基于大數(shù)據(jù)分析的頻譜資源管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蘭 圖

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所，四川 成都 610036)

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展和無(wú)線通信設(shè)備的廣泛應(yīng)用，頻譜資源變得越來(lái)越緊張[1]，面臨著電磁環(huán)境惡化[2]和資源分配不均[3]的問(wèn)題：一方面，有限的頻譜資源難以滿足各種通信設(shè)備的需求[4]；另一方面，大量的頻譜利用效率低下，只有15%～85%[5]。針對(duì)這一問(wèn)題，研究人員提出了認(rèn)知無(wú)線電的概念，使用信息挖掘技術(shù)管理頻譜資源[6]。然而，傳統(tǒng)的信息挖掘方法和數(shù)據(jù)處理能力并不能充分、及時(shí)地挖掘出有用信息[7]。因此，目前廣泛使用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)來(lái)處理海量的頻譜信息[9]。

大數(shù)據(jù)[10]是指大量數(shù)據(jù)或信息的生成、存儲(chǔ)和處理(Big Data，BD)。在過(guò)去幾年中，BD在商業(yè)和學(xué)術(shù)中受到了廣泛的關(guān)注。頻譜資源具有大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，即數(shù)據(jù)量大、類(lèi)型多、數(shù)據(jù)價(jià)值大[11-16]。數(shù)據(jù)量大即頻譜數(shù)據(jù)的規(guī)模從空域、頻域和時(shí)域3個(gè)不同維度在不斷增長(zhǎng)，如文獻(xiàn)[11]指出寧波地區(qū)的9座監(jiān)測(cè)站在10分鐘內(nèi)采集的頻譜信息就達(dá)到了GB量級(jí)；文獻(xiàn)[12]算出100 km×100 km的空間網(wǎng)格內(nèi)0～5 GHz的頻譜數(shù)據(jù)達(dá)到302 PB。類(lèi)型多即數(shù)據(jù)的來(lái)源[13](個(gè)人移動(dòng)終端、專(zhuān)用檢測(cè)設(shè)備和地理頻譜數(shù)據(jù)庫(kù)等)、產(chǎn)生時(shí)間(歷史、實(shí)時(shí)和預(yù)測(cè))和格式[14](結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化)變化多樣。數(shù)據(jù)價(jià)值大[15]即挖掘出頻譜信息有助于更合理的頻譜分配并提高利用率。

本文針對(duì)頻譜資源在空間、時(shí)間和頻域上存在的高度相關(guān)性，提出了一種基于大數(shù)據(jù)分析的頻譜資源管控系統(tǒng)，使用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)提高頻譜檢測(cè)的效率，優(yōu)化頻譜檢測(cè)的策略。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的頻譜資源管控系統(tǒng)由頻譜監(jiān)測(cè)與存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析處理和管控中心3個(gè)功能模塊組成。采用分布式的數(shù)據(jù)采集架構(gòu)采集頻譜信息和GPS信息，并使用4G模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。針對(duì)頻譜資源大量、多樣的特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)海量的頻譜資源。數(shù)據(jù)處理分析模塊則使用基于大數(shù)據(jù)的分析技術(shù)預(yù)測(cè)下一次時(shí)刻頻譜資源的使用情況，便于合理的檢測(cè)可用信道、提高頻譜檢測(cè)的效率，優(yōu)化頻譜檢測(cè)的策略。管控中心由用戶(hù)管理模塊、GPS定位模塊和頻譜查詢(xún)與顯示模塊構(gòu)成，用于管理不同等級(jí)用戶(hù)的頻譜使用權(quán)限。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

1.1 頻譜監(jiān)測(cè)與存儲(chǔ)模塊

射頻頻譜監(jiān)測(cè)的目的是測(cè)量和控制無(wú)線電發(fā)射參數(shù)，收集頻譜占用信息，以及識(shí)別和定位有害干擾源。頻譜監(jiān)測(cè)是整個(gè)頻譜資源管理系統(tǒng)的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)有效的動(dòng)態(tài)頻譜分配需要適當(dāng)?shù)念l譜管理方法，而這又需要有歷史和現(xiàn)在的頻譜占用信息。

頻譜監(jiān)控系統(tǒng)主要由連接軟件定義無(wú)線電(Software-Defined Radio,SDR)的寬帶天線構(gòu)成，使用計(jì)算機(jī)控制其參數(shù)和操作，功能架構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)只使用SDR的接收功能，通過(guò)測(cè)量接收功率和電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行干擾分析，并使用帶有Web界面的服務(wù)器存儲(chǔ)接收到的數(shù)據(jù)，以便于后續(xù)數(shù)據(jù)分析。

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)功能架構(gòu)

1.2 基于大數(shù)據(jù)分析的頻譜占用預(yù)測(cè)

頻譜資源可以描述為一組環(huán)境參數(shù)和變量，通過(guò)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地操縱這些參數(shù)和變量可以調(diào)整頻譜的占用情況。本文根據(jù)頻譜資源的大數(shù)據(jù)特點(diǎn)，使用大數(shù)據(jù)分析方法預(yù)測(cè)頻譜的占用情況，達(dá)到輔助頻譜管控的目的。

頻譜預(yù)測(cè)即根據(jù)頻譜數(shù)據(jù)與其歷史數(shù)據(jù)在時(shí)間維上的相關(guān)性，分析不同用戶(hù)占用某一信道的可能性。本文用“1”表示頻道被占用，用“0”表示頻道空閑，使用大數(shù)據(jù)分析方法訓(xùn)練一段短時(shí)間內(nèi)的頻譜信息，并使用學(xué)習(xí)到的模型預(yù)測(cè)下一時(shí)刻的信道狀態(tài)，其流程如圖3所示。

圖3 頻譜預(yù)測(cè)流程

基于大數(shù)據(jù)分析的頻譜預(yù)測(cè)可以提高頻譜檢測(cè)的效率，優(yōu)化頻譜檢測(cè)的策略。傳統(tǒng)基于順序查找的檢測(cè)策略要在如圖4所示的信道中找到可用的信道，需要依次檢測(cè)4個(gè)信道的使用情況。而基于大數(shù)據(jù)分析的方法，可以先預(yù)測(cè)得到下一時(shí)刻每個(gè)信道的占用情況，再檢測(cè)空閑信道，故更簡(jiǎn)單、快捷。

圖4 頻譜檢測(cè)示例

1.3 管控中心

管控中心由用戶(hù)管理模塊、終端控制管理模塊和頻譜查詢(xún)與顯示模塊構(gòu)成，用于管理不同等級(jí)用戶(hù)的頻譜使用權(quán)限。用戶(hù)管理模塊由用戶(hù)登錄和用戶(hù)權(quán)限管理構(gòu)成。用戶(hù)登錄用于管理用戶(hù)的注冊(cè)信息、用戶(hù)名和密碼等登錄信息；用戶(hù)權(quán)限管理則通過(guò)預(yù)設(shè)一個(gè)具有最大管理權(quán)限的超級(jí)管理員來(lái)限制普通用戶(hù)對(duì)資源的訪問(wèn)權(quán)限。終端控制管理模塊通過(guò)建立終端信息表來(lái)管理終端的基本信息。該模塊具有終端通信功能，能實(shí)時(shí)接收終端的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、設(shè)置終端參數(shù)和顯示終端狀態(tài)。頻譜顯示模塊用于實(shí)時(shí)顯示頻譜監(jiān)測(cè)終端采集的頻譜信息，而終端查詢(xún)模塊通過(guò)設(shè)定不同的查詢(xún)條件，如采集終端、采集時(shí)間和中心頻率等條件，查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)中的歷史頻譜信息。

2 仿真測(cè)試與結(jié)果分析

本部分使用Windows搭建仿真測(cè)試環(huán)境，并使用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，使用Java實(shí)現(xiàn)管控中心的用戶(hù)管理和頻譜顯示模塊。

如圖5分別給出了了監(jiān)測(cè)設(shè)備和基于大數(shù)據(jù)分析的預(yù)測(cè)結(jié)果?？梢钥闯?，即使在很短時(shí)間內(nèi)(只有115個(gè)時(shí)隙)，也能較好地預(yù)測(cè)信道的活動(dòng)情況，具有較高的預(yù)測(cè)精度。使用如圖5所示的頻譜預(yù)測(cè)結(jié)果，可以進(jìn)一步優(yōu)化頻譜監(jiān)測(cè)的策略，以提高頻譜監(jiān)測(cè)效率。本文使用該系統(tǒng)進(jìn)行仿真測(cè)試，頻譜監(jiān)測(cè)效率較傳統(tǒng)方法提高了40%。

圖5 檢測(cè)結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果的比較

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)頻譜資源匱乏、電磁環(huán)境惡化、分配不均及其在空間、時(shí)間和頻域上存在的高度相關(guān)性的問(wèn)題，提出了一種基于大數(shù)據(jù)分析的頻譜資源管控系統(tǒng)。采用分布式的數(shù)據(jù)采集架構(gòu)采集頻譜信息和GPS信息，以提高頻譜監(jiān)測(cè)的精度，使用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)預(yù)測(cè)下一次時(shí)刻頻譜資源的使用情況，并使用管控中心管理不同等級(jí)用戶(hù)的頻譜使用權(quán)限，來(lái)合理分配頻譜資源。

仿真測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能快速的檢測(cè)可用信道、提高頻譜監(jiān)測(cè)的效率，優(yōu)化頻譜監(jiān)測(cè)的策略。

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