【深度】一种动态频谱接入系统的仿真设计

Original 学术plus 学术plus 2022-07-29

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今日荐文的作者为解放军91655部队专家裴小东，中国电子科技集团公司第七研究所专家王琳，刘为。本篇节选自论文《一种动态频谱接入系统的仿真设计》，发表于《中国电子科学研究院学报》第12卷第4期。

摘要：在无线通信领域，频谱资源短缺和利用率低的问题长期存在，使得认知无线电中动态频谱接入技术成为研究热点。提出一种基于软件无线电平台的动态频谱接入系统仿真设计，使得无线通信网络能够高效地进行频谱感知，并实现动态频谱接入完成数据通信。通过数据业务收发的实例，验证了采用动态频谱接入的方法，该系统仿真设计能够基于频谱策略成功地选频换频，从而提高了无线频谱资源的利用率。

关键词: 无线通信；动态频谱接入；认知无线电；软件无线电；频谱感知

1 引言

认知无线电（Cognitive Radio，CR）被国内外研究机构公认是解决频谱利用率低的最佳解决方案，它的出现给提高频谱资源利用率带来革命性的解决方案。

认知无线电技术的基础是动态频谱接入技术，利用频谱检测对周围无线频谱环境进行感知，通过对感知数据进行分析和智能学习，决策得出可用频谱资源状况，采用动态频谱接入空闲频谱，从而提高无线频谱利用率。

本文提出了一种基于软件无线电平台的动态频谱接入系统仿真设计，使得无线通信网络能够高效地进行频谱感知，并实现动态频谱接入完成数据通信业务。

2 认知无线电

软件无线电，即软件定义的无线电（Software Defined Radio，SDR），是一种通过软件来实现连接物理层的无线通信设计技术，其核心是在通用的硬件平台上加载不同的通信软件，即波形，以实现不同的通信波形间的转换。SDR采用组件化的设计结构，具有开放性强的特点，可以重新封装组件或者重构物理层，动态地加载新的软件波形和协议，实现与不同体制、不同制式电台的通信，软件无线电可以实现与新旧体制的电台完美兼容，延长生命周期，从而能够降低系统成本，节省通信系统的开支^[2]。

认知无线电技术是一种由软件无线电技术发展而来的无线通信技术。认知无线电在软件无线电的基础上，采用了随时变化的通讯协议技术，同时增加了人工智能的支持，能够感知其所在的环境以及所处位置，并在此基础上智能地改变其通信参数，实现动态频谱接入，得到更高的频谱利用率^[3]。

动态频谱接入技术是认知无线电的最主要的技术之一，通过感知周围的频谱使用情况，智能地动态调整接入的频谱范围，能够将原来低效使用的空闲的频谱资源利用起来，从而提高整体的频谱资源利用率。

3 软件无线电平台

软件无线电平台包含一个母板和多块射频子板，母板主要完成中频采样，以及基带信号和中频信号的转换，子板完成射频信号的收发。一块母板最多可以接四块子板，两块发射，两块接收，完成基带和中频部分，波形部分由上层软件完成。

通过建立流向图并按照相应的机制把多个信号处理模块连接在一起，完成无线电系统的搭建。信号处理模块采用C++编程实现，具有较高的执行效率，如调制解调、数学运算等。流向图的搭建和模块之间的连接通过Python脚本语言实现^[4]。

通过这套软件无线电平台，设计出仿真原型，实现无线电信号的接收与发射。本文提出一种频谱感知和动态频谱接入系统的仿真设计，实现认知无线电网络内的动态频谱接入。

4 动态频谱接入系统

4.1系统结构

动态频谱接入是一个自适应的过程，本文设计的动态频谱接入系统结构由频管软件、通信软件、数传软件和硬件设备组成。系统包括一个主节点和多个从节点，频管软件部署在主节点电脑终端上，数传软件和通信软件部署在所有节点电脑终端上。动态频谱接入系统的结构如图1所示。

图 1动态频谱接入系统结构图

其中：

（1）频管软件

包括策略管理系统和频谱服务系统。主要功能包括：1）生成用频策略，下发用频策略；2）频谱感知处理，频谱使用效能分析等频谱决策。

（2）通信软件

包括MAC层模块和物理层模块，为频管软件和数传软件提供MAC层和物理层服务。MAC层模块用于连接并控制硬件设备，为频管软件和数传软件提供MAC层服务。
主要功能包括：1）组网：MAC协议封装与解析，节点监测与通信任务管理；2）统计上报：统计并上报频率感知扫描数据，所有节点状态、电平强度和丢包率等节点信息。
物理层模块是硬件设备的运行程序。主要功能包括：1）电平强度信号采集：采集所有节点电平信号强度；2）调制解调：在指定频率上进行业务数据调制解调；3）频率感知扫描：在指定频段上进行频率感知扫描。

（3）数传软件

主要功能：数据通信业务数据收发。

（4）硬件设备

采用一块软件无线电母板搭载一块射频子板，拥有100MHz14位ADCs和400MHz16位DACs处理能力，千兆以太网传输速率100MB/s，能处理的最大宽度25MHz。主节点的硬件设备有两个通道：通道0和通道1。通道0用于业务数据传输；通道1用于广播和感知扫描。从节点的硬件设备有一个通道：通道0，用于业务数据传输。

主节点用来完成频谱感知扫描和频谱决策，从节点需要监听主节点的广播频率接收广播信令，主从节点之间进行业务数据收发。主节点在扫频范围内进行频谱感知扫描，对感知扫描数据进行分析，检测出空闲可用频率。在当前通信频率受到干扰后，主节点通过网络节点状态信息进行换频决策，广播下发新的业务频率，主从节点重置通信参数，切换到新的业务频率上进行通信。

动态频谱接入系统的用例图如图2所示。

图 2 动态频谱接入系统用例图

4.2通信软件

通信软件为频管软件和数传软件提供MAC层和物理层服务，设计组件结构流图如图3所示。

图 3 通信软件组件结构流图

其中：

硬件设备有两个通道：UHD0用于业务数据传输，采用GMSK调制解调算法；UHD1用于广播和感知扫描，感知扫描采用FFT能量检测算法，周期广播采用FSK慢跳频算法。UHD0/1:Source和0/1:Sink分别是信源和信宿组件模块。

MAC Manage包含节点状态控制与通信任务管理功能，通过Socket PDU与上层频管软件（Spectrum Manage）进行通信。将上层软件指令数据按照接口协议进行解析，修改节点状态参数、执行任务管理，并将节点状态和任务管理信息上报给上层软件。

4.3感知扫描的能量检测FFT方法

FFT是一种离散傅立叶变换快速算法，可以将信号的频谱提取出来，将信号从时域变换到频域，再对其进行模平方运算。本系统采取步进频段检测的方式，每次扫描25MHz频段，进行能量检测，然后进入下一个步进频段进行扫描，一个扫描周期结束后可以完成对大范围的频谱检测。

设计的FFT运算结构流图如图4所示。通过采样，将基带采样信号转化为向量，经过重采样窗口调整后进行FFT运算，所得结果进行复信号转化，用均方表示，然后对FFT数据做进一步功率校准处理，除去冗余，最后将扫频范围内的所有步进频段拼接起来，生成一个message文件并显示扫频结果。

图 4FFT运算结构流图

4.4频管软件

频管软件包括策略管理系统和频谱服务系统，以及数据库系统组成，组件结构如图5所示。

图 5频管软件组件结构图

其中：

（1）策略管理系统

主要功能包括：1）频谱感知处理与呈现，分析感知数据，呈现频谱感知态势；2）频管策略生成与下发，根据动态配置的频谱资源和网络用频需求生成频管策略并下发；3）频谱使用效能呈现，分析当前频率的质量和效能信息，对当前无线通信状况做出判断与建议；4）频率生成与频谱决策，当用频效能低于决策门限要求时，生成换频策略，执行换频操作。

（2）频谱服务系统

主要功能包括：1）频谱综合信息服务；2）频谱资源动态配置，根据感知信息分析多维电磁空间空穴，识别频谱机会，并根据频谱池的情况和任务需求动态地生成频谱资源；3）电磁态势数据服务和4）使用效能数据服务，根据感知信息、频谱资源、网络和节点需求提供数据服务。

4.5系统实现

本文采用一个主节点和两个以上从节点进行组网，搭建动态频谱接入系统。动态频谱接入的过程如图6所示。

图 6动态频谱接入过程

频管软件根据上级频管系统指定的资源、条件和任务等信息，以及通信用频系统不同业务优先级协同机制，制定频谱策略，通过软件无线电平台加载设置用频系统的频谱参数，用频系统将用频状态返回，与感知模块采集的感知数据进行融合处理，计算出频谱机会和用频效果数据，如果通信系统需要换频，则以动态方式进行频谱接入，最后频管软件形成频谱使用态势以服务的形式提供给上级频管系统。

具体实现步骤如下：

（1）策略管理系统生成并下发频管策略。频管策略包括频率资源、应用域以及频率资源在不同应用域（如时间、地点、组织等）的使用策略（允许/禁止、限制条件等），以及不同应用域之间的优先级关系矩阵。

（2）硬件设备对规定频段（例如50MHz-500MHz）进行频谱感知扫描，频谱服务系统根据感知信息动态地生成可用的频谱资源，并对可用的频谱资源进行排序。

（3）主节点和从节点之间通过数传软件发送并接收数据包，进行业务通信。

（4）通过干扰源施加干扰的方式使节点丢包率上升电平信号强度下降，超过门限值后判断节点脱网，业务通信中断。

（5）策略管理系统分析当前频率的质量，当电平信号值和丢包率超过门限值时，说明用频效能低于决策要求，需要做出换频决策，脱网节点数超过门限值或者脱网节点优先级高，则换频。并根据感知信息分析并选择当前可用的频谱资源，生成换频策略。

（6）在信令时序内，主节点根据换频策略周期广播新的通信业务频率，并重置通信参数准备业务传输，脱网的从节点监听周期广播信令，执行换频操作。

（7）主节点和从节点在更换后的频率下再次成功发送并接收数据包，完成动态频谱接入。

顺序图如图7所示，分别对主节点施加干扰（施加干扰A）、对从节点施加干扰（施加干扰B），处理过程都是相同的。

图 7动态频谱接入顺序图

其中：

从节点用频设备定时计算接收的信号强度指示（RSSI）电平值和丢包率是否超过门限值，超过则节点脱网。
主节点业务信道检测到该网络从节点的节点状态发生变化，由在网变为脱网，上报发生变化后的节点状态给频管软件。
频管软件进行受扰分析，做出换频决策：1）脱网节点数是否超过门限值，超过则换频；2）脱网节点优先级较高，则换频。
如果换频，频管软件下发新的业务频率给广播信道，并设置业务信道按照新的业务频率进行监听；广播信道周期广播新的业务频率；从节点用频设备搜素广播信令，并设置业务信道按照新的业务频率进行监听。全网完成换频。

4.6仿真结果

对动态频谱接入系统进行仿真验证，仿真场景包括三种情况：

1）不换频，依靠通信系统自身的抗干扰能力；

2）静态换频，按照预定的频率集进行切换；

3）动态换频，根据感知信息实时生成的可用频谱资源进行动态接入。

通信过程中施加梳状干扰，干扰频率分布为等间隔梳齿状分布。设定网络节点数量为100个，干扰源的发射功率为500W，发射频段为30MHz-88MHz，干扰频率的信道间隔为25kHz，干扰变化的时间设定为10秒，在发射频段范围内按照间隔随机生成干扰频率，统计一小时内频谱接入的成功率和无线通信成功率的变化情况如图8和9所示。在一小时统计周期内，频谱接入的成功率都达到90%以上，可见在通信质量较差时采用动态频谱接入的方式，可以将无线通信成功率保持在较好的状态，明显提高了无线通信质量。

图 8频谱接入成功率的仿真结果

图 9动态频谱接入对通信成功率的影响

结语

本文设计了一套基于软件无线电平台的动态频谱接入仿真系统，包括通信软件和频管软件的功能结构。通过数据业务收发的实例，验证了采用动态频谱接入的方法，该系统仿真设计选频换频成功，从而提高了无线频谱资源的利用效率。

参考文献：

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