徐文超

[摘要]認(rèn)知無線電技術(shù)的出現(xiàn)是為了解決頻譜資源日益稀缺的問題。將現(xiàn)有的認(rèn)知無線電技術(shù)分成兩大類：機(jī)會頻譜接入法和同頻接入法。主要針對前者討論其基本步驟，即頻譜空洞檢測，預(yù)測建模以及機(jī)會頻譜管理。

[關(guān)鍵詞]認(rèn)知無線電機(jī)會頻譜接入同頻接入頻譜空洞動態(tài)跳頻

中圖分類號：TN92文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號；1671—7597(2009)1010054—01

一、引言

隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，新的無線通信技術(shù)和系統(tǒng)的需求迅速增長，無線通信現(xiàn)有可用頻譜越來越少，而拓展新的頻譜資源則受到射頻技術(shù)、天線尺寸、電磁傳播特性和經(jīng)濟(jì)等因素的限制，頻譜成為日益稀缺的珍貴資源，從申請頻譜到牌照頒發(fā)的周期太長，不利于新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用推廣。因而認(rèn)知無線電(cognitire Radio)的概念應(yīng)運(yùn)而生。

經(jīng)過近幾年的快速發(fā)展，認(rèn)知無線電的內(nèi)涵不斷擴(kuò)大。廣義地，根據(jù)次用戶和主用戶是否能同時(shí)在相同頻段傳輸數(shù)據(jù)，我們把認(rèn)知無線電分為兩類，分別稱為機(jī)會頻譜接入和同頻接入。

機(jī)會頻譜接入方法中，次用戶利用主用戶的頻譜空洞進(jìn)行通信。機(jī)會頻譜接入技術(shù)要求次用戶能夠周期性地掃描頻譜，檢測可獲得的頻譜空洞，然后次用戶可以使用這些頻譜空洞進(jìn)行通信。一旦在某個(gè)空閑頻譜上檢測到主用戶到來，次用戶立刻放棄該段頻譜，以避免對主用戶產(chǎn)生干擾。利用這種技術(shù)，次用戶可以在不干擾主用戶基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)會通信。而同頻接入方法包括超寬帶(uWB)技術(shù)和重疊(0verlay)技術(shù)。超寬帶(UWB)技術(shù)對次用戶的發(fā)射功率進(jìn)行了嚴(yán)格的限制，以控制其對主用戶的干擾。重疊方法通過臟紙編碼(dirty paper coding)技術(shù)允許次用戶和主用戶在相同頻帶上同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，但是卻要求次用戶知道主用戶的邊信息。

二、機(jī)會頻譜接入

(一)頻譜空洞檢測

頻譜空洞指的是這樣的頻帶，它被授權(quán)給了特定的主用戶，但是在特定的時(shí)間和地點(diǎn)，主用戶并沒有使用該頻帶。

1，檢測方法簡介

(1)能量檢測：檢測器根據(jù)某一或某些頻段內(nèi)電磁波能量的大小是否超過預(yù)先設(shè)定的閾值來判斷。通常的做法是檢測器對接收到的信號采樣，并求其模平方的和，再把結(jié)果與某一閾值進(jìn)行比較判斷是否檢測到主用戶信號。這種檢測方法原理簡單，而且不需要主用戶的合作。但是，能量檢測精度不高，造成虛警或漏捕概率較高，而且檢測時(shí)間長。實(shí)際上。針對不同的主用戶系統(tǒng)，能量檢測法會有差異。例如在中，提出了專門針對wiMAX為主用戶，UWB為次用戶的能量檢測方法。

(2)匹配濾波法：這種方法進(jìn)行的是相干檢測，它需要知道主用戶的同步信息和其他一些先驗(yàn)信息(例如主用戶的訓(xùn)練符號序列)。這種檢測方法精度高，檢測時(shí)間較能量檢測要短。但是它需要預(yù)先知道主用戶的先驗(yàn)信息，還需要主用戶的合作(相干檢測時(shí)次用戶要與主用戶同步)，這造成了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度較高。

(3)循環(huán)平穩(wěn)檢測法：該方法利用了主、次用戶信號之間的統(tǒng)計(jì)平穩(wěn)特性的差異來檢測主用戶信號。

(二)頻譜空洞預(yù)測建模

由于技術(shù)的限制和成本控制的原因，次用戶檢測器不可能做到時(shí)刻檢測其周圍環(huán)境的所有頻譜空洞。為了使檢測更為有效，人們提出分析已有檢測結(jié)果的統(tǒng)計(jì)特性，對信道狀態(tài)建模，并利用該統(tǒng)計(jì)模型指導(dǎo)檢測。具體地說，我們可以根據(jù)某一頻段是否被主用戶占用將該頻段狀態(tài)分成空閑和占用兩個(gè)狀態(tài)。隨著時(shí)間的推移，該頻段呈現(xiàn)兩種狀態(tài)交替變化。對于一般的加性噪聲信道，我們可以用一階馬爾可夫過程對其狀態(tài)進(jìn)行建模。對于時(shí)變的多徑信道，由于信道的記憶性較強(qiáng)，必須得用二階及二階以上的馬爾可夫過程對信道狀態(tài)建模。

(三)機(jī)會頻譜管理

一旦檢測到頻譜空洞，就要決定如何利用那些頻譜空洞。機(jī)會頻譜通信的主要特點(diǎn)是頻譜空洞隨著時(shí)間不斷變化，這對調(diào)制的選擇提出了很高的要求·能夠適應(yīng)這種特點(diǎn)的調(diào)制方式大致有兩種。一種是動態(tài)跳頻技術(shù)，一種是正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)。

動態(tài)跳頻技術(shù)首先在IEEE 802.22標(biāo)準(zhǔn)的草案中提出，它的基本原理是：某個(gè)時(shí)隙，次用戶在一個(gè)工作信道上傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)，在其他信道上進(jìn)行頻譜檢測；下一時(shí)隙，次用戶放棄之前的工作信道，切換到一個(gè)檢測到的空閑頻譜上。

但是次用戶可用的頻譜空洞可能位于很寬的頻譜范圍并且不連續(xù)，所以O(shè)FDM技術(shù)由于其高效和靈活性成為最佳的候選方案。其基本原理是將整個(gè)頻譜分成若干個(gè)正交的子載波，次用戶根據(jù)檢測的結(jié)果，只利用那些沒有被主用戶占用的子載波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸在進(jìn)行OFDM調(diào)制時(shí)，將被主用戶占用的子載波置零，同時(shí)考慮到頻譜泄漏問題，留出必要的保護(hù)子載波，從而避免對主用戶產(chǎn)生干擾。OFDM技術(shù)的特點(diǎn)是高效靈活，但是也存在自身固有的問題，比如高峰均比問題等。此外，次用戶應(yīng)用OFDM技術(shù)，子載波間隔和符號間隔必須和頻譜空洞的帶寬和時(shí)域持續(xù)時(shí)間相匹配。