下载文档原格式
无线网络中的频谱感知技术研究在当今数字化的时代，无线网络已经成为我们生活中不可或缺的一部分。
从手机通信到智能家居，从智能交通到工业自动化，无线网络的应用无处不在。
然而，随着无线设备的数量不断增加，频谱资源变得日益紧张。
为了更有效地利用有限的频谱资源，频谱感知技术应运而生。
频谱感知技术是一种能够检测和识别频谱中可用频段的关键技术。
它就像是无线网络世界中的“侦察兵”，帮助我们找到那些未被充分利用的频谱“空白地带”，从而实现更高效的频谱利用。
要理解频谱感知技术，首先得明白频谱的概念。
频谱可以看作是无线信号传输的“道路”，不同的无线应用，如广播、电视、移动电话等，都需要在特定的频段上“行驶”。
但就像现实中的道路一样，有些频段可能车流量很大，非常拥挤，而有些则相对空闲。
频谱感知技术的任务就是找出这些空闲的频段。
那么，频谱感知技术是如何工作的呢？常见的方法有能量检测、匹配滤波器检测和循环平稳特征检测等。
能量检测是一种相对简单直接的方法。
它就像一个“能量探测器”，通过测量接收信号的能量水平来判断频段是否被占用。
如果能量较高，就认为该频段正在被使用；反之，则认为可能是空闲的。
这种方法的优点是计算简单，实现容易，但缺点是在低信噪比的情况下性能不太理想，容易出现误判。
匹配滤波器检测则更加精确。
它需要事先知道被检测信号的特征，然后通过与已知特征进行匹配来判断频段的使用情况。
这就好比拿着一把“精确的钥匙”去开特定的“锁”，如果能打开，就说明频段被占用。
这种方法在信号已知的情况下能够提供很好的检测性能，但对先验信息的依赖较高。
循环平稳特征检测则是通过分析信号的循环平稳特性来判断频段是否被使用。
循环平稳特性是指信号在一定的时间周期内具有重复性的统计特征。
这种方法对噪声和干扰具有较好的抗性，但计算复杂度相对较高。
在实际应用中，频谱感知技术面临着诸多挑战。
例如，多径衰落会导致信号的衰减和失真，从而影响感知的准确性；阴影效应会使得信号在不同位置的强度发生变化，增加了检测的难度；还有来自其他无线设备的干扰，也会对频谱感知造成干扰。
认知无线电频谱感知技术研究摘要：随着无线通信技术的迅猛发展，频谱资源短缺的问题越来越严重，甚至可能成为未来制约无线通信技术发展的瓶颈。
认知无线电技术通过对频谱资源的“二次利用”，为缓解频谱资源紧缺开辟了一条新的路径。
在认知无线电网络中，当认知用户感知到目标频段处于空闲状态时，可以接入该频段进行通信，一旦检测到主用户重新出现时，要及时做出避让，以免影响主用户的正常工作。
由此可知，频谱感知技术是保证认知无线电技术得以实现的关键和前提。
关键词：认知无线电；主用户；认知用户；频谱感知中图分类号：tn925 文献标识码：a 文章编号：1007-9599 （2013） 01-0000-021 引言随着无线通信技术的快速发展，可用的无线频谱资源越来越少。
但是由于目前的固定式频谱分配体制，许多国家已经将本国可用的频谱资源发配殆尽了，然而在这些已经分配的频谱中，频谱利用率较低。
可以预见，频谱资源甚至会成为未来制约无线通信技术发展的瓶颈。
正是为了解决上述问题，认知无线电技术应用而生了。
随着认知无线电的不断发展，对认知无线电的定义也不断发展，其中最具代表性的是fcc从频谱管理角度给出的定义[1]：”cr是指能够通过与工作的环境交互，改变发射机参数的无线电设备。
cr的主体可能是sdr，但对cr设备而言，不一定必须具有软件或者现场可编程的要求。
”2 频谱感知技术2.1 概述频谱感知技术是认知无线电技术得以实现的关键和前提。
频谱感知是指认知用户在时域、空域、频域等多个维度对目标频段进行检测发现频谱空洞的过程，其目标是在保证主用户不受到认知用户干扰的前提下，实现对目标频谱的快速、准确的检测[1]。
2.2 频谱感知技术的分类根据感知技术的不同，频谱感知可以分为单用户本地感知和协同感知，其中单用户本地感知又可以进一步划分为主用户发射机检测和主用户接收机检测。
协同感知是在单用户本地感知的基础上提出的，可用使用的融合方式的不同将其划分为硬融合和软融合两种。
无线电频谱感知技术研究无线电频谱感知技术（Radio spectrum sensing technology）是一种能够对当前环境中的无线电频谱进行实时监测和感知的技术。
在无线通信系统中，频谱是一种十分重要的资源，但是由于无线电频谱的有限性和复杂性，频谱的利用效率一直是无线通信系统的瓶颈之一。
因此，频谱感知技术的使用对于提高无线通信系统的频谱利用效率和性能至关重要。
频谱感知技术的主要目标是通过对无线电频谱进行实时监测和分析，以获得当前环境下的频谱使用情况。
通过感知到的频谱信息，无线通信系统可以根据实际情况进行频谱资源的分配和管理，避免频谱的冲突和争夺，提高系统的容量和可靠性。
频谱感知技术主要包括两个关键环节：频谱检测和频谱识别。
频谱检测是指通过对频谱信号进行实时采样和处理，来检测是否存在较强的信号传输。
一般采用能量检测和周期检测等方法来实现频谱检测。
频谱识别是指通过对检测到的信号进行分析和处理，来判断信号的类型和属性。
常用的频谱识别方法包括周期识别、功率谱密度估计和模式识别等。
频谱感知技术的研究主要集中在以下几个方面：首先，频谱感知技术需要解决的一个重要问题是如何精确地感知到当前环境中的频谱信息。
由于无线电频谱是一个动态变化的环境，有时信号非常微弱，有时信号强度很大，因此如何准确、快速地感知到频谱信号是一个挑战。
目前，有很多成熟的频谱感知算法和技术被提出来，包括基于能量检测的方法、基于周期性的方法和基于功率谱密度估计的方法等。
通过采用合适的感知算法和技术，可以使系统能够实时监测并反馈当前频谱使用情况，从而合理分配频谱资源。
其次，频谱感知技术需要解决的另一个重要问题是如何准确地识别感知到的频谱信号。
不同类型的无线电信号具有不同的特点和属性，因此准确地识别信号类型对于频谱感知至关重要。
传统的频谱识别方法主要依赖于专家经验和手动设置的规则，其性能受限。
近年来，随着机器学习和模式识别等技术的发展，基于机器学习的频谱识别方法逐渐成为研究的热点。
1 引言美国联邦通信委员会以及其他国家的大量研究表明，传统的固定频谱分配方式导致了大部分现有频段的低利用率[1]。
作为可充分利用但未被完全使用的频谱技术，认知无线电有着巨大的吸引力，被广泛认为是下一代无线通信的重大变革。
近几年，大量专家学者在认知无线电领域进行了广泛的学术和应用方案研究。
认知无线电的基本思路是进行频谱再利用和频谱共享，当授权用户未完全使用授权频段时，使认知用户（网络）可以利用授权用户频段进行通信。
为了达到这个目的，认知用户必须持续进行频谱感知来检测授权用户的存在状态，以合理充分地使用授权频段。
检测感兴趣频段是否处于空闲状态是应用认知无线电技术的重要前提，只有高效准确地进行频谱检测，才能进一步有效利用频谱资源，因此频谱资源检测决定着其他环节的实施。
频谱检测主要有两个任务：第一，检测感兴趣的频段是否存在授权用户信号，判断频段是否处于空闲状态，从而决定该频段是否可用，这个任务的完成必须具备较高的可靠性；第二，认知用户的频谱接入权比授权用户低，因此要在使用该授权频段的同时持续检测外部环境，一旦发现授权用户再次出现，认知用户必须在最短时间内检测到其出现并腾出信道，因此检测的速度非常重要。
2 基本检测方法目前，最基本的检测方法包括：匹配滤波器检测法，能量检测法，循环平稳特征检测法等。
认知无线电频谱感知技术研究*朱 辉 刘仕奇 胡斌杰 华南理工大学电子与信息学院【摘 要】认知无线电是一种可以提高频谱利用率的智能技术，高效而准确的频谱检测是其实施的关键。
文章在充分调研国内外研究进展的基础上，介绍了认知无线电的概念、基本的信号检测方法以及多天线与协作检测方法，并对各种检测方案进行比较和分析，最后指出现实中频谱检测的难点和面临的挑战。
【关键词】认知无线电 频谱检测 认知用户 授权用户收稿日期：2011-04-23*本项目得到NSFC-广东省联合基金重点项目（U1035002）、NSFC-NSAF联合基金（10976010）、国家科技重大专项（2009ZX03006-003）的资助2.1 匹配滤波器检测匹配滤波器是一种比较常用的信号检测方法，能最大化接收信号的信噪比，可以在短时间内完成同步提高信号的处理增益。
认知无线电网络中的频谱感知与共享技术研究认知无线电网络（CRN）是一种新兴的无线通信技术，其核心思想是能够对无线频谱进行感知和共享，以提高频谱利用效率。
频谱感知是CRN中非常重要的技术，它使设备能够实时监测和分析周围的频谱使用情况。
本文将探讨在CRN中频谱感知与共享技术的研究进展及挑战。
首先，频谱感知的关键是设备能够准确地识别可用的频谱资源。
通过感知技术，设备能够获取频率、时间和空间等信息，并分析现有频谱的利用情况。
常见的感知方法包括能量感知、周期感知、特征感知等。
其中，能量感知是最广泛应用的一种方法，其通过测量接收信号的能量强度来判断频谱是否被占用。
周期感知则是利用周期性的信号特征，如脉冲、载波等，判断频谱是否被占用。
特征感知则是利用频谱的一些特征，如频谱特性、时频权利等，来识别频谱的占用情况。
这些感知方法可以单独应用，也可以结合使用，以提高感知的准确性和可靠性。
在CRN中，频谱感知的关键挑战之一是信号的干扰和噪声。
由于无线环境的复杂性，设备在感知频谱时往往会受到其他设备的干扰，以及附近信道的噪声干扰。
为了应对这种挑战，研究者们提出了一些解决方案。
例如，自适应感知算法可以根据环境的变化自动调整感知参数，以适应不同的干扰和噪声条件。
此外，多传感器融合技术也可以利用多个感知设备的观测结果，提高感知的精度和鲁棒性。
频谱共享是CRN中另一个重要的技术，它允许设备共享已经被感知到的未被使用的频谱资源。
在频谱共享中，设备需要遵循一定的共享规则和约束，以避免互相干扰和冲突。
常见的频谱共享方式包括时分共享、频分共享、码分共享等。
在时分共享中，不同设备在时间上交替使用频谱资源。
在频分共享中，不同设备在频率上分割使用频谱资源。
在码分共享中，不同设备通过使用不同的码字来区分自己的信号。
这些共享方式旨在提高频谱利用效率和系统容量，同时降低设备之间的干扰。
然而，频谱共享也面临一些挑战。
其中之一是频谱资源的不均衡分布。
在现实环境中，不同区域和时间段的频谱资源分布不均匀，存在一些频谱空洞和利用率较低的区域。
认知无线网络的频谱感知技术认知无线网络的频谱感知技术认知无线电, 认知无线网络, 频谱感知认知无线电/认知无线网络起源于Joseph Mitola攻读博士期间的研究工作，在其博士论文中，Mitola将认知无线电定义为“the integration of model-based reasoning with software radio technologies”，认为认知无线电是智能计算和无线通信这两个学科交叉融合的产物[1] 。
随后，美国的FCC和DARPA分别启动了多项计划，对认知无线电和动态频谱接入问题进行深入研究；欧盟的端到端重配置计划(E2R: End to End Reconfigurability Project)也启动了对认知概念在技术和经济领域等各方面问题的研究。
Simon Hakin在2005年发表了关于认知无线电的著名文章“Cognitive radio: brain-empowered wireless communications”[2] ，主要从信号处理和自适应过程的角度对认知无线电技术的框架结构进行了较为完善的分析。
此后，许多有名的大学和研究机构也展开了相关技术的研究和实验平台的开发，认知无线电的概念也被扩展为认知无线网络，指利用认知原理来提高各种资源（频谱、功率等）使用效率的无线网络[3] 。
在频谱管理部门的带动下，一些标准化组织也先后开展了一系列标准制定工作以推动该技术的发展。
目前涉及认知无线电/认知无线网络标准制订的组织和行业联盟主要是美国电气电子工程师学会（IEEE）、国际电信联盟（ITU）和软件无线电论坛(SDR Forum)等。
认知无线网络中，主（授权）用户指那些对某段频谱的使用具有高优先级或合法授权的用户，次级用户是指那些低优先级的用户。
次级用户对频谱的使用不得对主用户造成干扰，因此要求其能快速、可靠地感知主用户使用授权频谱的情况。
次级用户必须具备认知能力，因而称其为认知用户，在网络结构中则表示为认知节点。
认知无线电的频谱感知技术研究认知无线电的频谱感知技术研究类别：通信网络0 引言随着无线通信业务的增长，可利用的频带日趋紧张，频谱资源匾乏的问题日益严重。
世界各国现行的频率使用政策除分配极少的ISM频段之外，大多采用许可证制度。
而获得许可的用户，并非全部都是全天候占用许可频段，一些频带部分时间内并没有用户使用，另有一些偶尔才被占用，即使系统频谱使用率低，仍无法将空间的频谱分配给其他系统使用，即无法实现频谱共享。
怎样才能提高频谱利用率，在不同区域和不同时间段里有效地利用不同的空闲频道，成为人们非常关注的技术问题。
为了解决该问题，Joseph Mito1a于1999年在软件无线电的基础上提出了认知无线电(Cognitive Radio，简称CR)的概念，要实现动态频谱接入，首先要解决的问题就是如何检测频谱空穴，避免对主用户的干扰，也就是频谱感知技术。
CR用户通过频谱感知检测主用户是否存在，从而利用频谱空穴。
1 匹配滤波器检测(Matched Filtering) 匹配滤波器是一种最优的信号检测法，因为在输出端它能够使信号的信噪比达到最大。
匹配滤波器最大的优点就是能够在短时间里获得高处理增益。
但是使用匹配滤波器进行信号检测必须知道被检测的主用户信号的先验知识，比如调制方式、脉冲波形、数据包格式等，如果这些信息不准确就会严重影响其性能，同时匹配滤波器计算量也较大。
因此它可以用来检测一些特定的信号，但是每类主用户认知无线电都要有一个专门的接收器，这就增加了系统的资源耗费量和复杂度。
2 能量检测(Energy Detector—Based Sensing) 能量检测是一种较简单的信号非相干检测方法。
根据基本假设模型，在高斯加性白噪声(AWGN)信道情况下，采用能量检测法进行主用户信号检测的性能。
在AWGN信道非衰落的环境中，可知信道增益h是确定的。
在H1下，当接收到的信号超过判决门限入时，判断主用户信号存在。
