认知无线电和频谱感知技术在可持续海洋生态系统监测中的应用

本研究提出一种基于认知无线电的非正交多路访问（NOMA）海洋物联网频谱感知框架，结合双重匹配滤波（DMF）和增强能量检测（ESS），有效提升瑞利和莱斯信道下的检测准确性和通信可靠性，降低误码率，为海洋生态监测提供高效通信方案。

　　
本文针对海洋物联网（IoUT）中无线通信资源受限的问题，提出了一种基于认知无线电（CR）与双匹配滤波-能量谱感知（DMF-ESS）框架的非正交多址接入（NOMA）系统，旨在提升频谱利用效率与通信可靠性。研究通过理论与仿真验证，展示了该框架在动态海洋环境中的显著优势。

### 一、研究背景与挑战
海洋生态系统监测依赖水下传感器网络与卫星、浮标等终端的实时数据传输。然而，有限频谱资源与复杂的海洋信道特性（如瑞利/莱斯衰落）导致传统频谱感知技术存在检测滞后、虚警率高、误码率高等问题。例如，在珊瑚礁监测中，现有方法难以在低信噪比（SNR）下快速识别空闲频段，且易受湍流干扰影响数据传输稳定性。此外，多用户共存场景下，信号间的非正交干扰加剧了资源分配难题。

### 二、创新方法：DMF-ESS框架
研究提出分层协同的DMF-ESS框架，通过两阶段检测机制优化频谱利用：
1. **能量谱感知（ESS）阶段**：采用自适应阈值能量检测技术，快速扫描多频段资源。通过动态调整噪声方差与信号功率的比值，有效抑制信道波动（如瑞利衰落中的多径干扰）。实验表明，该阶段在SNR=-1 dB时即可实现高检测概率（Pd>0.9），较传统能量检测方法提前约2 dB。
2. **双匹配滤波（DMF）阶段**：针对ESS筛选出的候选频段，通过双模板匹配增强信号识别精度。模板分别对应已知主用户（PU）信号与噪声基底，利用滑动窗口匹配与SIC（干扰消除）技术，分离并抑制非正交干扰。在莱斯衰落场景中，该方法通过捕获主导视距（LOS）分量，将误码率（BER）降至10??以下。

### 三、关键技术突破
1. **动态加权融合机制**：根据信道状态（瑞利/莱斯）自适应分配ESS与DMF的权重系数（α与β）。瑞利信道（NLOS）侧重ESS的高效广域扫描（α>0.5），而莱斯信道（LOS主导）则强化DMF的精确匹配（β>0.5），实现双模态环境下的最优检测。
2. **NOMA功率分配优化**：在NOMA系统中，用户按信道条件分配不同功率级。研究通过联合感知与功率分配模型，将PU信号能量提升35%-40%，同时将弱用户干扰抑制比提高2.5倍，确保多用户同时传输时的误码率稳定。
3. **抗干扰增强技术**：DMF通过双重相关（主信号模板与噪声模板）量化信号确定性特征。实验显示，在SNR=-3 dB时，DMF的虚警概率（Pfa<0.1）较传统匹配滤波降低60%，误码率较能量检测降低40%。

### 四、实验验证与性能对比
仿真采用64-QAM调制与64点FFT，在10,000样本量下对比四种场景：
1. **瑞利信道（Pfa<0.5）**：
- DMF-ESS组合实现Pd=0.95（SNR=-1 dB），较传统匹配滤波（Pd=0.72）提升32%。
- Pfa=0.06（SNR=-1 dB），较能量检测方法降低80%。
2. **莱斯信道（Pfa<0.5）**：
- 检测灵敏度达SNR=-1.2 dB，较传统方法提前2.1 dB。
- BER在SNR=5.4 dB时达到10??，较能量检测降低55%。
3. **高虚警场景（Pfa≥0.5）**：
- DMF-ESS在SNR=-2 dB时仍保持Pd=0.89，而传统方法需SNR=0.8 dB以上。
- 能量检测的Pfa=0.18，DMF-ESS降至0.06，误码率降低40%。

### 五、实际应用场景
1. **珊瑚礁监测（安达曼海）**：
- 通过DMF-ESS实现SNR=-3 dB下数据包传输成功率≥98%，较传统方案提升42%。
- 结合水下光学浮标与卫星中继，形成全天候监测网络。
2. **海岸污染预警（阿曼湾）**：
- 频谱感知响应时间缩短至200ms（传统方法需500ms）。
- 多传感器协同定位漏油区域，误报率降低至5%以下。

### 六、生态价值与未来方向
1. **生态监测效率提升**：实时数据采集频率从每小时1次提升至5次，支持精准的渔业资源评估与海洋污染追踪。
2. **能源可持续性**：传感器节点续航时间延长30%-45%，适用于深海/远海部署。
3. **扩展应用**：
- 与区块链技术结合，建立频谱共享的自主信用体系。
- 集成AI动态阈值调整模块，适应水温、盐度等环境参数变化。
- 探索6G水下通信场景，优化多跳中继协议与功率回退机制。

### 七、结论
本文提出的DMF-ESS框架通过动态感知与双模态检测，显著提升海洋物联网的频谱利用效率。在瑞利/莱斯信道下，检测灵敏度与误码率分别优于传统方法2-2.5 dB和30%-50%。实际案例表明，该技术可支撑每平方公里部署超过500个传感器节点的规模化应用，为全球海洋观测系统提供可扩展的通信基础设施。后续研究将重点验证算法在真实海洋环境中的鲁棒性，并探索与量子通信技术的融合应用。