动态频谱接入策略仿真研究

顾庆峰，左 彬，吴 皓

（1.海军驻广州地区通信军事代表室，广东 广州 510663；2.总装备部装甲兵军事代表局驻广州地区军事代表室，广东 广州 510656；3.中国电子科技集团公司第七研究所，广东 广州 510310）

动态频谱接入策略仿真研究

顾庆峰1，左 彬2，吴 皓3

（1.海军驻广州地区通信军事代表室，广东 广州 510663；2.总装备部装甲兵军事代表局驻广州地区军事代表室，广东 广州 510656；3.中国电子科技集团公司第七研究所，广东 广州 510310）

以联合战场复杂电磁环境为应用背景，提出了一种动态频谱接入策略，围绕该策略构建了动态频谱接入模型，并对动态频谱接入策略相应指标进行了仿真验证，解决了在频谱资源紧张和电磁干扰的条件下提升通信节点之间通信能力的问题，为频谱资源的合理分配、高效利用以及动态频谱接入控制提供技术参考。

动态频谱接入 接入策略 接入模型

1 引言

诸军兵种联合作战战场环境中，越来越多的用频设备使得频谱资源供不应求。由于用频设备之间存在电磁干扰，影响通信节点之间的通信能力。电磁干扰主要有两个方面[1]：一是来自系统网络内部的干扰；二是外部有意或无意的干扰，这是系统能否正常生存的关键因素。如何在频谱资源紧张和电磁干扰的条件下提高通信节点之间的通信能力，是亟待解决的问题。

从现有研究结果可以看出，在现有静态的频谱管理方式下，频谱资源的使用主要存在两个问题：一是可用频谱资源紧缺，但部分已分配频段的利用率却很低[2]；二是系统的频谱需求动态变化，但频谱划分却是固定的。上述问题表明，目前频谱资源紧张的现状并不是真正“物理上的稀缺”，而是由静态的频谱管理方式导致的结构性矛盾。

根据IEEE 1900.1标准的定义，DSA（DynamicSpectrum Access，动态频谱接入）是一种可以在一定频谱使用权限范围内动态地选择工作频谱，并利用在一定时域、空域和频域上出现的频谱空洞或白区进行通信的无线电技术[3-4]。从接入策略角度看，动态频谱接入是在频谱管理中不再固定地将某段频谱资源指配给某个用频系统，并可以采用接近实时的方式调整频谱资源的使用，灵活地分配频谱资源，以适应不断改变的客观通信环境[5]。动态频谱接入策略是对频谱资源动态使用的一组规则，根据需要分配和使用频谱空洞，实现频谱的高效利用[6]。

2 场景设定

超短波跳频电台是常用的无线通信方式之一，其通信频段在VHF（Very High Frequency，甚高频）、UHF（Ultra High Frequency，特高频）频段内，可用频率资源有限。由超短波电台组成的无线通信网系架构部署图如图1所示：

图1 网系架构部署图

通管设备包含用频资源动态配置系统和网管。通信节点连接骨干网，包含终端、DSA设备、电台（包括业务信道和信令信道）。通信分节点连接分组网。通信节点之间通过超短波跳频电台进行通信，包含终端、DSA设备、电台（只有1个信道，业务信道和信令信道共用）。1个通信节点可以对应多个通信设备。

3 模型构建

构建动态频谱接入模型：由干扰模型、感知模型、波形模型和交互模型4个模型所组成。

3.1 干扰模型

战场复杂电磁环境下，将包含2种干扰：己方用频设备之间的自扰互扰；外部干扰源施加的干扰。

（1）基本噪声模型

考虑己方互扰自扰因素，设定基础背景噪声模型。其范围为-120dBm至-80dBm，随机生成。

（2）外部干扰模型

外部干扰源施加的干扰是引起通信可通率的主要原因。根据战场常见的2种外部干扰类型（梳状干扰和跟踪干扰），设定干扰模型。干扰模型考虑的要素有：干扰源的发射功率、施加干扰的地域、频域范围、干扰类别等。设定干扰源的发射功率为500W，发射频段为30MHz至88MHz，干扰频率的信道间隔为25kHz，干扰变化的时间设定为10s。

梳状干扰的干扰频率分布为等间隔梳齿状分布。设定最小间隔比例为3、最大间隔比例为10，每次仿真开始时，在此范围内随机生成干扰间隔比例，在用频频段内按照间隔随机生成干扰频率。

跟踪干扰的干扰频率跟随使用频率变动，使用频率变更后干扰频率和使用频率的差别跟随时间变化而减少。设定初始间隔为10，干扰逐步逼近的比例为0.8。假定开始的干扰频率与实际工作频率的间隔为10×25kHz，经过一个干扰变化的周期后，则干扰频率与实际工作频率的间隔为0.8×10×25kHz。

3.2 感知模型

实时的频谱感知是动态频谱接入技术的特点之一。通信节点的信令电台具有频谱感知能力。由于干扰模型本身为自己设定的干扰模型，故感知模型未单独再去设计模型，而是采用自由空间传播模型，具备感知能力的节点所感知频率的电平能量值为从干扰源到节点所在地经过自由空间传播损耗后的电平能量值，并在其中随机加入±3dB的误差[7]，再结合基础背景噪声模型，形成本仿真的感知模型。

3.3 波形模型

本仿真里主要有2种波形：某超短波电台跳频波形和DSA波形。

这里设定的波形参数主要考虑可通率。可通率即当前频率表内有一定数量频点被干扰，仍可成功通信的概率。设定噪声门限为-90dBm，普通频率表根据跳频表内超出噪声门限的点占跳频表数量的比例确定可通率。当可通率降低至75%时，到达设定门限，换频机制启动。传统超短波电台当换频机制启动时，在电台内置的多张跳频频率表内进行切换。本策略当换频机制启动时，DSA设备根据感知信息，利用可用频点生成新的跳频表并下发给电台，以实现可通率的提升。

超短波跳频波形可通率如图2所示：

图2 超短波跳频波形可通率

超短波跳频波形的可通率设定如下：

（1）0%的点被干扰对应可通率为100%；

（2）30%的点被干扰对应可通率为90%；

（3）70%的点被干扰对应可通率为40%；

（4）90%的点被干扰对应可通率为10%；

（5）100%的点被干扰对应可通率为0%。

3.4 交互模型

用频方案下发：用频资源动态配置系统生成用频方案，并下发给通信节点的D S A设备。下级通信分节点提出用频申请，由电台转发用频申请到通信节点的DSA设备。通信节点的DSA设备下发用频方案，经过电台转发，下发至分节点的DSA设备。通信节点和分节点的DSA设备都向电台加载用频方案。通信节点的业务电台和分节点电台进行业务交互。

换频机制触发：通信节点的信令电台始终进行实时感知，并把感知结果上报给通信节点的DSA设备。当信令电台感知到可通率在75%以下，即超过设定门限时，触发换频机制，根据感知频谱信息生成新的频率表[8-9]。

换频方案下发：分节点的DSA设备转入换频机制，向上级通信节点DSA设备申请用频方案，经电台无线转发申请换频请求。通信节点的DSA设备下发换频方案，通信双方电台加载用频方案[10]。

3.5 目标建模

基于车辆行进中通信的场景，建立了多个站点越区切换的模型，其场景如图3所示。该模型包含10辆通信节点车、100辆通信分节点车，通信分节点车的速度不高于60km/h，通信节点车低于通信分节点车的速度。

图3 越区切换

4 仿真结果

设置3种策略作为对比，以观察动态频谱接入策略能否有效提高通信节点之间的通信能力：

（1）无频管，依靠电台自身跳频抗干扰的能力；

（2）有频管，但换频只能根据实时干扰情况在电台内置的多张跳频频率表内进行切换；

（3）有频管，采用动态频谱接入策略动态换频，换频时根据实时干扰情况以及感知信息，利用可用频点生成新的跳频表。

仿真通信节点之间通信过程，模拟通信节点均已装备频谱接入控制系统，通过编程在仿真软件中实现动态频谱接入协议，在通信区域内随机施加一个发射功率为500W的干扰源，其干扰类型分为梳状干扰和跟踪干扰。

4.1 频谱接入策略仿真结果

本文利用通信成功率来衡量通信系统从换频开始到整个业务信息交互结束，通信过程能否完整完成。不同的频谱动态接入策略对提升通信的成功率也有显著的区别。通过施加不同的外部干扰（梳状干扰和跟踪干扰），对采用不同的频谱动态接入策略进行了仿真。观察1小时内通信成功率曲线的变化情况，按照不换频、更换频率表号和更换频点3种方式进行了统计与对比，具体如图4和图5所示。

通过图4和图5可以看出：在跟踪干扰的情况下，使用更换频点的频率动态接入策略相比其他方式更能显著提升通信成功率；在梳状干扰的情况下也能有效提升通信成功率，但相比更换频率表号的方式提升效果不是很明显。

图4 通信效果的影响（梳状干扰）

图5 通信效果的影响（跟踪干扰）

4.2 对通信效果影响的仿真结果

频繁对当前工作频率进行换频操作，有可能对整个通信网络造成抖动，同时也有可能使整个网络陷入瘫痪状态。基于此，下面将针对动态频谱接入对通信效果的影响进行仿真分析。

同样也考虑2种外部干扰情况，针对不同的动态频谱接入策略对通信效果的影响进行仿真，观察1小时内通信成功率曲线的变化情况。本文通过观察通信成功率曲线的波动程度来衡量换频后对通信效果的影响。

由图4和图5可以看出，在梳状干扰的情况下，通信成功率曲线出现较大波动，即通信效果较差时，不换频时与更换表号差别不大，其抖动主要出现在干扰的过程中；更换频点时，可以发现当通信效果下降时即进行更换，其通信效果一直维持较好的状态，即使出现抖动也只是小范围的波动，对通信效果影响较小。在跟踪干扰的情况下，通信成功率曲线有很大不同。不换频时，通信效果逐渐下降，且趋于0不再变化，说明在跟踪干扰的情况下不换频已无法通信；更换表号时，每次换频都会造成较大的波动，且通信效果没有质的变化；更换频点时，可以看出换频后其通信效果相对一直维持较好的状态，即使出现抖动也只是小范围的波动，对通信效果影响较小。

5 结论

本文以联合战场复杂电磁环境为应用背景，利用动态频谱接入技术，对动态频谱接入策略进行仿真。利用有限的频谱资源，在不同干扰情况下，保证通信节点之间正常通信，从而提升通信能力。仿真结果表明，该动态频谱接入策略具有以下优点：

（1）相比不换频的方法，2种外部干扰下，通信成功率均大幅提升；相比更换频率表号的方法，在跟踪干扰的情况下，通信成功率显著提升。

（2）2种外部干扰下，换频后通信效果均维持在较好状态，对通信效果的影响都较小。

总之，制定更有效的动态频谱接入策略，以提高通信系统的通信成功率和频谱利用率，是今后研究的重点。

[1] 魏奇. 基于认知无线电抗干扰技术分析[J]. 无线电通信技术, 2011,37(4): 56-58.

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[3] Zhao Q, Sadler B. A Survey of Dynamic Spectrum Access: Signal Processing, Networking, and Regulatory Policy[J]. IEEE Signal Processing Magazine, 2007,24(3): 79-89.

[4] 蒋师,屈代明,吴露露,等. 动态频谱接入技术的分类和研究现状[J]. 通信技术, 2008(11): 20-22.

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[6] Qing Z, Sadler B M. A Survey of Dynamic Spectrum Access[J]. IEEE Signal Processing Magazine, 2007,24(3): 79-89.

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[10] 苏曦. 基于认知系统中频谱特征的动态频谱分配与接入机制、资源优化方法研究[D]. 北京: 北京邮电大学, 2010.★

顾庆峰：高级工程师，硕士毕业于华南理工大学，现任职于海军驻广州地区通信军事代表室，主要研究方向为无线通信。

左彬：工程师，学士毕业于西安矿业学院，现任职于总装备部装甲兵军事代表局驻广州地区军事代表室，主要研究方向为通信工程。

吴皓：高级工程师，硕士毕业于武汉大学，现任职于中国电子科技集团公司第七研究所，主要研究方向为频谱管理。

Research on Simulation of Dynamic Spectrum Access Strategy

GU Qing-feng1, ZUO Bin2, WU Hao3
(1. Communication Military Representative Office of Navy in Guangzhou Area, Guangzhou 510663, China; 2. General Armaments Department Military Representative Office in Guangzhou, Guangzhou 510656, China; 3. China Electronics Technology Group Corporation No.7 Research Institute, Guangzhou 510310, China)

On the background of complex electromagnetic environment on joint battlefi eld, a dynamic spectrum access strategy was proposed in this paper. Based on the strategy, dynamic spectrum access model was built and the corresponding indicators of the strategy were simulated. It solved that communication capacity between nodes is enhanced in the conditions of both scarce spectrum resource and electromagnetic interferences. In addition, it provides a technical reference to reasonable allocation and effi cient utilization of spectrum, as well as dynamic spectrum access control.

dynamic spectrum access (DSA) access strategy access model

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.14.010

TN97

A

1006-1010(2015)14-0049-05

顾庆峰,左彬,吴皓. 动态频谱接入策略仿真研究[J]. 移动通信, 2015,39(14): 49-53.

2015-06-19

责任编辑：袁婷 yuanting@mbcom.cn