文档介绍：认知无线电中频谱感知技术的研究进展
作者:郭云玮刘全高俊
出处:中兴通讯技术——2010年第6期《认知无线电中频谱感知技术的研究进展》
摘要:认知无线电技术作为解决当前频谱利用率低下这一问题的有效手段,已成为无线电发展的一个新的里程碑。频谱感知作为实现认知无线电的首要任务,主要涉及物理层的信号检测与处理以及链路层的控制与优化。文中对频谱感知技术的最新研究进展情况进行了综述,重点总结和分析了检测算法的性能、协作融合算法以及感知机制的参数优化,并在此基础上讨论了下一步的研究方向。
关键字:认知无线电;频谱感知;本地感知;协作感知;感知机制
基金项目:国家“863”计划资助项目(2009AAJ208,2009AAJ116)
无线通信发展所面临的瓶颈之一就是频谱资源的不足,造成这一问题的主要原因是:一方面,当前普遍采用的静态频谱管理体制留给新系统、新业务的可用资源非常少;另一方面,据美国联邦通信委员会(FCC)研究表明,频谱的使用情况是动态变化的,大部分时段和空间的频谱利用率非常低。构建以认知无线电技术为核心的动态频谱管理体制,可以从根本上缓解频谱资源紧张的局面。认知无线电(CR)概念由Joseph Mitola博士提出,其主导思想是实现伺机的动态频谱接入,即非授权用户(也称次用户或认知用户)通过检测,机会性地接入已分配给授权用户(或主用户)但暂时很少使用甚至未被使用的空闲频段,一旦主用户重新接入该频段,次用户迅速腾出信道。这种技术需解决的首要问题就是如何快速准确地获取授权频谱的使用情况,目前主要有3类解决方案:建立数据库档案、传送信标信号和频谱感知。表1从多个方面对3种方案进行了比较,其中频谱感知方案因具有建设成本低、与现有主系统的兼容性强等突出优点,得到了大多数研究学者的认同;另外两种由于受到政治、经济等因素的制约而很难实现,对其研究相对较少。
频谱感知技术是指认知用户通过各种信号检测和处理手段来获取无线网络中的频谱使用信息。从无线网络的功能分层角度看,频谱感知技术主要涉及物理层和链路层,其中物理层主要关注各种具体的本地检测算法,而链路层主要关注用户间的协作以及对感知机制的控制与优化。因此,目前频谱感知技术的研究大多数集中在本地感知、协作感知和感知机制优化3个方面。文章正是从这3个方面对频谱感知技术的最新研究进展情况进行了总结归纳,分析了主要难点,并在此基础上讨论了下一步的研究方向。
1 本地感知技术
主要检测算法
本地频谱感知是指单个认知用户独立执行某种检测算法来感知频谱使用情况,其检测性能通常由虚警概率以及漏检概率进行衡量。比较典型的感知算法包括:
能量检测算法,其主要原理是在特定频段上,测量某段观测时间内接收信号的总能量,然后与某一设定门限比较来判决主信号是否存在。由于该算法复杂度较低,实施简单,同时不需要任何先验信息,因此被认为是CR系统中最通用的感知算法。
匹配滤波器检测算法,是在确知主用户信号先验信息(如调制类型,脉冲整形,帧格式)情况下的最佳检测算法。该算法的优势在于能使检测信噪比最大化,在相同性能限定下较能量检测所需的采样点个数少,因此处理时间更短。
循环平稳特征检测算法,其原理是通过分析循环自相关函数或者二维频谱相关函数的方法得到信号频谱相关统计特性,利用其呈现的周期性来区分主信号与噪声。该算法在很低的