认知无线电频谱感知技术综述

认知无线电频谱感知技术综述

1路晓亮 2居飞 3闵祥坤 4吴东甫

1.3.4. 中国人民解放军 31668部队 青海 西宁 810000

2.陆军机械化步兵学院石家庄校区 青海 西宁810000

摘要：分析无线电技术的主要原因就是在已有的频谱环境下，更加高效地利用频谱机会，频谱感知技术主要是基于固定的频谱分配原则，然后通信系统会利用专业的通信设备以及协议在相应的频段上进行工作，由于当前无线技术正处于不断发展的阶段，用户日益增加，造成频谱资源处于严重拥挤的状态，频谱资源缺乏的问题逐渐显露出来。因此，需要加强对频谱感知技术的研究工作，充分利用好频谱资源，尽可能降低对其他用户造成的干扰，进一步发挥频谱感知技术的作用。

关键词：认知无线电；频谱感知；技术综述

引言

频谱仪是认知无线电设备的核心技术，是频谱资源高效分配的前提。频谱分析可实时监控和分析可用频带，而不会干扰授权用户。这使您可以识别壮观的空洞。频谱感知技术必须确保良好的检测性能，在低检测率下干扰授权用户的正常通信，而高误报概率导致认知用户不再能够访问自由频谱并减少频谱的使用。经过几十年的研究，光谱分析取得了许多理论成果，但不难看出，与低噪声环境相比，光谱分析还需要进一步改进。电磁环境越来越强，干扰越来越大，噪声越来越小，在给定条件下感觉性能提高。总结以往低噪声研究的结果，在比较分析的基础上研究性能，最后指出趋势和挑战。

1认知无线电频谱感知技术的基本原理和作用

频谱负载技术是一种检测时间、频率、空间等领域发送频谱的功能。，以确定频谱是否被占用并动态调整。在认知无线电设备中，频谱分析不仅查找频谱中的一个洞，而且实时查找频谱状态。在某些情况下，频谱感知技术正确估计频率轮廓，使未经授权的用户能够尽早主动回避，避免对经授权的用户造成较大干扰。频谱分析工作方式如下:(1)频谱均衡，频谱均衡技术协调频谱资源的分配，向所需用户分配更多空闲频谱均衡资源，从而解决频谱资源瓶颈问题。(2)光谱排斥。当检验员发现某一特定许可频带正在使用时，检验员不使用该频带，以避免同时使用该段并避免后续干扰；(3)频谱共享通过与主用户一起使用许可频谱，确保认知用户不会影响主用户的正常使用，从而最大限度地利用频谱资源。

2频谱感知技术的原理分析

频谱感知术语无线电系统的核心功能之一，是管理频谱以及实现频谱共享的主要方式，由于当前用户是通过连续的频谱感知发现闲置的频谱，也就是频谱空穴，一旦频谱感知技术发现不同时域、视域以及空域的频谱空穴，然后就可以为用户使用频谱提供便利。另外，通过对频谱感知技术的应用，也有利于用户获取到主用户的有关信息，然后将腾出通信通道，或者通过调整频率传输频率，避免对用户的信号造成干扰，提高资源利用效率。

3主用户发射机感知

(1)能量意识。能量意识是对一段时间内接收信号的整体性能的测量，并将其与确定的门限进行比较，以确定主用户信号的存在。如果整体性能大于此限制，则存在主要用户信号。如果低于限制，则没有主要用户信号，并且起点是信号强度加上噪音大于噪音。由于该算法不太复杂、易于实现，不需要预先信息，因此被认为是频谱中最简单的灵敏度算法。但是，由于信号干扰小时的显着性能差，容易受到干扰而造成不稳定，因此不适合接收频带、串行直接信号和跳线信号，无法区分授权用户类型。(2)匹配的滤波感知。当您获取有关主用户信号的信息时，“自定义过滤器”功能是最佳灵敏度算法(例如b .知道脉冲形成、帧格式的调制类型)。它可以快速准确地感知主用户的存在，但是，由于必须事先知道授权用户的信息，因此使用专用同步接收器需要对授权用户进行大量计算。同时，知识的精度直接影响匹配滤波器的性能，这需要高精度。(3)连续的功能感知。循环隐身函数是一种统计性质，通过循环分析从二维频谱的相关函数或函数中推导出来，用于区分主信号和噪声。当噪音是不均匀、宽、稳定的信号时，当噪音小于噪音时，它将主要信号与噪音能量区分开来。但是计算是复杂的。

4匹配滤波检测级

匹配滤波检测是通过将采集到的信号与用户的先验信息经过运算得到检测统计量，然后将该统计量同检测阈值比较得出检测结果。其检测基本原理如图1。

图1匹配滤波检测原理图

检测统计量ｒＭＦＤ的表达式为：

（1）

式（1）中的：Ｋｎ）代表接收信号，ｘ（？）代表ＰＵ发射信号，ＡＴ代表接收信号数据的长度，若检测统计量大于预先设定阈值；ｌＭＦＤ则判定ＰＵ存在，反之则判定ＰＵ不存在。数学表达式如下：

(2)

匹配滤波检测性能最好，但这种检测算法却有着非常严重的缺点，它需要ＰＵ的先验信息以及需要不同的滤波器来应对不同的无线电环境。这就造成了匹配滤波器检测算法大多数时候难以应用，但是其在低ＳＮＲ环境下有着良好的性能。构建了动态阈值的匹配滤波算法，并通过仿真比较了能量检测和匹配滤波检测以及循环平稳特征检测三种检测算法的性能；研究了ＰＵ以多个功率水平传输匹配滤波频谱感知；提出基于匹配滤波输出的最大均值运算的方法，该方法可以克服噪声不确定性的问题；提出一种多天线次级ＣＵ通过匹配滤波检测单天线ＰＵ频谱接入情况及功率水平的方法。

5本振泄漏功率的检测技术分析

本振泄漏功率的检测技术，指的是主用户通过接收机的前端来判断当地振荡器中是否存在震荡器，但是由于现阶段绝大多数无线电接收设备安装的均是超外差式的接收机，其需要利用本地的振荡器来调整接收信号，从而通过变频来获取到中频信号。因此，当接收机在工作时，接收设备内部的本地振荡器就会产生相应的本振信号，致使信号被泄漏，无法充分保证用户的信息安全。利用此种检测方式，相关的工作人员就可以通过泄漏的信号，判断出用户接收机是否处于工作状态，但是只有经过用户的授权，才可以在其接收机附近安装一个传感器，因此会对用户造成一定干扰，而且如果授权的用户数量较大、分布较广时，此种方式需要耗费大量的人力和物力，可行性不高。另外，该种方式应用的范围较小，为了保证其可靠性，通常需要耗费较多的时间。根据调查研究显示，近年来我国接收机研究工作快速发展，本振泄漏功率泄漏的情况逐渐减少，但是如果距离较远，则很难检测到本振泄漏。除此之外，由于接收机的种类较多，工作年限也不同，其泄漏的功率也是不同的，因此，相关工作人员也对该技术进行了改进，具体的方式如下，即建立一个整体的紧凑以及低成本的传感器节点，通过将其安置在原始的接收机附近，然后评估这些泄漏的节点，确定授权用户处于哪一个通信系统上，然后将恒定的功率传递给无线电的使用用户，提升其精确度，令其可以在最短的时间内做出评估.

6研究方向及挑战

在-15dB的信噪比环境下，现有的频谱感知算法的性能基本满足一般应用，但当环境的信噪比进一步降低时，感知性能将无法保证，少数算法的检测概率也能满足要求，但在检测速度、复杂度和鲁棒性上需要进行折中处理。例如，在现代化战场上，电磁环境异常复杂，动态性和强触发性对频谱感知的计算能力提出了更高要求，多元性的信号导致待检测频段信噪比很低。因此，更低信噪比下的频谱感知问题亟待解决。

结束语

以上综述了认知无线电频谱感知技术的一些研究进展，重点总结和分析了几种典型的频谱感知模型。目前认知无线电频谱感知方面的研究还不够成熟，在很多方面还有待进一步研究。

参考文献

[1]顾晓伟.认知无线电中频谱感知技术的研究[D].江苏科技大学,2019.

[2]彭康晶.认知无线电中联合频谱感知与频谱接入优化技术研究[D].北京邮电大学,2019.

[3]李鑫.认知无线电动态频谱接入技术研究[D].北京邮电大学,2019.

[4]刘建.认知无线电中盲频谱感知算法的研究[D].西安电子科技大学,2019.

[5]赵书含,李小瓅,张婷.浅析认知无线电的频谱感知技术[J].科技经济导刊,2019,27(04):96.