無線電頻譜監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)探析

米 超，賀 川，羅兵富

(63788部隊(duì)，甘肅 隴南 764000)

0 引言

應(yīng)用無線電監(jiān)測(cè)，需要考慮到其電磁環(huán)境的安全性。通過確保無線電頻率的合理性，提出開發(fā)無線電等有效方式，滿足其應(yīng)用效率的提升。同時(shí)，在實(shí)踐層面上，還應(yīng)該應(yīng)用無線電頻譜的監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)無線電技術(shù)的更新與發(fā)展具有重要意義。

1 無線電頻譜監(jiān)測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介

就無線電技術(shù)而言，需要針對(duì)其無線電對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)加以明確，必要時(shí)采取修改系統(tǒng)參數(shù)的方式來更有效、更高效地使用閑置的無線電頻譜資源，滿足其經(jīng)濟(jì)效益的提升。無線電技術(shù)能夠在時(shí)間、空間、頻率等多個(gè)維度實(shí)現(xiàn)對(duì)多維頻譜的復(fù)合利用，弱化無線電頻譜以及寬帶的限制，進(jìn)而提高無線電頻譜的利用率，使通信系統(tǒng)越來越靈活[1]。

現(xiàn)階段，國內(nèi)最常使用的無線電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有天饋功能模塊、監(jiān)測(cè)接收模塊和監(jiān)測(cè)軟件模塊等。對(duì)于無線電監(jiān)測(cè)體系而言，頻譜監(jiān)測(cè)模塊占據(jù)核心地位，主要負(fù)責(zé)對(duì)無線電環(huán)境的監(jiān)測(cè)及認(rèn)知，獲取無線電監(jiān)測(cè)需要的數(shù)據(jù)和信息，提高閑置頻譜系統(tǒng)的利用率，充分體現(xiàn)無線電資源的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。這樣不僅可以消除負(fù)面影響，同時(shí)也可以建立、健全無線電監(jiān)測(cè)體系基礎(chǔ)。

2 無線電頻譜監(jiān)測(cè)中的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 硬件方面

加性高斯白噪聲信道之中，匹配濾波器頻譜檢測(cè)算法屬于最優(yōu)化的頻譜感知方式，主要是通過解調(diào)授權(quán)信號(hào)或是導(dǎo)頻檢測(cè)來實(shí)現(xiàn)。相對(duì)而言，前者的復(fù)雜度更高，需要利用匹配濾波器來實(shí)現(xiàn)對(duì)于用戶信號(hào)的解調(diào)處理，并且針對(duì)每一類的授權(quán)用戶，都需要有對(duì)應(yīng)的接收解碼設(shè)備的提供，同時(shí)，大部分無線通信系統(tǒng)都存在前導(dǎo)碼、導(dǎo)頻、擴(kuò)頻碼等對(duì)應(yīng)的信號(hào)，這樣就可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化匹配濾波器，但是其本身的問題在于，還需要授權(quán)用戶信號(hào)的先驗(yàn)知識(shí)。另外，其本身的計(jì)算量也非常大。如果不能準(zhǔn)確地授權(quán)先驗(yàn)知識(shí)，那么就會(huì)降低其性能。

匹配濾波器監(jiān)測(cè)技術(shù)作為常用的技術(shù)之一，其主要是要求在使用之前，需要對(duì)應(yīng)硬件系統(tǒng)的支持，還需要做好基于信號(hào)需求的濾波器設(shè)計(jì)，匹配主信號(hào)類型。如果只從理論層面分析，在多種單節(jié)點(diǎn)頻譜監(jiān)測(cè)中，這一匹配濾波器監(jiān)測(cè)技術(shù)是頻率最高、效果最好的技術(shù)，能夠快速監(jiān)測(cè)所需信號(hào)。當(dāng)其他條件一致時(shí)，匹配濾波器監(jiān)測(cè)技術(shù)所需采樣數(shù)也比其他技術(shù)的少，工作效率更高[2]。

N=[Q-1(PF)-Q-1(PD)]2SNR-1

(1)

其中，N代表采樣數(shù)，PF代表虛警概率，PD代表檢測(cè)概率，SNR代表信噪比，Q(·)代表誤碼率上限公式。

2.2 軟件方面

2.2.1 能量監(jiān)測(cè)技術(shù)

無線電頻譜監(jiān)測(cè)中的能量監(jiān)測(cè)技術(shù)有一個(gè)顯著的特征，即是非相干的一種監(jiān)測(cè)方式，能夠合理、有效地監(jiān)測(cè)其信道傳輸信號(hào)以及對(duì)應(yīng)的噪聲、功率等內(nèi)容。事實(shí)上，監(jiān)測(cè)功率是相對(duì)容易的，常用方法有兩種：第一，對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行采樣和求模之后將其累加、求和；第二，通過快速傅里葉變換把信號(hào)變換到對(duì)應(yīng)頻域之后求模平方即可[3]。

授權(quán)用戶信號(hào)設(shè)定為x(k)，針對(duì)其功率統(tǒng)計(jì)量y(k)為：

(2)

其中k代表信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)。在k值本身較大時(shí)，考慮到中心極限定理理論的分析，就需要在計(jì)算之中利用高斯分布，從而來進(jìn)行合理分析：

(3)

其中PN代表噪聲的功率，PS代表信號(hào)的功率，M代表當(dāng)k較大時(shí)的具體代替值。當(dāng)虛警概率PF確定的條件下，就能夠直接獲取檢測(cè)門限：

(4)

將p(k)和門限值進(jìn)行相互比較，在出現(xiàn)了p(k)>門限值時(shí)，就表示使用了授權(quán)頻帶，如果p(k)小<門限值，那主要是因?yàn)闆]有對(duì)應(yīng)的授權(quán)頻帶的使用。

在實(shí)現(xiàn)能量檢測(cè)中，其主要流程如圖1所示。

圖1 能量監(jiān)測(cè)算法實(shí)現(xiàn)流程

2.2.2 多點(diǎn)協(xié)作頻譜監(jiān)測(cè)技術(shù)

多點(diǎn)協(xié)作頻譜監(jiān)測(cè)技術(shù)其本身就是基于單點(diǎn)頻譜監(jiān)測(cè)技術(shù)的升級(jí)處理，它在克服單點(diǎn)頻譜監(jiān)測(cè)固有的缺陷、局限的基礎(chǔ)上，顯著提升頻譜監(jiān)測(cè)的及時(shí)性、準(zhǔn)確性[4]。多點(diǎn)協(xié)作監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括：(1)相關(guān)監(jiān)測(cè)，當(dāng)使用該項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)手段時(shí)務(wù)必要保證信息來源可靠、準(zhǔn)確，預(yù)防影響監(jiān)測(cè)的性能。(2)特征監(jiān)測(cè)，主要是利用特征值監(jiān)測(cè)方法、循環(huán)平穩(wěn)監(jiān)測(cè)方法、周期圖方法監(jiān)測(cè)各種各樣的特征信號(hào)。(3)本振泄露功率監(jiān)測(cè)，需要考慮到具體的信號(hào)泄露問題，進(jìn)而對(duì)PU的工作情況做出判斷。(4)干擾溫度監(jiān)測(cè)，還需要實(shí)施監(jiān)測(cè)SU所出現(xiàn)的干擾溫度，并通過對(duì)比監(jiān)測(cè)結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)值，判斷干擾溫度、標(biāo)準(zhǔn)值之間的差值大小，最終確定對(duì)應(yīng)頻帶內(nèi)通信系統(tǒng)運(yùn)行的優(yōu)良性。

3 無線電頻譜監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)驗(yàn)仿真

3.1 硬件方面的實(shí)驗(yàn)仿真

針對(duì)匹配濾波器監(jiān)測(cè)，利用軟件Matlab來實(shí)現(xiàn)濾波器匹配的仿真處理，在-10 dB、-15 dB和-20 dB的信噪比之下進(jìn)行。當(dāng)采樣數(shù)和虛警概率一致的時(shí)候，隨著信噪比的增大，相應(yīng)的監(jiān)測(cè)概率也會(huì)增加。在虛警概率相同、信噪比對(duì)等的前提條件下，匹配濾波器本身的監(jiān)測(cè)性能更優(yōu)；在信噪比為-20 dB時(shí)，匹配濾波器的性能甚至直接高于能量監(jiān)測(cè)在-10 dB信噪比下的。所以，相對(duì)于能量監(jiān)測(cè)而言，匹配濾波器的監(jiān)測(cè)效果是非常明顯的。

3.2 軟件方面的實(shí)驗(yàn)仿真

3.2.1 能量監(jiān)測(cè)

利用軟件Matlab來開展本次的仿真實(shí)驗(yàn)，其系統(tǒng)參數(shù)信號(hào)帶寬W=5×104，重復(fù)次數(shù)count=5 000，采樣頻率Fs=2W=2×5×104?；贏WGN信道，在本次的監(jiān)測(cè)之中信號(hào)長(zhǎng)度n=100，并且要求在-5 dB、-8 dB和-10 dB的信噪比下進(jìn)行處理，其代表的是在不同的信噪比下對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)曲線。當(dāng)采樣數(shù)和虛警概率相同時(shí)，隨著信噪比的增大，其監(jiān)測(cè)的概率也增大，也就是其本身的丟失概率會(huì)逐漸減小。通過分析還可以發(fā)現(xiàn)信噪比的大小會(huì)直接影響監(jiān)測(cè)的性能。

3.2.2 多點(diǎn)協(xié)作監(jiān)測(cè)

在開展多點(diǎn)協(xié)作監(jiān)測(cè)仿真處理的過程中，分別選擇1、3、5的用戶數(shù)量，在-8 dB的信噪比之下開展相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)，比較其理論值和實(shí)際仿真值。算法監(jiān)測(cè)的仿真值基本上都處于理論值的范圍之內(nèi)，所以其仿真值的可信度較高。并且在相同的虛警概率以及信噪比之下，伴隨用戶數(shù)量的不斷增多，其監(jiān)測(cè)概率也會(huì)有持續(xù)的增加。

4 結(jié)語

隨著時(shí)代的不斷發(fā)展和進(jìn)步，現(xiàn)階段人們的生活、生產(chǎn)對(duì)于無線電技術(shù)的依賴度較高，深入了解無線電頻譜監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用可以促進(jìn)無線電技術(shù)管理水平的提升，對(duì)無線電技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展也有著重要的意義。通過上述對(duì)無線電頻譜監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)的分析，希望可以提升無線電技術(shù)利用效率和對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益。