浅论认知无线电中频谱感知技术研究

May2010

浅论认知无线电中频谱感知技术研究

艾尔肯.艾则孜

（乌鲁木齐职业大学，乌鲁木齐

摘

830002）

要：认知无线电技术能够让非授权用户利用已经分配给授权用户的某些频段.为了不对授权用户的通信造成干扰，认

知用户需要对频谱进行不断的感知来判断授权用户是否存在.因此，频谱感知是认知无线电技术的前提和基础.本文介绍了几种主要的频谱感知技术，重点分析了能量检测的基本原理，并提出基于能量感知的合作式感知技术将是最可靠、灵敏度最高、最有发展前景的感知技术.

关键词：认知无线电；频谱感知；能量检测中图分类号：TN92

文献标识码：A

文章编号：1673-260X（2010）05-0106-02

传输的信号；n(t)是加性白高斯噪声；h(t)是信道增益，此处假设在检测间隔内，信道增益为恒定值，即无线环境为非衰落表明了目前在这一确定频段上环境；H0是未被占用的假设，没有法定用户；H1是被占用的假设，表明目前存在法定用户.根据所用到的信号处理技术的不同，发射机检测又可分为匹配滤波器检测、能量检测、静态循环特征检测等，下面分别介绍.2.1.1

匹配滤波器检测

当认知无线电获悉了法定用户的信号后，匹配滤波器就是理想检测器，原因在于它能使接收到的信号的信噪比最大化.匹配滤波器的主要优点是它只需很短的时间就可以获得高处理增益.然而，它必须有效地对法定用户的信号进行解调，这就意味着它需要法定用户的先验知识，比如调制方式、阶数、脉冲波形和数据包格式等.上述信息可以预存于认知无线电的内存中，然而，对解调来讲，认知无线电必须通过时间和载频同步甚至信道同步来获得与法定用户的相关性.如果这些信息不准确，那么匹配滤波器的性能就会变得很差.大多数无线网络系统信息头、同步字和扩展码字等，这些都可以用来做相关检测.匹配滤波器的一个明显的缺点在于，认知无线电对每一类型的法定用户都要有一个专门的接收器.这等待增加了系统的复杂性.2.1.2

几种主要的感知技术

随着通信的不断发展，无线服务和设备的出现及广泛使用，无线频谱已成为一种宝贵的自然资源，变得越来越缺乏，传统的管理方法也受到了极大的挑战.通过研究发现，大量授权无线频谱在大部分时间内被闲置或者利用率极低，而非授权用户却无权接入这些频段.因此，认知无线电技术受到了越来越多的关注.认知无线电通过对频谱进行不断的监测来发现频谱空穴，并利用发现的频谱空穴进行通信.但是，为了不对法定用户的通信造成干扰，认知用户必须在法定用户恢复通信的时候及时的察觉并退出该频段.所以，认知无线电技术的基础和前提是频谱感知.本文从频谱感知的功能入手，分析了几种主要的频谱感知技术，着重介绍了能量检测技术，并比较了它们的优缺点.1

频谱感知的功能

认知无线电也被称为智能无线电,它通过对周围无线环境的历史和当前状况进行检测、分析、学习、推理和规划,利用相应结果调整自己的传输参数,使用最适合的无线资源完成无线传输.由于法定用户网络没有义务改变它的结构来与认知无线电网络共享频谱，因此，认知无线电只能地、可靠地、通过连续的频谱感知对法定用户进行检测.这是认知无线电的一项核心功能.最有效的检测频谱孔的方法就是检测在认知无线电通信范围内的、正在发送数据的法定用户.2

2.1发射机检测

发射机检测又被称为非合作检测.认知无线电应该能够识别被使用的和未被使用的频段.因此，如果法定用户的信号在某一确定频段内出现的话，认知无线电应该具有检测出这个信号的能力.发射机检测正是基于认知无线电对法定用户发射机发出的微弱信号进行检测.发射机检测的基本假设模型可以用式（1）描述：

x(t)=

能量检测

如果接收机不能够收集到法定用户信号的足够信息，

此时的最佳检测器就是能量检测器.为了测量接收信号的能量，需要对带宽为W的带通滤波器的输出信号进行平方运算并在观测时间段T内进行积分，如式（2）所示，并将积分器的输出Y与门限值γ进行比较，从而判定合法用户是否出现.

Y=|x0(t)|2dt

T

󰀁乙(2)

n(t),H0

h(t)*s(t)+n(t),H1

(1)

其中x0(t)为经过带宽为W的带通滤波器后的输出信号，T为观测时间.

如果能量检测应用在非衰落环境中，即信道增益如式

其中，x(t)是认知无线电接收到的信号；s(t)是法定用户

-106-（1）中h(t)所示，那么检测到第一用户信号的概率和错误判决警报的概率分别是[5]

Pf=P(Y>γ|H0)=Q[γ-E(Y|H0)]

姨Var(Y|H0)Pd=P(Y>γ|H1)=Q[γ-E(Y|H1)]

姨Var(Y|H1)(3)(4)

送端，一旦它使用相应频段进行通信，就会干扰到法定用户接收端对信号的正确接收.在这种情况下，各认知用户就需要从其他的用户那里得到信息并进行准确的检测，也就是需要与其他用户进行合作.

由于能量检测是三种发射机检测中最简单最易实现的检测方式，最新的有关合作检测的研究都是基于能量检测的方式.在合作检测中，多个认知用户检测到的信息相互合并，用来检测首要用户.

其中，E(Y|H0)、Var(Y|H0)和γ-E(Y|H1)、Var(Y|H1)为主要用户出现时和主要用户未出现时接收端积分器的输出Y的·)为Q函数，定义为Q(x)=均值和方差.Q(姨2π.

由上述公式可以看出，检测概率Pd越小，检测到已出现的第一用户信号的概率就越低，从而增加了对第一用户的干扰；反之，如果Pf过高的话，由于错误警报会使频谱利用Pf决定了频谱机会丢失，将会导致频谱利用率的降低.因此，利用效率的上限.因此，可以在满足某一给定Pf的条件下，通过选择合适的门限值，使检测概率Pd达到最大.

以上对于能量检测的分析是在无衰落环境的假设下进由于行的，而实际的无线信道都是有衰落的.在这种情况下，信道衰落的原因，信道增益h(t)是变化的，检测概率Pd便与瞬时信噪比有关了，即

Pd=Q[γ-E(Y|H0)]

姨Var(Y|H0)其中，f(x)是在衰落情况下的信噪比的概率分布函数.能量检测器的一个缺点就是它只能检测到有信号出噪声现，而不能区分信号的类型，即它不能区分已调信号、及干扰.因此，能量检测器容易被不明信号误导而产生误判很多有关第一用户检测决.但由于这种检测方式易于实现，方面的研究主要集中在能量检测器上.2.1.3

静态循环特征检测

静态循环特征检测的主要优点是它能把已调制信号从噪声中区分出来.调制信号一般都经过了载波、脉冲序列、重跳频及循环前缀等耦合处理，这使已调信号的均复性扩展、

值和自相关函数具有了内在的周期性，称为静态循环性.由静态的、没有相关性的信号，而已调于噪声是一个宽带的、

信号具有频谱相关性和周期性，因而通过分析频谱自相关函数能够把噪声能量和已调信号的能量区分开来.静态循环检测器具有更强的抵抗噪声功率中不确定性的能力，因而它也比能能够比能量检测器更好地分辨出噪声信号.当然，量检测器更加复杂并且需要更长的观测时间.2.2

合作检测

前面所描述的三种发射机检测技术都是认知用户地检测法定用户的发射信号.然而，在整个系统中，认知用户与法定用户之间的信道状况有好有坏.通过分析知道，当多径和阴影效应的影响使得信噪比下降到低于信噪比门限值以下的时候，认知用户将不能够地检测首要用户的存在.并且，发射机检测模式不能解决“隐终端”问题，如图1所示.由于被障碍物隔开，次级用户可能检测不到法定用户发

(5)

乙x

+∞

exp(-t2/2)dt/

图1隐终端问题

合作检测有两种结构：一种是集中式的，判决中心接收认知用户的信息进行总体判决；另一种是分散式的，各认知用户采用能量检测的方式判决，并交互各自的判决结判决中心采集所有次级用户果.在实际通信系统的下，

的信息是非常困难的，并且每个认知用户只能与在它附近并且监测同一频带的其他用户进行合作，因此，这两种结构各有缺点.一种更加灵活的合作方案是：各次级用户判决，并将他们的判决结果发给中心，中心采用一定的算法，根据各个次级用户所发信息信噪比的大小，采用不同的加权，进而对法定用户的出现进行判决.通过相关仿真表明，合作检测能够极大地改进检测的性能，提高检测的灵敏度.因此，对于合作探测的研究吸引了越来越多的专家学者的关注，相信在不久的将来，合作探测将成为认知无线电中频谱感知技术的首选方案.3

结束语

本文简单地分析了几种主要的频谱感知技术，重点对能量检测技术进行了说明，并简要地介绍了基于能量检测具体的方案和算的合作探测技术.本文只是一些理论分析，

法的仿真实现还需在以后的研究中进一步完善和提高.———————————————————

参考文献：〔1〕Brodersen

RW,WoliszA,CabricD,MishraSM,

WillkommD.Corvus:acognitiveradioapproachforus-ageofvirtualunlicensedspectrum.BerkeleyWirelessResearchCenter(BWRC)Whitepaper,2004.

〔2〕周小飞.认知无线电原理与应用.北京：北京邮电大学出

版社，2007.19-21.〔3〕Zhi

Quan,ShuguangCui,AliH.Sayed.OptimalLinear

CooperationforSpectrumSensinginCognitiveRadioNetworks.IEEEJOURNALOFSELECTEDTOPICSINSIGNALPROCESSING,2008,VOL.2,NO.1:28-40.

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