認(rèn)知無線電對(duì)無線電監(jiān)察的影響研討

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本文作者：張濤 單位：青海省無線電監(jiān)測(cè)站

常用的單節(jié)點(diǎn)頻譜感知技術(shù)有匹配濾波、能量檢測(cè)和周期性檢測(cè)3種[4]。(DSA)DSA是基于頻譜檢測(cè)的結(jié)果，在授權(quán)用戶中進(jìn)行可用頻段的分配，以達(dá)到系統(tǒng)的最優(yōu)化。由于CR網(wǎng)絡(luò)中的用戶對(duì)帶寬、信道和所處的位置都是隨機(jī)的，傳統(tǒng)的分配算法不能完全適應(yīng)，所以要有一種新的動(dòng)態(tài)頻譜分配算法。目前基于CR的DSA主要是基于頻譜共享池(Spectrumpooling)這一策略，也就是將分配給不同業(yè)務(wù)的頻譜合并成一個(gè)公共的頻譜池，并將其劃分為若干個(gè)子信道，而子信道是頻譜分配的最小單元[5]。頻譜共享池的DSA實(shí)質(zhì)是一個(gè)信道受限的最優(yōu)化問題。在保證相對(duì)公平和最小化干擾的情況下，最大化信道的利用率。CR系統(tǒng)中每個(gè)CR用戶的發(fā)射功率是對(duì)其他用戶造成干擾的主要原因[6]，所以要對(duì)CR系統(tǒng)內(nèi)的用戶進(jìn)行功率控制。功率控制的目標(biāo)是在不對(duì)授權(quán)用戶造成有害干擾的前提下，增加認(rèn)知用戶的發(fā)射功率或者是接入更多的認(rèn)知用戶，提高信道利用率和CR網(wǎng)絡(luò)的通信容量。

認(rèn)知無線電帶給無線電監(jiān)測(cè)的挑戰(zhàn)

認(rèn)知無線電環(huán)境下，無線電站臺(tái)的技術(shù)參數(shù)如發(fā)射功率、調(diào)制方式、編碼方式和傳輸速率等都將隨著環(huán)境的變化而不斷變化，從而提高了無線電監(jiān)測(cè)對(duì)信號(hào)的跟蹤要求，如靈敏度、動(dòng)態(tài)性[7]等；主用戶、次用戶以及非法用戶等多重使用者身份的出現(xiàn)也使得頻譜的合法性使用分析變得更加復(fù)雜。

靜態(tài)的頻譜分配機(jī)制，也就是將某一段固定的頻譜指定給某個(gè)通信業(yè)務(wù)類型的用戶，得到這種授權(quán)的用戶才能使用該頻段，不同類型的授權(quán)用戶之間不能共享。認(rèn)知無線電技術(shù)通過找出不同頻率、不同時(shí)間、不同地理位置的頻譜“空洞”，并實(shí)現(xiàn)頻譜的動(dòng)態(tài)共享，兩種共享方式見圖1。認(rèn)知無線電技術(shù)采用動(dòng)態(tài)頻譜共享的方式顯然能夠大大提高頻譜的利用率，但是，對(duì)于無線電管理和無線電監(jiān)測(cè)，它也帶來了挑戰(zhàn)。首先，需要對(duì)頻譜進(jìn)行重新分配和規(guī)劃，對(duì)于已經(jīng)分配的頻率，需要重新評(píng)估其合理性，對(duì)于不適應(yīng)現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展的頻段要重新整合和分配；其次，不同用戶共享頻譜，使得同一頻段內(nèi)用戶類型增多，加之各種接入的認(rèn)知設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)不一，極有可能加大電磁環(huán)境的干擾；最后，對(duì)于某一頻段上的頻段數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析也要做相應(yīng)的改變，必須找到更有效的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析方式，來描述特定頻譜整體的使用狀況。

無線電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的監(jiān)測(cè)包括合法用戶信號(hào)的識(shí)別和干擾、非法用戶信號(hào)的監(jiān)測(cè)識(shí)別。對(duì)于現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，被監(jiān)測(cè)頻段的唯一使用者即授權(quán)用戶，其信號(hào)為唯一合法的信號(hào)。通常該頻段授權(quán)信號(hào)的發(fā)射功率、能量、出現(xiàn)的時(shí)間以及背景噪音等都有詳細(xì)的記錄，并寫入了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)授權(quán)信號(hào)的識(shí)別甚至可以簡(jiǎn)單地通過判別監(jiān)測(cè)頻段是否存在信號(hào)即可。使用認(rèn)知無線電技術(shù)，某一頻段上的合法信號(hào)不止是授權(quán)用戶的信號(hào)，正常接入的認(rèn)知用戶信號(hào)也是合法信號(hào)，認(rèn)知信號(hào)的參數(shù)和出現(xiàn)的時(shí)間都是可變的，對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)不能簡(jiǎn)單地通過判定頻段上信號(hào)的有無來確定該信號(hào)是否為授權(quán)用戶信號(hào)。在認(rèn)知無線電環(huán)境下，干擾信號(hào)的來源更加多樣化，由于大量認(rèn)知用戶的接入，即使所有認(rèn)知用戶都是按照自身不對(duì)授權(quán)用戶造成干擾的情況進(jìn)行通信，但是從系統(tǒng)的整體來看，還是有可能對(duì)授權(quán)用戶造成干擾。無線電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須采用新的機(jī)制對(duì)特定頻段的干擾水平進(jìn)行劃分和測(cè)定。認(rèn)知信號(hào)在認(rèn)知用戶漏檢以及認(rèn)知用戶異常的情況下有可能造成干擾，對(duì)于認(rèn)知用戶造成的干擾必須通過無線電監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)和糾正。此外，現(xiàn)有系統(tǒng)不能對(duì)非法信號(hào)和認(rèn)知信號(hào)進(jìn)行有效的區(qū)分，會(huì)把授權(quán)信號(hào)以外的其他信號(hào)作為非法信號(hào)處理，所以，必須采用新的監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)違法的信號(hào)和認(rèn)知信號(hào)進(jìn)行區(qū)分。

基于認(rèn)知無線電的新型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

現(xiàn)有的無線電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)不能勝任新環(huán)境下的監(jiān)測(cè)要求，必須對(duì)現(xiàn)有的無線電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，形成一個(gè)針對(duì)認(rèn)知無線電環(huán)境下的新型無線電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以便應(yīng)對(duì)上文所述的種種挑戰(zhàn)。新的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要從兩個(gè)方面對(duì)現(xiàn)有無線電系監(jiān)測(cè)統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改進(jìn)：一是完善現(xiàn)有無線電監(jiān)測(cè)的不足之處；二是采用認(rèn)知無線電技術(shù)之后，針對(duì)原有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不能適應(yīng)的地方或做改進(jìn)，或采用新的方法，使其能夠合理地解決新環(huán)境下無線電監(jiān)測(cè)的問題。新型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模型如圖2所示，該系統(tǒng)是一個(gè)聯(lián)網(wǎng)聯(lián)合監(jiān)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎到y(tǒng)，它由多個(gè)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)構(gòu)成，每個(gè)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)由天線系統(tǒng)、接收機(jī)系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和測(cè)向定位系統(tǒng)組成。

在認(rèn)知用戶與授權(quán)用戶共存的網(wǎng)絡(luò)中，授權(quán)用戶受到潛在的干擾情況可能為：淤認(rèn)知用戶漏檢，錯(cuò)判當(dāng)前頻段可用，接入當(dāng)前頻段會(huì)與授權(quán)信號(hào)發(fā)生“碰撞”，從而干擾授權(quán)用戶的通信；于認(rèn)知用戶異常，如，認(rèn)知設(shè)備受到攻擊或者設(shè)備故障變成異常認(rèn)知設(shè)備，不遵守認(rèn)知無線電接入的規(guī)則，自身不進(jìn)行功率控制，很可能對(duì)授權(quán)用戶造成干擾；盂非法信號(hào)占用頻段。新型的無線電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該能夠檢測(cè)出以上幾種情況。新型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)首先對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行干擾評(píng)估，由此建立授權(quán)用戶可承受認(rèn)知用戶的干擾圖，通過對(duì)在監(jiān)測(cè)過程中出現(xiàn)的認(rèn)知信號(hào)和干擾評(píng)估結(jié)果的對(duì)比，可以粗略地判別出認(rèn)知信號(hào)是否已經(jīng)造成了干擾。在干擾識(shí)別過程中，通過頻譜分析、信號(hào)分類、信號(hào)估計(jì)提取等步驟，逐步將信號(hào)歸類，最終識(shí)別信號(hào)歸屬。具體的識(shí)別過程見圖3。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)和管理的好壞直接影響到整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。所以合理的設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)無線電監(jiān)測(cè)起著重要的作用。新型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)的重點(diǎn)之一在于建立各種信號(hào)的樣本數(shù)據(jù)庫(kù)和統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖4所示。信號(hào)特征數(shù)據(jù)庫(kù)用于對(duì)信號(hào)特征的描述，便于與監(jiān)測(cè)信號(hào)對(duì)比，識(shí)別合法信號(hào)和發(fā)現(xiàn)不明信號(hào)。而數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)庫(kù)主要是管理頻段的使用情況，如占用度的統(tǒng)計(jì)、電磁環(huán)境的分析等，對(duì)于認(rèn)知無線電下的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，需要更進(jìn)一步細(xì)化步驟。

新型的無線電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)則采用聯(lián)網(wǎng)控制，通過融合相鄰監(jiān)測(cè)站的監(jiān)測(cè)信號(hào)，完成聯(lián)網(wǎng)信號(hào)的采集。各個(gè)監(jiān)測(cè)站通過與具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力的監(jiān)測(cè)處理中心相連，完成對(duì)信號(hào)的聯(lián)合監(jiān)測(cè)，采用一定的模型對(duì)不同監(jiān)測(cè)站接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，得出與原始信號(hào)最接近的分析結(jié)果。此外，通過聯(lián)網(wǎng)控制，可以對(duì)干擾實(shí)施聯(lián)網(wǎng)排查。監(jiān)測(cè)中心可以通過網(wǎng)絡(luò)連接控制的監(jiān)測(cè)設(shè)備終端，并且終端監(jiān)測(cè)設(shè)備不需要具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，只負(fù)責(zé)簡(jiǎn)單的信號(hào)采集，降低了終端設(shè)備和人工成本。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)傳輸至監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)處理中心，并快速得到反饋，對(duì)干擾信號(hào)的判斷更為精準(zhǔn)。不同的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享，還可以通過更高一層的監(jiān)測(cè)中心進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度，實(shí)現(xiàn)更大范圍的聯(lián)合監(jiān)測(cè)任務(wù)。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)向仿真結(jié)果

測(cè)向算法是查找信號(hào)源的關(guān)鍵，為后續(xù)處理提供支撐。本節(jié)對(duì)目前兩種基于空間譜的高性能測(cè)向算法（MUSIC算法[8]和ESPRIT算法[9]）進(jìn)行了仿真。仿真參數(shù)為：信號(hào)1、信號(hào)2和信號(hào)3為信號(hào)序列長(zhǎng)度為500的隨機(jī)信號(hào)，入射角分別為10毅、30毅和60毅，迭代次數(shù)為360次，輸入信噪比為10dB。MUSIC算法和ESPRIT算法仿真結(jié)果分別如圖5和表1所示。一般來說，信噪比越高，快拍數(shù)越多，精度也就越高。對(duì)于MUSIC算法，其中信號(hào)1的測(cè)向結(jié)果為10.23毅，信號(hào)2的測(cè)向結(jié)果為30.17毅，信號(hào)3的測(cè)向結(jié)果為60.23毅。相比之下，ESPRIT算法精度更高。兩種算法也各有其局限性：如果到達(dá)的信號(hào)中有相干信號(hào)，那么理論上其空間相關(guān)矩陣的秩就會(huì)比實(shí)際到達(dá)的信號(hào)數(shù)小，這樣，觀察到的譜峰數(shù)與到達(dá)的信號(hào)數(shù)不相等。因此，對(duì)于相干信號(hào)，MUSIC方法就不再適合。而ESPRIT算法是直接以輸入信號(hào)的參數(shù)進(jìn)行估值，在實(shí)際情況中會(huì)受到噪聲的影響，結(jié)果可能會(huì)受到影響。應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況予以選擇。

結(jié)語

本文完成了對(duì)認(rèn)知無線電環(huán)境下新型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模型的雛形的設(shè)計(jì)。新型系統(tǒng)能夠在信號(hào)識(shí)別、干擾檢測(cè)、數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)、聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)等各方面適應(yīng)認(rèn)知無線電環(huán)境，解決了現(xiàn)有無線電技術(shù)不能適應(yīng)認(rèn)知無線電環(huán)境的難題。盡管只是系統(tǒng)的初步雛形，但對(duì)于未來監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有較好的參考價(jià)值。