2018-08-07 08:45:20
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近年來(lái)，隨著(zhù)各種無(wú)線(xiàn)設備的大量使用和寬帶無(wú)線(xiàn)電業(yè)務(wù)不斷應用，對頻譜的需求越來(lái)越大，導致頻譜資源緊張的問(wèn)題日益嚴重。根據我國的頻譜劃分圖，我 們可以看到無(wú)線(xiàn)頻譜資源幾乎已經(jīng)分配殆盡，可用頻譜可以說(shuō)相當缺乏，而這將嚴重阻礙無(wú)線(xiàn)通信服務(wù)的進(jìn)一步發(fā)展。軟件無(wú)線(xiàn)電的廣泛應用帶來(lái)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(shí)間和空間上存在不同程度的閑置，給頻譜資源帶來(lái)了較大的浪費。
認知無(wú)線(xiàn)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(gè)給定時(shí)刻,人們所用到的頻譜只占可用頻譜資源的2%～6% 。也就是說(shuō)大量昂貴的頻譜資源都處于閑置狀態(tài),而并沒(méi)有得到完全利用。1999年，Joseph Mitola博士提出了認知無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電是這樣描述的：“無(wú)線(xiàn)數字設備和相關(guān)網(wǎng)絡(luò )在無(wú)線(xiàn)電資 源和通信方面具有充分的計算智能來(lái)探測用戶(hù)通信需求，并根據這些需求來(lái)提供最適合的無(wú)線(xiàn)電資源和無(wú)線(xiàn)務(wù)?！?/p>
認知無(wú)線(xiàn)電系統工作流程
認知無(wú)線(xiàn)電定義系統可以對周?chē)碾姶怒h(huán)境進(jìn)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(hù)接入則自動(dòng)匹配其他信道。因此，在發(fā)射端，通過(guò)對周?chē)姶怒h(huán)境的自主偵察、分析，獲得無(wú)線(xiàn)信道傳輸特性,檢測 周?chē)盘柕念l譜分布情況,選擇最佳頻段或最佳信道并主動(dòng)向接收方發(fā)送通信鏈路建立信號;接收端,對工作頻段內的無(wú)線(xiàn)電頻譜進(jìn)行全景搜索，自動(dòng)截獲信號,并 對其進(jìn)行分析識別，一旦信號格式匹配就立即建立起通信鏈路,實(shí)現通信。圖1是簡(jiǎn)單的認知無(wú)線(xiàn)電系統通信流程。
認知無(wú)線(xiàn)電的關(guān)鍵技術(shù)
(1)準確的頻譜感知技術(shù)
認知用戶(hù)相對授權用戶(hù)具有更低的頻譜接入優(yōu)先權，而且不能對授權用戶(hù)造成干擾, 因此，認知用戶(hù)必須實(shí)時(shí)地檢測出空閑頻譜及授權用戶(hù)的接入。頻譜感知技術(shù)是CR進(jìn)行通信的基礎和前提，最重要的就是要進(jìn)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(shù)和處理，尋找合適的“頻譜空洞”，分析其時(shí)間分布特性、占用帶寬、噪聲電平等信號特征并反饋至發(fā)送端進(jìn)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(fā)射電平。
(2)動(dòng)態(tài)的頻譜資源管理技術(shù)
授權用戶(hù)可能隨時(shí)接入，因此“頻譜空洞”資源是不確定的，CR用戶(hù)一旦接收到授權用戶(hù)信號，必須立刻做出反應。動(dòng)態(tài)的頻譜管理可以提高無(wú)線(xiàn)通信的靈活性，使授權用戶(hù)和非授權用戶(hù)之間避免沖突并公平共享頻譜。
(3)自適應的數據傳輸技術(shù)
數據傳輸技術(shù)對于認知無(wú)線(xiàn)電實(shí)現利用空閑頻譜進(jìn)行通信非常關(guān)鍵。認知無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電數據傳輸技術(shù)必需能夠適應這一特性。在多載波傳輸技術(shù)中,采用OFDM技術(shù)最佳選擇，基本思想是將檢測出的“頻譜空洞”作為多個(gè)OFDM系 統的子載波傳輸數據。
(4)功率控制技術(shù)
采用認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的原則是必須保證對授權用戶(hù)不造成干擾，因此功率控制是認知無(wú)線(xiàn)電系統的關(guān)鍵技術(shù)之一。功率控制的功能主要在發(fā)送端實(shí)現，接收端只需把 檢測到的信道特征反饋到發(fā)送端由發(fā)送端通過(guò)某些策略來(lái)實(shí)現功率控制。值得一提的是在多用戶(hù)的認知無(wú)線(xiàn)電系統中，競爭現象會(huì )導致認知用戶(hù)間的互相干擾，因 此，功率控制技術(shù)也是認知無(wú)線(xiàn)電系統需要攻克的難題之一。
認知無(wú)線(xiàn)電頻譜感知的實(shí)現
作為認知用戶(hù)，必須實(shí)時(shí)、準確地監測頻譜變化，以避免與授權用戶(hù)使用發(fā)生沖突，因此頻譜檢測是認知無(wú)線(xiàn)電系統實(shí)現的關(guān)鍵點(diǎn)之一，頻譜檢測的精確性和準確性 直接決定了是否會(huì )影響授權用戶(hù)的正常通信。目前，針對頻譜檢測的技術(shù)主要基于三種，物理層檢測、MAC層檢測、多用戶(hù)協(xié)作檢測。物理層檢測關(guān)注如何借助數字信號處理增益實(shí)現高性能的檢測，分為在授權用戶(hù)的接收端檢測和發(fā)射端檢測。在授權用戶(hù)的接收端檢測復雜度相對高，檢測效率低，在授權用戶(hù)發(fā)送端的檢測主 要有匹配濾波器檢測法、能量檢測法、循環(huán)平穩特征檢測法。MAC層檢測則關(guān)注多信道條件下的檢測效率，通過(guò)對信道檢測次序和檢測周期優(yōu)化，使檢測到的可用 信道數最多，或使信道搜索時(shí)延最短。這兩種方法都是針對單個(gè)用戶(hù)進(jìn)行檢測的，另外一種就是多用戶(hù)協(xié)作檢測，主要解決了單用戶(hù)檢測可靠性不高的問(wèn)題，通過(guò)多 用戶(hù)分集對抗無(wú)線(xiàn)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(hù)通過(guò)檢測授權用戶(hù)接收端獲取授權用戶(hù)接收端的干擾信息，并利用該信息在滿(mǎn)足授權用戶(hù)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(lái)表征非授權用戶(hù)在共享頻段內對授權用戶(hù)接收機產(chǎn)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(hù)接收機的干擾溫度來(lái)量化和管理無(wú)線(xiàn)通信環(huán)境中的干擾源，認知用戶(hù)對授權用戶(hù)的干擾只要控制在干擾溫度門(mén)限以?xún)?，就可? 與授權用戶(hù)同時(shí)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(hù)接收機的方法，通過(guò)檢測接收機中本地振蕩 器在天線(xiàn)段功率的微弱泄漏來(lái)檢測接收機是否處于工作狀態(tài)，并將信息傳送給認知用戶(hù)。在不需要授權用戶(hù)參與的情況下， 為了測量某個(gè)授權用戶(hù)接收端的干擾溫度或者本振泄露，需要在授權接收用戶(hù)附近安置相應設備以實(shí)時(shí)監測干擾溫度值。
(2)發(fā)送端檢測
與接收端檢測不同的是，發(fā)射端檢測是基于授權用戶(hù)的發(fā)射端進(jìn)行檢測的,因此，授權用戶(hù)只有在工作時(shí)才能進(jìn)行檢測。關(guān)于授權用戶(hù)發(fā)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(huán)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(hù)獲得完備的授權用戶(hù)信號的先驗知識如調制類(lèi)型和階數、脈沖波形和數據包格式時(shí)，匹配濾波器檢測 能使接收信噪比最大，在短時(shí)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(hù)掌握每一類(lèi)授權用戶(hù)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(hù)的信號特征確知的特定場(chǎng)景。
能量檢測法則無(wú)需獲知授權用戶(hù)信號的先驗知識，對接收信號的處理也比較簡(jiǎn)單。其原理是信號在經(jīng)過(guò)A/D轉換后，先進(jìn)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(diǎn)數N和觀(guān)察時(shí)間T，因此可增加FFT的點(diǎn)數N可以改進(jìn)對窄帶信號的頻率分辨率，增加觀(guān)察時(shí)間T可以降低噪聲功率，提高信 噪比，得到信號的頻譜后，開(kāi)始進(jìn)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(mén)限對信號能量進(jìn)行判決。而這其中也 存在一些問(wèn)題：一是噪聲的不確定性使檢測門(mén)限的設置比較困難，不合適的檢測門(mén)限會(huì )將比較微弱的授權用戶(hù)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(wú)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(hù)，接收機無(wú)法識別噪聲和其他感知無(wú)線(xiàn)電接收機 的干擾，這時(shí)能量檢測的方法就無(wú)法檢測出信號，比如當干擾來(lái)自其他認知用戶(hù)時(shí)，能量檢測法很可能將這種干擾判定為授權用戶(hù)信號;三是無(wú)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(wèn)題，但該方法仍然是信號檢測領(lǐng)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(huán)平穩特征檢測利用了調制信號在均值和自相關(guān)等統計參數方面具有循環(huán)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(huán)平穩信號的統計參數包 括自相關(guān)函數、功率譜密度和譜相關(guān)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(lèi)型等典型特征。循環(huán)性平穩特性檢測對抗噪聲環(huán)境的性能優(yōu) 于能量檢測，在低信噪比情況下，該方法較為實(shí)用，但由于譜相關(guān)算法所需數據樣本較長(cháng)，計算量和復雜度較大，要實(shí)現高精度檢測往往需要較長(cháng)的檢測時(shí)間，有時(shí) 不能很好的滿(mǎn)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(shù)關(guān)注的是檢測算法的靈敏度，而MAC層檢測則更多關(guān)注的是如何提高檢測效率。從檢測策略上來(lái)講，MAC 層檢測可分為被動(dòng)檢測和主動(dòng)檢測兩種。如果把頻譜資源被分為N條信道，在被動(dòng)檢測模式下，認知用戶(hù)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(hù)使用該信道時(shí)，才會(huì )進(jìn)行重新檢測轉換，其優(yōu)點(diǎn)是不會(huì )引入不必要的檢測開(kāi)銷(xiāo)，缺點(diǎn)是會(huì )漏掉某些較好的信道，而且一 旦授權用戶(hù)接入，又需重新檢測，增加了時(shí)延，QoS無(wú)法保證;在主動(dòng)檢測模式下，認知用戶(hù)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(hù)不需要通 信，也會(huì )進(jìn)行例行檢測，并建立相應數據庫，一旦認知用戶(hù)需要傳輸數據或需要轉換信道時(shí)，系統會(huì )根據統計和概率情況立即建立信道，降低了時(shí)延，但是主動(dòng)檢測 用于檢測的帶寬開(kāi)銷(xiāo)和能量相對消耗較大。
3.多用戶(hù)協(xié)作檢測
基于物理層和MAC層的檢測都是針對單個(gè)授權用戶(hù)進(jìn)行的檢測，在實(shí)際無(wú)線(xiàn)環(huán)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(hù)的弱信號, 另外信號在傳輸過(guò)程會(huì )受到陰影衰落、多徑效應等因素的影響，認知用戶(hù)會(huì )因為接收到的授權用戶(hù)信號太微弱而誤判為授權用戶(hù)未使用，從而占用該信道而造成對授 權用戶(hù)的干擾。利用多用戶(hù)協(xié)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(hù)協(xié)作檢測中，每個(gè)認知用戶(hù)分別將每塊區域檢測結果上傳到中心節 點(diǎn)，由中心節點(diǎn)對接收到的數據進(jìn)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(mén)限的選取上，硬判決依據單一 假設進(jìn)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(mén)限，混合判決機制就是硬判決與軟判決的結合。多用戶(hù)協(xié)作檢測的優(yōu) 點(diǎn)是可以有效對抗陰影和多徑衰落，提高檢測性能，缺點(diǎn)是增加了檢測技術(shù)的難度以及運算復雜度。
認知無(wú)線(xiàn)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(xié)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(xié)議的WLAN系統工作在2.4GHz及5GHz等不需授權的頻段上,這個(gè)頻段可能受到包括藍牙設備、微波爐、無(wú)繩電話(huà)以 及其他一些微功率發(fā)射設備的干擾。CR可通過(guò)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(shù)，自適應地選擇最佳的通信信道和調 整信道占用,進(jìn)一步增強通信網(wǎng)絡(luò )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(shù)CUWB，被認為是當今多媒體寬帶無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電業(yè) 務(wù)重疊，因此，UWB與認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的結合具有特殊意義。CUWB主要是利用CR能夠感知周?chē)念l譜環(huán)境和UWB系統基于軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)靈活多變的特 性，依據感知得到的頻譜信息和動(dòng)態(tài)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(wú)線(xiàn)電前景廣泛
在軟件無(wú)線(xiàn)電發(fā)展的基礎上，認知無(wú)線(xiàn)電正朝著(zhù)一種硬件平臺標準化和通用化方向發(fā)展，它將是無(wú)線(xiàn)電技術(shù)發(fā)展的下一個(gè)里程碑。對于頻譜管理者而言, 該技術(shù)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(chǎn)廠(chǎng)商而言，CR技術(shù)可以為其帶來(lái)更多的空間和 機會(huì );對于終端用戶(hù)而言,可以享受到單個(gè)無(wú)線(xiàn)電終端接入多種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的優(yōu)勢，同時(shí)也可以使用更多帶寬得到更快的速率。
當然, 認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的發(fā)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(méi)有完全放開(kāi), 三是認知無(wú)線(xiàn)電自身技術(shù)和靈活性還需要不斷提高，因此，認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的廣泛應用還存在一定障礙; 雖然由于這些限制, 認知無(wú)線(xiàn)電近幾年內市場(chǎng)不會(huì )很大, 但相信在不久的將來(lái)認知無(wú)線(xiàn)電將會(huì )取得突破性的進(jìn)展, 為無(wú)線(xiàn)電資源管理和無(wú)線(xiàn)接入市場(chǎng)帶來(lái)新的發(fā)展契機和動(dòng)力。
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