基于主动频谱感知接入的认知无线电台研究

郑仕链，杨小牛，何斌，杨伟程，陈永其

（1.通信信息控制和安全技术重点实验室，浙江嘉兴 314033；2.西安电子科技大学通信工程学院，西安 710071；3.中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江嘉兴 314033）

基于主动频谱感知接入的认知无线电台研究

郑仕链1，2，杨小牛1，3，何斌3，杨伟程3，陈永其1

（1.通信信息控制和安全技术重点实验室，浙江嘉兴 314033；2.西安电子科技大学通信工程学院，西安 710071；3.中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江嘉兴 314033）

讨论了所研制的工作于30～512 MHz的基于主动频谱感知接入的认知无线电台。该电台实现了认知无线电动态频谱接入最为关键的几大功能：频谱感知、频谱会合、频谱监视，以及频谱切换。试验结果表明，该电台具备在不依赖于公共控制信道的情况下自动寻找空闲信道建立链路的能力，也具备在当前通信信道上出现主用户信号或其他干扰信号时自动切换到其他空闲信道上继续通信的能力，为认知无线电技术的实用化提供了很好的借鉴。

认知无线电；动态频谱接入；频谱感知；会合；频谱切换

0 引 言

认知无线电（CR，Cognitive Radio）的概念最早由Joseph Mitolla III于1999年提出［1］。自此以后，CR吸引了学术界、工业界、监管领域等的浓厚兴趣。作为一种智能系统，CR能够感知外部环境、自适应调整系统参数并不断进行学习，以适应外部环境的变化。CR的一个最引人注目的应用即为解决当前频谱稀缺及频谱利用率低下的局面。

一系列实测结果表明，当前，在特定时间、特定地点，授权频谱的利用率比较低下，这主要是由于传统指挥控制形式的频谱监管政策造成的。在这种频谱政策下，特定频段分配给特定的应用，即使该频段空闲，其他应用或设备也不能使用，因此就造成了使用上的浪费。CR可以通过动态频谱接入（DSA，Dynamic Spectrum Access）来缓解该局面［2］。DSA允许非授权用户使用未被占用的授权频段，只要它们不对授权用户的通信造成干扰即可。未被占用的频谱部分也被称为频谱空穴。DSA使用频谱空穴的示意图如图1所示。在DSA中，传统的授权用户被称为主用户（PU，Primary User），而使用授权频段的CR用户被称为次用户（SU，Secondary User）。

图1 动态频谱接入示意图

DSA的实现需要解决一系列关键技术，包括频谱感知、频谱会合、频谱切换等。随着研究的深入，也逐渐出现了一些试验平台和演示系统。比如，在2008年，为了评估DSA的可行性，美国联邦通信委员会（FCC，Federal Communication Commission）对Motorola、Philips、Adaptrum，以及I2R的原理样机进行了室内和室外环境的测试［3］。这些公司提供的原型设备均具有电视信号的感知功能、通信功能，以及地理定位功能。测试结果表明，对电视信号的检测较为可靠，而对无限麦克风的检测稳定性则要差。在2009年，美国Virginia的Claudville部署了第一个公共DSA网络［4］，该网络使用的设备来自Spectrum Bridge、Microsoft和 Dell。在 2010年，美国 North Carolina的Wilmington在此基础上进一步部署了第一个大范围的“智慧城市”网络［5］。这些网络的部署从一定程度上表明在电视频段实现DSA技术的可行性。

商业上DSA的演示验证主要以电视频段为主，电视频段PU的活动性相对平稳，因此DSA的实现难点在于频谱感知，对频谱会合及频谱切换等技术的实现要求要低。在军事领域，DSA试验平台的研究则以美国国防高级研究计划局（DARPA，Defense Advanced Research Projects Agency）的下一代（XG，NeXt Generation）以及下下一代网络（WNaN，Wire+ less Network after Next）计划为代表。DARPA早在2002年就启动了XG计划［6］，开展DSA和认知无线电网络的系统结构和关键技术的研究，探索军事上多个设备在空间和时间上共享频谱的潜力，期望将频谱利用率提高10～20倍。2006年8月15～17日，DARPA首次公开演示了6个XG无线电台组成的网络，对功能和性能指标进行了测试［7］，该网络工作频段为225～600 MHz，信道带宽为1.75 MHz，其具备动态频谱接入功能。继XG计划之后，DAR+ PA在2006年又启动了WNaN计划［8，9］。WNaN利用DSA作为其基本功能，旨在为美军开发能感知电磁环境、自主选择通信频率的认知无线电通信，提供具有自适应功能的自组织、ad hoc组网技术。WNaN无线电具有4个独立的收发信机，频段覆盖900 MHz～6 GHz。XG及WNaN从更宽频段上验证了DSA的应用潜力。

DSA技术发展至今急需要实际系统的验证。国外无论是民用领域还是军用领域，均对DSA功能进行了演示和试验验证。下面则讨论所研制的认知无线电台，其功能涵盖了DSA的各个方面，包括频谱感知、频谱会合、带内感知、频谱切换等。该电台对先前提出的一系列算法和协议进行了实现，从试验结果验证了这些功能的可行性。

1 动态频谱接入

认知无线电动态频谱接入最主要的目的是机会式使用主用户当前不使用的频谱空穴，以提高频谱利用率，其基本工作过程如图2所示。

图2 动态频谱接入基本过程

以下对其中关键环节进行简要说明。

●频谱感知（通信前）［10］。在通信之前，频谱感知主要实现对周围电磁环境的普查，通过在时域、频域和空域等多维空间，检测感知频段内主用户是否正在工作，从而完成“频谱空穴”的检测。“频谱空穴”即为主用户暂时未使用的频段，认知用户有望在“频谱空穴”上建立通信。

●频谱会合［11］。频谱会合是指根据所确定的通信参数，建立发射机与接收机之间的初始通信链路，完成发射机与接收机的初始握手。

●频谱感知（通信中）。通信过程中频谱感知的目的与通信之前有所不同。通信过程中，需要对通信信道内主用户活动情况进行监视，即带内感知［12］。除此之外，还需要对其他信道进行感知（带外感知），为频谱切换目标信道的选择做好准备。

●频谱切换［13］。当带内感知到主用户信号时，认知无线电必须改变其工作频率，寻找另一个“频谱空穴”继续通信，此过程即为频谱切换。频谱切换应尽可能快速地进行，确保在频谱切换中最大限度地降低认知无线电用户的业务性能损失。

所研究的认知无线电台主要实现动态频谱接入基本过程，对认知无线电动态频谱接入所涉及的主要关键技术进行实现和实验验证。

2 认知无线电台

所研制的认知无线电台是一种集宽带频谱感知、盲频谱会合、带内感知和频谱切换等功能于一体的基于软件无线电体系结构的认知无线电时分双工通信电台，其最主要特点是提出并实现了无需控制信道、无需时间同步、无需基础设施支持，能适应通信双方频谱环境不一致情况，适应通信双方频谱环境动态变化情况，具备安全性的认知无线电宽带盲初始链路会合方法，以及快速频谱切换方法。待通信双方在不依赖公共控制信号、不需要知道对方任何频率信息的情况下能够自动寻找空闲信道建立通信链路，开始通信；通信过程中双方实时在线检测外部频谱环境，并实时分析当前通信信道质量，在当前通信信道内出现主用户或当前信道质量严重恶化时，通信双方能自动快速切换到其他空闲信道上继续通信。以下对该电台的算法、协议，以及硬件进行讨论。

2.1 算法和协议设计

本小节给出所研制的认知无线电台采用的算法及协议，重点讨论与认知无线电动态频谱接入工作过程密切相关的算法与协议（如上一节所述），而对传统通信相关的算法（如调制／解调、编解码等等）不做介绍。

2.1.1 频谱感知

电台中采用的宽带频谱感知为基于功率谱估计的频域能量检测方法。功率谱估计采用多抽头谱估计方法。由于各个频率的噪声基底不同，再加上接收机模拟前端器件的影响，感知频段内接收到的信号噪声基底往往是不平坦的，这给能量检测门限设定带来了一定难度。为解决该问题，估计出功率谱后，对噪声基底进行在线估计；估计出噪声基底后，在功率谱上去除该基底，从而去除不平坦噪声基底的影响。

在门限设定上，采用基于前向连续均值切除法的方法［14］，该方法无需估计噪声功率，这对实际实现帮助很大。设为信号x（n）的离散功率谱数据，将观测值yi按从小到大的顺序进行排序，为表示方便，用表示排序后的观测序列。选择值最小的m个观测值作为初始“纯净”集，该集合通常为整个观测集合的一小部分，例如5%或10%。针对，计算。如果（T为某一门限值），令m＝m＋1，重新计算zm；否则，终止算法。持续该过程直到算法终止时，λ＝Tzm即为判决门限。

将去除非平坦噪声基底影响后的功率谱与判决门限进行比较，就可以得到频谱感知结果。根据频谱感知结果，通信双方在通信过程中需要维持一张频谱占用图，并对其进行实时更新。频谱占用图中标明了每个信道的状态：被主用户占用还是空闲，分别用0和1表示。所设计的信道带宽为25 kHz，60 MHz包含2 400个信道，一次感知即得到2 400个信道状态，每个信道状态为0或1。

2.1.2 频谱会合

当通信双方有通信需求时，则需要建立发射机与接收机之间的初始通信链路，该过程称为频谱会合。由于发送端和接收端经历的无线电环境不同，可用频谱空穴不同，加之初始被呼端在链路建立之前并不知道初始呼叫发起端的载频信息，所以认知无线电链路初始化与传统通信有很大不同。

根据是否依赖公共控制信道，可以将频谱会合分为两类：非盲会合及盲会合。非盲会合通过一条公共控制信道完成信息交互建立链路；盲会合则不依赖任何公共控制信道。研究中采用曾在文献［15］中提出的一种盲会合方法。即发起端进行宽带频谱感知，在某个频谱空穴上发送呼叫，并侦听回应，如果侦听到回应，则链路会合完成，开始通信；如果不成功，则在另一个频谱空穴上发送呼叫，如此反复。被呼端则始终处于感知状态，实时检测信道状态，判断新出现的信号是否是初始呼叫发起端的链路建立信号，若是，则发送应答信号，会合完成；否则继续进行宽带频谱感知，重复上述过程直到链路建立为止。

2.1.3 带内感知

为避免对主用户造成干扰，也为了避免自身受到其他信号的影响，认知无线电在通信的同时仍然需要进行频谱感知，包括带内感知和带外感知。带内感知与认知无线电当前使用的通信信道相关，其目的在于判断是否有主用户或其他的干扰信号出现；带外感知与所有除了当前通信信道外的其他信道相关，其目的是更新其他信道的状态。

对于带内信道，本项目采用802.22中类似的静默期机制来感知主用户［12］，即在信息传送后预留固定数量的时隙进行周期性感知，这段时隙称为静默期。静默期间，发送端和接收端均不进行信息传输，以保证带内感知到的是主用户信号和其他干扰，而不是自身的通信信号。静默期示意图，如图3所示。

图3 带内感知静默期

2.1.4 频谱切换

当带内感知到主用户信号或其他干扰信号时，认知无线电必须改变其工作频率，寻找另一个频谱空穴继续通信，此过程即为频谱切换。频谱切换应尽可能快地进行，确保在频谱切换中最大限度地降低认知无线电用户的业务性能损失。本电台通信过程中，在静默感知期间，只要收发双方中的任何一方感知到了带内信号，则启动频谱切换。频谱切换过程采用曾在文献［16、17］中提出的方法。简要来说，通信双方在通信过程中维持目标信道序列，当检测到带内出现主用户信号时，切换到目标信道上尝试建立链路。目标信道选择机制按照平均空闲时间递减的顺序进行选择，这种选择方式在文献［16、17］中被证明能够保证在多种分布下得到最小切换失败概率。

2.2 硬件设计

所研制的基于主动频谱感知接入的认知无线电台工作频段为30 MHz～512 MHz，支持时分双工通信，通信方式为话音及数据。

认知无线电的硬件平台采用可扩展、可重构，兼容性强的软件无线电平台［18］。具体来说，硬件平台由模拟电路和数字电路两大部分组成，模拟电路由天线模块、本振和宽带上下变频模块等组成。信号处理模块主要由高速模数转换器（ADC，Analogto－Digital Converter）、高速DSP和大规模FPGA等组成。

模拟部分如图4所示，采用宽带数字中频体制，采用高中频方案。这种结构与常规的超外差接收机结构是类似的，两者的本质区别是中频带宽不一样。常规超外差接收机的中频是窄带的，而图4所示结构中中频带宽是宽带的。这种结构的特点在于射频“宽开化”、中频“宽带化”，符合宽带频谱感知的要求。这种结构避免了射频直接带通采样对ADC工作带宽的过高要求，也避免了超宽带采样对ADC采样速率的过高要求，但是这种结构射频前端硬件复杂度也相对较高。在商用ADC器件无法满足要求的情况下，增加前端的硬件复杂度还是值得的。

图4 模拟部分框图

数字信号处理模块采取宽带中频软件无线电体制，如图5所示，主要由高速DSP和大规模FPGA组成处理核心。认知无线电频谱感知、频谱切换等关键功能均在该信号处理模块中实现。

所研制的模拟前端和数字处理板实物图，如图6所示。其中模拟前端包括上变频模块、下变频模块、本振模块，同时还有一个控制模块。数字处理板则完成中频处理任务，由ADC、DAC、数字上变频器、数字下变频器、FPGA，以及DSP等组成，认知无线电算法和协议均在该处理板上实现。

图5 信号处理模块

图6 认知无线电台实物图

3 试验结果与分析

对该电台的各项功能进行了试验验证，主要测试认知无线电的宽带频谱感知功能、频谱盲会合功能，以及快速频谱切换功能。试验环境为室内无线通信环境，直接以天线发射无线信号来进行试验。

通过在30 MHz～512 MHz工作频段的反复试验，发现认知无线电能够在无需知道对方频率信息的情况下自动寻找空闲的信道建立链路，链路建立适应动态变化的频谱环境，适应双方频谱环境不一致的情况。在当前通信信道遭受主用户重新占用时，能够自动快速切换到其他空闲信道上继续通信。

3.1 频谱感知功能试验

首先对频谱感知功能进行实验。噪声基底估计结果，如图7所示。其中数据由FPGA导出，再由Matlab绘图而成。图中横坐标没有标明具体的频率值，而只是给出了FFT后的样点索引。由图7（a）可知，信号非常密集，图7（a）中最底下的线为估计所得的噪声基底，它自适应跟踪了噪声的非平坦特性；图7（b）中给出了去除估计所得噪声基底谱后的信号功率谱，由图可知，信号功率谱中噪声基底已经变得平坦，这也说明了这种自适应噪声基底估计方法的有效性。

图7 自适应噪声基底估计结果

针对上述去除非平坦噪声基底影响后的功率谱进行FCME检测后的结果，如图8所示。其中矩形高值表示该频率被主用户占用，低值表示为频谱空穴。从图8中可以看出，该方法较准确地找到了各个主用户信号。

3.2 频谱会合功能试验

所研制的认知无线电台能够实时找到当前频谱环境中未被占用的频谱空穴，并在频谱空穴上建立链路进行通信。图9（a）给出了一种外部无线环境（频谱仪截图），通过信号源模拟外部频谱环境，在两端发射宽带信号，在中间特意流出一个凹谷作为当前频谱环境的频谱空穴；图9（b）给出的是的认知无线电样机在这种外部无线频谱环境下建立链路后的通信情况。由图可知，认知无线电成功找到了频谱空穴，成功建立链路进行通信。图10（a）则给出一种在右边留一定空穴的频谱环境，图10（b）为在这种环境下认知无线电建立的链路，由图可知，认知无线电同样找到了频谱空穴并成功建立了链路进行通信。

3.3 频谱切换功能试验

对认知无线电的频谱切换功能也进行了大量试验，即测试认知无线电通信过程中对主用户的在线检测功能，以及主用户出现后快速切换到空闲信道上的快速频谱切换功能。一个试验结果，如图11所示。

图8 频谱感知结果

图9 认知无线电在频谱空穴上通信试验1

图10 认知无线电在频谱空穴上通信试验2

图11 认知无线电频谱切换功能试验

图11（a）中认知无线电在94.900 MHz上通信，通过信号源在94.900 MHz上发射信号，则认知无线电立即切换到了98.825 MHz上继续通信，如图11（b）所示；再在98.825 MHz上发射信号，发现认知无线电立即切换到了91.150 MHz上继续通信，避开了98.825 MHz上的主用户信号，如图11（c）所示。

4 应用设想

上述试验对认知无线电动态频谱接入功能进行了实验验证，对于动态频谱接入算法、协议设计，以及实际实现具有指导意义。该电台除了在认知无线电领域具有很强应用前景外，在其他领域也具有重要应用潜力。

4.1 军事抗干扰通信

现代军事通信中，战场环境复杂，各种有意干扰和无意干扰此起彼伏，在这种复杂的无线干扰环境下，保证通信的可靠性至关重要，直接关系到通信成败与部队的生死存亡。已有的抗干扰通信可以分为以下几类。（1）频域抗干扰技术，以扩频为代表，包括直接序列扩频，跳频及跳扩结合的抗干扰体制；（2）时域抗干扰技术，包括触发通信，跳时等；（3）空域抗干扰技术，主要为自适应调零天线、智能天线；（4）纠错码技术。具体应用上则是这些抗干扰技术的组合。这些抗干扰技术被动性较强，主动性不够。如果将敌方的干扰作为“主用户”进行对待，则利用DSA，认知无线电完全可以避开干扰，从而达到主动式的抗干扰的目的。因此，本文研制的认知无线电台可以直接用于军事抗干扰环境，为抗干扰通信提供一条新的途径。

4.2 短波通信

短波通信是一种历史悠久的通信方式，其不需要中继就可实现远距离通信，其优点是其他通信方式无可替代的。然而，由于电离层特点随时间、空间和频率变化，短波信道质量变化很大，因此，短波链路建立和维持是短波通信最具挑战性的难点问题。由于所设计的认知无线电台所采用的会合技术和切换技术均不依赖于控制信道，而且建立和切换后的链路均在能够保证服务质量的信道上，因此，将该认知电台推广到短波频段就能为短波通信提供一种自适应建链和选频机制，而提高短波通信的可靠性。

4.3 灾难应急通信

在自然灾害（洪水、地震等）情况下，由于基础设施遭到破坏，传统的依赖于基础设施的移动手机等无法正常通信，这给救灾活动带来了很大不便。汶川地震、日本海啸等自然灾害事件中，通信功能遭受破坏引起的受灾人员心理恐慌、呼救不畅、救援受阻等突出问题也引起了通信领域研究人员的思考。基于DSA的认知无线电台则能保证在这种无基础设施情况下的正常通信。两个认知电台通过在空闲的频谱上自动建立链路达到通信的目的，无需基础设施的支持。因此，在灾难应急响应情况下，所研制的认知无线电台也具有很好的应用潜力。

5 结 语

对所研制的DSA认知无线电台进行了介绍，讨论了该电台采用的关键算法、协议及硬件设计，给出了试验结果。试验结果表明，该电台具备在不依赖于公共控制信道的情况下自动寻找空闲信道建立链路的能力，也具备在当前通信信道上出现主用户信号或其他干扰信号时自动切换到其他空闲信道上继续通信的能力，为认知无线电技术的实用化提供了很好的借鉴。该电台除了可以应用在动态频谱接入领域外，在军事抗干扰通信、短波通信，以及灾难应急响应通信等场景均具有很好的应用前景。后续研究可以考虑将两个电台的通信场景扩展到通信网络的情况，以进一步验证网络环境下的认知功能。

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郑仕链（1984—），男，在读博士研究生，研究方向为认知无线电、进化算法、压缩感知，发表论文30余篇，其中SCI收录10余篇；

E+mail：lianshizheng＠126.com

杨小牛（1961—），男，中国工程院院士，研究员，博士生导师，中国电子学会会士，享受国务院政府特贴，新世纪百千万人才工程国家级人选，浙江省特级专家，研究方向为通信对抗、软件无线电、认知无线电，曾发表论文数十篇，获国家科技进步一、二等奖各一次；

何 斌（1979—），男，高级工程师，研究方向为信号分析与基带处理；

杨伟程（1983—），男，工程师，研究方向为信号处理及FPGA实现；

陈永其（1969—），男，研究员，研究方向为通信对抗、软件无线电、通信技术。

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