基于认知的短波动态频谱孔洞率与时效性研究

闫建峰，郭 锐，田 骅

(中国舰船研究院，北京 100192)

基于认知的短波动态频谱孔洞率与时效性研究

闫建峰，郭 锐，田 骅

(中国舰船研究院，北京 100192)

短波认知系统通过实时认知工作频段内频谱空洞的具体位置来确定通信频率，根据频谱空洞内噪声变化情况，动态调整工作参数躲避干扰，极大提高了系统抗干扰能力。本文依托长期短波频谱监测经验和基于能量检测的方法，研究了短波频段频谱空洞孔洞率与时效性，验证了频谱空洞具有可选性与瞬时稳定性的特征，为短波动态频谱接入的应用奠定了基础。

频谱空洞;孔洞率;时效性

0 引言

动态频谱接入是指网络中的非授权用户在对工作频段内的电磁频谱环境进行感知与学习后，通过智能决策自适应地调整发射功率、频率及编码调制方式等工作参数，从而在尽可能不影响授权用户的前提下实现网络接入技术，它是认知无线电的一种重要应用［1－5］。在各种动态频谱接入方式中，机会频谱接入是一种对授权用户完全不产生干扰的接入方式，它通过实时感知工作频段内授权用户未使用的子频段(即频谱空洞)，并在其中传输信号，实现了授权用户与非授权用户信号间的完全分离［1，4］。

显然，若将频谱空洞定义为系统工作频段内无干扰或干扰功率低于门限值的子频段，则机会频谱接入思想可以应用于抗干扰通信中。通过实时感知工作频段内频谱空洞的具体位置，确定发射频率，并在通信过程中根据频谱空洞内的噪声变化情况动态调整。

系统的其他工作参数，可以将干扰对系统性能的影响减到最低，从而极大地提高系统的抗干扰能力。

1 短波频段频谱空洞孔洞率与时效性及其研究方法

短波频率最拥挤，背景干扰和人为干扰严重;电波传播受电离层影响波动大，时变色散的特点很突出;短波适用于近、中、远距离的战术与战略通信，应用范围很广。国内外对短波的侦查和干扰研究时间长，措施多，抗干扰的难度大。频谱空洞(Spectrum Hole)的监测与预测是抗干扰的基础。所谓频谱空洞是指通信双方在具有适合通信业务所需的电波传播频率范围内背景噪声小于一定阈值下的有效通信频带。Simon Haykin对频谱空洞的定义［6］:“一个频段有指定主用户，但在特殊时间和特定地点，该频段未被主用户使用，这时即称为频谱空洞。正确选择频谱空洞并加以利用就在第一时间避开了干扰，因此，合理利用频谱空洞应该是抗干扰的首要任务。对频谱空洞的选择，我们主要关心孔洞率与时效性的研究。孔洞率定义为:所选出的符合条件频段数与待选的全部频段数的比值。时效性定义为:所选出的可用频段数在一定时间内仍然可用的概率。它们直接决定了频谱空洞是否具有可选性与瞬时稳定性，表征系统中频谱空洞是否存在并可在选出后应用于实际的通信过程中。频谱感知有多种方法［7］，但对抗干扰军事通信，干扰特性不能预知，因此，能量检测(Energy Detection)是空洞检测的基本原则。由于频谱空洞与不同时间、不同地点电磁环境有关，因此只能以地区频谱统计分析为基础开展频谱空洞特性研究。

2 采集设备装置及工作原理

2.1 采集装置

使用6 m长的鞭天线，经过同轴电缆连接到计算机上的短波接收机，通过计算机控制短波接收机以一定的工作方式进行短波信道的数据采集，采集后的数据以文件的形式存储到计算机以备后续处理，数据采集接收装置如图1所示。

短波接收机可以内置到计算机中，PCI插槽，通过计算机进行控制完成数据采集任务，接收机具有AM，USB，LSB，ISB-U，ISB-L，FM，FMN等工作模式，显示和操作界面如图2所示。

接收机采用了自动增益控制(AGC:OFF/SLOW/MED/FAST)。短波接收机中输入信号的动态范围很大，一般为120 dB左右，这就要求接收机的增益也能动态地随之变化，因此采用了数字AGC控制方案。如果检测的信号能量低于额定值，则将增益电压加大;高于额定值时，则将增益电压减小。

接收机可以设置Attenuation Mode(衰减20 dB)，RF Gain(射频增益)，Squelch(噪声门限)，IF BW(中频带宽)，BFO(拍频)，NOTCH(陷波)等参数。

接收机还可以设置自动扫描功能，扫描过程中可以设置扫描时间、起始时间、起始信道、终止信道以及扫描步长等参数。

2.2 接收机工作原理

高频信号经接收机混频后变为中频信号，中心频率为63.078 MHz，中频带宽为6 kHz，经过 16.384 MHz的中频带通采样，再经过降速，变为速率为32 kHz的数字信号，分为同相I和正交Q两路，最后通过复数域数字变频信号变至零频。

图3 短波接收机原理Fig.3 Block diagram of HF receiver principle

由于中频采样后的信号速率将为32 kHz，相当于最终的中频采样速率为32 kHz，中频信号处理过程中的原理和频谱变化如图4和图5所示。

整个信号的处理过程就是把高频信号经过变频、滤波后搬移到基频以备后续处理。

当短波接收机开启以后接收机就会自动向计算机的缓存中写入数据，有音频数据和中频2种数据，每种数据分I(同相)，Q正交)两路，I，Q数据交替存入缓存区中，缓冲区的数据存储格式如表1所示。

?

本文数据采集过程中，设定接收机工作在AM方式，AGC控制，中频带宽6 kHz，操作软件采用的是用VC编写的界面程序，可以设置采样频率范围、采样起始/终止时间、每个频段采样次数等参数。

采样频率fs=32 kHz，采样周期ms，频率分辨率为

式中:T为采样时间;N为采样点数;Ts为采样周期;扫描频段范围fH－fL≤256 kHz，fH和fL分别为所要采集频率段上、下限。

由于短波接收机的中频带宽只有6 kHz，只能通过快速扫描的方式完成对1 MHz(其他扫描频带宽度原理相同)带宽内信号的采样，设要完成1 MHz的采样所需要的采样次数为M，又因为1000/6=166.66…，取M为167，所以扫描频率的真正范围为6 kHz×167=1 002 kHz，然后取其前1 MHz作为有效数据进行统计。

频段(1 MHz)内的扫描方式如图6所示。

图6 接收机在1 MHz内的扫描方式示意图Fig.6 Receiver's scanning manner in 1 MHz

短波接收机每6 kHz内的采样点数256，采样数据共有两路(I路和Q路)，每路各有256个数据，数据格式为16位带符号数。

在6 kHz频段内，每次采样时间T=NTs=256×，频率分辨率为

2.3 数据处理及分析

设定信道干扰类别来衡量此频率点所对应信道的优劣，以便于根据信道的干扰强度调节选频门限、通信速率等参数。

信道干扰类别如下:

A类 不大于3 μV(不大于－110 dBV)或(不大于10 dBμV)。

B类 3～10 μV(－110～ －100 dBV)或(10～20 dBμV)。

C类 10～30 μV(－100～ －90 dBV)或(20～30 dBμV)。

D类 30～100 μV(－90～ －80 dBV)或(30～40 dBμV)。

E类 100 μV以上(不小于－80 dBV)或(不小于 40 dBμV)。

1)研究频谱空洞的昼夜分布情况，以确定可利用的频谱空洞资源。

通过多年大量全频谱的统计和分析，笔者对短波频谱空洞的认识举例说明:图7和表2是在2007年8月22日～24日，所采集的北京城区6000～6256 kHz频段中工作带宽为 1，3，6，9，12，24 kHz 全天24 h内空洞率的统计数据，以背景噪声≤10 dBμV为空洞门限。

?

从表2可见，24 h内昼夜变化影响很大，白天干扰小于≤10 dBμV的空洞最高可达200 kHz左右，夜间也有20 kHz左右有可资利用，这为系统设计提供了重要依据(这只是本地接收的空洞，要保证双向通信还需要了解通信对方的空洞以及双方沟通信道的主要参数，以保证正常通信，主要依靠信令进行沟通)。

2)优化频谱空洞的定义门限，确定预测与应用之间的时效性。

根据大量实测数据的统计结果，频谱空洞是随着时间和频率的变化以及定义门限的不同而变化的。图8和图9为12点和20点时6～7 MHz不同门限值下“频谱空洞”代表时效性的存活概率统计分布。

从图中可知，门限值愈小存活概率愈低，间隔时间愈短存活概率愈高。例如取门限值≤10 dBμV的空洞，其存活概率(可信度)达99%时12点可长达数min，而20点时只有12 s左右，因此参数的合理选择对频谱空洞的时效性具有十分重要的意义。

3)对频谱空洞的动态变化进行实时统计，通过人工智能的处理，以确定预测与应用之间的可信程度。

从长时间的统计平均值可以看到频谱空洞的分布情况。因为频谱空洞昼夜变化很大，在具体应用中应当实时监测，并且要预测而且应当即选即用。图10和图12为2007年8月在12点和20点6000～6250 kHz前后12 s内测得的实时频谱，可见昼夜干扰电平相差很大，但20时尽管干扰电平很高，仍有20 kHz左右的频谱空洞(约占8%)可资利用。

由图11可见，在12 s内干扰背景幅度变化最大达+4～－6 dB左右，由于随机性很大，经大量统计变化基本在±8 dB范围以内，而随时间呈一定增长关系。

由图13可见，虽然白天和夜间背景电平变化很大，但在频谱空洞(背景噪声电平≤10 dBμV)内前后12 s的波动并没有太大的变化，这和图9的结论是符合的。

3 结语

结合以上讨论得出对短波波段频谱空洞研究的结论。

1)对军事通信而言，认知无线电的核心频谱空洞的实时监测与可利用性的预测是研究的重点。在设定频谱空洞门限的基础上对干扰信号只需研究其电平大小、来源方向和时间概率分布，由于军事通信主要属于多用户非合作认知无线电网络［6］，因此无须对有意或无意的干扰进行识别和分析。

2)频谱空洞随昼夜时间的变化而变化，但其预测有效时间(在可信度/存活概率99%情况下)基本在数s到数min之间，其变化是有一定规律的。频谱空洞时效性是设计认知无线电系统的关键因素。

3)频谱空洞是随时间而变化的，昼夜背景干扰变化很大，但只影响频谱空洞的有效宽度，从统计看频谱空洞总是存在的。

在实际应用中，只需检测系统工作带宽内少数信道中的频谱空洞，并加以动态利用即可实现动态频谱接入过程，接收端计算复杂度低，系统实时性可以保证。由此可见，短波动态频谱通信系统的确是一种更为优越的抗干扰通信体制，具有广阔的应用前景。

［1］GOLDSMITH A，JAFAR S A，MARIC I，et al.Breaking spectrum gridlock with cognitive radios:an information theoretic Per-spective［J］.IEEE Proceedings，2009，97(5):894－914.

［2］PURSLEY M B，SKINNER JS.Adaptivecodingfor frequency-hop transmission in mobile ad hoc network with partial-band interference［J］.IEEE Transactions on Communications，2009，57(3):801 －811.

［3］HAKIM K，JAYAWEERA S K，EL-HOWAYEK G，et al.Efficient dynamic spectrum sharing in cognitive radio networks:centralized dynamic spectrum leasing(C-DSL)［J］.IEEE Transactions on Wireless Communications，2010，9(9):2956 －2967.

［4］HAYKIN S.Cognitiveradio:brain-empowered wireless communications［J］.IEEE Journals on Selected Areas in Communications，2005，23(2):201 －220.

［5］王谦，岳殿武.分集技术下频谱感知的性能分析［J］.通信学报，2010，31(4):134 －140.WANG Q，YUE D.Performance analysis of spectrum sensing using diversity technique［J］.Journal on Communications，2010，31(4):134 －140.

［6］SIMON Haykin，Fundamental Issues in Cognitive Radio，Cognitive Wireless Communication Network-Springer.com.

［7］LETAIEF K B，ZHANG Wei. Cooperative Spectrum Sensing，Cognitive Wireless Communication Network-Springer.com.

［8］陆建勋.短波自适应通信新体制原理探讨［J］.舰船无线电通信，1982，(3):1 －8.

［9］陆建勋.21世纪侦查技术对抗干扰通信的影响分析［J］.现代军事通信，2004，12(2).

Research on spectrum hole probability and effectiveness for a given period of time of dynamic spectrum of HF channel based on cognition

YAN Jian-feng，GUO Rui，TIAN Hua
(China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，China)

Through the specific location of spectrum hole in the working frequency band，HF cognitive system can ascertain the communication frequency.Based on the variation of noise power in the spectrum hole，HF cognitive system changes the working parameter to avoid the interference，which can significantly improve the system ability of anti-interference.Using energy detection method，we have inspected the HF channel for a long time.In this paper，we have studied the spectrum hole probability and effectiveness for a given period of time of spectrum hole and validated that the spectrum hole possess the character of optional and transient-stability.All those researches establish the foundation of HF dynamic spectrum access in engineering application.

spectrum hole;spectrum hole probability;effectiveness for a given period of time

TN97

A

1672－7649(2011)06－0056－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.06.014

2011－05－06

国家自然科学基金重点资助项目(60832006)

闫建峰(1980－)，男，硕士，工程师，主要从事短波抗干扰通信理论与技术研究。