认知无线电在震后应急通信中的应用方案介绍

摘要：为了在震后即时开展救援工作，尽快恢复通信系统是至关重要的。根据应急通信的特殊性和要求，在分析了认知无线电的关键技术的基础上，建立了一个基于认知无线电技术的通信模型，提出了解决震后通信线路拥堵并提高频频谱利用率低下的新思路。详细介绍了三种频谱感知的方法：匹配滤波检测、能量检测、周期平稳过程特征检测。认知无线电技术的研究为震后应急通信建设提供了新的思考模式和技术前景。

1.前言

四川汶川地震造成了巨大的生命财产损失，挽救损失最关键的就是如何在震后迅速有效的恢复应急通信，这样才能了解灾情，统一指挥，为在灾后72小时黄金救援时间内更好的组织协调，因此灾后应急通信的恢复显得至关重要。地震发生時，电信企业都面临两大考验：一方面，通信网络因灾害受到不同程度的损坏，信息通信服务保障能力大大降低；另一方面，灾害发生后，政府和公众均十分迫切地想了解灾情，通信业务"井喷式"增长，形成通信阻塞。面对这两大难题，有人提出要开展重要线路第二路由的建設、通过主干线路的备份建设来提高抗灾能力；还有提出要建立起天地结合、模式多样的应急通信手段。然而这些仅仅只是从线路的建设和途径的多样化上来进行防范，面对灾后应急通信的巨大信息流量，这些线路是否能承受的了如此大信息量？是否会因此又造成通信堵塞？认知无线电技术从解决高频段频谱利用率低下的问题出发，使得无线通信设备可以接入授权的高频空闲频谱，并动态的利用频谱，有望缓解现有通信线路的拥堵问题，为应急通信的建设展开了另一种技术前景。

2.认知无线电的基本概念

认知无线电的概念是由Joseph Mitola在1999年提出的，其核心思想是使无线通信设备具有发现空闲频谱并合理利用频谱资源的能力。众所周知，无线电通信频谱是一种宝贵的自然资源，一般由政府授权使用。在频率需求非常紧张的数百MHZ-3GHZ无线频带中，一些频带大部分时间内并没有用户使用，另有一些偶尔才被占用，其它频段使用竞争则相对激烈。认知无线电被认为是解决目前无线频谱利用率的最佳方案，它是一个智能的无线通信系统，具有环境感知和传输参数自我修改的功能，通过对环境的理解实时改变和调整它的内部状态，适应外部无线环境的变化，从而实现频谱共享，动态的增加网络和个人用户的可用频谱总数，为频谱分配提供了一个可能的解决方案。

认知无线电的认知能力表现在能实时与它所处的环境交互，从而决定合适的通信参数并适应动态的无线环境。这个任务要求在公开频谱中的自适应性操作，如图1所示，称之为认知循环。认知循环包含3个主要步骤：频谱感知、频谱分析和频谱决策。

3.认知无线电的应急通信模型

针对地震后通信系统出现的问题，由于常用频段信道容量有限，通信量突增会造成信道的堵塞，为了缓解通信线路拥挤的压力，结合认知无线电频谱感知技术，如图2所示表示了一个基于认知无线电的信号传输系统的模型，其中模型的设计就是对被测信号空间进行信号处理，从噪声背景下发现信号和提取信号所携带的信息，并制定检测估计准则，做出有无授权用户存在（或频谱空穴）的检测报告，这就是认知无线电的频谱感知过程，然后将频谱空穴所在频段划分成若干信道，并把基带信号调制到空隙频段上，实际就是频谱搬移，将相对较低的频谱搬迁到较高的频谱上，这样信号就可以在这些高频信道上进行传输了。

图1 认知循环

图2 基于认知无线电的信号传输模型图

进行信号处理，从噪声背景下发现信号和提取信号所携带的信息，并制定检测估计准则，做出有无授权用户存在（或频谱空穴）的检测报告，这就是认知无线电的频谱感知过程，然后将频谱空穴所在频段划分成若干信道，并把基带信号调制到空隙频段上，实际就是频谱搬移，将相对较低的频谱搬迁到较高的频谱上，这样信号就可以在这些高频信道上进行传输了。

4.认知无线电的频谱感知技术

频谱感知是认知无线电系统的基本功能，是实现频谱管理、频谱共享的前提。所谓的"感知"就是在时域、频域和空域多维空间，对被分配给授权用户频段不断地进行频谱检测，检测这些频段内主用户是否工作，从而得到频谱的使用情况。如果该频段未被授权用户占用，那么该频段被称为"频谱空穴"，认知用户可以临时使用频谱空穴。结合上述的模型，通常有匹配滤波检测、能量检测和周期平稳过程特征检测三种检测感知用户发生源方案。

4.1 匹配滤波检测

匹配滤波检测是信号检测中的一种比较常用的方法，它能够使接收信号的信噪比最大化。在认知无线电设备中使用匹配滤波器，实际上完成的是解调授权用户的信号，这样认知无线电用户就要知道授权用户的物理层和媒体控制层的信息，利用这些来实现与待测信号在时域和频域上的同步，从而解调信号。这种检测方法的优点是可以在很短时间内完成同步而提高信号的处理增益，缺点是必须要认知用户掌握每一类授权用户的各种信息。

4.2 能量检测

能量检测是一种非相干的检测方法，它只需要知道被检测频段内信号的能量。为了测量接收信号的能量，需要对带通滤波器的输出信号进行平方运算并在观测时间段内进行积分，将积分器的输出和固定门限值相比较。这种检测方法由于受到检测门限的限制，感知精度不高，通常用于粗略感知阶段。能量检测模型如图3所示。

图3 能量检测模型

衡量能量检测性能时，一般假设传输信道是高斯分布的，噪声是零均值的高斯白噪声。设接收信号通过带宽为 的滤波器，检测时间为 ，设门限为K，则虚警概率为：

是接收信号和噪声的方差。

4.3 周期平稳过程特征检测

周期平稳过程特征检测可以提取出调制信号的特有特征，如正弦载波、符号速率以及调制类型等。这些特性均通过分析频谱相关性函数来检测。频谱相关性函数的主要优势是它可以从调制信号功率中区别噪声能量，前提是该噪声为不相干广义平稳信号，而调制信号是在信号周期插入冗余后形成的周期平稳且频谱相干的。在未知噪声、功率变化噪声及强干扰环境下，周期平稳过程特征检测比其他检测更有优势。谱相关检测模型如图4所示。

假设信号为循环平稳并且功率有限，则定义循环自相关函数（CAF）为

其中参数 叫做循环频率，每个循环频率都是信号持续时间T的整数倍。当 时，CAF和CSD就是通常所说的自相关函数和功率谱密度。不同的信号具有不同的循环功率谱，可以利用此特性来检测输入信息，其判决方法为

5.结论

从研究认知无线电的关键技术出发，结合应急通信的要求与特殊性，可以将其两者有机的结合起来。运用认知无线电技术的频谱感知技术，解决了应急通信中的中频信道拥堵而高频段频谱利用率低下的问题，使灾后的通信线路得到了最大化的改善，应急通信系统的建立为救灾工作节约了宝贵的时间，同时也为发展和建设应急通信系统提供了新的思考模式和技术前景。

作者：罗凡 陈金鹰 来源：长江大学电信学院

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