一种无线电中频谱感知技术的设计和实现

       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。

　　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，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本地感知、协作感知和感知机制优化3 个方面。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

　　1.1 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。该算法在很低的信噪比下仍具有很好的检测性能，而且针对各种信号类型独特的统计特征进行循环谱分析，可以克服恶意干扰信号，大大提高检测的性能和效率。

　　协方差矩阵检测算法，利用主信号的相关性建立信号样本协方差矩阵，并以计算矩阵最大、最小特征值比率的方法做出判决。文献[1]提出基于过采样接收信号或多路接收天线的盲感知算法。通过对接收信号矩阵的线性预测和奇异值分解（QR）得到信号统计值的比率来判定是否有主用户信号。

以上这些算法都是对主用户发射端信号的直接检测，基本都是从经典的信号检测理论中移植过来的。此外，近期一些文献从主用户接收端的角度提出了本振泄露功率检测和基于干扰温度的检测。有些文献对经典算法进行了改进，如文献[2]提出了一种基于能量检测-循环特征检测结合的两级感知算法。文献[3]研究了基于频偏补偿的匹配滤波器检测、联合前向和参数匹配的能量检测、多分辨