一种动态频谱接入系统的仿真设计

裴小东，王 琳，刘 为

(1.解放军91655部队，北京 100036；2.中国电子科技集团公司第七研究所，广东 广州 510310)

一种动态频谱接入系统的仿真设计

裴小东1，王 琳2，刘 为2

(1.解放军91655部队，北京 100036；2.中国电子科技集团公司第七研究所，广东 广州 510310)

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。

无线通信；动态频谱接入；认知无线电；软件无线电；频谱感知

0 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[1]。

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。

1 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。

2 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。

3 动态频谱接入系统

3.1 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100 MHz14位ADCs和400 MHz16位DACs处理能力，千兆以太网传输速率100 MB/s，能处理的最大宽度25 MHz。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

3.2 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。

3.3 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4 FFT运算结构流图

3.4 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。

3.5 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。

3.6 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500 W，发射频段为30 MHz～88 MHz，干扰频率的信道间隔为25 kHz，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

4 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。

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Simulation Design of Dynamic Spectrum Access System

PEI Xiao-dong1，WANG Lin2，LIU Wei2

(1.Unit 91655 of PLA，Beijing 100036，China；2.China Electronics Technology Group Corporation No.7 Research Institute, Guangzhou 510310, China)

In terms of wireless communication, lacking of spectrum resource and unsatisfied spectrum efficiency are long standing issues, which in turn stimulates enormous researching on dynamic spectrum access technology for cognitive radio. A system-level simulation design is proposed based on software defined radio platform, in which case the wireless communication network is enabled for efficient spectrum sensing, dynamic spectrum accessing and data communication. The data transceiving simulation results shown the validity of the dynamic spectrum access method that based on spectrum usage strategy the system can successfully select and switch to the proper frequency band, which means the utilization ratio of spectrum resource is remained in relative high level.

wireless communication；dynamic spectrum access； cognitive radio；software defined radio；spectrum sensing

10.3969/j.issn.1673-5692.2017.04.016

2017-06-20

2017-08-01

裴小东(1977—)，男，河南人，工程师，主要研究方向为短波通信和宽带无线通信；

E-mail：tangruibo@126.com

王 琳(1977—)，女，辽宁人，高级工程师，主要研究方向为认知无线电和计算机软件；

刘 为(1977—)，男，辽宁人，高级工程师，主要研究方向为宽带无线通信。

TP915

A

1673-5692(2017)04-414-06