认知无线电环境下的新型无线电监测系统研究

唐千晶

认知无线电环境下的新型无线电监测系统研究

唐千晶

青海省无线电管理办公室西宁管理处，青海 西宁 810000

在频谱资源日益紧张的情况下，认知无线电技术能大大提高频谱的利用率，是未来通信系统将要采用的关键技术之一。在认知无线电环境下，现有的无线电监测系统已不能胜任新环境下的监测要求，必须对现有的无线电监测系统进行改进，形成一个针对认知无线环境下的新型无线电监测系统。

系统模型；系统区别；干扰信号；监测数据库维护；联网控制

1 系统模型

新的无线电监测系统必须对现有系统不足之处进行改进，合理地解决新环境下无线电监测问题。新型系统模型如图1所示。

2 新型无线电监测系统与现行的无线电监测系统的区别

2.1 电磁环境

现有的监测系统面临的电磁环境相对简单。电磁环境的作用在于接收信号，并简单地测定噪声，以为后续的信号判决做准备。新型的监测系统，面临的电磁环境更复杂，隶属不同业务类型的信号的出现随机而且多变。为了保障授权用户的权利，必须对电磁环境中的干扰进行合理的评估，并建立合理的分级机制，针对不同级别的干扰做出不同的监测反应[1]。

2.2 接收机系统

传统的监测接收机系统，由于知道授权信号的某些先验知识，因此可以针对性地设计接收机，从而识别接收信号，识别和测量参数。新型的监测系统中，大部分情况是需要在没有认知信号先验知识的情况下完成接收，所以接收机系统必须能接收、测量各种类型的信号。

图1 新型无线电监测系统模型

2.3 监测数据库系统

由于使用某个频段上的信号不再是固定的，因此新型的监测系统必须采用合理的方式记录和存储该频段上的信号，并相应地改变数据采集、分析的统计方式和内容。例如对频谱占用度的测量，传统的占用度测量结果只是显示了该频段上授权用户使用该频段的情况。在新型监测环境下，频谱的占用度不仅包括授权用户的使用，而且包括认知用户的使用。认知用户可能归属不同的通信业务，可以考虑对不同业务类型的信号的占用度进行统计[2]。

2.4 联网监测和数据共享

现有的监测系统联网监测功能较弱，对信号的监测限定在特定区域内，也不能实施更大范围的联合监测，数据库的更新和维护都属于本地操作。新型监测系统将各个监测子系统通过互联网连接起来。监测子系统除了完成本地日常监测之外，通过上一层的监测控制中心可以调度不同子系统，联合监测任务。此外，数据库的共享也通过网络连接实现，对不明信号的分辨和识别可以参考其他子系统的经验和已有的监测数据，以使无线电监测系统灵活且智能。

3 系统关键技术

认知无线电的特殊频谱共享方式，使得对某个频段上信号的归属判断不能再简单地通过判断信号的有无来决定，对干扰信号和非法信号的识别判定也不能简单地对比授权站台数据库来实现。除了信号归属的判断之外，联网信号监测和联网共享也需要制定一个统一的标准和规范。新型的无线电监测系统关键技术主要包括：信号归属判断，干扰信号、非法信号的识别、定位及消除，监测数据库的管理以及联网控制等。

3.1 干扰与非法信号的识别、定位及消除

一般来说，无线电干扰可以分为同频道干扰、带外干扰、互调干扰、杂散干扰和阻塞干扰等[3]。无线电干扰的等级大致可以分为三级：允许干扰，即对接收质量的影响不明显，通常在规划系统的时候需要加以考虑；可接受的干扰，对接收质量有一定的干扰，但是需根据规定或者不同系统之间的协商，属于可接受的范畴；有害干扰，即已经对正常的通信造成了干扰，导致不能正常通信。

从无线电监测的角度分析，干扰可以划分为带内接收干扰、带外接收干扰、非辐射干扰和监测系统自身干扰四类[3]。无线电监测系统就是要识别出各种干扰信号，定位干扰信号源并加以消除。现有的无线电监测系统中，频段都是基于静态分配的方式，对干扰的判定也比较简单，即识别该频段上信号特征是否为授权信号；不是则为干扰信号，需要消除。认知无线电环境下，干扰已不能单纯地通过对比接收信号参数与授权站台特征数据库的比较得出。认知无线电信号和非法信号都可能造成干扰，但是认知无线电信号是能够合法使用频段的，也就是只要在授权频段空闲的时候接入即可，造成干扰的原因可能是认知用户频谱检测时的漏检，或者认知用户发生异常，而非法信号可能是进行非法活动的信号，不管其何时出现都必须予以查处。所以新型的监测系统不但要能够识别出频段上的干扰信号，还必须明确干扰信号的身份，根据不同的干扰信号归属采用不同的消除方式。

此外，由于同一频段上不同业务信号的多样性，认知无线电监测环境不但要对背景噪声进行估计，还需要对电磁环境中的干扰进行估计。新型的无线电监测系统在干扰估计的基础上，监测认知信号的发射参数[3]。

3.1.1干扰的分级与评估

在认知用户与授权用户共存的网络中，授权用户受到潜在的干扰的情况可能有以下几点。

（1）认知用户漏检。错判当前频段可用，接入当前频段会与授权信号发生“碰撞”，从而干扰授权用户的通信。

（2）认知用户异常。例如认知设备受到攻击或者设备故障变成异常认知设备，不遵守认知无线电接入的规则，自身不进行功率控制，很可能对授权用户造成干扰。

（3）非法信号占用频段。

3.1.2干扰信号的识别

干扰信号的识别框图如图2所示。

图2 干扰信号识别框图

干扰信号的识别包括信号频谱分析、干扰信号分类、干扰信号估计提取几个部分。首先对接收信号进行分析，确定监测到的信号是否属于干扰信号，然后对干扰信号的类别进行分析，以判断其是认知信号干扰还是非法信号干扰。确定为干扰信号后，需要对该信号的参数进行提取，为后续的干扰定位与消除提供数据支持。

干扰信号的识别流程如图3所示。

干扰识别的第一步，需要对监测接收信号进行频谱分析，并与监测数据库内的信号特征数据库做比较，以分辨出接收信号的成分。通过与数据库的交互，以及利用干扰估计、信号识别等监测技术，能够确认信号是授权信号、认知信号或者非法信号，并对认知用户漏检、认知用户异常和非法信号进行识别和记录。

图3 干扰信号识别流程

3.1.3干扰信号的定位与消除

为了实现更加精准的定位，新型无线电监测系统可以采取多个监测站同时定位的方式来对干扰源进行定位。由于采用联网控制，对同一个干扰源可以协调多个监测站联合监测干扰源的位置。一般来讲，参与联合监测任务的站台越多，监测的精度会相应地提高，但是过多的监测站来参与对同一个干扰源的定位，会造成监测数据的冗余和资源的浪费。所以必须在不断的实践中总结出相应的模型，以最小的资源来达到更大的定位精度。新型无线电监测系统的多站定位如图4所示。

图4 多站定位

实际监测中，可以将多站定位与已有的定位技术结合。例如多个监测站的TDOA定位方式。虽然TDOA定位在三维空间之需要4个监测站即可定位，但为了提高精度，克服无线通信中的多径干扰等的影响，可以对多个监测站采集到的数据进行筛选，利用合适的统计模型来计算干扰源的位置，提高定位精度。

3.2 监测数据库维护

监测数据库的建设和管理的好坏直接影响整个监测系统的性能的优劣。所以合理地设计监测数据库，对无线电监测起着重要的作用。

3.2.1监测数据库的建立

（1）数据采集与处理

构建一个合理高效的监测数据库是一个长期的过程。首先要进行的是对信号数据的采集和处理。数据的采集必须要保证数据的一致性和有效性。在采集数据前，需要对监测接收机的扫描频段、步进、扫描次数等进行设置，并记录每一次扫描信号的电平数据值。在执行联合监测任务中，需要监测站对同一频段、同一区域、同一时间段的信号数据进行收集，并记录时间、地点等信息。

信号数据采集之后，需要对信号的数据进行预处理，剔除一些无效的数据，同时在保证信息数据的足够对信号特征进行提取的前提下，尽量减少数据冗余。数据的预处理可以提高检测系统的容错性。数据预处理很重要的一个方面是消除不同监测设备采集数据后在格式上的不一致，通过转换成统一的标准和规范，从而提高数据库的兼容性，降低各个不同监测子系统之间共享监测数据的成本。

3.2.2监测数据库的组成

监测数据库包含信号特征数据库、数据统计分析数据库两大部分，如图5所示。

图5 监测数据库的组成

信号特征数据库用于对信号特征的描述，便于与监测信号对比，识别合法信号和发现不明信号。认知无线电环境下，信号特征库包含授权信号特征库、认知信号特征库和干扰信号特征库。特征库的建立需要动态的更新，以适应信号参数的变化。其中认知信号特征库的构成尤为重要，由于认知信号的参数都是变化的，如果没有一个快速的合理的认知信号特征更新机制，将不能及时对认知信号进行识别；同样如果不能对在授权用户空闲的时候使用频谱的信号识别其合法性，也不能及时检测出干扰。为了实现对认知信号的实时监测，需要建立认知信号特征库，以与收集到的信号进行对比，实时识别认知信号是否正常。对于新出现的样本，需要查询认知无线电系统的记录中心，以便确认该信号是否属于认知无线电信号，并通过参数测量评估其发射参数是否给授权信号带来干扰。在数据库更新方面，需要及时把新的特征加入认知信号特征库[4]。

数据统计分析数据库主要是管理频段的使用情况，如占用度的统计、电磁环境的分析等。

3.2.3数据统计分析

无线电监测的数据统计分析中很重要的一部分就是对频谱的使用情况进行统计分析，相应的两个概念就是频道占用度和频段占用度。它们反映了特定频率和频段在一定时间内的信号占用的时间。通过对它们进行测量，可以掌握某个频率或者频段的具体使用情况，从而找出空白频道，或者避免某个频率的拥塞。在认知无线电系统下，占用度的统计可以为认知用户的接入提供重要的频谱信息，结合频道占用度，认知用户可以了解频道的使用情况，提高空闲频谱检测的准确率。

无论采用何种方式，现有的无线电监测系统对占用度测量的出发点都基于授权信号所占用的时间。认知无线电使得这一参数的测量需要调整。新型监测系统中，占用度的测量细化为两大类：一是对授权信号信道占用度的测量，通过对授权信号在日常使用中的占用度测量，可以明确授权信号出现的频率、密集程度、出现的时间和区域分布，为认知系统的频谱检测提供有效的参考；二是对认知信号信道占用度的统计，以掌握认知信号对频谱的使用情况，为检测不明信号提供参考。更进一步地，可以对不同业务类型的认知信号的频道占用度进行统计分析，明确各种业务对授权频谱的使用频繁程度，找出不同类型认知系统对频谱的使用效率，同时为认知信号的调整和管理提供依据。

除了对频谱使用情况进行分析之外，对数据的统计和分析还包括：电磁环境分析，合法站台核准分析，非法信号统计分析等。

3.3 联网控制

现有监测系统中的监测设备对监测数据的处理大多是本地的，也就是只针对所能监测的范围内的信号进行监测。对于更大范围的监测系统来讲，数据的交换和更新的实时性较差，也不能通过控制进行协同监测。

对于同一个信号，由于距离、多径和衰落的情况不一致，因此不同的监测站点监测到的信号强弱也会有差异。现有无线电监测系统无法做到实时的联合监测与分析，而新型的无线电监测系统则采用联网控制，可以通过融合相邻监测站的监测信号，完成联网信号的采集。监测站通过与具有强大数据处理能力的监测处理中心相连，完成对信号的联合监测，采用一定的模型对不同监测站接收到的数据进行综合分析，得出与原始信号最接近的分析结果。

此外，通过联网控制，可以对干扰实施联网排查。现有的监测系统在对干扰进行精确排查时，往往需要人工携带移动便携式监测设备进行实地监测，很多时候需要凭监测人员对监测信号的熟悉程度来判断干扰源的具体所在。新型的无线电监测系统，终端的监测设备可以通过网络连接，被监测中心控制，并且终端监测设备不需要具有强大的数据处理功能，只负责简单的信号采集即可，不仅能降低终端设备的成本和人工成本，而且网络的连接使得监测数据可以实时传输至监测的数据处理中心；不仅能快速得到反馈，而且基于数据库的支撑，对干扰信号的判断会更精准。不同的监测数据中心也通过网络的连接共享数据，也可以通过更高一层的监测中心进行联合调度，实现更大范围的联合监测任务。

4 结语

在未来，随着各种新的通信业务的出现，现有静态频谱分配方式已经很难找到适合频段供其接入使用，频谱资源的稀缺性和频谱利用率低的矛盾将更加凸显。这将大大加速认知无线电技术的成熟和应用。通过介绍新型无线电监测系统模型，以及为了适应认知无线电环境，相比现有无线电监测系统所做的改进，新的无线电监测系统能够较好地解决认知无线电环境下的监测问题。

[1]张杰. 无线电监测系统关键技术研究[D]. 成都：电子科技大学，2017.

[2]李紫宜. 无线电监测系统的应用分析[J]. 技术与市场，2017，24（1）：82.

[3]麦尔旦·麦麦提. 无线电监测系统的设计与研究[J].西部广播电视，2016（3）：162-163.

[4]晏琪. 无线电监测管理系统的应用研究[D]. 保定：河北大学，2014.

Research on New Radio Monitoring System in Cognitive Radio Environment

Tang Qianjing

Qinghai Radio Management Office Xining Management Office, Qinghai Xining 810000

Under the condition of increasingly tight spectrum resources, cognitive radio technology can greatly improve the utilization of spectrum, which is one of the key technologies to be adopted in future communication systems. In the cognitive radio environment, existing radio monitoring systems are no longer adequate for monitoring requirements in new environments. Existing radio monitoring systems must be improved to form a new radio monitoring system for cognitive wireless environments.

system model; system difference; interference signal; monitoring database maintenance; networked control

TN925

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