一種窄帶感知實現高效寬帶頻譜預測的機制

羅明鑒，吳媛媛，韓 寒，董 杰

(1.中國人民解放軍31003部隊，北京 100191; 2.中國人民解放軍理工大學通信工程學院，江蘇 南京 210094)

·工程應用·

一種窄帶感知實現高效寬帶頻譜預測的機制

羅明鑒1，吳媛媛1，韓 寒2，董 杰1

(1.中國人民解放軍31003部隊，北京 100191; 2.中國人民解放軍理工大學通信工程學院，江蘇 南京 210094)

針對只有單一用戶的頻譜探測場景，提出了以窄帶感知實現高效寬帶頻譜預測的機制，以能夠全面有效掌握本地頻譜態勢，實現自由通信。基本思想是依據歷史統計信息動態調整感知信道，在狀態變化較快的信道上增加感知次數，在狀態變化緩慢的信道上減少感知次數。經實驗仿真，該機制相比隨機感知和順序感知有較大的性能提升。

頻譜態勢；頻譜感知；寬帶感知；窄帶檢測

0 引言

電磁頻譜已經成為信息時代不可或缺的國家戰略資源，面對越來越復雜的電磁頻譜環境所帶來的重大挑戰，加強電磁頻譜空間管理就有重要的現實意義[1]。電磁頻譜預測就是提高電磁頻譜空間管理能力的有效途徑之一。該預測通常是由布置在目標區域上的多個寬帶頻譜感知器協作完成。然而，對于諸如短波通信這樣的自組織通信網絡[2]而言，獲知寬帶頻譜上的電磁變化狀態無法由多個感知器同時完成，而一般情況下只有獨立的窄帶電臺感知器。另外，在叢林山地這樣的與位置相關性較強的電磁場景中，不同位置的感知器協作完成的頻譜態勢并沒有參考價值。從而，由窄帶感知實現高效的寬帶頻譜預測成為重要的研究內容。本文針對這一問題，提出采用認知無線電[3]的思想，通過窄帶感知數據的大量積累和規律挖掘，實現寬帶頻譜快速預測，進而完成自由通信。由于電磁頻譜的時變性和感知能力的限制(一次只能感知一個信道)，一個很重要的問題是在不同的時隙選擇哪個信道進行感知。文獻[4]對該問題進行了簡化，每一次都選擇信道可用概率和帶寬乘積最大的信道進行感知和接入，提出近似感知的方法，但該方法缺乏長期性考量。而本文將基于主用戶到達模型、用學習算法估計信道可用性等信息，提出一種窄帶感知實現寬帶頻譜預測的機制。

1 系統架構

本文考慮的寬帶頻譜由N個待感知的信道鄰接組成，每個信道上的占用用戶稱之為“主用戶”，窄帶感知信道并嘗試接入的用戶稱之為“競爭用戶”。本文設計的有學習預測功能的感知接入系統架構如圖1所示。感知和接入依靠頻譜池相關聯，感知到的信道狀態信息不斷更新頻譜池，以備信道接入可實時高質量地完成。感知任務的調度依靠頻譜池中數據和估計的信道參數，結合一定的調度算法執行。頻譜池系統有對應的一套學習和預測機制，可以根據歷史數據進行參數估計，包括信道占用概率、占用時間分布率等。該估計的參數與預先設定好的調度算法，結合頻譜池信息，聯合進行調度決策，決定下一時刻的感知信道。該過程通過更新機制循環進行，性能越來越好。

該頻譜池主要有記憶和回憶功能，不具備決策功能。池內維護所有的待選信道的狀態，每個信道以一個“頻譜元”形式存儲。下面分三部分介紹：

1)頻譜元的儲存。如圖2所示，i表示信道的編號，便于存取和調用相關信息。δc=1表示該信道正在被競爭用戶使用，δc=0表示該信道沒有被競爭用戶使用，是不可用信道或待選信道。元屬性INT表示從最近一次對該信道的觀測到現在的時間間隔，δp表示該信道被主用戶占用狀態，δp=1表示占用，否則不占用，以最近一次觀測為準。所有的頻譜元以同等地位被儲存。

2)頻譜元的提取。依據接入模塊的指令，其中一個空閑信道被提取用作數據通信，該信道相應的δc屬性置1，并同時將上一次使用的信道置0，即歸還頻譜元。

3)頻譜元的更新。以信道k為例，根據是否感知和感知結果將屬性更新列表。如表1所示，“←”為更新符號，更新符號左右相等的情況表示不更新，保持原值。

閑忙未感知M←M+1M←MM←MINT←0INT←0INT←INT+1δp←0δp←1δp←δp

2 感知信道選擇

感知信道選擇的目的是為信道接入提供準確的全頻段實時狀態信息，只要保證在任意時刻從頻譜池中看到的信道忙閑狀態和真實的狀態吻合，就可以實現目標。當然頻譜池中信息是靠感知獲得的，而現有的感知大都是窄帶感知，一次無法獲知全頻段信息。如果連續不停地在各信道之間依次窄帶掃描感知，對于狀態變化較快的信道無法及時捕獲狀態變化點，對于狀態變化較慢的信道又是一種資源浪費(因為狀態根本沒變，不用監測)，所以必須結合一定的調度算法完成時間軸上的感知信道選擇。

信道的占用和空閑分別用狀態0和1表示。信道之間相互獨立，每個信道的帶寬為Bk，k=1,2,…,N。本節將以主用戶的到達服從Markov模型為例，對本文提出的基于主用戶到達模型的感知信道選擇算法進行闡述。各授權信道相互獨立，信道i的主用戶數據流量服從兩狀態的連續時間Markov過程。主用戶信道占用模型示意圖如圖3所示。

圖3中的Q為對應的狀態轉移速率矩陣。該Markov過程的狀態轉移概率矩陣為：

(1)

式中，Pij(t),i,j∈{0,1}的具體表達式為：

(2)

這里Δt指兩次狀態觀測的時間間隔。由Q矩陣可以看出，兩狀態的Markov過程其實也是生滅過程，0狀態持續時間tl的概率密度函數及分布函數分別為：

f0(tl)=λie-λitl

(3)

F0[tl]=1-e-λitl

(4)

1狀態持續時間tl的概率密度函數及分布函數分別為：

f1(tl)=μie-μitl

(5)

F1[tl]=1-e-μitl

(6)

由于信道的狀態的相關性，在感知信道狀態為0后的INTi時間內，認為該信道的狀態仍未發生變化的可能性為1-F0[INTi]。如若在此0～INTi時間內，信道重新被占用，但是由于沒有被競爭用戶感知，就會使得頻譜池中的相關狀態信息失效，進而造成競爭用戶可能的接入失敗。

關于失效程度，有：時間越長，失效度越高，維持原信道狀態信息不變的可能性越小。所以這里用維持原狀態不變的概率衡量失效度指標：

(7)

感知任務調度目的是在任意時刻頻譜池里有比較準確的全頻段的忙閑信息。這里，信道狀態由最近一次的感知結果表征，感知任務調度應該在任意時刻最小化全頻段的狀態信息失效度。鑒于每一次感知只能感知一個信道，也即只能更新一個信道的狀態信息，所以感知信道選擇為具有最大的狀態信息失效度的信道。

令當前調度時刻為時隙tS，信道i的狀態信息是在時隙tRi通過感知獲得的。感知信道選擇：

(8)

式中，INTi=tS-tRi，具體數值可以直接從頻譜池中取出。

從式(8)中可以看出，感知信道的選擇不僅用于維護原空閑信道的信息準確性，還有“忙”信道的信息準確性。從本質上講感知信道選擇的是最有可能發生狀態變化的信道，那么對“忙”信道的狀態變化時刻的探測也是尋求空閑信道的過程。圖4為某信道失效度變化趨勢。

在很多情況下，不可能獲知主用戶Markov參數，為此，可以使用歷史信息對模型參數進行在線學習。主要思想是采用“參數估計-信道選擇-參數估計”的循環模式，逐漸提高感知信道選擇的正確性。參數估計階段，由于尚不清楚信道參數，采用順序感知的方式依次對各信道進行感知，這樣等價于對每一個信道進行周期感知，實際的每信道的感知周期為Treal=N×T。較長時間采用周期感知模式之后，獲得了充分的信道狀態變化數據，進行模型參數估計。這個估計很簡單，采用最大似然估計就可以完成。之后在信道選擇階段利用估計出來的參數有選擇地感知信道并進行信道接入測試以驗證狀態估計的準確度，如果接入測試不合格，則重新進行參數估計。依次進行下去，就逐漸獲得高準確度的信道參數，也即獲得較優的感知信道選擇策略。

3 仿真分析

目標環境中有信道數N個，主用戶的到達和離去服從Markov過程，參數分別為λi、μi，且已被競爭用戶通過學習獲知。競爭用戶的感知時間為1ms，接入時間為10ms，仿真時間為10s，采用Monte Carlo仿真。感知任務調度最終提供全頻段較為真實可靠的狀態信息，故考察調度是否有效的指標設置為全頻段狀態估計正確率，為：

⊕STij

(9)

1)同構信道環境。圖5表征了在同構信道下的三種信道選擇策略的性能。其中N個主用戶的參數相同，為1/λi=0.9，1/μi=0.1，也即空閑概率大于0.5。可以看出隨著信道數的增多，單一感知器進行全頻段感知調度獲得的全頻段狀態估計正確率隨著降低，這符合實際情況：由于信道數目增多，分配在每一個信道上的總感知時間降低，從而對每個信道的狀態的知曉程度降低了，導致全頻段正確估計概率下降。本文提出的基于模型的信道選擇優于其他兩種盲選擇方式，信道數越多，優勢越明顯。

2)異構信道環境。仿真2～20個信道，每次仿真都設置一半信道的參數為0.9/0.1，另一半信道的參數為0.4/0.5。從圖6可以看出，基于模型的信道選擇算法還是優于其它兩者的，信道數越多，優越性體現得越明顯。

4 結束語

本文通過感知任務調度使窄帶感知器實現寬帶感知的功能，首先給出了實現感知接入的認知體系架構，之后對其中的感知任務調度進行研究，提出了基于模型的感知信道選擇機制，最后通過模擬仿真驗證了本文提出的信道選擇算法優于隨機選擇和順序選擇。■

[1] 吳啟暉，任敬.電磁頻譜空間認知新范式：頻譜態勢[J].南京航空航天大學學報,2016,48(5):625-632.

[2] 王洪民，脫永軍，陳勁堯，等.短波自組織網絡HFMACA協議研究[J].通信技術,2014(4):410-413.

[3] 李子巍.認知無線電與頻譜管理問題分析[J].中國西部,2017(1).

[4] Zhao Q,Krishnamachari B,Liu K.Low-complexity approaches to spectrum opportunity tracking[C]∥Proc. of the 2nd International Conference on Cognitive Radio Oriented Wireless Networks and Communications (CrownCom), 2007.

Awidebandspectrumpredictionschemeusingnarrowbandspectrumsensing

Luo Mingjian1, Wu Yuanyuan1, Han Han2, Dong Jie1

(1.Unit 31003 of PLA, Beijing 100191, China; 2.Institute of communication engineering of PLAUST, Nanjing 210094, Jiangsu, China)

Aiming for the spectrum detection circumstance within only one user, a new scheme which realized the wideband spectrum prediction effectively using the narrowband spectrum sensing is proposed, so as to obtain the whole spectrum situation comprehensively and unrestrained communication. The basic idea is to dynamically adjust the sensing channel according to the historical information, i.e. increase the sensing times in the channel that changes rapidly and decrease the sensing times in the channel that changes slowly. By the experimental simulation, the performance of the proposed schemeis shown to be better than the random and the sequence ones.

spectrum situation; spectrum sensing; wideband sensing; narrowband detection

2017-09-12;2017-09-28修回。

羅明鑒(1983-)，男，碩士，主要研究方向為電子對抗技術。

TN97

A