認知無線電在震后應急通信中的應用

摘要：為了在震后即時開展救援工作，盡快恢復通信系統是至關重要的。根據應急通信的特殊性和要求，在分析了認知無線電的關鍵技術的基礎上，建立了一個基于認知無線電技術的通信模型，提出了解決震后通信線路擁堵并提高頻頻譜利用率低下的新思路。詳細介紹了三種頻譜感知的方法：匹配濾波檢測、能量檢測、周期平穩過程特征檢測。認知無線電技術的研究為震后應急通信建設提供了新的思考模式和技術前景。
關鍵字：認知無線電，頻譜感知，匹配濾波器檢測，能量檢測，周期平穩過程特征檢測

1．前言
四川汶川地震造成了巨大的生命財產損失，挽救損失最關鍵的就是如何在震后迅速有效的恢復應急通信，這樣才能了解災情，統一指揮，為在災后72小時黃金救援時間內更好的組織協調，因此災后應急通信的恢復顯得至關重要。地震發生時，電信企業都面臨兩大考驗：一方面，通信網絡因災害受到不同程度的損壞，信息通信服務保障能力大大降低；另一方面，災害發生后，政府和公眾均十分迫切地想了解災情，通信業務“井噴式”增長，形成通信阻塞。面對這兩大難題，有人提出要開展重要線路第二路由的建設、通過主干線路的備份建設來提高抗災能力；還有提出要建立起天地結合、模式多樣的應急通信手段。然而這些僅僅只是從線路的建設和途徑的多樣化上來進行防范，面對災后應急通信的巨大信息流量，這些線路是否能承受的了如此大信息量？是否會因此又造成通信堵塞？認知無線電技術從解決高頻段頻譜利用率低下的問題出發，使得無線通信設備可以接入授權的高頻空閑頻譜，并動態的利用頻譜，有望緩解現有通信線路的擁堵問題，為應急通信的建設展開了另一種技術前景。

2．認知無線電的基本概念
認知無線電的概念是由Joseph Mitola在1999年提出的，其核心思想是使無線通信設備具有發現空閑頻譜并合理利用頻譜資源的能力。眾所周知，無線電通信頻譜是一種寶貴的自然資源，一般由政府授權使用。在頻率需求非常緊張的數百MHZ-3GHZ無線頻帶中，一些頻帶大部分時間內并沒有用戶使用，另有一些偶爾才被占用，其它頻段使用競爭則相對激烈。認知無線電被認為是解決目前無線頻譜利用率的最佳方案，它是一個智能的無線通信系統，具有環境感知和傳輸參數自我修改的功能，通過對環境的理解實時改變和調整它的內部狀態，適應外部無線環境的變化，從而實現頻譜共享，動態的增加網絡和個人用戶的可用頻譜總數，為頻譜分配提供了一個可能的解決方案。
認知無線電的認知能力表現在能實時與它所處的環境交互，從而決定合適的通信參數并適應動態的無線環境。這個任務要求在公開頻譜中的自適應性操作，如圖1所示，稱之為認知循環。認知循環包含3個主要步驟：頻譜感知、頻譜分析和頻譜決策。

3．認知無線電的應急通信模型
針對地震后通信系統出現的問題，由于常用頻段信道容量有限，通信量突增會造成信道的堵塞，為了緩解通信線路擁擠的壓力，結合認知無線電頻譜感知技術，如圖2所示表示了一個基于認知無線電的信號傳輸系統的模型，其中模型的設計就是對被測信號空間進行信號處理，從噪聲背景下發現信號和提取信號所攜帶的信息，并制定檢測估計準則，做出有無授權用戶存在（或頻譜空穴）的檢測報告，這就是認知無線電的頻譜感知過程，然后將頻譜空穴所在頻段劃分成若干信道，并把基帶信號調制到空隙頻段上，實際就是頻譜搬移，將相對較低的頻譜搬遷到較高的頻譜上，這樣信號就可以在這些高頻信道上進行傳輸了。

圖1 認知循環

圖2 基于認知無線電的信號傳輸模型圖

進行信號處理，從噪聲背景下發現信號和提取信號所攜帶的信息，并制定檢測估計準則，做出有無授權用戶存在（或頻譜空穴）的檢測報告，這就是認知無線電的頻譜感知過程，然后將頻譜空穴所在頻段劃分成若干信道，并把基帶信號調制到空隙頻段上，實際就是頻譜搬移，將相對較低的頻譜搬遷到較高的頻譜上，這樣信號就可以在這些高頻信道上進行傳輸了。

4．認知無線電的頻譜感知技術
頻譜感知是認知無線電系統的基本功能，是實現頻譜管理、頻譜共享的前提。所謂的“感知”就是在時域、頻域和空域多維空間，對被分配給授權用戶頻段不斷地進行頻譜檢測，檢測這些頻段內主用戶是否工作，從而得到頻譜的使用情況。如果該頻段未被授權用戶占用，那么該頻段被稱為“頻譜空穴”，認知用戶可以臨時使用頻譜空穴。結合上述的模型，通常有匹配濾波檢測、能量檢測和周期平穩過程特征檢測三種檢測感知用戶發生源方案。
4．1 匹配濾波檢測
匹配濾波檢測是信號檢測中的一種比較常用的方法，它能夠使接收信號的信噪比最大化。在認知無線電設備中使用匹配濾波器，實際上完成的是解調授權用戶的信號，這樣認知無線電用戶就要知道授權用戶的物理層和媒體控制層的信息，利用這些來實現與待測信號在時域和頻域上的同步，從而解調信號。這種檢測方法的優點是可以在很短時間內完成同步而提高信號的處理增益，缺點是必須要認知用戶掌握每一類授權用戶的各種信息。
4．2 能量檢測
能量檢測是一種非相干的檢測方法，它只需要知道被檢測頻段內信號的能量。為了測量接收信號的能量，需要對帶通濾波器的輸出信號進行平方運算并在觀測時間段內進行積分，將積分器的輸出和固定門限值相比較。這種檢測方法由于受到檢測門限的限制，感知精度不高，通常用于粗略感知階段。能量檢測模型如圖3所示。

圖3 能量檢測模型

衡量能量檢測性能時，一般假設傳輸信道是高斯分布的，噪聲是零均值的高斯白噪聲。設接收信號通過帶寬為 的濾波器，檢測時間為 ，設門限為K，則虛警概率為：

是接收信號和噪聲的方差。
4．3 周期平穩過程特征檢測
周期平穩過程特征檢測可以提取出調制信號的特有特征，如正弦載波、符號速率以及調制類型等。這些特性均通過分析頻譜相關性函數來檢測。頻譜相關性函數的主要優勢是它可以從調制信號功率中區別噪聲能量，前提是該噪聲為不相干廣義平穩信號，而調制信號是在信號周期插入冗余后形成的周期平穩且頻譜相干的。在未知噪聲、功率變化噪聲及強干擾環境下，周期平穩過程特征檢測比其他檢測更有優勢。譜相關檢測模型如圖4所示。

假設信號為循環平穩并且功率有限，則定義循環自相關函數（CAF）為

其中參數 叫做循環頻率，每個循環頻率都是信號持續時間T的整數倍。當 時，CAF和CSD就是通常所說的自相關函數和功率譜密度。不同的信號具有不同的循環功率譜，可以利用此特性來檢測輸入信息，其判決方法為

5．結論
從研究認知無線電的關鍵技術出發，結合應急通信的要求與特殊性，可以將其兩者有機的結合起來。運用認知無線電技術的頻譜感知技術，解決了應急通信中的中頻信道擁堵而高頻段頻譜利用率低下的問題，使災后的通信線路得到了最大化的改善，應急通信系統的建立為救災工作節約了寶貴的時間，同時也為發展和建設應急通信系統提供了新的思考模式和技術前景。
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