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摘要：為了在震后即時(shí)開展救援工作，盡快恢復(fù)通信系統(tǒng)是至關(guān)重要的。根據(jù)應(yīng)急通信的特殊性和要求，在分析了認(rèn)知無線電的關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，建立了一個(gè)基于認(rèn)知無線電技術(shù)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(xì)介紹了三種頻譜感知的方法：匹配濾波檢測(cè)、能量檢測(cè)、周期平穩(wěn)過程特征檢測(cè)。認(rèn)知無線電技術(shù)的研究為震后應(yīng)急通信建設(shè)提供了新的思考模式和技術(shù)前景。
1.前言
四川汶川地震造成了巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失，挽救損失最關(guān)鍵的就是如何在震后迅速有效的恢復(fù)應(yīng)急通信，這樣才能了解災(zāi)情，統(tǒng)一指揮，為在災(zāi)后72小時(shí)黃金救援時(shí)間內(nèi)更好的組織協(xié)調(diào)，因此災(zāi)后應(yīng)急通信的恢復(fù)顯得至關(guān)重要。地震發(fā)生時(shí)，電信企業(yè)都面臨兩大考驗(yàn)：一方面，通信網(wǎng)絡(luò)因?yàn)?zāi)害受到不同程度的損壞，信息通信服務(wù)保障能力大大降低；另一方面，災(zāi)害發(fā)生后，政府和公眾均十分迫切地想了解災(zāi)情，通信業(yè)務(wù)“井噴式”增長(zhǎng)，形成通信阻塞。面對(duì)這兩大難題，有人提出要開展重要線路第二路由的建設(shè)、通過主干線路的備份建設(shè)來提高抗災(zāi)能力；還有提出要建立起天地結(jié)合、模式多樣的應(yīng)急通信手段。然而這些僅僅只是從線路的建設(shè)和途徑的多樣化上來進(jìn)行防范，面對(duì)災(zāi)后應(yīng)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(huì)因此又造成通信堵塞？認(rèn)知無線電技術(shù)從解決高頻段頻譜利用率低下的問題出發(fā)，使得無線通信設(shè)備可以接入授權(quán)的高頻空閑頻譜，并動(dòng)態(tài)的利用頻譜，有望緩解現(xiàn)有通信線路的擁堵問題，為應(yīng)急通信的建設(shè)展開了另一種技術(shù)前景。
2.認(rèn)知無線電的基本概念
認(rèn)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(shè)備具有發(fā)現(xiàn)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(quán)使用。在頻率需求非常緊張的數(shù)百M(fèi)HZ-3GHZ無線頻帶中，一些頻帶大部分時(shí)間內(nèi)并沒有用戶使用，另有一些偶爾才被占用，其它頻段使用競(jìng)爭(zhēng)則相對(duì)激烈。認(rèn)知無線電被認(rèn)為是解決目前無線頻譜利用率的最佳方案，它是一個(gè)智能的無線通信系統(tǒng)，具有環(huán)境感知和傳輸參數(shù)自我修改的功能，通過對(duì)環(huán)境的理解實(shí)時(shí)改變和調(diào)整它的內(nèi)部狀態(tài)，適應(yīng)外部無線環(huán)境的變化，從而實(shí)現(xiàn)頻譜共享，動(dòng)態(tài)的增加網(wǎng)絡(luò)和個(gè)人用戶的可用頻譜總數(shù)，為頻譜分配提供了一個(gè)可能的解決方案。
認(rèn)知無線電的認(rèn)知能力表現(xiàn)在能實(shí)時(shí)與它所處的環(huán)境交互，從而決定合適的通信參數(shù)并適應(yīng)動(dòng)態(tài)的無線環(huán)境。這個(gè)任務(wù)要求在公開頻譜中的自適應(yīng)性操作，如圖1所示，稱之為認(rèn)知循環(huán)。認(rèn)知循環(huán)包含3個(gè)主要步驟：頻譜感知、頻譜分析和頻譜決策。
3.認(rèn)知無線電的應(yīng)急通信模型
針對(duì)地震后通信系統(tǒng)出現(xiàn)的問題，由于常用頻段信道容量有限，通信量突增會(huì)造成信道的堵塞，為了緩解通信線路擁擠的壓力，結(jié)合認(rèn)知無線電頻譜感知技術(shù)，如圖2所示表示了一個(gè)基于認(rèn)知無線電的信號(hào)傳輸系統(tǒng)的模型，其中模型的設(shè)計(jì)就是對(duì)被測(cè)信號(hào)空間進(jìn)行信號(hào)處理，從噪聲背景下發(fā)現(xiàn)信號(hào)和提取信號(hào)所攜帶的信息，并制定檢測(cè)估計(jì)準(zhǔn)則，做出有無授權(quán)用戶存在（或頻譜空穴）的檢測(cè)報(bào)告，這就是認(rèn)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(hào)調(diào)制到空隙頻段上，實(shí)際就是頻譜搬移，將相對(duì)較低的頻譜搬遷到較高的頻譜上，這樣信號(hào)就可以在這些高頻信道上進(jìn)行傳輸了。
圖1 認(rèn)知循環(huán)
圖2 基于認(rèn)知無線電的信號(hào)傳輸模型圖
進(jìn)行信號(hào)處理，從噪聲背景下發(fā)現(xiàn)信號(hào)和提取信號(hào)所攜帶的信息，并制定檢測(cè)估計(jì)準(zhǔn)則，做出有無授權(quán)用戶存在（或頻譜空穴）的檢測(cè)報(bào)告，這就是認(rèn)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(hào)調(diào)制到空隙頻段上，實(shí)際就是頻譜搬移，將相對(duì)較低的頻譜搬遷到較高的頻譜上，這樣信號(hào)就可以在這些高頻信道上進(jìn)行傳輸了。
4.認(rèn)知無線電的頻譜感知技術(shù)
頻譜感知是認(rèn)知無線電系統(tǒng)的基本功能，是實(shí)現(xiàn)頻譜管理、頻譜共享的前提。所謂的“感知”就是在時(shí)域、頻域和空域多維空間，對(duì)被分配給授權(quán)用戶頻段不斷地進(jìn)行頻譜檢測(cè)，檢測(cè)這些頻段內(nèi)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(quán)用戶占用，那么該頻段被稱為“頻譜空穴”，認(rèn)知用戶可以臨時(shí)使用頻譜空穴。結(jié)合上述的模型，通常有匹配濾波檢測(cè)、能量檢測(cè)和周期平穩(wěn)過程特征檢測(cè)三種檢測(cè)感知用戶發(fā)生源方案。
4.1 匹配濾波檢測(cè)
匹配濾波檢測(cè)是信號(hào)檢測(cè)中的一種比較常用的方法，它能夠使接收信號(hào)的信噪比最大化。在認(rèn)知無線電設(shè)備中使用匹配濾波器，實(shí)際上完成的是解調(diào)授權(quán)用戶的信號(hào)，這樣認(rèn)知無線電用戶就要知道授權(quán)用戶的物理層和媒體控制層的信息，利用這些來實(shí)現(xiàn)與待測(cè)信號(hào)在時(shí)域和頻域上的同步，從而解調(diào)信號(hào)。這種檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)是可以在很短時(shí)間內(nèi)完成同步而提高信號(hào)的處理增益，缺點(diǎn)是必須要認(rèn)知用戶掌握每一類授權(quán)用戶的各種信息。
4.2 能量檢測(cè)
能量檢測(cè)是一種非相干的檢測(cè)方法，它只需要知道被檢測(cè)頻段內(nèi)信號(hào)的能量。為了測(cè)量接收信號(hào)的能量，需要對(duì)帶通濾波器的輸出信號(hào)進(jìn)行平方運(yùn)算并在觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行積分，將積分器的輸出和固定門限值相比較。這種檢測(cè)方法由于受到檢測(cè)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(cè)模型如圖3所示。
圖3 能量檢測(cè)模型
衡量能量檢測(cè)性能時(shí)，一般假設(shè)傳輸信道是高斯分布的，噪聲是零均值的高斯白噪聲。設(shè)接收信號(hào)通過帶寬為 的濾波器，檢測(cè)時(shí)間為 ，設(shè)門限為K，則虛警概率為：
是接收信號(hào)和噪聲的方差。
4.3 周期平穩(wěn)過程特征檢測(cè)
周期平穩(wěn)過程特征檢測(cè)可以提取出調(diào)制信號(hào)的特有特征，如正弦載波、符號(hào)速率以及調(diào)制類型等。這些特性均通過分析頻譜相關(guān)性函數(shù)來檢測(cè)。頻譜相關(guān)性函數(shù)的主要優(yōu)勢(shì)是它可以從調(diào)制信號(hào)功率中區(qū)別噪聲能量，前提是該噪聲為不相干廣義平穩(wěn)信號(hào)，而調(diào)制信號(hào)是在信號(hào)周期插入冗余后形成的周期平穩(wěn)且頻譜相干的。在未知噪聲、功率變化噪聲及強(qiáng)干擾環(huán)境下，周期平穩(wěn)過程特征檢測(cè)比其他檢測(cè)更有優(yōu)勢(shì)。譜相關(guān)檢測(cè)模型如圖4所示。
假設(shè)信號(hào)為循環(huán)平穩(wěn)并且功率有限，則定義循環(huán)自相關(guān)函數(shù)（CAF）為
其中參數(shù) 叫做循環(huán)頻率，每個(gè)循環(huán)頻率都是信號(hào)持續(xù)時(shí)間T的整數(shù)倍。當(dāng) 時(shí)，CAF和CSD就是通常所說的自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度。不同的信號(hào)具有不同的循環(huán)功率譜，可以利用此特性來檢測(cè)輸入信息，其判決方法為
5.結(jié)論
從研究認(rèn)知無線電的關(guān)鍵技術(shù)出發(fā)，結(jié)合應(yīng)急通信的要求與特殊性，可以將其兩者有機(jī)的結(jié)合起來。運(yùn)用認(rèn)知無線電技術(shù)的頻譜感知技術(shù)，解決了應(yīng)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(zāi)后的通信線路得到了最大化的改善，應(yīng)急通信系統(tǒng)的建立為救災(zāi)工作節(jié)約了寶貴的時(shí)間，同時(shí)也為發(fā)展和建設(shè)應(yīng)急通信系統(tǒng)提供了新的思考模式和技術(shù)前景。
作者：羅凡 陳金鷹 來源：長(zhǎng)江大學(xué)電信學(xué)院
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