无线电频谱监测关键技术探析

米 超，贺 川，罗兵富

(63788部队，甘肃 陇南 764000)

0 引言

应用无线电监测，需要考虑到其电磁环境的安全性。通过确保无线电频率的合理性，提出开发无线电等有效方式，满足其应用效率的提升。同时，在实践层面上，还应该应用无线电频谱的监测技术，对无线电技术的更新与发展具有重要意义。

1 无线电频谱监测技术简介

就无线电技术而言，需要针对其无线电对应的系统参数加以明确，必要时采取修改系统参数的方式来更有效、更高效地使用闲置的无线电频谱资源，满足其经济效益的提升。无线电技术能够在时间、空间、频率等多个维度实现对多维频谱的复合利用，弱化无线电频谱以及宽带的限制，进而提高无线电频谱的利用率，使通信系统越来越灵活[1]。

现阶段，国内最常使用的无线电监测系统具有天馈功能模块、监测接收模块和监测软件模块等。对于无线电监测体系而言，频谱监测模块占据核心地位，主要负责对无线电环境的监测及认知，获取无线电监测需要的数据和信息，提高闲置频谱系统的利用率，充分体现无线电资源的经济价值。这样不仅可以消除负面影响，同时也可以建立、健全无线电监测体系基础。

2 无线电频谱监测中的关键技术

2.1 硬件方面

加性高斯白噪声信道之中，匹配滤波器频谱检测算法属于最优化的频谱感知方式，主要是通过解调授权信号或是导频检测来实现。相对而言，前者的复杂度更高，需要利用匹配滤波器来实现对于用户信号的解调处理，并且针对每一类的授权用户，都需要有对应的接收解码设备的提供，同时，大部分无线通信系统都存在前导码、导频、扩频码等对应的信号，这样就可以进一步简化匹配滤波器，但是其本身的问题在于，还需要授权用户信号的先验知识。另外，其本身的计算量也非常大。如果不能准确地授权先验知识，那么就会降低其性能。

匹配滤波器监测技术作为常用的技术之一，其主要是要求在使用之前，需要对应硬件系统的支持，还需要做好基于信号需求的滤波器设计，匹配主信号类型。如果只从理论层面分析，在多种单节点频谱监测中，这一匹配滤波器监测技术是频率最高、效果最好的技术，能够快速监测所需信号。当其他条件一致时，匹配滤波器监测技术所需采样数也比其他技术的少，工作效率更高[2]。

N=[Q-1(PF)-Q-1(PD)]2SNR-1

(1)

其中，N代表采样数，PF代表虚警概率，PD代表检测概率，SNR代表信噪比，Q(·)代表误码率上限公式。

2.2 软件方面

2.2.1 能量监测技术

无线电频谱监测中的能量监测技术有一个显著的特征，即是非相干的一种监测方式，能够合理、有效地监测其信道传输信号以及对应的噪声、功率等内容。事实上，监测功率是相对容易的，常用方法有两种：第一，对时域信号进行采样和求模之后将其累加、求和；第二，通过快速傅里叶变换把信号变换到对应频域之后求模平方即可[3]。

授权用户信号设定为x(k)，针对其功率统计量y(k)为：

(2)

其中k代表信号采样点数。在k值本身较大时，考虑到中心极限定理理论的分析，就需要在计算之中利用高斯分布，从而来进行合理分析：

(3)

其中PN代表噪声的功率，PS代表信号的功率，M代表当k较大时的具体代替值。当虚警概率PF确定的条件下，就能够直接获取检测门限：

(4)

将p(k)和门限值进行相互比较，在出现了p(k)>门限值时，就表示使用了授权频带，如果p(k)小<门限值，那主要是因为没有对应的授权频带的使用。

在实现能量检测中，其主要流程如图1所示。

图1 能量监测算法实现流程

2.2.2 多点协作频谱监测技术

多点协作频谱监测技术其本身就是基于单点频谱监测技术的升级处理，它在克服单点频谱监测固有的缺陷、局限的基础上，显著提升频谱监测的及时性、准确性[4]。多点协作监测技术主要包括：(1)相关监测，当使用该项关键技术手段时务必要保证信息来源可靠、准确，预防影响监测的性能。(2)特征监测，主要是利用特征值监测方法、循环平稳监测方法、周期图方法监测各种各样的特征信号。(3)本振泄露功率监测，需要考虑到具体的信号泄露问题，进而对PU的工作情况做出判断。(4)干扰温度监测，还需要实施监测SU所出现的干扰温度，并通过对比监测结果和标准值，判断干扰温度、标准值之间的差值大小，最终确定对应频带内通信系统运行的优良性。

3 无线电频谱监测关键技术的实验仿真

3.1 硬件方面的实验仿真

针对匹配滤波器监测，利用软件Matlab来实现滤波器匹配的仿真处理，在-10 dB、-15 dB和-20 dB的信噪比之下进行。当采样数和虚警概率一致的时候，随着信噪比的增大，相应的监测概率也会增加。在虚警概率相同、信噪比对等的前提条件下，匹配滤波器本身的监测性能更优；在信噪比为-20 dB时，匹配滤波器的性能甚至直接高于能量监测在-10 dB信噪比下的。所以，相对于能量监测而言，匹配滤波器的监测效果是非常明显的。

3.2 软件方面的实验仿真

3.2.1 能量监测

利用软件Matlab来开展本次的仿真实验，其系统参数信号带宽W=5×104，重复次数count=5 000，采样频率Fs=2W=2×5×104。基于AWGN信道，在本次的监测之中信号长度n=100，并且要求在-5 dB、-8 dB和-10 dB的信噪比下进行处理，其代表的是在不同的信噪比下对应的监测曲线。当采样数和虚警概率相同时，随着信噪比的增大，其监测的概率也增大，也就是其本身的丢失概率会逐渐减小。通过分析还可以发现信噪比的大小会直接影响监测的性能。

3.2.2 多点协作监测

在开展多点协作监测仿真处理的过程中，分别选择1、3、5的用户数量，在-8 dB的信噪比之下开展相应的仿真实验，比较其理论值和实际仿真值。算法监测的仿真值基本上都处于理论值的范围之内，所以其仿真值的可信度较高。并且在相同的虚警概率以及信噪比之下，伴随用户数量的不断增多，其监测概率也会有持续的增加。

4 结语

随着时代的不断发展和进步，现阶段人们的生活、生产对于无线电技术的依赖度较高，深入了解无线电频谱监测关键技术的应用可以促进无线电技术管理水平的提升，对无线电技术的可持续发展也有着重要的意义。通过上述对无线电频谱监测关键技术的分析，希望可以提升无线电技术利用效率和对应的经济效益。