認知無線電環(huán)境下的新型無線電監(jiān)測系統(tǒng)研究

唐千晶

認知無線電環(huán)境下的新型無線電監(jiān)測系統(tǒng)研究

唐千晶

青海省無線電管理辦公室西寧管理處，青海 西寧 810000

在頻譜資源日益緊張的情況下，認知無線電技術能大大提高頻譜的利用率，是未來通信系統(tǒng)將要采用的關鍵技術之一。在認知無線電環(huán)境下，現(xiàn)有的無線電監(jiān)測系統(tǒng)已不能勝任新環(huán)境下的監(jiān)測要求，必須對現(xiàn)有的無線電監(jiān)測系統(tǒng)進行改進，形成一個針對認知無線環(huán)境下的新型無線電監(jiān)測系統(tǒng)。

系統(tǒng)模型；系統(tǒng)區(qū)別；干擾信號；監(jiān)測數(shù)據(jù)庫維護；聯(lián)網控制

1 系統(tǒng)模型

新的無線電監(jiān)測系統(tǒng)必須對現(xiàn)有系統(tǒng)不足之處進行改進，合理地解決新環(huán)境下無線電監(jiān)測問題。新型系統(tǒng)模型如圖1所示。

2 新型無線電監(jiān)測系統(tǒng)與現(xiàn)行的無線電監(jiān)測系統(tǒng)的區(qū)別

2.1 電磁環(huán)境

現(xiàn)有的監(jiān)測系統(tǒng)面臨的電磁環(huán)境相對簡單。電磁環(huán)境的作用在于接收信號，并簡單地測定噪聲，以為后續(xù)的信號判決做準備。新型的監(jiān)測系統(tǒng)，面臨的電磁環(huán)境更復雜，隸屬不同業(yè)務類型的信號的出現(xiàn)隨機而且多變。為了保障授權用戶的權利，必須對電磁環(huán)境中的干擾進行合理的評估，并建立合理的分級機制，針對不同級別的干擾做出不同的監(jiān)測反應[1]。

2.2 接收機系統(tǒng)

傳統(tǒng)的監(jiān)測接收機系統(tǒng)，由于知道授權信號的某些先驗知識，因此可以針對性地設計接收機，從而識別接收信號，識別和測量參數(shù)。新型的監(jiān)測系統(tǒng)中，大部分情況是需要在沒有認知信號先驗知識的情況下完成接收，所以接收機系統(tǒng)必須能接收、測量各種類型的信號。

圖1 新型無線電監(jiān)測系統(tǒng)模型

2.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

由于使用某個頻段上的信號不再是固定的，因此新型的監(jiān)測系統(tǒng)必須采用合理的方式記錄和存儲該頻段上的信號，并相應地改變數(shù)據(jù)采集、分析的統(tǒng)計方式和內容。例如對頻譜占用度的測量，傳統(tǒng)的占用度測量結果只是顯示了該頻段上授權用戶使用該頻段的情況。在新型監(jiān)測環(huán)境下，頻譜的占用度不僅包括授權用戶的使用，而且包括認知用戶的使用。認知用戶可能歸屬不同的通信業(yè)務，可以考慮對不同業(yè)務類型的信號的占用度進行統(tǒng)計[2]。

2.4 聯(lián)網監(jiān)測和數(shù)據(jù)共享

現(xiàn)有的監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)網監(jiān)測功能較弱，對信號的監(jiān)測限定在特定區(qū)域內，也不能實施更大范圍的聯(lián)合監(jiān)測，數(shù)據(jù)庫的更新和維護都屬于本地操作。新型監(jiān)測系統(tǒng)將各個監(jiān)測子系統(tǒng)通過互聯(lián)網連接起來。監(jiān)測子系統(tǒng)除了完成本地日常監(jiān)測之外，通過上一層的監(jiān)測控制中心可以調度不同子系統(tǒng)，聯(lián)合監(jiān)測任務。此外，數(shù)據(jù)庫的共享也通過網絡連接實現(xiàn)，對不明信號的分辨和識別可以參考其他子系統(tǒng)的經驗和已有的監(jiān)測數(shù)據(jù)，以使無線電監(jiān)測系統(tǒng)靈活且智能。

3 系統(tǒng)關鍵技術

認知無線電的特殊頻譜共享方式，使得對某個頻段上信號的歸屬判斷不能再簡單地通過判斷信號的有無來決定，對干擾信號和非法信號的識別判定也不能簡單地對比授權站臺數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)。除了信號歸屬的判斷之外，聯(lián)網信號監(jiān)測和聯(lián)網共享也需要制定一個統(tǒng)一的標準和規(guī)范。新型的無線電監(jiān)測系統(tǒng)關鍵技術主要包括：信號歸屬判斷，干擾信號、非法信號的識別、定位及消除，監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的管理以及聯(lián)網控制等。

3.1 干擾與非法信號的識別、定位及消除

一般來說，無線電干擾可以分為同頻道干擾、帶外干擾、互調干擾、雜散干擾和阻塞干擾等[3]。無線電干擾的等級大致可以分為三級：允許干擾，即對接收質量的影響不明顯，通常在規(guī)劃系統(tǒng)的時候需要加以考慮；可接受的干擾，對接收質量有一定的干擾，但是需根據(jù)規(guī)定或者不同系統(tǒng)之間的協(xié)商，屬于可接受的范疇；有害干擾，即已經對正常的通信造成了干擾，導致不能正常通信。

從無線電監(jiān)測的角度分析，干擾可以劃分為帶內接收干擾、帶外接收干擾、非輻射干擾和監(jiān)測系統(tǒng)自身干擾四類[3]。無線電監(jiān)測系統(tǒng)就是要識別出各種干擾信號，定位干擾信號源并加以消除?，F(xiàn)有的無線電監(jiān)測系統(tǒng)中，頻段都是基于靜態(tài)分配的方式，對干擾的判定也比較簡單，即識別該頻段上信號特征是否為授權信號；不是則為干擾信號，需要消除。認知無線電環(huán)境下，干擾已不能單純地通過對比接收信號參數(shù)與授權站臺特征數(shù)據(jù)庫的比較得出。認知無線電信號和非法信號都可能造成干擾，但是認知無線電信號是能夠合法使用頻段的，也就是只要在授權頻段空閑的時候接入即可，造成干擾的原因可能是認知用戶頻譜檢測時的漏檢，或者認知用戶發(fā)生異常，而非法信號可能是進行非法活動的信號，不管其何時出現(xiàn)都必須予以查處。所以新型的監(jiān)測系統(tǒng)不但要能夠識別出頻段上的干擾信號，還必須明確干擾信號的身份，根據(jù)不同的干擾信號歸屬采用不同的消除方式。

此外，由于同一頻段上不同業(yè)務信號的多樣性，認知無線電監(jiān)測環(huán)境不但要對背景噪聲進行估計，還需要對電磁環(huán)境中的干擾進行估計。新型的無線電監(jiān)測系統(tǒng)在干擾估計的基礎上，監(jiān)測認知信號的發(fā)射參數(shù)[3]。

3.1.1干擾的分級與評估

在認知用戶與授權用戶共存的網絡中，授權用戶受到潛在的干擾的情況可能有以下幾點。

（1）認知用戶漏檢。錯判當前頻段可用，接入當前頻段會與授權信號發(fā)生“碰撞”，從而干擾授權用戶的通信。

（2）認知用戶異常。例如認知設備受到攻擊或者設備故障變成異常認知設備，不遵守認知無線電接入的規(guī)則，自身不進行功率控制，很可能對授權用戶造成干擾。

（3）非法信號占用頻段。

3.1.2干擾信號的識別

干擾信號的識別框圖如圖2所示。

圖2 干擾信號識別框圖

干擾信號的識別包括信號頻譜分析、干擾信號分類、干擾信號估計提取幾個部分。首先對接收信號進行分析，確定監(jiān)測到的信號是否屬于干擾信號，然后對干擾信號的類別進行分析，以判斷其是認知信號干擾還是非法信號干擾。確定為干擾信號后，需要對該信號的參數(shù)進行提取，為后續(xù)的干擾定位與消除提供數(shù)據(jù)支持。

干擾信號的識別流程如圖3所示。

干擾識別的第一步，需要對監(jiān)測接收信號進行頻譜分析，并與監(jiān)測數(shù)據(jù)庫內的信號特征數(shù)據(jù)庫做比較，以分辨出接收信號的成分。通過與數(shù)據(jù)庫的交互，以及利用干擾估計、信號識別等監(jiān)測技術，能夠確認信號是授權信號、認知信號或者非法信號，并對認知用戶漏檢、認知用戶異常和非法信號進行識別和記錄。

圖3 干擾信號識別流程

3.1.3干擾信號的定位與消除

為了實現(xiàn)更加精準的定位，新型無線電監(jiān)測系統(tǒng)可以采取多個監(jiān)測站同時定位的方式來對干擾源進行定位。由于采用聯(lián)網控制，對同一個干擾源可以協(xié)調多個監(jiān)測站聯(lián)合監(jiān)測干擾源的位置。一般來講，參與聯(lián)合監(jiān)測任務的站臺越多，監(jiān)測的精度會相應地提高，但是過多的監(jiān)測站來參與對同一個干擾源的定位，會造成監(jiān)測數(shù)據(jù)的冗余和資源的浪費。所以必須在不斷的實踐中總結出相應的模型，以最小的資源來達到更大的定位精度。新型無線電監(jiān)測系統(tǒng)的多站定位如圖4所示。

圖4 多站定位

實際監(jiān)測中，可以將多站定位與已有的定位技術結合。例如多個監(jiān)測站的TDOA定位方式。雖然TDOA定位在三維空間之需要4個監(jiān)測站即可定位，但為了提高精度，克服無線通信中的多徑干擾等的影響，可以對多個監(jiān)測站采集到的數(shù)據(jù)進行篩選，利用合適的統(tǒng)計模型來計算干擾源的位置，提高定位精度。

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)庫維護

監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的建設和管理的好壞直接影響整個監(jiān)測系統(tǒng)的性能的優(yōu)劣。所以合理地設計監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，對無線電監(jiān)測起著重要的作用。

3.2.1監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的建立

（1）數(shù)據(jù)采集與處理

構建一個合理高效的監(jiān)測數(shù)據(jù)庫是一個長期的過程。首先要進行的是對信號數(shù)據(jù)的采集和處理。數(shù)據(jù)的采集必須要保證數(shù)據(jù)的一致性和有效性。在采集數(shù)據(jù)前，需要對監(jiān)測接收機的掃描頻段、步進、掃描次數(shù)等進行設置，并記錄每一次掃描信號的電平數(shù)據(jù)值。在執(zhí)行聯(lián)合監(jiān)測任務中，需要監(jiān)測站對同一頻段、同一區(qū)域、同一時間段的信號數(shù)據(jù)進行收集，并記錄時間、地點等信息。

信號數(shù)據(jù)采集之后，需要對信號的數(shù)據(jù)進行預處理，剔除一些無效的數(shù)據(jù)，同時在保證信息數(shù)據(jù)的足夠對信號特征進行提取的前提下，盡量減少數(shù)據(jù)冗余。數(shù)據(jù)的預處理可以提高檢測系統(tǒng)的容錯性。數(shù)據(jù)預處理很重要的一個方面是消除不同監(jiān)測設備采集數(shù)據(jù)后在格式上的不一致，通過轉換成統(tǒng)一的標準和規(guī)范，從而提高數(shù)據(jù)庫的兼容性，降低各個不同監(jiān)測子系統(tǒng)之間共享監(jiān)測數(shù)據(jù)的成本。

3.2.2監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的組成

監(jiān)測數(shù)據(jù)庫包含信號特征數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)庫兩大部分，如圖5所示。

圖5 監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的組成

信號特征數(shù)據(jù)庫用于對信號特征的描述，便于與監(jiān)測信號對比，識別合法信號和發(fā)現(xiàn)不明信號。認知無線電環(huán)境下，信號特征庫包含授權信號特征庫、認知信號特征庫和干擾信號特征庫。特征庫的建立需要動態(tài)的更新，以適應信號參數(shù)的變化。其中認知信號特征庫的構成尤為重要，由于認知信號的參數(shù)都是變化的，如果沒有一個快速的合理的認知信號特征更新機制，將不能及時對認知信號進行識別；同樣如果不能對在授權用戶空閑的時候使用頻譜的信號識別其合法性，也不能及時檢測出干擾。為了實現(xiàn)對認知信號的實時監(jiān)測，需要建立認知信號特征庫，以與收集到的信號進行對比，實時識別認知信號是否正常。對于新出現(xiàn)的樣本，需要查詢認知無線電系統(tǒng)的記錄中心，以便確認該信號是否屬于認知無線電信號，并通過參數(shù)測量評估其發(fā)射參數(shù)是否給授權信號帶來干擾。在數(shù)據(jù)庫更新方面，需要及時把新的特征加入認知信號特征庫[4]。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)庫主要是管理頻段的使用情況，如占用度的統(tǒng)計、電磁環(huán)境的分析等。

3.2.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

無線電監(jiān)測的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析中很重要的一部分就是對頻譜的使用情況進行統(tǒng)計分析，相應的兩個概念就是頻道占用度和頻段占用度。它們反映了特定頻率和頻段在一定時間內的信號占用的時間。通過對它們進行測量，可以掌握某個頻率或者頻段的具體使用情況，從而找出空白頻道，或者避免某個頻率的擁塞。在認知無線電系統(tǒng)下，占用度的統(tǒng)計可以為認知用戶的接入提供重要的頻譜信息，結合頻道占用度，認知用戶可以了解頻道的使用情況，提高空閑頻譜檢測的準確率。

無論采用何種方式，現(xiàn)有的無線電監(jiān)測系統(tǒng)對占用度測量的出發(fā)點都基于授權信號所占用的時間。認知無線電使得這一參數(shù)的測量需要調整。新型監(jiān)測系統(tǒng)中，占用度的測量細化為兩大類：一是對授權信號信道占用度的測量，通過對授權信號在日常使用中的占用度測量，可以明確授權信號出現(xiàn)的頻率、密集程度、出現(xiàn)的時間和區(qū)域分布，為認知系統(tǒng)的頻譜檢測提供有效的參考；二是對認知信號信道占用度的統(tǒng)計，以掌握認知信號對頻譜的使用情況，為檢測不明信號提供參考。更進一步地，可以對不同業(yè)務類型的認知信號的頻道占用度進行統(tǒng)計分析，明確各種業(yè)務對授權頻譜的使用頻繁程度，找出不同類型認知系統(tǒng)對頻譜的使用效率，同時為認知信號的調整和管理提供依據(jù)。

除了對頻譜使用情況進行分析之外，對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析還包括：電磁環(huán)境分析，合法站臺核準分析，非法信號統(tǒng)計分析等。

3.3 聯(lián)網控制

現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)中的監(jiān)測設備對監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理大多是本地的，也就是只針對所能監(jiān)測的范圍內的信號進行監(jiān)測。對于更大范圍的監(jiān)測系統(tǒng)來講，數(shù)據(jù)的交換和更新的實時性較差，也不能通過控制進行協(xié)同監(jiān)測。

對于同一個信號，由于距離、多徑和衰落的情況不一致，因此不同的監(jiān)測站點監(jiān)測到的信號強弱也會有差異?，F(xiàn)有無線電監(jiān)測系統(tǒng)無法做到實時的聯(lián)合監(jiān)測與分析，而新型的無線電監(jiān)測系統(tǒng)則采用聯(lián)網控制，可以通過融合相鄰監(jiān)測站的監(jiān)測信號，完成聯(lián)網信號的采集。監(jiān)測站通過與具有強大數(shù)據(jù)處理能力的監(jiān)測處理中心相連，完成對信號的聯(lián)合監(jiān)測，采用一定的模型對不同監(jiān)測站接收到的數(shù)據(jù)進行綜合分析，得出與原始信號最接近的分析結果。

此外，通過聯(lián)網控制，可以對干擾實施聯(lián)網排查?，F(xiàn)有的監(jiān)測系統(tǒng)在對干擾進行精確排查時，往往需要人工攜帶移動便攜式監(jiān)測設備進行實地監(jiān)測，很多時候需要憑監(jiān)測人員對監(jiān)測信號的熟悉程度來判斷干擾源的具體所在。新型的無線電監(jiān)測系統(tǒng)，終端的監(jiān)測設備可以通過網絡連接，被監(jiān)測中心控制，并且終端監(jiān)測設備不需要具有強大的數(shù)據(jù)處理功能，只負責簡單的信號采集即可，不僅能降低終端設備的成本和人工成本，而且網絡的連接使得監(jiān)測數(shù)據(jù)可以實時傳輸至監(jiān)測的數(shù)據(jù)處理中心；不僅能快速得到反饋，而且基于數(shù)據(jù)庫的支撐，對干擾信號的判斷會更精準。不同的監(jiān)測數(shù)據(jù)中心也通過網絡的連接共享數(shù)據(jù)，也可以通過更高一層的監(jiān)測中心進行聯(lián)合調度，實現(xiàn)更大范圍的聯(lián)合監(jiān)測任務。

4 結語

在未來，隨著各種新的通信業(yè)務的出現(xiàn)，現(xiàn)有靜態(tài)頻譜分配方式已經很難找到適合頻段供其接入使用，頻譜資源的稀缺性和頻譜利用率低的矛盾將更加凸顯。這將大大加速認知無線電技術的成熟和應用。通過介紹新型無線電監(jiān)測系統(tǒng)模型，以及為了適應認知無線電環(huán)境，相比現(xiàn)有無線電監(jiān)測系統(tǒng)所做的改進，新的無線電監(jiān)測系統(tǒng)能夠較好地解決認知無線電環(huán)境下的監(jiān)測問題。

[1]張杰. 無線電監(jiān)測系統(tǒng)關鍵技術研究[D]. 成都：電子科技大學，2017.

[2]李紫宜. 無線電監(jiān)測系統(tǒng)的應用分析[J]. 技術與市場，2017，24（1）：82.

[3]麥爾旦·麥麥提. 無線電監(jiān)測系統(tǒng)的設計與研究[J].西部廣播電視，2016（3）：162-163.

[4]晏琪. 無線電監(jiān)測管理系統(tǒng)的應用研究[D]. 保定：河北大學，2014.

Research on New Radio Monitoring System in Cognitive Radio Environment

Tang Qianjing

Qinghai Radio Management Office Xining Management Office, Qinghai Xining 810000

Under the condition of increasingly tight spectrum resources, cognitive radio technology can greatly improve the utilization of spectrum, which is one of the key technologies to be adopted in future communication systems. In the cognitive radio environment, existing radio monitoring systems are no longer adequate for monitoring requirements in new environments. Existing radio monitoring systems must be improved to form a new radio monitoring system for cognitive wireless environments.

system model; system difference; interference signal; monitoring database maintenance; networked control

TN925

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