基于主動(dòng)頻譜感知接入的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電臺(tái)研究

鄭仕鏈，楊小牛，何斌，楊偉程，陳永其

（1.通信信息控制和安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江嘉興 314033；2.西安電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，西安 710071；3.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所，浙江嘉興 314033）

基于主動(dòng)頻譜感知接入的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電臺(tái)研究

鄭仕鏈1，2，楊小牛1，3，何斌3，楊偉程3，陳永其1

（1.通信信息控制和安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江嘉興 314033；2.西安電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，西安 710071；3.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所，浙江嘉興 314033）

討論了所研制的工作于30～512 MHz的基于主動(dòng)頻譜感知接入的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電臺(tái)。該電臺(tái)實(shí)現(xiàn)了認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電動(dòng)態(tài)頻譜接入最為關(guān)鍵的幾大功能：頻譜感知、頻譜會(huì)合、頻譜監(jiān)視，以及頻譜切換。試驗(yàn)結(jié)果表明，該電臺(tái)具備在不依賴(lài)于公共控制信道的情況下自動(dòng)尋找空閑信道建立鏈路的能力，也具備在當(dāng)前通信信道上出現(xiàn)主用戶(hù)信號(hào)或其他干擾信號(hào)時(shí)自動(dòng)切換到其他空閑信道上繼續(xù)通信的能力，為認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的實(shí)用化提供了很好的借鑒。

認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電；動(dòng)態(tài)頻譜接入；頻譜感知；會(huì)合；頻譜切換

0 引 言

認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電（CR，Cognitive Radio）的概念最早由Joseph Mitolla III于1999年提出［1］。自此以后，CR吸引了學(xué)術(shù)界、工業(yè)界、監(jiān)管領(lǐng)域等的濃厚興趣。作為一種智能系統(tǒng)，CR能夠感知外部環(huán)境、自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)并不斷進(jìn)行學(xué)習(xí)，以適應(yīng)外部環(huán)境的變化。CR的一個(gè)最引人注目的應(yīng)用即為解決當(dāng)前頻譜稀缺及頻譜利用率低下的局面。

一系列實(shí)測(cè)結(jié)果表明，當(dāng)前，在特定時(shí)間、特定地點(diǎn)，授權(quán)頻譜的利用率比較低下，這主要是由于傳統(tǒng)指揮控制形式的頻譜監(jiān)管政策造成的。在這種頻譜政策下，特定頻段分配給特定的應(yīng)用，即使該頻段空閑，其他應(yīng)用或設(shè)備也不能使用，因此就造成了使用上的浪費(fèi)。CR可以通過(guò)動(dòng)態(tài)頻譜接入（DSA，Dynamic Spectrum Access）來(lái)緩解該局面［2］。DSA允許非授權(quán)用戶(hù)使用未被占用的授權(quán)頻段，只要它們不對(duì)授權(quán)用戶(hù)的通信造成干擾即可。未被占用的頻譜部分也被稱(chēng)為頻譜空穴。DSA使用頻譜空穴的示意圖如圖1所示。在DSA中，傳統(tǒng)的授權(quán)用戶(hù)被稱(chēng)為主用戶(hù)（PU，Primary User），而使用授權(quán)頻段的CR用戶(hù)被稱(chēng)為次用戶(hù)（SU，Secondary User）。

圖1 動(dòng)態(tài)頻譜接入示意圖

DSA的實(shí)現(xiàn)需要解決一系列關(guān)鍵技術(shù)，包括頻譜感知、頻譜會(huì)合、頻譜切換等。隨著研究的深入，也逐漸出現(xiàn)了一些試驗(yàn)平臺(tái)和演示系統(tǒng)。比如，在2008年，為了評(píng)估DSA的可行性，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC，F(xiàn)ederal Communication Commission）對(duì)Motorola、Philips、Adaptrum，以及I2R的原理樣機(jī)進(jìn)行了室內(nèi)和室外環(huán)境的測(cè)試［3］。這些公司提供的原型設(shè)備均具有電視信號(hào)的感知功能、通信功能，以及地理定位功能。測(cè)試結(jié)果表明，對(duì)電視信號(hào)的檢測(cè)較為可靠，而對(duì)無(wú)限麥克風(fēng)的檢測(cè)穩(wěn)定性則要差。在2009年，美國(guó)Virginia的Claudville部署了第一個(gè)公共DSA網(wǎng)絡(luò)［4］，該網(wǎng)絡(luò)使用的設(shè)備來(lái)自Spectrum Bridge、Microsoft和 Dell。在 2010年，美國(guó) North Carolina的Wilmington在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步部署了第一個(gè)大范圍的“智慧城市”網(wǎng)絡(luò)［5］。這些網(wǎng)絡(luò)的部署從一定程度上表明在電視頻段實(shí)現(xiàn)DSA技術(shù)的可行性。

商業(yè)上DSA的演示驗(yàn)證主要以電視頻段為主，電視頻段PU的活動(dòng)性相對(duì)平穩(wěn)，因此DSA的實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)在于頻譜感知，對(duì)頻譜會(huì)合及頻譜切換等技術(shù)的實(shí)現(xiàn)要求要低。在軍事領(lǐng)域，DSA試驗(yàn)平臺(tái)的研究則以美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA，Defense Advanced Research Projects Agency）的下一代（XG，NeXt Generation）以及下下一代網(wǎng)絡(luò)（WNaN，Wire+ less Network after Next）計(jì)劃為代表。DARPA早在2002年就啟動(dòng)了XG計(jì)劃［6］，開(kāi)展DSA和認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)的研究，探索軍事上多個(gè)設(shè)備在空間和時(shí)間上共享頻譜的潛力，期望將頻譜利用率提高10～20倍。2006年8月15～17日，DARPA首次公開(kāi)演示了6個(gè)XG無(wú)線(xiàn)電臺(tái)組成的網(wǎng)絡(luò)，對(duì)功能和性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試［7］，該網(wǎng)絡(luò)工作頻段為225～600 MHz，信道帶寬為1.75 MHz，其具備動(dòng)態(tài)頻譜接入功能。繼XG計(jì)劃之后，DAR+ PA在2006年又啟動(dòng)了WNaN計(jì)劃［8，9］。WNaN利用DSA作為其基本功能，旨在為美軍開(kāi)發(fā)能感知電磁環(huán)境、自主選擇通信頻率的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電通信，提供具有自適應(yīng)功能的自組織、ad hoc組網(wǎng)技術(shù)。WNaN無(wú)線(xiàn)電具有4個(gè)獨(dú)立的收發(fā)信機(jī)，頻段覆蓋900 MHz～6 GHz。XG及WNaN從更寬頻段上驗(yàn)證了DSA的應(yīng)用潛力。

DSA技術(shù)發(fā)展至今急需要實(shí)際系統(tǒng)的驗(yàn)證。國(guó)外無(wú)論是民用領(lǐng)域還是軍用領(lǐng)域，均對(duì)DSA功能進(jìn)行了演示和試驗(yàn)驗(yàn)證。下面則討論所研制的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電臺(tái)，其功能涵蓋了DSA的各個(gè)方面，包括頻譜感知、頻譜會(huì)合、帶內(nèi)感知、頻譜切換等。該電臺(tái)對(duì)先前提出的一系列算法和協(xié)議進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，從試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了這些功能的可行性。

1 動(dòng)態(tài)頻譜接入

認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電動(dòng)態(tài)頻譜接入最主要的目的是機(jī)會(huì)式使用主用戶(hù)當(dāng)前不使用的頻譜空穴，以提高頻譜利用率，其基本工作過(guò)程如圖2所示。

圖2 動(dòng)態(tài)頻譜接入基本過(guò)程

以下對(duì)其中關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。

●頻譜感知（通信前）［10］。在通信之前，頻譜感知主要實(shí)現(xiàn)對(duì)周?chē)姶怒h(huán)境的普查，通過(guò)在時(shí)域、頻域和空域等多維空間，檢測(cè)感知頻段內(nèi)主用戶(hù)是否正在工作，從而完成“頻譜空穴”的檢測(cè)。“頻譜空穴”即為主用戶(hù)暫時(shí)未使用的頻段，認(rèn)知用戶(hù)有望在“頻譜空穴”上建立通信。

●頻譜會(huì)合［11］。頻譜會(huì)合是指根據(jù)所確定的通信參數(shù)，建立發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的初始通信鏈路，完成發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的初始握手。

●頻譜感知（通信中）。通信過(guò)程中頻譜感知的目的與通信之前有所不同。通信過(guò)程中，需要對(duì)通信信道內(nèi)主用戶(hù)活動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)視，即帶內(nèi)感知［12］。除此之外，還需要對(duì)其他信道進(jìn)行感知（帶外感知），為頻譜切換目標(biāo)信道的選擇做好準(zhǔn)備。

●頻譜切換［13］。當(dāng)帶內(nèi)感知到主用戶(hù)信號(hào)時(shí)，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電必須改變其工作頻率，尋找另一個(gè)“頻譜空穴”繼續(xù)通信，此過(guò)程即為頻譜切換。頻譜切換應(yīng)盡可能快速地進(jìn)行，確保在頻譜切換中最大限度地降低認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電用戶(hù)的業(yè)務(wù)性能損失。

所研究的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜接入基本過(guò)程，對(duì)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電動(dòng)態(tài)頻譜接入所涉及的主要關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電臺(tái)

所研制的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電臺(tái)是一種集寬帶頻譜感知、盲頻譜會(huì)合、帶內(nèi)感知和頻譜切換等功能于一體的基于軟件無(wú)線(xiàn)電體系結(jié)構(gòu)的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電時(shí)分雙工通信電臺(tái)，其最主要特點(diǎn)是提出并實(shí)現(xiàn)了無(wú)需控制信道、無(wú)需時(shí)間同步、無(wú)需基礎(chǔ)設(shè)施支持，能適應(yīng)通信雙方頻譜環(huán)境不一致情況，適應(yīng)通信雙方頻譜環(huán)境動(dòng)態(tài)變化情況，具備安全性的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電寬帶盲初始鏈路會(huì)合方法，以及快速頻譜切換方法。待通信雙方在不依賴(lài)公共控制信號(hào)、不需要知道對(duì)方任何頻率信息的情況下能夠自動(dòng)尋找空閑信道建立通信鏈路，開(kāi)始通信；通信過(guò)程中雙方實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測(cè)外部頻譜環(huán)境，并實(shí)時(shí)分析當(dāng)前通信信道質(zhì)量，在當(dāng)前通信信道內(nèi)出現(xiàn)主用戶(hù)或當(dāng)前信道質(zhì)量嚴(yán)重惡化時(shí)，通信雙方能自動(dòng)快速切換到其他空閑信道上繼續(xù)通信。以下對(duì)該電臺(tái)的算法、協(xié)議，以及硬件進(jìn)行討論。

2.1 算法和協(xié)議設(shè)計(jì)

本小節(jié)給出所研制的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電臺(tái)采用的算法及協(xié)議，重點(diǎn)討論與認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電動(dòng)態(tài)頻譜接入工作過(guò)程密切相關(guān)的算法與協(xié)議（如上一節(jié)所述），而對(duì)傳統(tǒng)通信相關(guān)的算法（如調(diào)制／解調(diào)、編解碼等等）不做介紹。

2.1.1 頻譜感知

電臺(tái)中采用的寬帶頻譜感知為基于功率譜估計(jì)的頻域能量檢測(cè)方法。功率譜估計(jì)采用多抽頭譜估計(jì)方法。由于各個(gè)頻率的噪聲基底不同，再加上接收機(jī)模擬前端器件的影響，感知頻段內(nèi)接收到的信號(hào)噪聲基底往往是不平坦的，這給能量檢測(cè)門(mén)限設(shè)定帶來(lái)了一定難度。為解決該問(wèn)題，估計(jì)出功率譜后，對(duì)噪聲基底進(jìn)行在線(xiàn)估計(jì)；估計(jì)出噪聲基底后，在功率譜上去除該基底，從而去除不平坦噪聲基底的影響。

在門(mén)限設(shè)定上，采用基于前向連續(xù)均值切除法的方法［14］，該方法無(wú)需估計(jì)噪聲功率，這對(duì)實(shí)際實(shí)現(xiàn)幫助很大。設(shè)為信號(hào)x（n）的離散功率譜數(shù)據(jù)，將觀測(cè)值yi按從小到大的順序進(jìn)行排序，為表示方便，用表示排序后的觀測(cè)序列。選擇值最小的m個(gè)觀測(cè)值作為初始“純凈”集，該集合通常為整個(gè)觀測(cè)集合的一小部分，例如5%或10%。針對(duì)，計(jì)算。如果（T為某一門(mén)限值），令m＝m＋1，重新計(jì)算zm；否則，終止算法。持續(xù)該過(guò)程直到算法終止時(shí)，λ＝Tzm即為判決門(mén)限。

將去除非平坦噪聲基底影響后的功率譜與判決門(mén)限進(jìn)行比較，就可以得到頻譜感知結(jié)果。根據(jù)頻譜感知結(jié)果，通信雙方在通信過(guò)程中需要維持一張頻譜占用圖，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。頻譜占用圖中標(biāo)明了每個(gè)信道的狀態(tài)：被主用戶(hù)占用還是空閑，分別用0和1表示。所設(shè)計(jì)的信道帶寬為25 kHz，60 MHz包含2 400個(gè)信道，一次感知即得到2 400個(gè)信道狀態(tài)，每個(gè)信道狀態(tài)為0或1。

2.1.2 頻譜會(huì)合

當(dāng)通信雙方有通信需求時(shí)，則需要建立發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的初始通信鏈路，該過(guò)程稱(chēng)為頻譜會(huì)合。由于發(fā)送端和接收端經(jīng)歷的無(wú)線(xiàn)電環(huán)境不同，可用頻譜空穴不同，加之初始被呼端在鏈路建立之前并不知道初始呼叫發(fā)起端的載頻信息，所以認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電鏈路初始化與傳統(tǒng)通信有很大不同。

根據(jù)是否依賴(lài)公共控制信道，可以將頻譜會(huì)合分為兩類(lèi)：非盲會(huì)合及盲會(huì)合。非盲會(huì)合通過(guò)一條公共控制信道完成信息交互建立鏈路；盲會(huì)合則不依賴(lài)任何公共控制信道。研究中采用曾在文獻(xiàn)［15］中提出的一種盲會(huì)合方法。即發(fā)起端進(jìn)行寬帶頻譜感知，在某個(gè)頻譜空穴上發(fā)送呼叫，并偵聽(tīng)回應(yīng)，如果偵聽(tīng)到回應(yīng)，則鏈路會(huì)合完成，開(kāi)始通信；如果不成功，則在另一個(gè)頻譜空穴上發(fā)送呼叫，如此反復(fù)。被呼端則始終處于感知狀態(tài)，實(shí)時(shí)檢測(cè)信道狀態(tài)，判斷新出現(xiàn)的信號(hào)是否是初始呼叫發(fā)起端的鏈路建立信號(hào)，若是，則發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，會(huì)合完成；否則繼續(xù)進(jìn)行寬帶頻譜感知，重復(fù)上述過(guò)程直到鏈路建立為止。

2.1.3 帶內(nèi)感知

為避免對(duì)主用戶(hù)造成干擾，也為了避免自身受到其他信號(hào)的影響，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電在通信的同時(shí)仍然需要進(jìn)行頻譜感知，包括帶內(nèi)感知和帶外感知。帶內(nèi)感知與認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電當(dāng)前使用的通信信道相關(guān)，其目的在于判斷是否有主用戶(hù)或其他的干擾信號(hào)出現(xiàn)；帶外感知與所有除了當(dāng)前通信信道外的其他信道相關(guān)，其目的是更新其他信道的狀態(tài)。

對(duì)于帶內(nèi)信道，本項(xiàng)目采用802.22中類(lèi)似的靜默期機(jī)制來(lái)感知主用戶(hù)［12］，即在信息傳送后預(yù)留固定數(shù)量的時(shí)隙進(jìn)行周期性感知，這段時(shí)隙稱(chēng)為靜默期。靜默期間，發(fā)送端和接收端均不進(jìn)行信息傳輸，以保證帶內(nèi)感知到的是主用戶(hù)信號(hào)和其他干擾，而不是自身的通信信號(hào)。靜默期示意圖，如圖3所示。

圖3 帶內(nèi)感知靜默期

2.1.4 頻譜切換

當(dāng)帶內(nèi)感知到主用戶(hù)信號(hào)或其他干擾信號(hào)時(shí)，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電必須改變其工作頻率，尋找另一個(gè)頻譜空穴繼續(xù)通信，此過(guò)程即為頻譜切換。頻譜切換應(yīng)盡可能快地進(jìn)行，確保在頻譜切換中最大限度地降低認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電用戶(hù)的業(yè)務(wù)性能損失。本電臺(tái)通信過(guò)程中，在靜默感知期間，只要收發(fā)雙方中的任何一方感知到了帶內(nèi)信號(hào)，則啟動(dòng)頻譜切換。頻譜切換過(guò)程采用曾在文獻(xiàn)［16、17］中提出的方法。簡(jiǎn)要來(lái)說(shuō)，通信雙方在通信過(guò)程中維持目標(biāo)信道序列，當(dāng)檢測(cè)到帶內(nèi)出現(xiàn)主用戶(hù)信號(hào)時(shí)，切換到目標(biāo)信道上嘗試建立鏈路。目標(biāo)信道選擇機(jī)制按照平均空閑時(shí)間遞減的順序進(jìn)行選擇，這種選擇方式在文獻(xiàn)［16、17］中被證明能夠保證在多種分布下得到最小切換失敗概率。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

所研制的基于主動(dòng)頻譜感知接入的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電臺(tái)工作頻段為30 MHz～512 MHz，支持時(shí)分雙工通信，通信方式為話(huà)音及數(shù)據(jù)。

認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的硬件平臺(tái)采用可擴(kuò)展、可重構(gòu)，兼容性強(qiáng)的軟件無(wú)線(xiàn)電平臺(tái)［18］。具體來(lái)說(shuō)，硬件平臺(tái)由模擬電路和數(shù)字電路兩大部分組成，模擬電路由天線(xiàn)模塊、本振和寬帶上下變頻模塊等組成。信號(hào)處理模塊主要由高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC，Analogto－Digital Converter）、高速DSP和大規(guī)模FPGA等組成。

模擬部分如圖4所示，采用寬帶數(shù)字中頻體制，采用高中頻方案。這種結(jié)構(gòu)與常規(guī)的超外差接收機(jī)結(jié)構(gòu)是類(lèi)似的，兩者的本質(zhì)區(qū)別是中頻帶寬不一樣。常規(guī)超外差接收機(jī)的中頻是窄帶的，而圖4所示結(jié)構(gòu)中中頻帶寬是寬帶的。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于射頻“寬開(kāi)化”、中頻“寬帶化”，符合寬帶頻譜感知的要求。這種結(jié)構(gòu)避免了射頻直接帶通采樣對(duì)ADC工作帶寬的過(guò)高要求，也避免了超寬帶采樣對(duì)ADC采樣速率的過(guò)高要求，但是這種結(jié)構(gòu)射頻前端硬件復(fù)雜度也相對(duì)較高。在商用ADC器件無(wú)法滿(mǎn)足要求的情況下，增加前端的硬件復(fù)雜度還是值得的。

圖4 模擬部分框圖

數(shù)字信號(hào)處理模塊采取寬帶中頻軟件無(wú)線(xiàn)電體制，如圖5所示，主要由高速DSP和大規(guī)模FPGA組成處理核心。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電頻譜感知、頻譜切換等關(guān)鍵功能均在該信號(hào)處理模塊中實(shí)現(xiàn)。

所研制的模擬前端和數(shù)字處理板實(shí)物圖，如圖6所示。其中模擬前端包括上變頻模塊、下變頻模塊、本振模塊，同時(shí)還有一個(gè)控制模塊。數(shù)字處理板則完成中頻處理任務(wù)，由ADC、DAC、數(shù)字上變頻器、數(shù)字下變頻器、FPGA，以及DSP等組成，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電算法和協(xié)議均在該處理板上實(shí)現(xiàn)。

圖5 信號(hào)處理模塊

圖6 認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電臺(tái)實(shí)物圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)該電臺(tái)的各項(xiàng)功能進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，主要測(cè)試認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的寬帶頻譜感知功能、頻譜盲會(huì)合功能，以及快速頻譜切換功能。試驗(yàn)環(huán)境為室內(nèi)無(wú)線(xiàn)通信環(huán)境，直接以天線(xiàn)發(fā)射無(wú)線(xiàn)信號(hào)來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。

通過(guò)在30 MHz～512 MHz工作頻段的反復(fù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電能夠在無(wú)需知道對(duì)方頻率信息的情況下自動(dòng)尋找空閑的信道建立鏈路，鏈路建立適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的頻譜環(huán)境，適應(yīng)雙方頻譜環(huán)境不一致的情況。在當(dāng)前通信信道遭受主用戶(hù)重新占用時(shí)，能夠自動(dòng)快速切換到其他空閑信道上繼續(xù)通信。

3.1 頻譜感知功能試驗(yàn)

首先對(duì)頻譜感知功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。噪聲基底估計(jì)結(jié)果，如圖7所示。其中數(shù)據(jù)由FPGA導(dǎo)出，再由Matlab繪圖而成。圖中橫坐標(biāo)沒(méi)有標(biāo)明具體的頻率值，而只是給出了FFT后的樣點(diǎn)索引。由圖7（a）可知，信號(hào)非常密集，圖7（a）中最底下的線(xiàn)為估計(jì)所得的噪聲基底，它自適應(yīng)跟蹤了噪聲的非平坦特性；圖7（b）中給出了去除估計(jì)所得噪聲基底譜后的信號(hào)功率譜，由圖可知，信號(hào)功率譜中噪聲基底已經(jīng)變得平坦，這也說(shuō)明了這種自適應(yīng)噪聲基底估計(jì)方法的有效性。

圖7 自適應(yīng)噪聲基底估計(jì)結(jié)果

針對(duì)上述去除非平坦噪聲基底影響后的功率譜進(jìn)行FCME檢測(cè)后的結(jié)果，如圖8所示。其中矩形高值表示該頻率被主用戶(hù)占用，低值表示為頻譜空穴。從圖8中可以看出，該方法較準(zhǔn)確地找到了各個(gè)主用戶(hù)信號(hào)。

3.2 頻譜會(huì)合功能試驗(yàn)

所研制的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)找到當(dāng)前頻譜環(huán)境中未被占用的頻譜空穴，并在頻譜空穴上建立鏈路進(jìn)行通信。圖9（a）給出了一種外部無(wú)線(xiàn)環(huán)境（頻譜儀截圖），通過(guò)信號(hào)源模擬外部頻譜環(huán)境，在兩端發(fā)射寬帶信號(hào)，在中間特意流出一個(gè)凹谷作為當(dāng)前頻譜環(huán)境的頻譜空穴；圖9（b）給出的是的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電樣機(jī)在這種外部無(wú)線(xiàn)頻譜環(huán)境下建立鏈路后的通信情況。由圖可知，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電成功找到了頻譜空穴，成功建立鏈路進(jìn)行通信。圖10（a）則給出一種在右邊留一定空穴的頻譜環(huán)境，圖10（b）為在這種環(huán)境下認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電建立的鏈路，由圖可知，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電同樣找到了頻譜空穴并成功建立了鏈路進(jìn)行通信。

3.3 頻譜切換功能試驗(yàn)

對(duì)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的頻譜切換功能也進(jìn)行了大量試驗(yàn)，即測(cè)試認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電通信過(guò)程中對(duì)主用戶(hù)的在線(xiàn)檢測(cè)功能，以及主用戶(hù)出現(xiàn)后快速切換到空閑信道上的快速頻譜切換功能。一個(gè)試驗(yàn)結(jié)果，如圖11所示。

圖8 頻譜感知結(jié)果

圖9 認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電在頻譜空穴上通信試驗(yàn)1

圖10 認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電在頻譜空穴上通信試驗(yàn)2

圖11 認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電頻譜切換功能試驗(yàn)

圖11（a）中認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電在94.900 MHz上通信，通過(guò)信號(hào)源在94.900 MHz上發(fā)射信號(hào)，則認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電立即切換到了98.825 MHz上繼續(xù)通信，如圖11（b）所示；再在98.825 MHz上發(fā)射信號(hào)，發(fā)現(xiàn)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電立即切換到了91.150 MHz上繼續(xù)通信，避開(kāi)了98.825 MHz上的主用戶(hù)信號(hào)，如圖11（c）所示。

4 應(yīng)用設(shè)想

上述試驗(yàn)對(duì)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電動(dòng)態(tài)頻譜接入功能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)于動(dòng)態(tài)頻譜接入算法、協(xié)議設(shè)計(jì)，以及實(shí)際實(shí)現(xiàn)具有指導(dǎo)意義。該電臺(tái)除了在認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電領(lǐng)域具有很強(qiáng)應(yīng)用前景外，在其他領(lǐng)域也具有重要應(yīng)用潛力。

4.1 軍事抗干擾通信

現(xiàn)代軍事通信中，戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，各種有意干擾和無(wú)意干擾此起彼伏，在這種復(fù)雜的無(wú)線(xiàn)干擾環(huán)境下，保證通信的可靠性至關(guān)重要，直接關(guān)系到通信成敗與部隊(duì)的生死存亡。已有的抗干擾通信可以分為以下幾類(lèi)。（1）頻域抗干擾技術(shù)，以擴(kuò)頻為代表，包括直接序列擴(kuò)頻，跳頻及跳擴(kuò)結(jié)合的抗干擾體制；（2）時(shí)域抗干擾技術(shù)，包括觸發(fā)通信，跳時(shí)等；（3）空域抗干擾技術(shù)，主要為自適應(yīng)調(diào)零天線(xiàn)、智能天線(xiàn)；（4）糾錯(cuò)碼技術(shù)。具體應(yīng)用上則是這些抗干擾技術(shù)的組合。這些抗干擾技術(shù)被動(dòng)性較強(qiáng)，主動(dòng)性不夠。如果將敵方的干擾作為“主用戶(hù)”進(jìn)行對(duì)待，則利用DSA，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電完全可以避開(kāi)干擾，從而達(dá)到主動(dòng)式的抗干擾的目的。因此，本文研制的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電臺(tái)可以直接用于軍事抗干擾環(huán)境，為抗干擾通信提供一條新的途徑。

4.2 短波通信

短波通信是一種歷史悠久的通信方式，其不需要中繼就可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，其優(yōu)點(diǎn)是其他通信方式無(wú)可替代的。然而，由于電離層特點(diǎn)隨時(shí)間、空間和頻率變化，短波信道質(zhì)量變化很大，因此，短波鏈路建立和維持是短波通信最具挑戰(zhàn)性的難點(diǎn)問(wèn)題。由于所設(shè)計(jì)的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電臺(tái)所采用的會(huì)合技術(shù)和切換技術(shù)均不依賴(lài)于控制信道，而且建立和切換后的鏈路均在能夠保證服務(wù)質(zhì)量的信道上，因此，將該認(rèn)知電臺(tái)推廣到短波頻段就能為短波通信提供一種自適應(yīng)建鏈和選頻機(jī)制，而提高短波通信的可靠性。

4.3 災(zāi)難應(yīng)急通信

在自然災(zāi)害（洪水、地震等）情況下，由于基礎(chǔ)設(shè)施遭到破壞，傳統(tǒng)的依賴(lài)于基礎(chǔ)設(shè)施的移動(dòng)手機(jī)等無(wú)法正常通信，這給救災(zāi)活動(dòng)帶來(lái)了很大不便。汶川地震、日本海嘯等自然災(zāi)害事件中，通信功能遭受破壞引起的受災(zāi)人員心理恐慌、呼救不暢、救援受阻等突出問(wèn)題也引起了通信領(lǐng)域研究人員的思考?；贒SA的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電臺(tái)則能保證在這種無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施情況下的正常通信。兩個(gè)認(rèn)知電臺(tái)通過(guò)在空閑的頻譜上自動(dòng)建立鏈路達(dá)到通信的目的，無(wú)需基礎(chǔ)設(shè)施的支持。因此，在災(zāi)難應(yīng)急響應(yīng)情況下，所研制的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電臺(tái)也具有很好的應(yīng)用潛力。

5 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)所研制的DSA認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電臺(tái)進(jìn)行了介紹，討論了該電臺(tái)采用的關(guān)鍵算法、協(xié)議及硬件設(shè)計(jì)，給出了試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明，該電臺(tái)具備在不依賴(lài)于公共控制信道的情況下自動(dòng)尋找空閑信道建立鏈路的能力，也具備在當(dāng)前通信信道上出現(xiàn)主用戶(hù)信號(hào)或其他干擾信號(hào)時(shí)自動(dòng)切換到其他空閑信道上繼續(xù)通信的能力，為認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的實(shí)用化提供了很好的借鑒。該電臺(tái)除了可以應(yīng)用在動(dòng)態(tài)頻譜接入領(lǐng)域外，在軍事抗干擾通信、短波通信，以及災(zāi)難應(yīng)急響應(yīng)通信等場(chǎng)景均具有很好的應(yīng)用前景。后續(xù)研究可以考慮將兩個(gè)電臺(tái)的通信場(chǎng)景擴(kuò)展到通信網(wǎng)絡(luò)的情況，以進(jìn)一步驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的認(rèn)知功能。

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鄭仕鏈（1984—），男，在讀博士研究生，研究方向?yàn)檎J(rèn)知無(wú)線(xiàn)電、進(jìn)化算法、壓縮感知，發(fā)表論文30余篇，其中SCI收錄10余篇；

E+mail：lianshizheng＠126.com

楊小牛（1961—），男，中國(guó)工程院院士，研究員，博士生導(dǎo)師，中國(guó)電子學(xué)會(huì)會(huì)士，享受?chē)?guó)務(wù)院政府特貼，新世紀(jì)百千萬(wàn)人才工程國(guó)家級(jí)人選，浙江省特級(jí)專(zhuān)家，研究方向?yàn)橥ㄐ艑?duì)抗、軟件無(wú)線(xiàn)電、認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電，曾發(fā)表論文數(shù)十篇，獲國(guó)家科技進(jìn)步一、二等獎(jiǎng)各一次；

何 斌（1979—），男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾盘?hào)分析與基帶處理；

楊偉程（1983—），男，工程師，研究方向?yàn)樾盘?hào)處理及FPGA實(shí)現(xiàn)；

陳永其（1969—），男，研究員，研究方向?yàn)橥ㄐ艑?duì)抗、軟件無(wú)線(xiàn)電、通信技術(shù)。

Cognitive Radio Testbed Based on Active Spectrum Sensing and Access

ZHENG Shi+lian1，2，YANG Xiao+niu1，2，HE Bin3，YANGWei+cheng3，CHEN Yong+qi1
（1.Science and Technology on Communication Information Security Control Laboratory，Zhejiang Jiaxing 314033，China；2.School of Telecommunications Engineering，Xidian University，Xi'an 710071，China；3.The 36th Research Institute of CETC，Zhejiang Jiaxing 314033，China）

A cognitive radio testbed for dynamic spectrum access is discussed，which works in the fre+ quency range spanning from 30 MHz to 512 MHz.It realizes several key technologies of dynamic spec+ trum access including spectrum sensing，rendezvous，inband sensing and spectrum handoff.Field testing results show that the testbed can find vacant channel to establish communication link without predefining a common control channel，and it can handoff to another vacant channel to continue the transmission when the current channel is reoccupied by primary user.The testbed offers away for realization of cogni+ tive radio technology.

cognitive radio；dynamic spectrum access；spectrum sensing；rendezvous；spectrum handoff

TN92

：A

：1673+5692（2014）06+563+08

10.3969／j.issn.1673+5692.2014.06.003

2014+09+25

2014+11+17