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文 |溪知许a
编辑|溪知许a
前言
如今无线通信已成为我们生活中的主导部分，从智能家居，到工业应用，再到信息移动服务。在紧密相邻甚至重叠区域内运行的无线系统之间实现共存的关键是共享频谱资源。优化这一资源是推动无线资源分配政策变革的主要动力。当前的频谱使用方法规定了每个无线传输系统的固定频段和传输功率限制。这种方法导致某些频段的中等利用率非常低，原因是在广阔地理区域内的服务分配效率低下，并且由于技术进步，大型保护频带现在已经过时。
更灵活地利用频谱资源意味着无线收发器具有监测其无线环境并根据特定传输条件进行适应的能力。如果这个概念结合了学习和决策能力，我们就称之为认知无线电范式。
CR的一些特点包括定位、监测频谱使用情况、频率切换、传输功率控制，最后还具有动态改变所有这些参数的能力。这种新的认知方法预计将对未来的法规和频谱政策产生重要影响。
认知无线电技术
对于科学界和无线技术的发展来说，动态访问频谱资源具有极大的兴趣。从这个角度来看，电气和电子工程师学会发挥着重要作用。2007年IEEE成立了动态频谱访问网络标准协调委员会，旨在制定动态访问无线网络的标准。在IEEE框架内，802.22倡议定义了一种基于认知无线电技术的新型宽带接入的无线区域网络接口，利用电视保护频带即所谓的“空白频谱”。
结合CR系统和技术的优势和灵活性，世界各地越来越多地对在车辆和交通环境中利用CR的通信进行开发。将CR设备和认知无线电网络集成到车辆和相关基础设施中可以实现与交通系统、车辆之间甚至车内无线电之间的智能交互。因此在无线资源管理和能源效率、道路交通管理、网络管理、车辆诊断、道路交通意识等方面都可以取得改进，应用领域包括路径规划、移动商务等等。
在动态分布式访问无线资源的框架中，尚未解决的问题包括监测无线环境的方法和在无线信道上使用的收发器技术。
CR系统基于机会性的原则，在无线频谱中搜索未使用的频段，即所谓的“空白频谱”，以实现隐形操作并不干扰持有一个或多个频段许可证的主要用户。频谱感知，即在带内噪声存在的情况下快速可靠地检测PU，仍然是一个非常复杂的问题，对CR的功能和能力具有决定性的影响。
频谱感知技术可以分为两类：本地和协作。本地技术由单个设备执行，利用其空间邻域中的频谱占用信息，并可分为三类："匹配滤波器"，"能量检测"和"特征检测"。还可以使用多阶段设计中的本地技术组合来提高感知准确性。
然而上述技术对于信号功率较低或受到车载技术应用的典型现象如阴影和多径衰落的影响通常效率低下。为了克服这些问题，可以使用协作技术。
协作感知基于多个节点检测到的频谱数据的聚合，利用认知融合算法，以避免可能导致误检的信道损坏问题。
频谱感知技术
匹配滤波器任何信号检测的最优方式是使用匹配滤波器，因为它能最大化接收信噪比。然而，匹配滤波器实际上需要解调主要用户信号。这意味着认知无线电在物理层和介质访问控制层都需要对主要用户信号具有先验知识，例如调制类型和阶数、脉冲整形、数据包格式等。
大多数正在运行的无线技术都包括传输某种导频序列，用于进行信道估计、向其他终端发送信标以及提供后续消息的同步参考。因此次级系统可以利用导频信号来检测其附近的主要系统传输的存在。
比如说电视信号的音频和视频载波有窄带导频信号，CDMA系统有专用的扩频码用于导频和同步信道，OFDM数据包有用于数据包获取的前导码。
因此匹配滤波器的主要优点是，由于相干性，它需要较少的时间来实现高的处理增益，因为只需要O-1个样本来满足给定的检测概率约束。然而匹配滤波器的一个显著缺点是，认知无线电需要为每个主要用户类别设计专用接收机。
能量检测器简化匹配滤波器方法的一种方法是通过能量检测进行非相干检测。这种次优技术在辐射测量中被广泛使用。能量检测器可以类似于频谱分析仪实现，通过对快速傅里叶变换的频率分段进行平均处理。
处理增益与FFT大小N和观测/平均时间T成正比。增加N可以提高频率分辨率，有助于窄带信号的检测。此外较长的平均时间可以降低噪声功率，从而改善信噪比。
基于公式由于非相干处理，满足检测概率约束需要O(SNR)-2个样本。能量检测器存在几个缺点，可能会降低其实现的简易性。
首先用于主要用户检测的阈值对未知或变化的噪声水平非常敏感。即使阈值可以自适应设置，任何带内干扰的存在都会干扰能量检测器。
另外在频率选择性衰落中，如何设置与通道凹口相对应的阈值也不清楚。其次，能量检测器不能区分调制信号、噪声和干扰。由于不能识别干扰，它无法从自适应信号处理中受益，以消除干扰者。
此外使用该频带的频谱策略仅限于主要用户，因此认知用户应该将噪声和其他次级用户区分对待。最后能量检测器无法适用于扩频信号：直接序列扩频和频率跳变信号，需要设计更复杂的信号处理算法。
循环谱特征检测器
另一种用于检测主要信号的方法是循环谱特征检测，其中调制信号与正弦波载波、脉冲序列、重复扩频、跳频序列或循环前缀相耦合。这样就产生了内在的周期性。这些调制信号被称为循环谱信号，因为它们的均值和自相关函数表现出周期性。
在接收端，信号格式中引入了这种周期性，以便利用它进行载波相位、定时或到达方向等参数估计。通过分析谱相关函数可以检测到这些特征。该函数的主要优点是能够区分噪声和调制信号能量。这是因为噪声是一种广义平稳信号，没有相关性。而调制信号由于信号周期性的内嵌冗余而具有循环平稳性。
谱相关函数也称为循环谱。功率谱密度是一个实值的一维变换，而SCF是一个复值的二维变换。参数α被称为循环频率。如果α = 0，则SCF给出信号的PSD。
由于固有的频谱冗余，信号的选择性成为可能。在该领域中对信号的分析保留了与调制信号的定时参数相关的相位和频率信息。由于这一点，功率谱中的重叠特征也能够在循环谱中得到保留。
合作问题
在认知无线电环境中，次级系统对主要用户的检测至关重要。然而由于准确可靠地感知无线环境的挑战，这变得困难。次级用户可能会在信号损失的情况下对无线环境进行错误判断，进而导致次级传输对受许可的主要用户产生干扰。
另外当次级用户快速改变位置时，信号质量问题会加剧，这在特定的车载技术应用中是存在的。简而言之，如图5所示，以下现象可能会产生不可靠的结果，多径衰落：在多径接收条件下，传感器CR1出现短期瑞利衰落。功率水平的波动可能导致不可靠的检测。
传感器CR2可能移动到障碍物后面，呈现对数正态长期衰落。其覆盖位置可能对其附近的PRx产生干扰。
传感器CR3位于主要传输范围之外。由于距离远，它接收到低功率级别，但其传输可能对主要接收器产生干扰，而主要接收器位于主要范围内。
这使得认知无线电需要对信道损坏具有高度的鲁棒性，同时还能够检测到极低功率的信号。这些严格的要求给CR网络的部署带来了许多挑战。
通过多个CR用户在感知信道方面进行合作可以缓解CR中的信道损坏和低功率检测问题。Thanayankizil和Kailas提出了不同的合作拓扑结构，可以根据它们的合作级别分为三个区域： 去中心化非协调技术：网络中的认知用户没有任何形式的合作，这意味着每个CR用户将独立地检测信道，如果一个CR用户检测到主要用户，则会离开该信道而不通知其他用户。与协调技术相比，非协调技术容易出错。所以经历信道实现不良的CR用户错误地检测信道，从而在主要接收器处引起干扰。
在这类网络中，假设为CR用户部署了基础设施。检测到主要发射机或接收机存在的CR用户会通知CR控制器。CR控制器可以是有线固定设备或另一个CR用户。CR控制器通过广播控制消息通知其范围内的所有CR用户。
集中式方案可以根据合作级别进一步分类为：部分协作：在部分协作网络中，节点仅在感知信道方面进行合作。CR用户独立地检测信道，并将信息通知CR控制器，然后CR控制器通知所有CR用户。Liu和Shankar考虑了这样一个部分协作方案，其中集中式接入点收集了其范围内CR用户的感知信息，并相应地分配了频谱。
完全协作方案：在完全协作网络中，节点在协同感知信道的同时也在中继彼此的信息。例如，假设两个认知用户D1和D2正在传输到一个共同的接收器，D1在分配给D1的时间槽的前半部分传输，而D2在后半部分中继D1的传输。类似地，在分配给D2的第二个时间槽的前半部分，D2传输其信息，在后半部分中继D1的信息。
去中心化协调技术：已经提出了各种去中心化技术的算法，其中包括八卦算法，它们以较低的开销进行合作感知。其他去中心化技术依赖于聚类方案，其中认知用户形成集群，并在集群之间进行协调，类似于其他已知的传感器网络架构。
所有这些合作频谱感知技术都需要一个控制信道，可以作为专用频率信道或作为底层UWB信道实现。宽带射频前端调谐器/滤波器可以在UWB控制信道和普通认知无线电接收/发送之间共享。
此外如果有多个认知无线电组同时活动，则需要共享控制信道带宽。对于专用频率带来说，CSMA方案可能是理想的选择。对于扩频UWB控制信道，可以为不同的用户组分配不同的扩频序列。
结论
我们的研究探讨了小波变换和小波包在认知无线电中的应用。我们将小波方法应用于频谱感知和自适应多载波传输，为车载通信问题提供了基于小波的完整解决方案。
参考文献
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[4] 一种改进的小波阈值去噪算法. 崔公哲;张朝霞;杨玲珍;王娟芬.现代电子技术,2019
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