認(rèn)知無線電對無線電監(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、能量檢測和周期性檢測3種[4]。(DSA)DSA是基于頻譜檢測的結(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)射功率是對其他用戶造成干擾的主要原因[6]，所以要對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)測的挑戰(zhàn)
認(rèn)知無線電環(huán)境下，無線電站臺的技術(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)測對信號的跟蹤要求，如靈敏度、動態(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，對于無線電管理和無線電監(jiān)測，它也帶來了挑戰(zhàn)。首先，需要對頻譜進(jìn)行重新分配和規(guī)劃，對于已經(jīng)分配的頻率，需要重新評估其合理性，對于不適應(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)測系統(tǒng)對信號的監(jiān)測包括合法用戶信號的識別和干擾、非法用戶信號的監(jiān)測識別。對于現(xiàn)有的監(jiān)測系統(tǒng)，被監(jiān)測頻段的唯一使用者即授權(quán)用戶，其信號為唯一合法的信號。通常該頻段授權(quán)信號的發(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)測數(shù)據(jù)庫，對授權(quán)信號的識別甚至可以簡單地通過判別監(jiān)測頻段是否存在信號即可。使用認(rèn)知無線電技術(shù)，某一頻段上的合法信號不止是授權(quán)用戶的信號，正常接入的認(rèn)知用戶信號也是合法信號，認(rèn)知信號的參數(shù)和出現(xiàn)的時(shí)間都是可變的，對監(jiān)測信號不能簡單地通過判定頻段上信號的有無來確定該信號是否為授權(quán)用戶信號。在認(rèn)知無線電環(huán)境下，干擾信號的來源更加多樣化，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，還是有可能對授權(quán)用戶造成干擾。無線電監(jiān)測系統(tǒng)必須采用新的機(jī)制對特定頻段的干擾水平進(jìn)行劃分和測定。認(rèn)知信號在認(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，對于認(rèn)知用戶造成的干擾必須通過無線電監(jiān)測發(fā)現(xiàn)和糾正。此外，現(xiàn)有系統(tǒng)不能對非法信號和認(rèn)知信號進(jìn)行有效的區(qū)分，會把授權(quán)信號以外的其他信號作為非法信號處理，所以，必須采用新的監(jiān)測技術(shù)對違法的信號和認(rèn)知信號進(jìn)行區(qū)分。
基于認(rèn)知無線電的新型監(jiān)測系統(tǒng)
現(xiàn)有的無線電監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)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(jìn)行改進(jìn)，形成一個(gè)針對認(rèn)知無線電環(huán)境下的新型無線電監(jiān)測系統(tǒng)以便應(yīng)對上文所述的種種挑戰(zhàn)。新的監(jiān)測系統(tǒng)需要從兩個(gè)方面對現(xiàn)有無線電系監(jiān)測統(tǒng)進(jìn)行升級改進(jìn)：一是完善現(xiàn)有無線電監(jiān)測的不足之處；二是采用認(rèn)知無線電技術(shù)之后，針對原有監(jiān)測系統(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)測的問題。新型監(jiān)測系統(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)測的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎到y(tǒng)，它由多個(gè)監(jiān)測子系統(tǒng)構(gòu)成，每個(gè)監(jiān)測子系統(tǒng)由天線系統(tǒng)、接收機(jī)系統(tǒng)、監(jiān)測數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和測向定位系統(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)前頻段會與授權(quán)信號發(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，很可能對授權(quán)用戶造成干擾；盂非法信號占用頻段。新型的無線電監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)該能夠檢測出以上幾種情況。新型監(jiān)測系統(tǒng)首先對監(jiān)測信號進(jìn)行干擾評估，由此建立授權(quán)用戶可承受認(rèn)知用戶的干擾圖，通過對在監(jiān)測過程中出現(xiàn)的認(rèn)知信號和干擾評估結(jié)果的對比，可以粗略地判別出認(rèn)知信號是否已經(jīng)造成了干擾。在干擾識別過程中，通過頻譜分析、信號分類、信號估計(jì)提取等步驟，逐步將信號歸類，最終識別信號歸屬。具體的識別過程見圖3。
監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的建設(shè)和管理的好壞直接影響到整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。所以合理的設(shè)計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，對無線電監(jiān)測起著重要的作用。新型監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫維護(hù)的重點(diǎn)之一在于建立各種信號的樣本數(shù)據(jù)庫和統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)庫，如圖4所示。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。而數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(jì)、電磁環(huán)境的分析等，對于認(rèn)知無線電下的信號數(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)測系統(tǒng)則采用聯(lián)網(wǎng)控制，通過融合相鄰監(jiān)測站的監(jiān)測信號，完成聯(lián)網(wǎng)信號的采集。各個(gè)監(jiān)測站通過與具有強(qiáng)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(jìn)行綜合分析，得出與原始信號最接近的分析結(jié)果。此外，通過聯(lián)網(wǎng)控制，可以對干擾實(shí)施聯(lián)網(wǎng)排查。監(jiān)測中心可以通過網(wǎng)絡(luò)連接控制的監(jiān)測設(shè)備終端，并且終端監(jiān)測設(shè)備不需要具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，只負(fù)責(zé)簡單的信號采集，降低了終端設(shè)備和人工成本。監(jiān)測數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)傳輸至監(jiān)測的數(shù)據(jù)處理中心，并快速得到反饋，對干擾信號的判斷更為精準(zhǔn)。不同的監(jiān)測數(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)測任務(wù)。
監(jiān)測系統(tǒng)測向仿真結(jié)果
測向算法是查找信號源的關(guān)鍵，為后續(xù)處理提供支撐。本節(jié)對目前兩種基于空間譜的高性能測向算法（MUSIC算法[8]和ESPRIT算法[9]）進(jìn)行了仿真。仿真參數(shù)為：信號1、信號2和信號3為信號序列長度為500的隨機(jī)信號，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。對于MUSIC算法，其中信號1的測向結(jié)果為10.23毅，信號2的測向結(jié)果為30.17毅，信號3的測向結(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)的信號中有相干信號，那么理論上其空間相關(guān)矩陣的秩就會比實(shí)際到達(dá)的信號數(shù)小，這樣，觀察到的譜峰數(shù)與到達(dá)的信號數(shù)不相等。因此，對于相干信號，MUSIC方法就不再適合。而ESPRIT算法是直接以輸入信號的參數(shù)進(jìn)行估值，在實(shí)際情況中會受到噪聲的影響，結(jié)果可能會受到影響。應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況予以選擇。
結(jié)語
本文完成了對認(rèn)知無線電環(huán)境下新型監(jiān)測系統(tǒng)模型的雛形的設(shè)計(jì)。新型系統(tǒng)能夠在信號識別、干擾檢測、數(shù)據(jù)庫維護(hù)、聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測等各方面適應(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，但對于未來監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有較好的參考價(jià)值。
