认知无线电学习笔记二-频谱感知方法总结
认知无线电中的频谱感知技术
第30卷第11期重庆大学学报(自然科学版)Vol .30 No .11 2007年11月Journal of Chongqing University (N tur l Science Editi on )Nov .2007 文章编号:10002582X (2007)1120046204认知无线电中的频谱感知技术收稿日期:2007206230基金项目:国家自然科学基金资助项目(60672097)作者简介:冯文江(19632),男,重庆大学教授,主要从事宽带无线接入技术和通信信号处理等方面的研究,(Tel )023*********;(E 2mail )f wj@ccee .cqu .edu .cn 。
冯文江,郭 瑜,胡志远(重庆大学通信工程学院,重庆400030)摘 要:分析了认知无线电中的频谱感知技术。
对加性白高斯噪声信道下匹配滤波器检测法和能量检测法进行了研究,并比较了能量检测法下认知用户单独检测、合作检测以及采用多样性技术来检测第一用户的性能。
仿真结果表明:在低信噪比情况下,匹配滤波器具有良好的检测性能;当信噪比大于0dB 时,采用能量检测法能够检测各种信号;认知无线电用户之间合作检测和采用多样性技术能够提高能量检测法的可靠性。
关键词:认知无线电;频谱感知;匹配滤波器;能量检测 中图分类号:T N929.52文献标志码:A 随着无线通信业务的增长,可利用的频带日趋紧张,频谱资源匮乏的问题日益严重,尤其是在频率需求非常紧张的数百兆赫兹到3GHz 的无线频带范围内。
世界各国现行的频率使用政策除分配极少的I S M 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。
认知无线电的频谱感知技术的分析
认知无线电的频谱感知技术的分析发布时间：2021-05-17T05:02:04.121Z 来源：《现代电信科技》2021年第2期作者：宫琦刘嫒玲[导读] 认知无线电频谱感知技术是一种智能无线电通信技术。
认知无线电感知的主要任务是频谱感知，本文提出了频谱测量技术发射机检测。
（武警辽宁省总队辽宁沈阳 110000）摘要：认知无线电频谱感知技术是一种智能无线电通信技术。
认知无线电感知的主要任务是频谱感知，本文提出了频谱测量技术发射机检测。
由于无线电技术的灵活性，可以大大提高频谱利用率。
它被认为是解决负荷问题的最佳方法。
认知无线电通信是一种智能通信系统，它能实时接收周围的通信情况并跟踪发射机参数，采用动态频率控制来提高频率的利用率。
高可靠性频率捕获是保证频率共享的关键技术。
本文讨论了协调波识别、能量控制、静态循环函数和联合识别等频率传感器技术，分析了不同方法的特点。
关键词：无线电；频谱感知技术；分析；认知1、前言随着人类社会对射频资源需求的不断增加，这些资源已经成为信息社会的稀缺资源。
在这种情况下，认知无线电技术应运而生。
通过固定频率的分配策略，可以有效地解决频谱资源分配不当的问题，在分析频差的基础上，这是有效利用非频率资源进行研发的重要方法。
目前，频谱作为认知无线电通信的一项关键技术，其研究越来越受到人们的关注，更重要的是，它正在被研究之中。
在成功接收频谱的基础上，认知无线电的其他部分，包括频率控制模块，也能正常工作。
因此，频谱感知能力直接决定了认知无线电系统的效率。
在给定时间和地理位置由未经授权的用户信号确认的频谱搜索。
如果能找到这样一个空频谱，它将被用作认知无线电系统的频谱信号。
对于认知无线电接收机，即使已经确定噪声发生在某个频率范围内，也必须确定无线电是否有其他认知无线电信号检测到频率。
2、现状2.1技术的研究意义频谱捕获、未探测频率的探测和频谱资源的动态管理是放射性核素技术应用的两个重要方面。
认知无线电中基于谱熵的频谱感知方法
1
本课题得到教育部高校博士点基金资助(20050216001)。
-1-
基频附近有一个峰值，而在信号的高次谐波中能量是很低的。而反观噪声的频谱图，从中我 们可以看到， 信号频谱中的每一个频率成分都有可能是一个能量的峰值点。 从频谱图的分布 来看，信号频谱图的分布是符合一定规律的，而噪声频谱图的分布是不规律的。因此，在本 文中，我们引入了谱熵的方法来检测主用户信号。在无线信号检测和分类中，信号的频谱分 析是广泛应用的工具，而傅里叶变换又一个简单有效的方法。
认知无线电中基于谱熵的频谱感知方法1
关新平，王海峰，龙乘念
燕山大学电气工程学院网络控制与生物信息研究中心， 河北省工业计算机控制工程重点实验 室，河北秦皇岛(066004)
E-mail:xpguan@
摘 要：频谱感知技术是认知无线电技术中的一项重要的技术，本文中，我们提出了一种基 于谱熵的检测主用户信号的方法， 此方法不需要主用户信号的先验知识， 能更好的应用在实 际系统中。通过仿真，即使接收主用户信号的信噪比较小时，我们提出的方法也能很好的检 测到主用户的信号。 关键词：谱熵；频谱感知；认知无线电 中图分类号：TP393.04
3.2 谱熵估计及检测
经过快速傅里叶变换， 我们得到信号每一个频率分量 个频率分量的能量归一化的概率密度定义为：
f i 和其相应的能量谱 Y ( f i ) 。每一
-3-
pi =
∑Y ( f )
i =0 i
N
N −1
Y ( fi )
根据信息熵的概念，信号的谱熵定义为
nk S ( n ) = ∑ skWN = ∑ sk e k =0 k =0 N −1 N −1 −j 2π nk N
认知无线电频谱感知技术分析
-４４-１、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。
认知无线电的频谱感知技术
认知无线电的频谱感知技术认知无线电的频谱感知技术近年来，随着无线通信应用领域的快速发展，可供分配的频谱资源显得日益紧张，然而在对频谱利用情况的检测中发现频谱的利用率却十分低下，致使现今这种固定的频谱分配方式已难满足当前对无线通信技术发展需要，在这样的背景下，出现了认知无线电这一全新的通信理念并得到通信领域科研人员的广泛关注。
射频君已经给童鞋们介绍了认知无线电的基本知识，今天要给大家谈谈认知无线电的频谱感知技术。
频谱感知技术分类CR（认知无线电）的设计规则把CR用户当做频谱用户的来访者，这就需要有效的频谱管理操作方案，使得用户占据空闲信道的同时而不引起对PU（主用户）的干扰，并且在检测到PU开始发送信号时，离开所占据信道。
这些规则成功执行的重点依赖于CR用户对周围环境的感知能力，也就是通过CR用户的频谱感知方案来完成的。
频谱感知的主要目的是提供更多的接入机会给CR用户而不对PU造成干扰。
当授权用户活动性减弱时认知无线电的硬件能够识别出频谱空洞，并把这些频谱空洞用作通信。
然而这些已授权的信道，同时也被定义为PU频带，在被检测到PU信号时，需要被迅速的清空。
因此，对无线频谱的准确感知是实现认知无线电技术的关键。
由于实际通信系统中存在的噪声不确定性以及授权用户信号信息未知等特性，使一些传统的频谱感知算法难以满足认知无线电的频谱检测需要。
如何在已知信息较少的前提下高效地检测频谱空洞成为当前认知无线电领域里研究的热门课题。
当前，主要的频谱检测算法大致有三类：基于授权用户发射机的频谱检测算法、基于多感知用户协作的频谱检测算法和基于干扰温度的频谱检测算法。
由于基于干扰温度的频谱检测算法在实现上难以获得授权用户处的干扰温度值，所以基于授权用户发射机的频谱检测算法和基于多感知用户协作的频谱检测算法成为当前频谱感知技术研究的主流方向，针对不同的检测环境需要，已经取得了大量的研究成果。
例如，基于授权用户发射机的频谱检测算法主要有能量检测、匹配滤波器检测、周期平稳检测、小波检测和特征值检测等相关算法。
无线电频谱感知技术及其在认知无线电中的应用
无线电频谱感知技术及其在认知无线电中的应用随着无线电通信技术的不断发展，日益增多的无线电设备和更加复杂的无线电应用场景中，对无线电频谱的需求变得越来越复杂，而频谱资源又是有限的。
传统的无线电需求无法满足日益增加的需求，这就需要一种全新的技术来解决这一问题，这就是无线电频谱感知技术。
无线电频谱感知技术是一种利用软件定义无线电技术和智能算法来获取无线电频谱信息和认知无线电信道条件的技术。
它可以通过感知无线电环境中所有信号的类型、频率和功率，有效地管理和利用无线电频谱资源，使得无线电通信更加高效和可靠，同时也能保障无线电频谱的合理利用。
无线电频谱感知技术在认知无线电技术中扮演着重要的角色。
认知无线电技术是一种先进的无线电通信技术，利用软件定义无线电技术实现动态频谱的管理与共享，是信息时代的重要组成部分。
其核心是利用无线电频谱感知技术快速感知无线电环境中的频率、增益、调制等信号参数，进行信号识别、特征提取和信噪比估计，从而自主地选择适合的频段、通信模式等，实现频谱的高效利用。
无线电频谱感知技术的应用领域非常广泛。
在军事领域中，可以通过无线电频谱感知技术在敌后情况下获取敌方无线电通讯情报，以便进行有针对性的打击。
在无线电通讯业中，可以通过感知周边环境的频谱状况来选定更加稳定、高效的频段，从而提高通信质量和通信距离。
在物联网领域中，可以通过无线电频谱感知技术实现自动化资源分配、调度，从而减少无线电频谱资源的浪费，提高无线电频谱的可持续性。
无线电频谱感知技术作为一项关键的技术，在未来的发展中有着巨大的潜力。
当前，我国在此方面的研究仍处于起步阶段，存在诸多困难与挑战。
首先，是技术上的挑战。
无线电频谱感知技术需要运用信号处理、机器学习等新兴技术，需要长期的研究和积累。
其次，还需要制定相关政策法规和行业标准，加强无线电频谱资源的管理和监管，并建立相关的技术平台和监督机制，以确保无线电频谱合理利用和公平的竞争环境。
总之，随着无线电通信技术的不断发展和应用需求的不断增加，无线电频谱感知技术在认知无线电技术中的应用将越来越广泛，同时还将在无线电通讯、物联网、军事等领域中发挥重要的作用。
认知无线电频谱感知技术研究
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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。
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研究初期。
大量文献。
判断有无信号传输。
识别信号类型。
1)匹配滤波器
主用户信号已知时最佳。
感知速度快。
但对信号已知信息的要求高，感知单元的实现复杂度极高（需要对大量类型信号的匹配滤波）。
2)基于波形的感知
已知主用户信号的patterns（用于同步等的前导序列等等），对观测数据做相关。
在稳定性和收敛速度上比基于能量检测的感知要好。
判决门限的选取。
信号功率因信道传输特性和收、发信机之间的距离的不确定性而难以估计。
实际中，可由特定的虚警概率给出门限，此时只需知道噪声方差。
3)基于循环平稳性的感知
信号的平稳特征由信号或信号统计量（期望、自相关等）周期性引起。
利用循环相关函数（而非功率谱密度）检测信号，可将噪声与信号分离。
因为噪声广义平稳无相关量，而调制信号由于循环平稳而存在谱相关。
循环谱密度（CSD）函数的计算是对循环自相关函数做傅里叶变换。
循环频率与信号的基本频率一致时，CSD函数输出峰值。
4)基于能量检测的感知
低运算复杂度和低实现复杂度。
缺点在于：判决门限的选择困难；无法区分能量来源是信号还是噪声；
低SNR条件下性能差。
噪声水平的动态估计，降秩特征值分解法。
GSM时隙能量检测，需与GSM系统同步，检测时间限制在时隙间隔内。
FFT之后频域能量检测。
检测概率在各种信道条件下的闭式解。
5)无线电识别
识别主用户采用的传输技术。
获得更多的信息，更高的精度。
比如蓝牙信号的主用户位置局限在10m 之内。
特征提取和归类技术。
各种盲无线电识别技术。
6)其它感知方法
多窗口谱估计。
最大似然PSD估计的近似，对宽带信号接近最优。
计算量大。
Hough变换。
基于小波变换的估计。
检测宽带信道PSD的边界。
协同感知——
协同（合作、协作）用来应对频谱感知中噪声不确定性、衰落和阴影等问题。
解决隐终端问题，降低感知时间。
提出有效的信息共享算法和处理增加的复杂度是协同感知要解决的难题。
控制信道可利用：1）指配频带；2）非授权频带；3）衬于底层的UWB。
共享信息可以是软判决或硬判决结果。
（基于能量检测的）感知合并方式：等增益合并、选择式合并、Switch & Stay（扫描式）合并。
协同算法应：协议开支小；鲁棒性强；引入延迟小。
非协同感知，优点为计算和实现简单，缺点为存在隐终端问题、多径和阴影的影响。
协同感知，优点为更高的精度（接近最优）、可解决阴影效应和隐终端问题；缺点为复杂度高、额外通信流量开支和需要控制信道。
协同感知的两种实现形式：
1)中心式感知。
中心单元广播可用频谱信息或直接控制CR通信。
AP。
硬信息合并、软信息合并。
2)分布式感知。
彼此共享信息，自己对频谱做出判决。
不需要配置基础结构网络。
外部感知——
外部感知网络将频谱感知结果广播给CR。
优点：可解决隐终端问题和衰落及阴影引起的不确定性；CR无需为感知分配时间，提高频谱效率；感知网络可以是固定的（避免电池供电）。
外部感知可以是连续的或周期性的。
感知数据传递给中心节点进一步处理，并将频谱占用信息共享。
为使干扰最小和机会利用最大，CR应跟踪和预测频谱变化。
信道接入方式可资利用。
隐Markov模型。
半Markov模型。
主用户行为模型应足够简单，以使最优的高层协议设计成为可能。
计算频谱机会至少在请求的时间内可供使用的可能性（似然值）。
感知频率（周期）——
取决于CR的感知能力和主用户的时域特征。
IEEE802.22草案的感知周期为30秒。
硬件要求和方案——
宽频带感知对硬件要求极高：高采样速率、高分辨率、大动态范围的ADC等。
两种构架：
single-radio——分配感知时隙。
dual-radio——一个通路（chain）用来数据收发，另一个用来感知。
一根天线也有可能。
多维频谱感知——各种可提供接入机会的维度（域）有
频率；时间；空间；
码：扩频码，TH或TF序列——需要定时信息；
角度：主用户波束方向；
信号：极化方向，波形——采用正交波形避免干扰。