基于認(rèn)知無線電的頻譜分析算法

劉一鳴?陳富彬

摘要：目前，具有動(dòng)態(tài)訪問無線電頻譜技術(shù)的系統(tǒng)，如認(rèn)知無線電系統(tǒng)，需求很大，正在積極開發(fā)中。為確保有效運(yùn)行這類系統(tǒng)，必須對所用頻率范圍內(nèi)的無線電環(huán)境有一定的了解。本文致力于算法和軟件的開發(fā)對頻譜進(jìn)行智能分析，及時(shí)建立預(yù)測頻譜占用率的模型。這個(gè)問題的解決方案允許提供動(dòng)態(tài)頻譜在不影響主要用戶的權(quán)限和通信質(zhì)量的情況下，同時(shí)不降低次要用戶的服務(wù)質(zhì)量。本文提出并描述了一種基于頻譜占用模型的動(dòng)態(tài)頻譜訪問預(yù)測實(shí)現(xiàn)算法，包括3個(gè)階段。目前，軟件已經(jīng)開發(fā)并在一個(gè)領(lǐng)域通過實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了算法的第一階段。第一階段的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所開發(fā)的軟件可以讓我們識別自由白天的部分頻譜，同時(shí)得到了占空比的值，從而可以預(yù)測所選時(shí)間段內(nèi)該信道被占用的概率。利用這些信息，可以構(gòu)建頻繁的（順序的）模式來開發(fā)頻譜占用的最新預(yù)測模型。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知無線電；動(dòng)態(tài)頻譜接入；無線電監(jiān)測；占空比；軟件無線電

一、引言

認(rèn)知無線電是無線通信領(lǐng)域研究最為深入的領(lǐng)域之一。認(rèn)知無線電（CR）是一種智能無線電系統(tǒng)，它使用軟件定義無線電設(shè)備（Software Defined Radio devices， SDR）等技術(shù)自動(dòng)配置自己的操作模式。認(rèn)知無線電系統(tǒng)能夠積累有關(guān)操作的知識條件，并動(dòng)態(tài)和獨(dú)立地使其參數(shù)適應(yīng)適當(dāng)?shù)臒o線電環(huán)境。這種系統(tǒng)主要被認(rèn)為是能夠更有效地利用頻率資源的系統(tǒng)。

認(rèn)知無線電的主要任務(wù)之一是提供動(dòng)態(tài)頻譜訪問。[1]動(dòng)態(tài)頻譜訪問是指向次要（無許可證）用戶提供主要（有許可證）用戶的頻率，在此期間主用戶不使用該范圍的技術(shù)。實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù)的一個(gè)重要任務(wù)是在不降低二級用戶服務(wù)質(zhì)量的前提下，保護(hù)一級用戶的通信權(quán)利和通信質(zhì)量。在實(shí)踐中，這意味著未經(jīng)許可的用戶必須不斷監(jiān)測頻譜活動(dòng)，以便找到一個(gè)合適的波段使用，并避免對有許可的用戶可能的干擾。這是從CR的基本概念出發(fā)的，它得出的結(jié)論是，為了二級網(wǎng)絡(luò)的有效運(yùn)行，對于所使用的頻率范圍，有必要掌握主要用戶占用頻譜的信息，生成此類信息的方法很少。

第一種方法是通過頻譜監(jiān)測手段對頻率范圍進(jìn)行恒定控制。這種方法包括幾個(gè)階段，第一階段解決了檢測來自主要用戶的信號的任務(wù)；第二階段專門對獲得的結(jié)果進(jìn)行分析，以確定適合二級用戶的頻段。每個(gè)階段被稱為認(rèn)知無線電循環(huán)函數(shù)。這種方法要求CR定期進(jìn)行頻譜監(jiān)測，以檢測到當(dāng)前空閑的頻段。CR中的頻譜監(jiān)測過程是寬頻段的頻譜掃描，范圍可以從MHz單位到幾GHz。作為這種方法的優(yōu)點(diǎn)，值得注意的是接收到的關(guān)于CR覆蓋區(qū)域內(nèi)無線電環(huán)境的信息的相關(guān)性。這種方法的缺點(diǎn)是需要較高的計(jì)算成本，頻段較寬，頻譜監(jiān)測的可重復(fù)性高。

第二種方法是使用各種頻譜占用模型。這種方法也包括幾個(gè)階段。第一個(gè)階段專門用于收集從測量結(jié)果中獲得的所使用頻段的頻譜占用情況的信息。第二階段致力于對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，目的是及時(shí)預(yù)測頻譜不同部分的占用情況。需要注意的是，在第一種情況下，一個(gè)認(rèn)知無線電周期所需的時(shí)間比第二種情況要多。因此，作為這種方法的一個(gè)優(yōu)勢，值得注意的是，由于處理認(rèn)知無線電周期而產(chǎn)生的時(shí)間延遲最小化了。這種方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠預(yù)測頻譜占用的狀態(tài)，這避免了與現(xiàn)有授權(quán)用戶發(fā)生沖突。然而，這種方法的有效性高度依賴于主要用戶使用的頻譜占用模型。大量的研究表明，現(xiàn)有的頻譜占用模型與真實(shí)的無線電環(huán)境不符。因此，這種方法的主要任務(wù)之一就是在特定的無線電環(huán)境中建立一個(gè)充分的頻譜占用模型。[2]許多著作概述了構(gòu)建頻譜占用模型的可能選項(xiàng)，但沒有提出基于頻譜占用模型實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜訪問的真正算法和方法。

本文致力于描述開發(fā)的基于頻譜占用模型的動(dòng)態(tài)頻譜訪問實(shí)現(xiàn)算法。描述了所提出算法的第一階段，旨在實(shí)現(xiàn)頻譜監(jiān)測和形成短期數(shù)據(jù)庫。還給出了為第一階段進(jìn)行的現(xiàn)場測試的描述。結(jié)論部分專門討論了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

二、動(dòng)態(tài)頻譜訪問算法

基于頻譜占用模型的動(dòng)態(tài)頻譜訪問實(shí)現(xiàn)算法由三個(gè)階段組成，第一階段以給定頻率在給定頻率范圍內(nèi)進(jìn)行頻譜監(jiān)測，形成短期（每日）頻譜占用數(shù)據(jù)庫。短期數(shù)據(jù)庫由于體積小，在必要時(shí)可以快速提供與特定時(shí)間段相關(guān)的頻譜占用信息。在第二階段，經(jīng)過一個(gè)月（六個(gè)月、一年）長期積累的信息形成了一個(gè)關(guān)于頻譜使用實(shí)際狀態(tài)的長期數(shù)據(jù)庫。第三階段是從數(shù)據(jù)庫信息中搜索頻繁的模式（臨時(shí)邏輯規(guī)則），及時(shí)預(yù)測頻譜不同部分的可用性。獲得的數(shù)據(jù)庫和頻繁模式允許通過提供有關(guān)當(dāng)前可用無線電頻率范圍的相關(guān)信息，在認(rèn)知無線電中提供動(dòng)態(tài)頻譜訪問。圖1顯示了所開發(fā)算法的簡化方案。

三、形成頻譜占用率統(tǒng)計(jì)的方法

世界各地的測量公司進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，目的是獲取頻譜占用率的相關(guān)信息。其中大多數(shù)只關(guān)注于獲取足以證明更有效利用頻譜的潛力的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。他們中的一些人只對選定的頻率范圍進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，例如電視頻段范圍。測量公司進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論是，實(shí)際頻譜負(fù)荷取決于頻率、時(shí)間和位置。此外，測量結(jié)果表明，系統(tǒng)選擇的檢測閾值和調(diào)優(yōu)是測量頻譜占用率的重要參數(shù)。這些結(jié)果為進(jìn)一步研究頻譜占用率，以便在認(rèn)知無線電系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜訪問提供了必要的基礎(chǔ)。

在頻譜監(jiān)測中，基于數(shù)字頻譜分析的信號檢測方法有很多。這些方法包括能量檢測器、基于匹配濾波器的檢測器和基于信號的循環(huán)平穩(wěn)特性的檢測器。[3]最常用的基于FFT的頻譜監(jiān)測方法在給定頻帶等于若干MHz。能量探測器允許實(shí)時(shí)頻譜監(jiān)測。能量探測器的實(shí)現(xiàn)需要一個(gè)適當(dāng)設(shè)置的閾值。閾值是一個(gè)值，它的值允許你對通道的狀態(tài)做出決定。如果接收到的信號功率值低于預(yù)定的閾值，則認(rèn)為該信道是空閑;如果信號功率超過預(yù)定的閾值，則認(rèn)為該信道是繁忙的。因此，假設(shè)在特定頻率f處的j次測量代表Pj （f），我們可以用下面的公式計(jì)算頻率f處j次測量的頻譜占用率：

（1）

其中j=1，2...N（f），N（f）是在頻率f下進(jìn)行的測量總數(shù)。利用得到的公式（1），我們可以得到頻譜占用水平的定量估計(jì)。為此，需要計(jì)算頻率通道占空比，即在頻率f處被確認(rèn)占用的測量數(shù)除以在頻率f處執(zhí)行的測量總數(shù)。這樣，就得出了占空比是主用戶占用通道時(shí)間的平均百分比。對于這種情況，頻譜占用率的計(jì)算如下：

（2）

由（2）可知，頻譜占用水平不能超過100%。因此，占空比值越接近100%，在某一頻率f處信道占用的概率就越大。從以上對頻譜監(jiān)測方法的描述可以明顯看出，其實(shí)現(xiàn)中最困難的部分是閾值T的選擇。如果閾值過低，那么誤檢的概率就會增加。門限值過高，則會增加錯(cuò)過主用戶信號的概率?？梢赃x擇噪聲級別的值作為閾值。在大多數(shù)情況下，檢測閾值T的值設(shè)置在噪聲水平之上幾個(gè)dB，以考慮到那些可能被誤認(rèn)為是信號的噪聲排放。

在本文中，為了生成頻譜占用率的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，需要執(zhí)行以下操作：

①對接收到的正交樣本多次使用FFT。

②對于選定的時(shí)間段，對第n個(gè)FFT包進(jìn)行累積和平均。

③取上一步得到的結(jié)果的平均值作為噪聲水平。

④將檢測閾值設(shè)置在可接受的噪聲水平之上幾個(gè)dB處。

⑤對于點(diǎn)2的每個(gè)結(jié)果，都與檢測閾值進(jìn)行比較。如果超過檢測閾值，則對信道占用率做出決策，即對于給定頻率的給定時(shí)間段，將該值設(shè)為1。否則，0。

⑥監(jiān)測期間獲得的值0和1形成頻譜占用統(tǒng)計(jì)，并寫入文件。

⑦在白天進(jìn)行頻譜監(jiān)測時(shí)，前一階段獲得的文件形成短期數(shù)據(jù)庫。

四、現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)結(jié)果

頻譜占用狀態(tài)的實(shí)際數(shù)據(jù)來源是來自便攜式獨(dú)立SDR HackRF One。HackRF One模塊的規(guī)格如圖2所示。HackRF One模塊通過USB 2.0連接到筆記本電腦，并使用開發(fā)的軟件進(jìn)行控制。該軟件允許您控制HackRF One的參數(shù)，如帶寬、增益和中心頻率。除了管理接收機(jī)設(shè)置之外，開發(fā)的軟件還使用前一節(jié)中描述的算法形成、保存到文件并可視化頻譜占用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

頻譜監(jiān)測的頻率范圍為440-480MHz。為HackRF One設(shè)置了以下參數(shù)：5MHz帶寬，71dB增益。選擇的帶寬意味著，同時(shí)不可能完全覆蓋頻段范圍，但同時(shí)接收端發(fā)生的數(shù)據(jù)丟失不會影響接收的信道占用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。如前所述，短期數(shù)據(jù)庫指的是每天接收到的頻譜占用狀態(tài)信息。為了形成每日信息，決定建立1秒的時(shí)間分辨率。因此，每天應(yīng)獲得86400次頻譜占用信息數(shù)據(jù)。為了完全覆蓋所研究的頻率范圍，接收器的中心頻率在5MHz步長中每100毫秒變化一次。頻率分辨率取決于所選FFT的大小。對于本實(shí)驗(yàn)，F(xiàn)FT包大小為256，對應(yīng)的頻率分辨率為20kHz。前一節(jié)說過，檢測閾值取比噪聲水平高幾個(gè)dB。在本次實(shí)驗(yàn)中，檢測閾值超出噪聲水平5dB。因此，開發(fā)的軟件可以實(shí)時(shí)處理來自接收器的數(shù)據(jù)。由于檢測門限的值會極大地影響頻譜狀態(tài)所獲得的結(jié)果，因此開發(fā)的軟件能夠?qū)⑺惴ǖ?步所獲得的值保存到單獨(dú)的文件中。

從公式（1）可以明顯看出，頻譜占用的統(tǒng)計(jì)量應(yīng)該是一個(gè)二元矩陣。通過監(jiān)測我們可以得到440-480MHz/天的頻率范圍內(nèi)獲得的頻譜占用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。根據(jù)占用情況可以確定用戶所需要的頻率通道在特定時(shí)刻是繁忙還是空閑。

值得注意的是，監(jiān)測數(shù)據(jù)并沒有提供任何關(guān)于概率如何在不同檢測閾值下的頻譜占用狀態(tài)。根據(jù)測量結(jié)果我們繪制了3天占空比。通過分析數(shù)據(jù)表明，在整個(gè)分析周期內(nèi)，多個(gè)頻率通道的占空比為1。通常，這些都是集群無線電系統(tǒng)的控制信道（基站信號）。此外，研究結(jié)果表明，集群無線電系統(tǒng)的工作范圍是弱負(fù)載的。這個(gè)事實(shí)表明在此范圍內(nèi)，次要用戶的工作不干擾主要用戶。

五、結(jié)束語

本文提出并描述了一種基于頻譜占用模型的預(yù)測實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜訪問的算法，包括3個(gè)階段。詳細(xì)描述了所提算法的第一階段，該階段旨在形成頻譜占用統(tǒng)計(jì)模型的短期數(shù)據(jù)庫。利用所提出的算法，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)所需的軟件。第一階段的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，開發(fā)的軟件允許我們在白天識別光譜的自由部分。此外，我們還獲得了440-480 MHz頻率范圍內(nèi)3天的占空比值，從而可以預(yù)測所選時(shí)間段內(nèi)該頻率通道的占用概率。利用這些信息，可以構(gòu)建頻繁的（順序的）模式來開發(fā)頻譜占用率的最新預(yù)測模型。

作者單位：劉一鳴 陳富彬 山東省無線電監(jiān)測站

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]余婷，顧浩，胡靜，宋鐵成，沈連豐.電磁頻譜感知教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33（05）：42-45，72.

[2]張波，黃本雄，朱江，徐奎.認(rèn)知無線電中基于改進(jìn)脈沖耦合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的頻譜分配算法[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2009，31（07）：112-116.

[3]趙冰. 認(rèn)知超寬帶通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)[D].哈爾濱工程大學(xué)，2011.