基于大數(shù)據(jù)的無線通信頻譜資源分批協(xié)作分配系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊世康 王長(zhǎng)清 白維維

摘? 要： 為解決傳統(tǒng)無線通信頻譜資源分配系統(tǒng)存在認(rèn)知能力、重構(gòu)能力、決策能力較差的問題，設(shè)計(jì)一種基于大數(shù)據(jù)的無線通信頻譜資源分批協(xié)作分配系統(tǒng)。對(duì)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，依據(jù)系統(tǒng)硬件的整體架構(gòu)，設(shè)計(jì)了局部傳感器、頻譜資源信號(hào)調(diào)理單元、數(shù)據(jù)采集單元、系統(tǒng)主機(jī)等主要組成部分，采用高頻電流傳感器實(shí)現(xiàn)頻譜資源的轉(zhuǎn)換，利用信號(hào)調(diào)理單元對(duì)傳感器采集到的頻譜資源信號(hào)進(jìn)行放大、消噪等處理。在改進(jìn)硬件的基礎(chǔ)上，結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)系統(tǒng)軟件功能進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)了采集模塊、無線通信頻譜資源分析模塊、分配模塊和數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)頻譜資源數(shù)據(jù)的分批協(xié)作分配。采用與傳統(tǒng)方法對(duì)比的形式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，改進(jìn)系統(tǒng)的認(rèn)知能力、重構(gòu)能力、決策能力得到了較大的提升，該系統(tǒng)在無線電技術(shù)領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景和價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 無線通信; 頻譜資源分配; 分批協(xié)作; 大數(shù)據(jù)技術(shù); 信號(hào)放大; 消噪處理

中圖分類號(hào)： TN92?34; TP313? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）17?0020?05

Abstract： In order to solve the problems of poor cognitive ability， reconstruction ability and decision?making ability in the traditional wireless communication spectrum resource allocation system， a new spectrum resource batch cooperative allocation system based on big data is designed. In this scheme， the system′s hardware structure is improved first， and then on the basis of the overall architecture of the system hardware， the local sensor， spectrum signal conditioning unit， data acquisition unit， system host and other major components are designed. The conversion of spectrum resources is realized by high?frequency current sensor. The spectrum resource signals collected by sensors are amplified and denoised by means of the signal conditioning unit. On the basis of hardware improvement， the functions of the system software is optimized in combination with big data technology， and the acquisition module， wireless communication spectrum resource analysis module， allocation module and database storage module are designed to realize the cooperative allocation of spectrum resource data in batches. A contrast experiment was carried out in comparison with the traditional method. The results show that the cognitive ability， reconstruction ability and decision?making ability of the improved system have been greatly improved， and the system has a very broad application prospect and value in the field of radio technology.

Keywords： wireless communication; spectrum resource allocation; batch collaboration; big data technology; signal amplification; noise processing

0? 引? 言

目前使用的認(rèn)知無線電技術(shù)都是利用無線頻譜資源實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境的分析[1]。在研究無線頻譜資源之前首先要了解認(rèn)知無線電，認(rèn)知無線電又被稱為智能無線電，能夠利用無線終端分析當(dāng)前所處環(huán)境狀況，不斷改善自身內(nèi)部傳輸參數(shù)，確保通過最佳的參數(shù)完成傳輸[2]。

無線通信頻譜資源分批協(xié)作分配系統(tǒng)是認(rèn)知無線電的重要組成系統(tǒng)之一，通過對(duì)外界環(huán)境的感知，改變傳輸功率、載波頻率、調(diào)制技術(shù)等參數(shù)，從而對(duì)無線通信頻譜資源進(jìn)行分配，提高資源的利用效率[3]。鑒于無線通信頻譜資源分批協(xié)作分配系統(tǒng)的重要性，學(xué)者們投入了多次研究，進(jìn)行了多次設(shè)計(jì)，但是目前的無線通信頻譜資源分批協(xié)作分配系統(tǒng)存在如下3個(gè)問題：

1） 認(rèn)知能力有限，認(rèn)知能力指的是系統(tǒng)在所處環(huán)境中感知信息的能力，然而目前設(shè)計(jì)的分配系統(tǒng)很難標(biāo)記出未使用的頻譜資源，即使標(biāo)記出來，也難以找出適當(dāng)?shù)念l譜參數(shù)和工作參數(shù)。

2） 重構(gòu)能力有限，系統(tǒng)的重構(gòu)能力指的是內(nèi)部硬件設(shè)備和軟件程序根據(jù)得到的無線環(huán)境參數(shù)進(jìn)行重新編程，使系統(tǒng)能夠以更加合理的方式分配，雖然目前研發(fā)的系統(tǒng)基本具備重構(gòu)能力，但是很有可能產(chǎn)生有害干擾。

3） 決策能力有限，分配系統(tǒng)應(yīng)該具有決策能力，確保合理分配，然而目前使用的系統(tǒng)所用的決策方法都是非合作式?jīng)Q策方法，降低了頻譜的利用率[4]。

大數(shù)據(jù)技術(shù)具有容量大、獲取數(shù)據(jù)速度快、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)種類多樣等特點(diǎn)[5]。本文基于大數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)了一種新的無線通信頻譜資源分批協(xié)作分配系統(tǒng)，針對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有很強(qiáng)的分配能力。

1? 無線通信頻譜資源分批協(xié)作分配系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

無線通信頻譜資源分批協(xié)作分配系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括傳感器、機(jī)箱和主機(jī)，局部傳感器中共有3個(gè)類型的傳感器，分別是：HFCT傳感器、AE傳感器和UHF傳感器[6]。

基于大數(shù)據(jù)的無線通信頻譜資源分批協(xié)作分配系統(tǒng)硬件構(gòu)架如圖1所示。

觀察圖1可知，本文設(shè)計(jì)的基于大數(shù)據(jù)的無線通信頻譜資源分批協(xié)作分配系統(tǒng)硬件設(shè)置了2個(gè)通道，輸入4路檢測(cè)信號(hào)，輸入的信號(hào)在各個(gè)傳感器之中可以反復(fù)切換，使系統(tǒng)工作更加靈活。由傳感器采集無線頻譜資源，再通過系統(tǒng)及調(diào)理單元調(diào)控局放信號(hào)，最后由采集單元選取樣品進(jìn)行采集[7]。數(shù)據(jù)采集單元最多只能接收來自兩個(gè)通道的無線通信頻譜資源，超過2個(gè)通道后，將無法接收，被接收的無線通信頻譜資源會(huì)被送到系統(tǒng)主機(jī)中，由主機(jī)進(jìn)行綜合分析[8]。

無線通信頻譜資源分批協(xié)作分配系統(tǒng)實(shí)物圖如圖2所示。

1.1? 局部傳感器

針對(duì)局部傳感器中的高頻電流傳感器、特高頻傳感器和超聲波傳感器進(jìn)行研究。本文選用的高頻電流傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3中的高頻電流傳感器由整體閉口式互感器和分體開口式互感器組成，有效帶寬在5～25 MHz之間，帶寬范圍相對(duì)較廣，對(duì)不低于5 mV/mA的無線通信頻譜資源都能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，控制匹配阻抗選用的元件為50 Ω同軸變壓器[9]。

法蘭式特高頻傳感器示意圖如圖4所示。

特高頻傳感器的頻帶很高，傳感器的頻帶最低也能夠達(dá)到30 MHz，最高能夠達(dá)到150 MHz，對(duì)于空氣中的低頻干擾，特高頻傳感器能夠有效避開。特高頻傳感器的檢測(cè)靈敏度低于-78 dBμV，有效高度大于9 mm，動(dòng)態(tài)范圍[10]超過75 dB。鑒于無線通信頻譜資源中高頻信號(hào)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文選用法蘭式特高頻傳感器，該傳感器具有監(jiān)測(cè)薄弱環(huán)節(jié)的能力，且監(jiān)測(cè)范圍廣、靈敏度高，需要特別指出的是，法蘭式特高頻傳感器必須要在出廠之前完成安裝[11]。

超聲波傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

觀察圖5可知，超聲波傳感器分為單端式和差分式兩種。傳感器的金屬外殼能夠屏蔽外部信號(hào)，保護(hù)傳感器內(nèi)部各個(gè)設(shè)備，發(fā)揮可靠接地的作用。通過陶瓷晶片組成傳感器內(nèi)部各個(gè)元件，再通過電膠將晶體固定在保護(hù)膜中。

1.2? 頻譜資源信號(hào)調(diào)理單元

傳感器收到的無線通信頻譜資源信號(hào)都是微弱信號(hào)，這些信號(hào)中不僅夾雜著噪聲，同時(shí)含有干擾信號(hào)，如果直接當(dāng)作有效信號(hào)進(jìn)行處理，對(duì)最終的分配結(jié)果有著很大影響。由于存在采樣頻率限制，所以調(diào)理單元中的采樣無法處理特高頻信號(hào)，針對(duì)不同的信號(hào)特點(diǎn)，選擇不同的傳感器處理不同的信號(hào)，傳感器能夠同時(shí)完成濾波、放大、調(diào)理三項(xiàng)工作，確保滿足分配系統(tǒng)的采樣要求[12]。

高頻電流傳感器、特高頻傳感器和超聲波傳感器會(huì)向信號(hào)調(diào)理單元下發(fā)不同的信號(hào)。

信號(hào)調(diào)理單元能夠精準(zhǔn)地分析出各個(gè)傳感器的檢測(cè)頻段，利用單元內(nèi)部的各類放大電路和濾波電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和過濾處理，消除原始信號(hào)中的干擾信號(hào)。增加信號(hào)的檢出率，消除背景噪聲，根據(jù)收到的頻譜資源信號(hào)不同，設(shè)計(jì)不同的參數(shù)，從而得到最優(yōu)信噪比。頻譜資源信號(hào)調(diào)理單元結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6中的增益控制是可以隨時(shí)調(diào)節(jié)的，通過對(duì)應(yīng)的軟件調(diào)節(jié)硬件，使調(diào)控單元變得更加靈活，增強(qiáng)分配效果[3]。采用兩級(jí)放大的結(jié)構(gòu)，使調(diào)控單元的增益大于40 dB，同時(shí)提高頻率特性。放大原理圖如圖7所示。

當(dāng)接收到超高頻信號(hào)（信號(hào)頻帶超過300 MHz）后，將無法直接進(jìn)行采集，需要同時(shí)進(jìn)行對(duì)數(shù)放大、脈沖展寬、檢波處理，從而滿足采樣要求。頻譜資源信號(hào)調(diào)理單元內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖8所示。

1.3? 數(shù)據(jù)采集單元

信號(hào)調(diào)理單元調(diào)理的數(shù)據(jù)傳遞到數(shù)據(jù)采集單元，由USB數(shù)據(jù)總線和系統(tǒng)主機(jī)完成通信。數(shù)據(jù)采集單元不僅能夠接收采集數(shù)據(jù)，同時(shí)，也能夠接收采樣控制指令，通過系統(tǒng)主機(jī)中的各項(xiàng)軟件完成配置和采樣控制工作。采集單元設(shè)置的高速采集卡采樣率高達(dá)100 Mb/s，能夠同時(shí)分析無線通信頻譜資源，并診斷資源信號(hào)是否存在故障。

1.4? 系統(tǒng)主機(jī)

為提高分配系統(tǒng)的工作效率，系統(tǒng)選擇的主機(jī)為一體化便攜式結(jié)構(gòu)主機(jī)，當(dāng)放大器將無線通信頻譜資源信號(hào)放大后，信號(hào)就會(huì)自動(dòng)進(jìn)入調(diào)理單元，再通過數(shù)據(jù)采集單元完成數(shù)據(jù)模式轉(zhuǎn)換，得出分配結(jié)果，最終的分配結(jié)果會(huì)輸入到工控系統(tǒng)中。資源分批協(xié)作分配系統(tǒng)會(huì)將分配結(jié)果以人機(jī)交互的方式展示給用戶。在系統(tǒng)主機(jī)內(nèi)部安裝各類軟件，方便用戶操作，同時(shí)，系統(tǒng)的大屏幕會(huì)以動(dòng)態(tài)的方式顯示分配結(jié)果。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)的局部傳感器、信號(hào)調(diào)理單元、數(shù)據(jù)采集單元和主機(jī)等硬件，為后續(xù)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)分配以及數(shù)據(jù)庫構(gòu)建等軟件功能設(shè)計(jì)奠定了最佳的硬件基礎(chǔ)，能夠加速軟件部分對(duì)數(shù)據(jù)的多項(xiàng)處理。

2? 無線通信頻譜資源分批協(xié)作分配系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

以良好的硬件環(huán)境為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)無線通信頻譜資源分批協(xié)作分配系統(tǒng)的軟件部分。基于大數(shù)據(jù)的無線通信頻譜資源分批協(xié)作分配系統(tǒng)軟件共分為4大部分：采集模塊、無線通信頻譜資源分析模塊、分配模塊和數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)模塊，軟件實(shí)現(xiàn)框圖如圖9所示。

圖9中的分析單元主要負(fù)責(zé)對(duì)主機(jī)中得到的無線通信頻譜資源進(jìn)行檢測(cè)和參數(shù)配置，從而控制采樣流程，對(duì)采集卡中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。分析單元能夠設(shè)置系統(tǒng)內(nèi)部的基本參數(shù)。分析模式共有2種：第一種是實(shí)時(shí)分析;第二種是連續(xù)分析。實(shí)時(shí)分析主要是針對(duì)一個(gè)周期的無線通信頻譜資源數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，顯示的數(shù)據(jù)峰值僅為一個(gè)周期數(shù)據(jù)峰值;連續(xù)分析模式是針對(duì)每一個(gè)頻譜資源數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行分析，分析結(jié)果直接顯示在主機(jī)屏幕中，這兩種方式既可以同時(shí)顯示，也可以切換顯示。

基于大數(shù)據(jù)的無線通信頻譜資源分批協(xié)作分配系統(tǒng)軟件工作流程如圖10所示。

首先對(duì)信息進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理操作主要指的是更改配置，通過改變內(nèi)部配置確保信息的真實(shí)性;然后將需要分析的特征參數(shù)提取出來，通過多種方法對(duì)無線通信頻譜資源特征信號(hào)進(jìn)行分析;接著根據(jù)分析結(jié)果設(shè)定分配方案;進(jìn)一步檢測(cè)方案的有效性，直到最終確認(rèn)有效，才可以執(zhí)行分配命令。系統(tǒng)軟件內(nèi)部始終設(shè)有維護(hù)層，通過維護(hù)層保障軟件正常運(yùn)行。

3? 實(shí)驗(yàn)研究

3.1? 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

為了檢測(cè)本文設(shè)計(jì)的基于大數(shù)據(jù)的無線通信頻譜資源分批協(xié)作分配系統(tǒng)的有效性，進(jìn)行了一次仿真實(shí)驗(yàn)。與傳統(tǒng)分配系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比，分別檢測(cè)了重構(gòu)能力、認(rèn)知能力和決策能力，并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3.2? 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

設(shè)置仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

3.3? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上述參數(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)和本文系統(tǒng)的認(rèn)知能力、重構(gòu)能力和決策能力進(jìn)行測(cè)試，得到對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖11～圖13所示。

分析圖11可知，兩種不同系統(tǒng)的認(rèn)知時(shí)間均隨著認(rèn)知范圍的增大而增加，且在認(rèn)知范圍為0～10 GB之間時(shí)，呈大幅度上升趨勢(shì)，而后保持平穩(wěn)緩慢上升趨勢(shì)。傳統(tǒng)系統(tǒng)的認(rèn)知時(shí)間平均約為18.5 s，本文系統(tǒng)的認(rèn)知時(shí)間平均約為13 s。對(duì)比兩種系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，本文系統(tǒng)的認(rèn)知時(shí)間更短，說明本文系統(tǒng)的認(rèn)知能力更強(qiáng)。

分析圖12可知，在認(rèn)知范圍為0～10 GB之間時(shí)，本文系統(tǒng)的重構(gòu)時(shí)間隨著重構(gòu)范圍的增加，呈大幅度上升趨勢(shì)，而后保持平穩(wěn)緩慢上升趨勢(shì)。傳統(tǒng)系統(tǒng)的重構(gòu)時(shí)間則始終呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，其重構(gòu)時(shí)間平均約為29.5 s，本文系統(tǒng)的重構(gòu)時(shí)間平均約為16.5 s。對(duì)比兩種系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，本文系統(tǒng)的重構(gòu)時(shí)間更短，說明本文系統(tǒng)的重構(gòu)能力更好。

分析圖13可知，在決策范圍為0～10 GB之間和20～25 GB之間時(shí)，本文系統(tǒng)的重構(gòu)時(shí)間隨著重構(gòu)范圍的增加，呈較快的上升趨勢(shì)，在決策范圍為10～20 GB之間時(shí)，則保持平穩(wěn)趨勢(shì)。傳統(tǒng)系統(tǒng)的決策時(shí)間則始終呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，其決策時(shí)間平均約為25.5 s，本文系統(tǒng)的決策時(shí)間平均約為11.5 s。對(duì)比兩種系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，本文系統(tǒng)的決策時(shí)間更短，說明本文系統(tǒng)的決策能力更好。

通過對(duì)圖11～圖13的結(jié)果分析可知：隨著數(shù)據(jù)處理的范圍越大，系統(tǒng)花費(fèi)的認(rèn)知時(shí)間、重構(gòu)時(shí)間和決策時(shí)間越長(zhǎng)，但是本文研究的系統(tǒng)的認(rèn)知能力、重構(gòu)能力、決策能力都優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)，能夠在短時(shí)間內(nèi)完成精準(zhǔn)的分配工作。由此可見，本文研究的無線通信頻譜資源分批協(xié)作分配系統(tǒng)更加適用于無線電技術(shù)的應(yīng)用。

4? 結(jié)? 語

本文針對(duì)無線通信頻譜資源分批協(xié)作分配系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，引用了大數(shù)據(jù)技術(shù)，主要設(shè)計(jì)了傳感器、采集模塊、處理單元以及系統(tǒng)主機(jī)，根據(jù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件操作流程，該分配系統(tǒng)對(duì)無線通信頻譜資源有著很強(qiáng)的認(rèn)知能力，同時(shí)具備很高的重構(gòu)能力和決策能力，在認(rèn)知無線電技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域中，該系統(tǒng)的研發(fā)有著關(guān)鍵性意義。

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