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无线通信新技术调研报告 —认知无线电中的频谱感知技术 通信与信息系统 王勇 认知无线电的研究背景及意义 随着信息时代的到来，无线频谱已成为现代社会不可或缺的宝贵资源。它目前主要由国家统一分配授权使用，一个频段一般只能供一个无线通信系统独立使用，这种静态的无线频谱管理方式，简单而有效的避免了不同无线通信系统间的相互干扰。但是在这些已分配的授权频段与非授权频段中存在着频谱资源利用的不平衡性：一方面，授权频段占用了整个频谱资源的很大一部分，但其中不少频段处于空闲状态；另一方面，开放使用的非授权频段占整个频谱资源的很少一部分，但在该频段上的用户很多，业务量也很大，无线电频段已基本趋于饱和。于是在无线和移动通信迅速发展的今天，频谱资源贫乏的问题也显得日益严重。因此，寻求一种更有效的频谱管理方式，充分利用各地区、各时间段的空闲频段，缓解不断增长的频谱的需求矛盾，成为人们关注的问题。 为了解决上述问题，基本思路就是尽量提高现有已分配频谱的利用率。于是，认知无线电的概念应运而生。其基本思想是：具有认知功能的无线通信设备可以按照某种“伺机（Opportunistic Way）”的方式接入授权的频段内，并动态地利用频谱。这种在空域、时域和频域中出现的未被利用的频谱资源被称为“频谱空穴”。认知无线电的核心思想就是使无线通信设备具有发现“频谱空穴”并合理利用这些频谱空穴的能力。 频谱感知的含义及功能 频谱感知是通过对所在的无线电环境（Radio Environemnet）的观察，将了解到的环境情况作为感知无线电系统的输入部分，为以后的分析和决定做出依据。频谱感知是认知无线电系统的基本功能，是实现频谱管理、频谱共享等一系列认知无线电功能的前提。 频谱感知的目的是发现在时域、频域、空域上的频谱空穴，以便供认知用户以机会方式利用频谱。认知用户是指未经授权使用只有授权用户才能使用的频谱的用户，主用户则是获得授权使用频谱的用户。为不对授权用户造成有害干扰，认知用户需要能够独立地检测出空闲频谱及授权用户的出现。这就要求认知用户能够实时地连续侦听频谱，以提高检测的可靠性。为对授权用户不造成有害干扰，可靠检测概率要求达到99.9%。 频谱感知技术存在的问题以及解决方案 已存在的感知方法是单用户感知，这是最早提出的一类检测方法，它设计复杂度低，采用技术成熟，易于实现。但其性能会随着无线环境中多径和阴影衰落引起的接收信号强度的减弱而降低，另外，检测能力本身也有一定的限制。 传统的解决方案，比如合作式的频谱感知方法，它通过综合多个认知用户的感知信息来提高频谱的感知能力，避免“隐蔽终端”的问题，而且可以减少检测时间，从而提高网络的灵活性。 必威体育精装版研究还表明采用物理层和MAC层联合感知的跨层设计方法可极大地提高频谱感知能力。这种方法通过增强无线射频前端灵敏度，同时利用数字信号处理增益及用户间的合作来提高感知能力，正越来越受到人们的关注。另外，美国联邦通信委员会提出了一个新概念--干扰温度。基于这个概念又衍生出了基于干扰温度的感知方法。干扰温度是认知用户在感知频带内已有通信的基础上预测自己的传输将对主用户产生的干扰。只要认知用户造成的干扰温度不超过干扰温度限，感知用户通过调整自己的参数(如发射功率、调制方式等)就可以使用这个频段中的空洞。 频谱感知算法 频谱感知算法要从下面三个方面来考虑:一是控制各系统间的干扰。二是适应复杂多变的无线传播环境。三是认知无线电系统自身效率的提高。 传统的单点频谱感知技术包括：匹配滤波器检测、能量检测、循环平稳特征检测。在此不做过多的叙述。下面讲一下先进的合作式频谱感知技术。 合作式频谱感知利用信道的广播特性和空间分集特性。合作式频谱感知能有效的解决单用户感知无法解决的隐蔽终端、深度衰减、多径阴影等问题。它最早由CabrieD、Mishra和BrodersenR在文献中提出，主要分为集中式和分布式两种。目前对认知无线电的合作式频谱感知技术的研究主要着眼于集中式的方式，分布于不同位置的多个感知节点先独立进行本地感知，并将感知的信息传送给融合中心，融合中心通过对收到的来自各个地方节点的感知信息进行融合，最后给出授权用户存在与否的最终判决。融合中心通过适当的算法将地方信息合并，并做出最终决策的这个过程叫感知信息的融合。根据本地节点所传数据的不同形式，可以将数据融合分为两类:如果本地节点传送的是表征主用户信号存在与否的1比特信息，把这种叫硬合并。如果本地节点传送的是本地检测到的数据信息，则称之为软合并。由于硬合并实现简单，传输开销小等优点，本节将重点分析介绍三种经典的硬合并融合准则。 集中式的合作式频谱感知实现框图如图4-