认知无线电频谱感知技术分析

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１、引言
当前，认知无线电关键技术的研究主要集中在频谱感知和动态频谱管理两方面。

而根据FCC 的定义，认知无线电的最大特征是能够对无线电环境进行感知。

认知无线电的其它部分，包括频谱管理模块的正常工作都是以频谱感知的成功为前提的，因此，频谱感知能力的强弱直接决定认知无线电系统能否有效工作。

具体来讲，认知无线电频谱感知主要实现两大功能：l)检测频谱空洞是否存在。

寻找在特定的时间和地理位置没有被授权用户(主用户)信号占用频谱。

如果检测到有这样的空闲频谱，则该频谱就可以作为认知无线电系统传输信号的频谱。

2)对于某个认知无线电接收机来讲，即使已经确认了某频段形成频谱空洞，该接收机还需要检测该频谱空洞是否已经被其它认知无线电用户(次用户)信号占用。

如果有，则本地认知无线电接收机还需寻找其它的频谱空洞传输信号，以避免和其它次用户同时使用该频谱空洞而产生冲突。

对于认知无线电系统来讲，频谱感知既要保证此用户能有效利用授权频谱来传输非授权信号，又不会对主用户信号造成干扰而影响授权业务的进行。

此外，频谱感知还要使得整个认知无线电网络中所有次用户能够有序地使用空闲频谱，而不会造成使用上的冲突和相互间的干扰。

要满足这些要求，认知无线电中的频谱感知必须保证可靠、高效，具体体现为能够在低信噪比、强干扰下可靠地检测到主用户信号和其它次用户信号的存在与否，甚至还要对不同的次用户
认知无线电频谱感知技术分析
孙景芳　华北电力大学电气与电子工程学院 ０７１００３
进行识别以更好地掌握频谱占用情况。

由此可见，频谱感知不仅是认知无线电实现的基础，也是认知无线电的一大技术挑战。

对频谱感知技术的研究对于认知无线电的发展具有重要的意义。

总的来说，频谱感知技术可以归纳为发射机检测和合作检测。

２、发射机检测
在实际应用中，认知无线电系统中的次用户往往很难估计出主用户发射机和接收机之间的信道。

因此，认知无线电系统往往直接根据认知无线电接收机本地接收到的数据来对频谱空洞的有无进行检测。

这种基于本地接收数据的检测就是发射机检测，或称为非合作检测。

一方面，如果主用户信号在某一特定频段出现，认知接收机应该具有能够在短时间内检测出这个信号的能力；另一方面，如果主用户信号从某一特定频段撤出，认知无线电也同样能够检测出该频段形成频谱空洞。

发射机检测正是要从接收到的数据中探测到主用户发射的微弱信号。

目前通信界普遍认为发射机检测可以采用三种技术路线，分别是：匹配滤波器检测、能量检测和循环平稳特征检测。

（1）匹配滤波器检测
在认知无线电接收机掌握主用户信号的先验信息情况下，匹配滤波器是一种有效的检测方法，它能使接收信号的信噪比最大化。

虽然匹配滤波器具有较大的处理增益，继而能使输出信噪比最大。

但是，匹配滤波器对主用户信号的检测是基于对信号解调的，这就需要认知无线电接收机对信号进行精确的时间和载频同步，甚至信道同步来获得与主用户信号的相关性。

如果这些信息是不准确的，则匹配滤波器的性能将变得很差。

另外，匹配滤波器对干扰信号的抵抗力较差。

在干扰信号的叠加下，接收机接收到的信号波形相对于原来主用户信号的波形往往会发生很大畸变，并与匹配滤波器失配，从而导致误判决。

（2）能量检测
在接收机不掌握信号的先验信息的情况下，此时的最佳检测器就是能量检测器。

能量检测器主要是通过测量接收信号的能量来对频谱空洞进行检测的。

对带宽为W 的带通滤波器的输出信号进行平方运算，然后对所得结果在时间段T 内积分，并将积分结果的输出与门限值进行比较，从而判定合法用户是否出现。

虽然能量检测的好处是不需要信号的先验信息，而且实现简单。

但是，能量检测器的检测门限很容易受到信噪比变化的影响。

即使能够自适应性地设定门限值，与匹配滤波器一样，带内干扰也会扰乱能量检测器的工作，因为能量检测器只能检测调制信号的有无，而不能区别信号的类型，即它不能区分已调制信号、噪声及干扰。

所以，能量检测很容易被不明信号误导而产生误判决，不适合极弱信号，如扩频信号的检测。

（3）循环平稳特征检测
经过数字调制后的信号存在周期性。

这种周期性表现为信号的均值函数和自相关函数随着时间周期性变化，因此称这种内在周期性为循环平稳特性。

循环平稳特征检测最大点就是能够区分主用户信号、噪声和干扰信号的能量。

此外，循环特征检测在低信噪比下仍然具有良好的检测性能。

但是，循环平稳特征检测最大的缺点是计算复杂度比较大，检测时间相对长一些。

３、合作检测
对授权用户(Primary User)进行发射机探测的原因是认知无线电和授权用户之间没有信令交互，无法知道授权用户的位置，因而认知无线电只能对授权用户微弱的信号进行探测。

在多数情况下，认知无线电与授权用户的网络在物理上是分隔开来的，因此，在发射机探测中，认知无线电不能避免由于不知道授权用户接收机位址和信息而造成的干扰。

而且，发射机探测模式不能阻止“隐蔽终
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钢筋马凳的纵横向布置间距为800mm,上层马凳纵横向间距为1000mm,底层钢筋网片保护层厚度控制采用50mm*50mm 、δ=45mm 的C30细石混凝土垫块。

采取以上钢筋支撑措施后,在实际施工中,钢筋的整体稳定性很好,未发生骨架变形、位移现象（见附图2、3）。

5.3对于柱筋保护层厚度的控制：在支模时，可于柱模顶部钉上一柱模板条，伸入柱模内的宽度为钢筋保护层的厚度，在支模时只要严格控制柱网轴线位置及柱模的垂直度。

在浇筑完混凝土后，及时对柱模进行二次较正，就能使柱筋保护层厚度偏差在允许范围之内。

6、测量工认真利用水准仪在侧模上投放标高线，钢筋工带线控制钢筋标高。

7、在混凝土浇捣过程中提倡文明施工，注意成品保护。

在混凝土浇捣施工中，应做到规范操作，除了对易于偏位的钢筋应作有效的固定外，在楼梯、通道等频繁和必须的通行处应用钢管、木跳板搭设临时的简易通道，以供必要的施工人员通行；并设专人指挥监督，严禁人员在钢筋上随意行走，倾倒砼时要尽量减少对钢筋的冲击。

采用塔吊时，不得把料斗一次全部打开，砼一次性全部倒在梁上或有上部钢筋的板上；采用手推车时，倾倒砼不得撒手，手推车不得压在钢筋上。

浇筑混凝
土时，应将混凝土浇筑在梁上或板中央，让混凝土自然流入负弯矩钢筋与底板之间，或人工用铁锨铲入负弯矩钢筋与底板之间，防止混凝土倾倒时将负弯矩钢筋压倒。

振捣要按操作规范要求认真有序操作，振动捧不得随意触及钢筋骨架。

浇筑前和浇筑中，应安排3～4名钢筋工及时进行整修。

为避免上层钢筋受到重新踩踏，采取从内向外退行顺序浇筑砼。

8、浇筑后强度未达1.2N/mm 2时，不得上人，以免扰动混凝土。

9、控制模板安装工程的截面尺寸，尺寸要精确，避免发生缩模现象。

钢筋保护层厚度对单项工程质量并不是起决定作用的，但如果不重视它，所产生的危害也是不容忽视的。

因此，我们要加强对施工人员的教育和管理，使他们充分认识到合理的钢筋保护层对工程结构的重要性，自觉做到从施工到验收的全过程
全要素控制，以确保构件的正常使用。

图１　冷箱基础钢筋绑扎完毕照片 图２　冷箱基础准备浇筑混凝土照片 图
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端问题”(Hidden Terminal Problem)。

认知无线电的发射机和接收机之间可能是视距的，但由于遮蔽等原因，它或许不能探测到授权用户的发射机。

因此，在这种情况下，认知无线电需要从其他的用户那里得到信息并进行准确探测，也就是需要与其他用户进行合作。

实际中进行频谱感知时，不同类的授权用户具有不同的感知灵敏度要求。

比如，由于电视接收器的灵敏度比GPS 接收机的灵敏度要差，电视广播信号就比GPS 信号容易探测到。

因此，认知无线电的灵敏度应超过授权用户的接收机的灵敏度(通常要有30～40dB 的余量)，以避免“隐蔽终端问题”。

研究表明，对探测概率的这种高要求，认知无线电只有采用合作探测技术才能实现。

即多个认知节点同时进行探测，参与合作的节点能接收到来自不同路径的信号，增加了信号强度的多样性。

４、结论
本文主要对当前认知无线电中频谱感知的关键技术做了相应的介绍和比较，并从实现难度、检测性能和计算复杂度几个方面对发射机检测的三种技术作了相应的比较。

然后，针对发射机感知无法摆脱所处地理位置的局限，介绍了多节点合作检测技术，该技术利用了多个节点所处地理位置的差异性优势对频谱空穴进行合作式的检测，能够解决本地认知无线电接收机由于距离主用户信号发射太远而检测不到主用户信号的问题，并能有效地降低阴影效应的影响，从而达到更可靠的检测效果。