一種動態(tài)頻譜接入系統(tǒng)的仿真設(shè)計

裴小東，王 琳，劉 為

(1.解放軍91655部隊，北京 100036；2.中國電子科技集團公司第七研究所，廣東 廣州 510310)

一種動態(tài)頻譜接入系統(tǒng)的仿真設(shè)計

裴小東1，王 琳2，劉 為2

(1.解放軍91655部隊，北京 100036；2.中國電子科技集團公司第七研究所，廣東 廣州 510310)

在無線通信領(lǐng)域，頻譜資源短缺和利用率低的問題長期存在，使得認知無線電中動態(tài)頻譜接入技術(shù)成為研究熱點。提出一種基于軟件無線電平臺的動態(tài)頻譜接入系統(tǒng)仿真設(shè)計，使得無線通信網(wǎng)絡(luò)能夠高效地進行頻譜感知，并實現(xiàn)動態(tài)頻譜接入完成數(shù)據(jù)通信。通過數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)收發(fā)的實例，驗證了采用動態(tài)頻譜接入的方法，該系統(tǒng)仿真設(shè)計能夠基于頻譜策略成功地選頻換頻，從而提高了無線頻譜資源的利用率。

無線通信；動態(tài)頻譜接入；認知無線電；軟件無線電；頻譜感知

0 引 言

認知無線電(Cognitive Radio，CR)被國內(nèi)外研究機構(gòu)公認是解決頻譜利用率低的最佳解決方案，它的出現(xiàn)給提高頻譜資源利用率帶來革命性的解決方案[1]。

認知無線電技術(shù)的基礎(chǔ)是動態(tài)頻譜接入技術(shù)，利用頻譜檢測對周圍無線頻譜環(huán)境進行感知，通過對感知數(shù)據(jù)進行分析和智能學(xué)習(xí)，決策得出可用頻譜資源狀況，采用動態(tài)頻譜接入空閑頻譜，從而提高無線頻譜利用率。

本文提出了一種基于軟件無線電平臺的動態(tài)頻譜接入系統(tǒng)仿真設(shè)計，使得無線通信網(wǎng)絡(luò)能夠高效地進行頻譜感知，并實現(xiàn)動態(tài)頻譜接入完成數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)。

1 認知無線電

軟件無線電，即軟件定義的無線電(Software Defined Radio，SDR)，是一種通過軟件來實現(xiàn)連接物理層的無線通信設(shè)計技術(shù)，其核心是在通用的硬件平臺上加載不同的通信軟件，即波形，以實現(xiàn)不同的通信波形間的轉(zhuǎn)換。SDR采用組件化的設(shè)計結(jié)構(gòu)，具有開放性強的特點，可以重新封裝組件或者重構(gòu)物理層，動態(tài)地加載新的軟件波形和協(xié)議，實現(xiàn)與不同體制、不同制式電臺的通信，軟件無線電可以實現(xiàn)與新舊體制的電臺完美兼容，延長生命周期，從而能夠降低系統(tǒng)成本，節(jié)省通信系統(tǒng)的開支[2]。

認知無線電技術(shù)是一種由軟件無線電技術(shù)發(fā)展而來的無線通信技術(shù)。認知無線電在軟件無線電的基礎(chǔ)上，采用了隨時變化的通訊協(xié)議技術(shù)，同時增加了人工智能的支持，能夠感知其所在的環(huán)境以及所處位置，并在此基礎(chǔ)上智能地改變其通信參數(shù)，實現(xiàn)動態(tài)頻譜接入，得到更高的頻譜利用率[3]。

動態(tài)頻譜接入技術(shù)是認知無線電的最主要的技術(shù)之一，通過感知周圍的頻譜使用情況，智能地動態(tài)調(diào)整接入的頻譜范圍，能夠?qū)⒃瓉淼托褂玫目臻e的頻譜資源利用起來，從而提高整體的頻譜資源利用率。

2 軟件無線電平臺

軟件無線電平臺包含一個母板和多塊射頻子板，母板主要完成中頻采樣，以及基帶信號和中頻信號的轉(zhuǎn)換，子板完成射頻信號的收發(fā)。一塊母板最多可以接四塊子板，兩塊發(fā)射，兩塊接收，完成基帶和中頻部分，波形部分由上層軟件完成。

通過建立流向圖并按照相應(yīng)的機制把多個信號處理模塊連接在一起，完成無線電系統(tǒng)的搭建。信號處理模塊采用C++編程實現(xiàn)，具有較高的執(zhí)行效率，如調(diào)制解調(diào)、數(shù)學(xué)運算等。流向圖的搭建和模塊之間的連接通過Python腳本語言實現(xiàn)[4]。

通過這套軟件無線電平臺，設(shè)計出仿真原型，實現(xiàn)無線電信號的接收與發(fā)射。本文提出一種頻譜感知和動態(tài)頻譜接入系統(tǒng)的仿真設(shè)計，實現(xiàn)認知無線電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的動態(tài)頻譜接入。

3 動態(tài)頻譜接入系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

動態(tài)頻譜接入是一個自適應(yīng)的過程，本文設(shè)計的動態(tài)頻譜接入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由頻管軟件、通信軟件、數(shù)傳軟件和硬件設(shè)備組成。系統(tǒng)包括一個主節(jié)點和多個從節(jié)點，頻管軟件部署在主節(jié)點電腦終端上，數(shù)傳軟件和通信軟件部署在所有節(jié)點電腦終端上。動態(tài)頻譜接入系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 動態(tài)頻譜接入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中：

(1)頻管軟件

包括策略管理系統(tǒng)和頻譜服務(wù)系統(tǒng)。主要功能包括：1)生成用頻策略，下發(fā)用頻策略；2)頻譜感知處理，頻譜使用效能分析等頻譜決策。

(2)通信軟件

包括MAC層模塊和物理層模塊，為頻管軟件和數(shù)傳軟件提供MAC層和物理層服務(wù)。MAC層模塊用于連接并控制硬件設(shè)備，為頻管軟件和數(shù)傳軟件提供MAC層服務(wù)。主要功能包括：1)組網(wǎng)：MAC協(xié)議封裝與解析，節(jié)點監(jiān)測與通信任務(wù)管理；2)統(tǒng)計上報：統(tǒng)計并上報頻率感知掃描數(shù)據(jù)，所有節(jié)點狀態(tài)、電平強度和丟包率等節(jié)點信息。物理層模塊是硬件設(shè)備的運行程序。主要功能包括：1)電平強度信號采集：采集所有節(jié)點電平信號強度；2)調(diào)制解調(diào)：在指定頻率上進行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)；3)頻率感知掃描：在指定頻段上進行頻率感知掃描。

(3)數(shù)傳軟件

主要功能：數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)收發(fā)。

(4)硬件設(shè)備

采用一塊軟件無線電母板搭載一塊射頻子板，擁有100 MHz14位ADCs和400 MHz16位DACs處理能力，千兆以太網(wǎng)傳輸速率100 MB/s，能處理的最大寬度25 MHz。主節(jié)點的硬件設(shè)備有兩個通道：通道0和通道1。通道0用于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸；通道1用于廣播和感知掃描。從節(jié)點的硬件設(shè)備有一個通道：通道0，用于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸。

主節(jié)點用來完成頻譜感知掃描和頻譜決策，從節(jié)點需要監(jiān)聽主節(jié)點的廣播頻率接收廣播信令，主從節(jié)點之間進行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)收發(fā)。主節(jié)點在掃頻范圍內(nèi)進行頻譜感知掃描，對感知掃描數(shù)據(jù)進行分析，檢測出空閑可用頻率。在當(dāng)前通信頻率受到干擾后，主節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點狀態(tài)信息進行換頻決策，廣播下發(fā)新的業(yè)務(wù)頻率，主從節(jié)點重置通信參數(shù)，切換到新的業(yè)務(wù)頻率上進行通信。

動態(tài)頻譜接入系統(tǒng)的用例圖如圖2所示。

圖2 動態(tài)頻譜接入系統(tǒng)用例圖

3.2 通信軟件

通信軟件為頻管軟件和數(shù)傳軟件提供MAC層和物理層服務(wù)，設(shè)計組件結(jié)構(gòu)流圖如圖3所示。

圖3 通信軟件組件結(jié)構(gòu)流圖

其中：

硬件設(shè)備有兩個通道：UHD0用于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸，采用GMSK調(diào)制解調(diào)算法；UHD1用于廣播和感知掃描，感知掃描采用FFT能量檢測算法，周期廣播采用FSK慢跳頻算法。UHD0/1:Source和0/1:Sink分別是信源和信宿組件模塊。

MAC Manage包含節(jié)點狀態(tài)控制與通信任務(wù)管理功能，通過Socket PDU與上層頻管軟件(Spectrum Manage)進行通信。將上層軟件指令數(shù)據(jù)按照接口協(xié)議進行解析，修改節(jié)點狀態(tài)參數(shù)、執(zhí)行任務(wù)管理，并將節(jié)點狀態(tài)和任務(wù)管理信息上報給上層軟件。

3.3 感知掃描的能量檢測FFT方法

FFT是一種離散傅立葉變換快速算法，可以將信號的頻譜提取出來，將信號從時域變換到頻域，再對其進行模平方運算。本系統(tǒng)采取步進頻段檢測的方式，每次掃描25MHz頻段，進行能量檢測，然后進入下一個步進頻段進行掃描，一個掃描周期結(jié)束后可以完成對大范圍的頻譜檢測。

設(shè)計的FFT運算結(jié)構(gòu)流圖如圖4所示。通過采樣，將基帶采樣信號轉(zhuǎn)化為向量，經(jīng)過重采樣窗口調(diào)整后進行FFT運算，所得結(jié)果進行復(fù)信號轉(zhuǎn)化，用均方表示，然后對FFT數(shù)據(jù)做進一步功率校準處理，除去冗余，最后將掃頻范圍內(nèi)的所有步進頻段拼接起來，生成一個message文件并顯示掃頻結(jié)果。

圖4 FFT運算結(jié)構(gòu)流圖

3.4 頻管軟件

頻管軟件包括策略管理系統(tǒng)和頻譜服務(wù)系統(tǒng)，以及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)組成，組件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 頻管軟件組件結(jié)構(gòu)圖

其中：

(1)策略管理系統(tǒng)

主要功能包括：1)頻譜感知處理與呈現(xiàn)，分析感知數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)頻譜感知態(tài)勢；2)頻管策略生成與下發(fā)，根據(jù)動態(tài)配置的頻譜資源和網(wǎng)絡(luò)用頻需求生成頻管策略并下發(fā)；3)頻譜使用效能呈現(xiàn)，分析當(dāng)前頻率的質(zhì)量和效能信息，對當(dāng)前無線通信狀況做出判斷與建議；4)頻率生成與頻譜決策，當(dāng)用頻效能低于決策門限要求時，生成換頻策略，執(zhí)行換頻操作。

(2)頻譜服務(wù)系統(tǒng)

主要功能包括：1)頻譜綜合信息服務(wù)；2)頻譜資源動態(tài)配置，根據(jù)感知信息分析多維電磁空間空穴，識別頻譜機會，并根據(jù)頻譜池的情況和任務(wù)需求動態(tài)地生成頻譜資源；3)電磁態(tài)勢數(shù)據(jù)服務(wù)和4)使用效能數(shù)據(jù)服務(wù)，根據(jù)感知信息、頻譜資源、網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點需求提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

3.5 系統(tǒng)實現(xiàn)

本文采用一個主節(jié)點和兩個以上從節(jié)點進行組網(wǎng)，搭建動態(tài)頻譜接入系統(tǒng)。動態(tài)頻譜接入的過程如圖6所示。

圖6 動態(tài)頻譜接入過程

頻管軟件根據(jù)上級頻管系統(tǒng)指定的資源、條件和任務(wù)等信息，以及通信用頻系統(tǒng)不同業(yè)務(wù)優(yōu)先級協(xié)同機制，制定頻譜策略，通過軟件無線電平臺加載設(shè)置用頻系統(tǒng)的頻譜參數(shù)，用頻系統(tǒng)將用頻狀態(tài)返回，與感知模塊采集的感知數(shù)據(jù)進行融合處理，計算出頻譜機會和用頻效果數(shù)據(jù)，如果通信系統(tǒng)需要換頻，則以動態(tài)方式進行頻譜接入，最后頻管軟件形成頻譜使用態(tài)勢以服務(wù)的形式提供給上級頻管系統(tǒng)。

具體實現(xiàn)步驟如下：

(1)策略管理系統(tǒng)生成并下發(fā)頻管策略。頻管策略包括頻率資源、應(yīng)用域以及頻率資源在不同應(yīng)用域(如時間、地點、組織等)的使用策略(允許/禁止、限制條件等)，以及不同應(yīng)用域之間的優(yōu)先級關(guān)系矩陣。

(2)硬件設(shè)備對規(guī)定頻段(例如50MHz-500MHz)進行頻譜感知掃描，頻譜服務(wù)系統(tǒng)根據(jù)感知信息動態(tài)地生成可用的頻譜資源，并對可用的頻譜資源進行排序。

(3)主節(jié)點和從節(jié)點之間通過數(shù)傳軟件發(fā)送并接收數(shù)據(jù)包，進行業(yè)務(wù)通信。

(4)通過干擾源施加干擾的方式使節(jié)點丟包率上升電平信號強度下降，超過門限值后判斷節(jié)點脫網(wǎng)，業(yè)務(wù)通信中斷。

(5)策略管理系統(tǒng)分析當(dāng)前頻率的質(zhì)量，當(dāng)電平信號值和丟包率超過門限值時，說明用頻效能低于決策要求，需要做出換頻決策，脫網(wǎng)節(jié)點數(shù)超過門限值或者脫網(wǎng)節(jié)點優(yōu)先級高，則換頻。并根據(jù)感知信息分析并選擇當(dāng)前可用的頻譜資源，生成換頻策略。

(6)在信令時序內(nèi)，主節(jié)點根據(jù)換頻策略周期廣播新的通信業(yè)務(wù)頻率，并重置通信參數(shù)準備業(yè)務(wù)傳輸，脫網(wǎng)的從節(jié)點監(jiān)聽周期廣播信令，執(zhí)行換頻操作。

(7)主節(jié)點和從節(jié)點在更換后的頻率下再次成功發(fā)送并接收數(shù)據(jù)包，完成動態(tài)頻譜接入。

順序圖如圖7所示，分別對主節(jié)點施加干擾(施加干擾A)、對從節(jié)點施加干擾(施加干擾B)，處理過程都是相同的。

圖7 動態(tài)頻譜接入順序圖

其中：

從節(jié)點用頻設(shè)備定時計算接收的信號強度指示(RSSI)電平值和丟包率是否超過門限值，超過則節(jié)點脫網(wǎng)。

主節(jié)點業(yè)務(wù)信道檢測到該網(wǎng)絡(luò)從節(jié)點的節(jié)點狀態(tài)發(fā)生變化，由在網(wǎng)變?yōu)槊摼W(wǎng)，上報發(fā)生變化后的節(jié)點狀態(tài)給頻管軟件。

頻管軟件進行受擾分析，做出換頻決策：1)脫網(wǎng)節(jié)點數(shù)是否超過門限值，超過則換頻；2)脫網(wǎng)節(jié)點優(yōu)先級較高，則換頻。

如果換頻，頻管軟件下發(fā)新的業(yè)務(wù)頻率給廣播信道，并設(shè)置業(yè)務(wù)信道按照新的業(yè)務(wù)頻率進行監(jiān)聽；廣播信道周期廣播新的業(yè)務(wù)頻率；從節(jié)點用頻設(shè)備搜素廣播信令，并設(shè)置業(yè)務(wù)信道按照新的業(yè)務(wù)頻率進行監(jiān)聽。全網(wǎng)完成換頻。

3.6 仿真結(jié)果

對動態(tài)頻譜接入系統(tǒng)進行仿真驗證，仿真場景包括三種情況：1)不換頻，依靠通信系統(tǒng)自身的抗干擾能力；2)靜態(tài)換頻，按照預(yù)定的頻率集進行切換；3)動態(tài)換頻，根據(jù)感知信息實時生成的可用頻譜資源進行動態(tài)接入。

通信過程中施加梳狀干擾，干擾頻率分布為等間隔梳齒狀分布。設(shè)定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量為100個，干擾源的發(fā)射功率為500 W，發(fā)射頻段為30 MHz～88 MHz，干擾頻率的信道間隔為25 kHz，干擾變化的時間設(shè)定為10秒，在發(fā)射頻段范圍內(nèi)按照間隔隨機生成干擾頻率，統(tǒng)計一小時內(nèi)頻譜接入的成功率和無線通信成功率的變化情況如圖8和9所示。在一小時統(tǒng)計周期內(nèi)，頻譜接入的成功率都達到90%以上，可見在通信質(zhì)量較差時采用動態(tài)頻譜接入的方式，可以將無線通信成功率保持在較好的狀態(tài)，明顯提高了無線通信質(zhì)量。

圖8 頻譜接入成功率的仿真結(jié)果

圖9 動態(tài)頻譜接入對通信成功率的影響

4 結(jié) 語

本文設(shè)計了一套基于軟件無線電平臺的動態(tài)頻譜接入仿真系統(tǒng)，包括通信軟件和頻管軟件的功能結(jié)構(gòu)。通過數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)收發(fā)的實例，驗證了采用動態(tài)頻譜接入的方法，該系統(tǒng)仿真設(shè)計選頻換頻成功，從而提高了無線頻譜資源的利用效率。

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Simulation Design of Dynamic Spectrum Access System

PEI Xiao-dong1，WANG Lin2，LIU Wei2

(1.Unit 91655 of PLA，Beijing 100036，China；2.China Electronics Technology Group Corporation No.7 Research Institute, Guangzhou 510310, China)

In terms of wireless communication, lacking of spectrum resource and unsatisfied spectrum efficiency are long standing issues, which in turn stimulates enormous researching on dynamic spectrum access technology for cognitive radio. A system-level simulation design is proposed based on software defined radio platform, in which case the wireless communication network is enabled for efficient spectrum sensing, dynamic spectrum accessing and data communication. The data transceiving simulation results shown the validity of the dynamic spectrum access method that based on spectrum usage strategy the system can successfully select and switch to the proper frequency band, which means the utilization ratio of spectrum resource is remained in relative high level.

wireless communication；dynamic spectrum access； cognitive radio；software defined radio；spectrum sensing

10.3969/j.issn.1673-5692.2017.04.016

2017-06-20

2017-08-01

裴小東(1977—)，男，河南人，工程師，主要研究方向為短波通信和寬帶無線通信；

E-mail：tangruibo@126.com

王 琳(1977—)，女，遼寧人，高級工程師，主要研究方向為認知無線電和計算機軟件；

劉 為(1977—)，男，遼寧人，高級工程師，主要研究方向為寬帶無線通信。

TP915

A

1673-5692(2017)04-414-06