對于終端用戶而言,可以享受到單個無線電終端接入多種無線網絡的優勢，同時也可以使用更多帶寬得到更快的速率。
當然, 認知無線電技術的發展目前還存在一些障礙，一是標準化工作仍在研究中，二是頻譜管理政策沒有完全放開, 三是認知無線電自身技術和靈活性還需要不斷提高，因此，認知無線電技術的廣泛應用還存在一定障礙; 雖然由于這些限制, 認知無線電近幾年內市場不會很大, 但相信在不久的將來認知無線電將會取得突破性的進展, 為無線電資源管理和無線接入市場帶來新的發展契機和動力。
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