基于認(rèn)知的短波動(dòng)態(tài)頻譜孔洞率與時(shí)效性研究

閆建峰，郭 銳，田 驊

(中國(guó)艦船研究院，北京 100192)

基于認(rèn)知的短波動(dòng)態(tài)頻譜孔洞率與時(shí)效性研究

閆建峰，郭 銳，田 驊

(中國(guó)艦船研究院，北京 100192)

短波認(rèn)知系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)認(rèn)知工作頻段內(nèi)頻譜空洞的具體位置來確定通信頻率，根據(jù)頻譜空洞內(nèi)噪聲變化情況，動(dòng)態(tài)調(diào)整工作參數(shù)躲避干擾，極大提高了系統(tǒng)抗干擾能力。本文依托長(zhǎng)期短波頻譜監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)和基于能量檢測(cè)的方法，研究了短波頻段頻譜空洞孔洞率與時(shí)效性，驗(yàn)證了頻譜空洞具有可選性與瞬時(shí)穩(wěn)定性的特征，為短波動(dòng)態(tài)頻譜接入的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

頻譜空洞;孔洞率;時(shí)效性

0 引言

動(dòng)態(tài)頻譜接入是指網(wǎng)絡(luò)中的非授權(quán)用戶在對(duì)工作頻段內(nèi)的電磁頻譜環(huán)境進(jìn)行感知與學(xué)習(xí)后，通過智能決策自適應(yīng)地調(diào)整發(fā)射功率、頻率及編碼調(diào)制方式等工作參數(shù)，從而在盡可能不影響授權(quán)用戶的前提下實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)，它是認(rèn)知無線電的一種重要應(yīng)用［1－5］。在各種動(dòng)態(tài)頻譜接入方式中，機(jī)會(huì)頻譜接入是一種對(duì)授權(quán)用戶完全不產(chǎn)生干擾的接入方式，它通過實(shí)時(shí)感知工作頻段內(nèi)授權(quán)用戶未使用的子頻段(即頻譜空洞)，并在其中傳輸信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了授權(quán)用戶與非授權(quán)用戶信號(hào)間的完全分離［1，4］。

顯然，若將頻譜空洞定義為系統(tǒng)工作頻段內(nèi)無干擾或干擾功率低于門限值的子頻段，則機(jī)會(huì)頻譜接入思想可以應(yīng)用于抗干擾通信中。通過實(shí)時(shí)感知工作頻段內(nèi)頻譜空洞的具體位置，確定發(fā)射頻率，并在通信過程中根據(jù)頻譜空洞內(nèi)的噪聲變化情況動(dòng)態(tài)調(diào)整。

系統(tǒng)的其他工作參數(shù)，可以將干擾對(duì)系統(tǒng)性能的影響減到最低，從而極大地提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

1 短波頻段頻譜空洞孔洞率與時(shí)效性及其研究方法

短波頻率最擁擠，背景干擾和人為干擾嚴(yán)重;電波傳播受電離層影響波動(dòng)大，時(shí)變色散的特點(diǎn)很突出;短波適用于近、中、遠(yuǎn)距離的戰(zhàn)術(shù)與戰(zhàn)略通信，應(yīng)用范圍很廣。國(guó)內(nèi)外對(duì)短波的偵查和干擾研究時(shí)間長(zhǎng)，措施多，抗干擾的難度大。頻譜空洞(Spectrum Hole)的監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)是抗干擾的基礎(chǔ)。所謂頻譜空洞是指通信雙方在具有適合通信業(yè)務(wù)所需的電波傳播頻率范圍內(nèi)背景噪聲小于一定閾值下的有效通信頻帶。Simon Haykin對(duì)頻譜空洞的定義［6］:“一個(gè)頻段有指定主用戶，但在特殊時(shí)間和特定地點(diǎn)，該頻段未被主用戶使用，這時(shí)即稱為頻譜空洞。正確選擇頻譜空洞并加以利用就在第一時(shí)間避開了干擾，因此，合理利用頻譜空洞應(yīng)該是抗干擾的首要任務(wù)。對(duì)頻譜空洞的選擇，我們主要關(guān)心孔洞率與時(shí)效性的研究。孔洞率定義為:所選出的符合條件頻段數(shù)與待選的全部頻段數(shù)的比值。時(shí)效性定義為:所選出的可用頻段數(shù)在一定時(shí)間內(nèi)仍然可用的概率。它們直接決定了頻譜空洞是否具有可選性與瞬時(shí)穩(wěn)定性，表征系統(tǒng)中頻譜空洞是否存在并可在選出后應(yīng)用于實(shí)際的通信過程中。頻譜感知有多種方法［7］，但對(duì)抗干擾軍事通信，干擾特性不能預(yù)知，因此，能量檢測(cè)(Energy Detection)是空洞檢測(cè)的基本原則。由于頻譜空洞與不同時(shí)間、不同地點(diǎn)電磁環(huán)境有關(guān)，因此只能以地區(qū)頻譜統(tǒng)計(jì)分析為基礎(chǔ)開展頻譜空洞特性研究。

2 采集設(shè)備裝置及工作原理

2.1 采集裝置

使用6 m長(zhǎng)的鞭天線，經(jīng)過同軸電纜連接到計(jì)算機(jī)上的短波接收機(jī)，通過計(jì)算機(jī)控制短波接收機(jī)以一定的工作方式進(jìn)行短波信道的數(shù)據(jù)采集，采集后的數(shù)據(jù)以文件的形式存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)以備后續(xù)處理，數(shù)據(jù)采集接收裝置如圖1所示。

短波接收機(jī)可以內(nèi)置到計(jì)算機(jī)中，PCI插槽，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)，接收機(jī)具有AM，USB，LSB，ISB-U，ISB-L，F(xiàn)M，F(xiàn)MN等工作模式，顯示和操作界面如圖2所示。

接收機(jī)采用了自動(dòng)增益控制(AGC:OFF/SLOW/MED/FAST)。短波接收機(jī)中輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍很大，一般為120 dB左右，這就要求接收機(jī)的增益也能動(dòng)態(tài)地隨之變化，因此采用了數(shù)字AGC控制方案。如果檢測(cè)的信號(hào)能量低于額定值，則將增益電壓加大;高于額定值時(shí)，則將增益電壓減小。

接收機(jī)可以設(shè)置Attenuation Mode(衰減20 dB)，RF Gain(射頻增益)，Squelch(噪聲門限)，IF BW(中頻帶寬)，BFO(拍頻)，NOTCH(陷波)等參數(shù)。

接收機(jī)還可以設(shè)置自動(dòng)掃描功能，掃描過程中可以設(shè)置掃描時(shí)間、起始時(shí)間、起始信道、終止信道以及掃描步長(zhǎng)等參數(shù)。

2.2 接收機(jī)工作原理

高頻信號(hào)經(jīng)接收機(jī)混頻后變?yōu)橹蓄l信號(hào)，中心頻率為63.078 MHz，中頻帶寬為6 kHz，經(jīng)過 16.384 MHz的中頻帶通采樣，再經(jīng)過降速，變?yōu)樗俾蕿?2 kHz的數(shù)字信號(hào)，分為同相I和正交Q兩路，最后通過復(fù)數(shù)域數(shù)字變頻信號(hào)變至零頻。

圖3 短波接收機(jī)原理Fig.3 Block diagram of HF receiver principle

由于中頻采樣后的信號(hào)速率將為32 kHz，相當(dāng)于最終的中頻采樣速率為32 kHz，中頻信號(hào)處理過程中的原理和頻譜變化如圖4和圖5所示。

整個(gè)信號(hào)的處理過程就是把高頻信號(hào)經(jīng)過變頻、濾波后搬移到基頻以備后續(xù)處理。

當(dāng)短波接收機(jī)開啟以后接收機(jī)就會(huì)自動(dòng)向計(jì)算機(jī)的緩存中寫入數(shù)據(jù)，有音頻數(shù)據(jù)和中頻2種數(shù)據(jù)，每種數(shù)據(jù)分I(同相)，Q正交)兩路，I，Q數(shù)據(jù)交替存入緩存區(qū)中，緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式如表1所示。

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本文數(shù)據(jù)采集過程中，設(shè)定接收機(jī)工作在AM方式，AGC控制，中頻帶寬6 kHz，操作軟件采用的是用VC編寫的界面程序，可以設(shè)置采樣頻率范圍、采樣起始/終止時(shí)間、每個(gè)頻段采樣次數(shù)等參數(shù)。

采樣頻率fs=32 kHz，采樣周期ms，頻率分辨率為

式中:T為采樣時(shí)間;N為采樣點(diǎn)數(shù);Ts為采樣周期;掃描頻段范圍fH－fL≤256 kHz，fH和fL分別為所要采集頻率段上、下限。

由于短波接收機(jī)的中頻帶寬只有6 kHz，只能通過快速掃描的方式完成對(duì)1 MHz(其他掃描頻帶寬度原理相同)帶寬內(nèi)信號(hào)的采樣，設(shè)要完成1 MHz的采樣所需要的采樣次數(shù)為M，又因?yàn)?000/6=166.66…，取M為167，所以掃描頻率的真正范圍為6 kHz×167=1 002 kHz，然后取其前1 MHz作為有效數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

頻段(1 MHz)內(nèi)的掃描方式如圖6所示。

圖6 接收機(jī)在1 MHz內(nèi)的掃描方式示意圖Fig.6 Receiver's scanning manner in 1 MHz

短波接收機(jī)每6 kHz內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)256，采樣數(shù)據(jù)共有兩路(I路和Q路)，每路各有256個(gè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式為16位帶符號(hào)數(shù)。

在6 kHz頻段內(nèi)，每次采樣時(shí)間T=NTs=256×，頻率分辨率為

2.3 數(shù)據(jù)處理及分析

設(shè)定信道干擾類別來衡量此頻率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)信道的優(yōu)劣，以便于根據(jù)信道的干擾強(qiáng)度調(diào)節(jié)選頻門限、通信速率等參數(shù)。

信道干擾類別如下:

A類 不大于3 μV(不大于－110 dBV)或(不大于10 dBμV)。

B類 3～10 μV(－110～ －100 dBV)或(10～20 dBμV)。

C類 10～30 μV(－100～ －90 dBV)或(20～30 dBμV)。

D類 30～100 μV(－90～ －80 dBV)或(30～40 dBμV)。

E類 100 μV以上(不小于－80 dBV)或(不小于 40 dBμV)。

1)研究頻譜空洞的晝夜分布情況，以確定可利用的頻譜空洞資源。

通過多年大量全頻譜的統(tǒng)計(jì)和分析，筆者對(duì)短波頻譜空洞的認(rèn)識(shí)舉例說明:圖7和表2是在2007年8月22日～24日，所采集的北京城區(qū)6000～6256 kHz頻段中工作帶寬為 1，3，6，9，12，24 kHz 全天24 h內(nèi)空洞率的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以背景噪聲≤10 dBμV為空洞門限。

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從表2可見，24 h內(nèi)晝夜變化影響很大，白天干擾小于≤10 dBμV的空洞最高可達(dá)200 kHz左右，夜間也有20 kHz左右有可資利用，這為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)(這只是本地接收的空洞，要保證雙向通信還需要了解通信對(duì)方的空洞以及雙方溝通信道的主要參數(shù)，以保證正常通信，主要依靠信令進(jìn)行溝通)。

2)優(yōu)化頻譜空洞的定義門限，確定預(yù)測(cè)與應(yīng)用之間的時(shí)效性。

根據(jù)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，頻譜空洞是隨著時(shí)間和頻率的變化以及定義門限的不同而變化的。圖8和圖9為12點(diǎn)和20點(diǎn)時(shí)6～7 MHz不同門限值下“頻譜空洞”代表時(shí)效性的存活概率統(tǒng)計(jì)分布。

從圖中可知，門限值愈小存活概率愈低，間隔時(shí)間愈短存活概率愈高。例如取門限值≤10 dBμV的空洞，其存活概率(可信度)達(dá)99%時(shí)12點(diǎn)可長(zhǎng)達(dá)數(shù)min，而20點(diǎn)時(shí)只有12 s左右，因此參數(shù)的合理選擇對(duì)頻譜空洞的時(shí)效性具有十分重要的意義。

3)對(duì)頻譜空洞的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，通過人工智能的處理，以確定預(yù)測(cè)與應(yīng)用之間的可信程度。

從長(zhǎng)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)平均值可以看到頻譜空洞的分布情況。因?yàn)轭l譜空洞晝夜變化很大，在具體應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且要預(yù)測(cè)而且應(yīng)當(dāng)即選即用。圖10和圖12為2007年8月在12點(diǎn)和20點(diǎn)6000～6250 kHz前后12 s內(nèi)測(cè)得的實(shí)時(shí)頻譜，可見晝夜干擾電平相差很大，但20時(shí)盡管干擾電平很高，仍有20 kHz左右的頻譜空洞(約占8%)可資利用。

由圖11可見，在12 s內(nèi)干擾背景幅度變化最大達(dá)+4～－6 dB左右，由于隨機(jī)性很大，經(jīng)大量統(tǒng)計(jì)變化基本在±8 dB范圍以內(nèi)，而隨時(shí)間呈一定增長(zhǎng)關(guān)系。

由圖13可見，雖然白天和夜間背景電平變化很大，但在頻譜空洞(背景噪聲電平≤10 dBμV)內(nèi)前后12 s的波動(dòng)并沒有太大的變化，這和圖9的結(jié)論是符合的。

3 結(jié)語

結(jié)合以上討論得出對(duì)短波波段頻譜空洞研究的結(jié)論。

1)對(duì)軍事通信而言，認(rèn)知無線電的核心頻譜空洞的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與可利用性的預(yù)測(cè)是研究的重點(diǎn)。在設(shè)定頻譜空洞門限的基礎(chǔ)上對(duì)干擾信號(hào)只需研究其電平大小、來源方向和時(shí)間概率分布，由于軍事通信主要屬于多用戶非合作認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)［6］，因此無須對(duì)有意或無意的干擾進(jìn)行識(shí)別和分析。

2)頻譜空洞隨晝夜時(shí)間的變化而變化，但其預(yù)測(cè)有效時(shí)間(在可信度/存活概率99%情況下)基本在數(shù)s到數(shù)min之間，其變化是有一定規(guī)律的。頻譜空洞時(shí)效性是設(shè)計(jì)認(rèn)知無線電系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。

3)頻譜空洞是隨時(shí)間而變化的，晝夜背景干擾變化很大，但只影響頻譜空洞的有效寬度，從統(tǒng)計(jì)看頻譜空洞總是存在的。

在實(shí)際應(yīng)用中，只需檢測(cè)系統(tǒng)工作帶寬內(nèi)少數(shù)信道中的頻譜空洞，并加以動(dòng)態(tài)利用即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜接入過程，接收端計(jì)算復(fù)雜度低，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性可以保證。由此可見，短波動(dòng)態(tài)頻譜通信系統(tǒng)的確是一種更為優(yōu)越的抗干擾通信體制，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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Research on spectrum hole probability and effectiveness for a given period of time of dynamic spectrum of HF channel based on cognition

YAN Jian-feng，GUO Rui，TIAN Hua
(China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，China)

Through the specific location of spectrum hole in the working frequency band，HF cognitive system can ascertain the communication frequency.Based on the variation of noise power in the spectrum hole，HF cognitive system changes the working parameter to avoid the interference，which can significantly improve the system ability of anti-interference.Using energy detection method，we have inspected the HF channel for a long time.In this paper，we have studied the spectrum hole probability and effectiveness for a given period of time of spectrum hole and validated that the spectrum hole possess the character of optional and transient-stability.All those researches establish the foundation of HF dynamic spectrum access in engineering application.

spectrum hole;spectrum hole probability;effectiveness for a given period of time

TN97

A

1672－7649(2011)06－0056－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.06.014

2011－05－06

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(60832006)

閆建峰(1980－)，男，碩士，工程師，主要從事短波抗干擾通信理論與技術(shù)研究。