CN104135736B - 基于认知的频谱监测与自适应通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于认知的频谱监测与自适应通信方法，实现了设备通信过程中无线频谱的实时感知与功率谱密度分析、信道状态估计、通信参数的自适应调整以及迟入网设备的接入。全频段或宽频段范围内的频谱监测由于受到频谱感知精度和硬件资源的限制，难以通过单次采样来实现功率谱密度的估计，通过设置射频前端扫频滤波器组，周期性的切换本振频率，有效的实现了全频段或宽频段范围内的频谱感知与功率谱密度分析；通过节点设备的信息处理，实现了终端设备间、节点与终端设备间的信道匹配；通过信道估计与自适应传输策略，确定了是否需要调整通信参数以及当前通信参数的最新策略；通过设备迟入网策略，实现了未入网的终端设备的入网与通信。
Description
技术领域
本发明涉及认知无线电系统中通信过程中无线频谱的实时感知、功率谱密度分析、信道状态估计、通信参数的自适应调整以及迟入网设备的接入，特别适用于复杂电磁环境与地理环境下军、民用数传电台和宽带无线接入设备的智能化，目的是实现通信设备的自适应传输，提高通信设备环境适应性。
背景技术
无线通信飞速发展，其显著特点可以描述为无线电新业务的高速增长和用户需求的不断增加。如何提升频谱利用率以满足用户的带宽需求；如何使无线电智能化以致能够灵活的使用无线资源获取信息服务；如何有效地从环境中获取信息、进行学习以及做出决策并进行调整，所有这些都是无线通信技术面临的重大挑战。认知自适应传输技术由于能够充分、高效的利用有限的频谱资源，并根据环境的变化实时的调整传输参数和协议，逐渐成为无线通信的研究热点。基于认知自适应传输的通信设备不仅能够完成频谱的监测与分析处理，能够完成迟入网用户的接入，而且能够根据环境的变化自适应调整传输策略，具有很高的智能性。
基于认知的频谱监测与自适应传输技术为未来通信设备的自主化和智能化提供了有效的技术途径。它以环境认知为基础，通过感知外界环境和智能的分析与处理，实时调整通信的发射功率、载波频率和调制手段等参数的配置，动态地适应周围的环境变化，从而实现在任何时间、任何地点的高可靠通信以及对有限频谱资源的高效利用。随着无线频谱感知技术和自适应传输技术的不断演进，它已被迅速拓 展到了无线通信系统的各个领域与环节，并受到各国无线电管理部门的高度重视。基于认知的军、民用无线通信系统能够通过动态重构技术能够对复杂的无线电磁环境、网络资源环境和用户需求环境进行认知和自适应学习，从包括接入网、路由、接入控制、调制编解码技术等在内的所有通信资源出发，进行自适应参数与协议重构，提升现有通信容量与设备的可靠性、适应性和抗干扰能力，从而最终实现智能化的无线通信网络。
频谱监测通过频谱感知即频谱检测来实现，它包括“频谱机会”的搜寻和判定以及频谱状态的实时监测。频谱检测技术分为物理层检测、MAC层检测以及认知无线电网络内的多用户协作检测。物理层检测关注如何借助数字信号处理增益实现高性能检测；MAC层检测关注多信道条件下的检测效率，通过信道检测次序和检测周期优化，使检测到的可用信道数最多，或使信道搜索时延最短；由于无线信道的阴影和多径衰落特性，仅靠单个认知无线电用户进行本地检测，会存在可靠度不足的问题，而多用户协作检测可以弥补这一不足，通过多用户分集能够对抗无线信道衰落，提高检测的可靠度。
传统的传输方案，其码率、传输功率、调制方式都是单一的，不能充分利用衰落信道的时变性。非自适应系统是根据信道状态的最差情况来设计的，系统的这种设计原则导致信道容量无法得到充分利用。根据信道当前状况，通过改变信号的某些参数使其与信道衰落的变化相适应，可以充分利用信道容量。自适应传输的基本思想就是通过对符号传输率、调制星座大小、编码效率、编码结构或这些参数相结合的自适应改变，实时地分散和平衡通信的负载。在信道条件较好时以较高的速率传输，而当信道质量变差时，平缓地降低其数据吞吐量，这样可以在不牺牲功率和误比特率的前提下，根据信道的时变性， 提供较高的平均信道频谱效率。简言之，自适应传输技术就是改变发送端和接收端的特性，以适应底层信道和上层业务要求的变化。
发明内容
本发明公开了一种基于认知的频谱监测与自适应通信方法，实现了设备通信过程中无线频谱的实时感知与功率谱密度分析、信道状态估计、通信参数的自适应调整以及迟入网设备的接入。全频段或宽频段范围内的频谱监测由于受到频谱感知精度和硬件资源的限制，难以通过单次采样来实现功率谱密度的估计，通过设置射频前端扫频滤波器组，周期性的切换本振频率，有效的实现了全频段或宽频段范围内的频谱感知与功率谱密度分析；通过节点设备的信息处理，实现了终端设备间、节点与终端设备间的信道匹配；通过信道估计与自适应传输策略，确定了是否需要调整通信参数以及当前通信参数的最新策略；通过设备迟入网策略，实现了未入网的终端设备的入网与通信。本发明中的通信帧留有频谱感知时隙，用以完成频谱的实时监测；留有信道估计时隙，用以完成节点设备和终端设备间信道状态的估计；留有设备迟入网时隙，用以完成未入网终端设备的入网；信道匹配与自适应传输策略由节点设备在后台处理完成，不占用通信帧中的时隙。
本发明的目的在于实现基于多窗谱估计的实时频谱监测以及基于频谱监测和信道估计的自适应传输，包括无线频谱感知与分析处理、信道状态估计、传输参数的自适应调整以及迟入网设备的接入。本发明完全解决了基于认知的频谱监测与自适应传输问题，为基于认知自适应传输的军民用数传电台以及宽带无线接入设备的高可靠性和高适应性提供了一种可行的途径。
本发明的目的是这样实现的：
基于认知的频谱监测与自适应通信方法，通过频谱感知与监测获得无线频谱的环境噪声基底信息，通过频谱分析与处理对无线信道进行排序，通过信道选择与匹配策略得到全网匹配的相对“干净”的信道，通过自适应传输策略实现了通信参数的自适应调整，通过留有的迟入网时隙实现了迟入设备的接入，其特征在于包括如下步骤：
(1)输入节点设备和终端设备初始认知信息，并将初始认知信息置为当前认知信息；
(2)通信过程中，节点设备与终端设备间保持时间同步，在管理时隙，节点设备和终端设备均完成注册信息、通信频率及通信速率参数的发送或接收，节点设备还需要对终端设备的当前认知信息进行轮询上报；
(3)在业务时隙，节点设备和终端设备均完成业务信息的发送或接收，业务时隙结束后进入信道估计时隙；业务信息包括话音业务与IP业务；此外，在业务时隙，对于节点设备，还需要根据轮询接收到的当前认知信息进行信道的选择与匹配；
(4)在信道估计时隙，节点设备分别与各终端设备根据信道选择与匹配的结果进行两两信道估计；
(5)信道估计完成后，节点设备根据当前认知信息和信道估计结果，通过自适应传输策略得到节点设备和每个终端设备的实时最优传输参数；
(6)在设备迟入网时隙，节点设备对未入网的终端设备进行轮询接入；
(7)设备迟入网时隙完成后进入频谱感知时隙，在频谱感知时隙，节点设备和终端设备开始分别通过多窗谱估计算法对全频段频谱依次进行功率谱密度感知；
(8)功率谱密度感知完成后，节点设备和终端设备分别对感知的功率谱密度进行分析，功率谱密度分析完成后得到实时认知信息，将实时认知信息置为当前认知信息；
(9)判断通信是否结束，如果结束则转入步骤(10)，反之则转入步骤(2)；
(10)通信结束。
其中，步骤(2)中节点设备对终端设备的当前认知信息进行轮询上报，具体包括以下步骤：
(2.1)节点设备对各终端设备的当前认知信息进行轮询；
(2.2)终端设备收到轮询信息后，终端设备将当前认知信息上报给节点设备。
其中，步骤(3)中，节点设备对接收到的当前认知信息进行信道的选择与匹配，具体包括以下步骤：
(3.1)在全频段范围内按频谱由低到高生成信道列表；
(3.2)依次将各终端设备的认知信息填入表中；如果对应信道的标记为0，表示该信道在对应的终端处不可使用，表中填入0；
(3.3)首先比较各条信道中非0值的个数，按照个数由多到少排序，个数较多的信道优先选用；如果个数相同则将非0值相加后求均值，均值较小的优先选用；如果均值仍相同，则优先选用序号较小的信道；
(3.4)将步骤(3.3)中选择的信道按照优先等级排序，然后与节点设备的功率谱密度分析结果一起填入与步骤(3.2)相同的表中，并根据步骤(3.3)中的策略得出最终的信道排序结果，进而从中选出信道匹配的结果。
其中，步骤(6)中未入网设备的迟入网具体包括以下步骤：
(6.1)判断设备类型，如果是节点设备，则转入步骤(6.2)；如果是终端设备，则转入步骤(6.3)；
(6.2)节点设备切换到信令波形，对未入网的终端设备轮询发送通信频率等信息；
(6.3)终端设备未入网之前一直工作在信令波形上，且处于接收状态，当接收到节点设备的轮询信息后，则进行应答，应答信息包括刚开机、通信频点受干扰两种；
(6.4)如果终端设备应答信息为刚开机，则在应答结束后切换到通信频率，然后在管理时隙进行注册、入网；如果应答信息为通信频点受干扰，则在应答中的可用频点信息中列出该设备本地可用频点；
(6.5)节点设备根据终端设备的应答信息判断对应的终端设备状态，如果通信频点受干扰，则根据终端设备的优先级决定是否切换网络的通信频率。
其中，步骤(7)中节点设备和终端设备需要分别通过多窗谱估计算法对全频段频谱依次进行功率谱密度感知，具体包括以下步骤：
(7.1)切换节点设备与终端设备的谐波滤波器；
(7.2)切换节点设备与终端设备的本振频率；
(7.3)对切换后的频谱进行多次时域采样；
(7.4)对时域采样信号分多路进行DPSS序列加窗；
(7.5)对加窗后的信号进行多窗估计，得到对应的功率谱密度，然后判断是否为最后一段频谱，如果是则转入步骤(7.6)；如果不是最后一段频谱，则判断是否谐波滤波器，如果需要切换，则转至步骤(7.1)，如果不需要切换，则转至步骤(7.2)；
(7.6)对最后一段频谱感知结束后即可以得到全频段频谱的功率谱密度感知结果。
其中，步骤(8)中对感知的功率谱密度进行分析具体包括以下步骤：
(8.1)将全频段频谱的功率谱密度感知结果分两路进行处理：一路最大保持，选出每个频点多次估计中的最大值作为最大保持值；另一路逐一相加后求均值；
(8.2)将得到的均值，乘以设定的系数作为信道门限值；
(8.3)将最大保持值根据波道间隔每若干个点为一段与信道门限值比较，如果这些点均低于门限值，此段设为A，反之设为B；
(8.4)如果连续多段均为A且这些段的带宽和等于信道带宽，则以这几段中第1段的标号作为信道标号并标记为1，并求得这几段的均值；反之则标记为0；
(8.5)将记录的信道标号按照均值由低到高排列，标号为0时自动排至序列末端，进而得到实时认知信息。
本发明与现有技术相比有如下有益效果：
(1)针对现有无线通信设备在复杂地理环境和电磁环境中智能性低，通信链路建立困难等问题，本发明提出了基于多窗谱估计的频谱监测功能，通过对整个通信频段频谱进行扫描，获得背景噪声和干扰较低的通信频点；通过频谱分析与处理，得出本地推荐的相对较好的信道；进而通过信道状态估计得出较为理想的传输参数。
(2)针对现有设备不具备自适应传输功能，只能手动调整传输参数；或具备自适应传输功能，但自适应是被动自适应，本发明根据频谱感知和分析结果，变被动自适应为主动自适应，提高了通信设备使用的灵活性。
(3)针对多用户网络中部分用户由于开机时间较晚或通信频点受到干扰等问题，本发明的通信帧留有迟入网时隙，并设计了灵活的迟 入网策略，可以根据未入网用户的状态信息智能的改变传输参数或策略，在必要的情况下优先完成未入网用户的接入。
附图说明
图1是本发明所适用的通信设备的工作流程图。
图2是通信帧结构设计示意图。
图3是速率自适应示意图。
图4设备迟入网时隙节点/终端设备信令信息格式示意图。
图5是谐波滤波器与本振切换示意图。
图6是多窗谱估计示意图。
图7是频谱监测流程图。
具体实施方式
下面，结合附图对本发明作进一步说明。
基于认知的频谱监测与自适应通信方法，通过频谱感知与监测获得无线频谱的环境噪声基底信息，通过频谱分析与处理对无线信道进行排序，通过信道选择与匹配策略得到全网匹配的相对“干净”的信道，通过自适应传输策略实现了通信参数的自适应调整，通过留有的迟入网时隙实现了迟入设备的接入，如图1所示。其特征在于包括步骤如下：
(1)输入节点设备和终端设备初始认知信息，并将初始认知信息置为当前认知信息。
(2)通信过程中，节点设备与终端设备间保持时间同步，在管理时隙，节点设备和终端设备均完成注册信息、通信频率及通信速率参数的发送或接收，节点设备还需要对终端设备的当前认知信息进行轮询上报。
(3)在业务时隙，节点设备和终端设备均完成业务信息的发送或 接收，业务时隙结束后进入信道估计时隙；业务信息包括话音业务与IP业务。
在业务时隙，对于节点设备，还需要根据轮询接收到的当前认知信息进行信道的选择与匹配。
在业务时隙，节点设备需要完成信道的选择与匹配。节点设备在步骤(2)中将收到的终端设备报送的频谱信息存入表1所示的表格中。由于节点设备具有较高的优先级(否则匹配出的信道中可能为发起节点频谱列表中较差的信道，进而影响整个网络的性能)，所以第一步需要首先完成终端设备间信道的选择，选出全部排序后的信道；然后再把第一步排序后的信道与节点设备的信道进行第二次选择与匹配，进而得到最终匹配的信道。
表1 信道选择
在信道匹配中，首先分析每条信道上非零值的个数，取出非零值最多的信道；如果有一个以上的信道上的非零值相等时，比较这些信道上所有站点报送标号的和，从中取出和值最小的信道；如果和值还相同时，则选择频率较低的信道作为推荐的通信信道。以此规则，选择若干条信道进行信道估计与分析，进而得出最终的通信信道和备用信道。
(4)在信道估计时隙，节点设备分别与各终端设备根据信道选择 与匹配的结果进行两两信道估计，如果节点设备与终端设备刚开始进行业务通信，则进行估计的信道为固有的备用信道、通信信道与可用信道中频率最低的信道；如果节点设备和终端设备在通信过程中，则进行估计的信道为固有的备用信道、通信信道与经过频谱感知后匹配得到的信道。
(5)信道估计完成后，节点设备根据当前认知信息和信道估计结果，通过自适应传输策略得到节点设备和每个终端设备的实时最优传输参数。
根据信道估计的结果，速率自适应采用逐级变化的策略，每一个速率设置一个上升门限和下降门限，门限设置示意如表2所示(以80k速率的门限为基准)，如图3所示。
表2 速率自适应门限设置表
| 当前速率 | 80kbps | 600kbps | 2Mbps | 10Mbps |
| 下降门限 | 18dB | 23dB | 29dB | |
| 上升门限 | 20dB | 25dB | 31dB |
经过频谱感知之后，选择了若干个备用信道。一个或多个通信帧可以完成一对设备(节点设备与终端设备)间的信道估计，完成所有终端设备的信道估计之后可以根据频率自适应策略的结果选择切换/不切换信道。
信道选择时为当前工作频点设置一个大于1的权重，从而保证当前频点优先使用。除了可以周期性的触发频率切换之外，还有其它事件可以触发频率切换，包括但不仅限于以下几点：
a.迟入网阶段有终端开机但频点受到干扰不能完成接入；
b.当前工作频点速率降低到一定门限以下或者有终端失步。
(6)在设备迟入网时隙，节点设备对未入网的终端设备进行轮询接入，并接收未入网终端设备的应答信息，如果应答信息为刚开机， 则该终端设备在下一个管理时隙完成注册与入网；如果应答信息为当前通信频率受到干扰，则该终端设备需要同时上报本地可用的频率信息给节点设备，由节点设备根据传输策略决定是否需要调整当前的工作频率以完成该终端设备的入网。
迟入网是指当前网内节点设备和终端设备处于通信状态时，一部或者多部其它终端设备由于某种原因未能入网，需要采取一定措施进入通信网工作的一种入网方式。
本方案中设计有接入时隙，该时隙采用信令波形，工作频点是预设的无干扰频点。节点设备和终端设备的接入时隙帧结构如图4所示，节点设备通过信令波形广播当前的通信信道，终端设备接收到通信信道并完成同步后，通过管理时隙实现注册、入网功能。终端设备实现迟入网功能，有两个前提条件，一是信令波形工作频点没有被干扰，能够进行可靠传输；二是终端设备数是节点设备预知的，保证节点设备能够轮询到所有的终端设备。
(7)设备迟入网时隙完成后进入频谱感知时隙，在频谱感知时隙，节点设备和终端设备开始分别通过多窗谱估计算法对全频段频谱依次进行功率谱密度感知。
本设计中拟采用多窗谱估计算法来实现功率谱密度估计。传统的周期图法只用一个数据窗，而Thomson对同一数据序列用多个正交的数据窗分别求直接谱，然后求平均得到谱估计，因而可以得到较小的估计方差。这多个数据窗必须相互正交，以阻止频谱泄漏。
多窗谱定义如下：
其中，
其中，x(n)为信息序列，n为序列的长度，L为数据窗的个数，ai(n)为第i个数据窗并满足：
特别地，这种方法选用离散扁长球体(DPSS)序列作为窗对在固定带宽(f-ω,f+ω)内的时间序列进行线性展开。当nw＝2时可以产生4个相互正交的DPSS序列，对应的在频带2w内的能量集中率v1＝0.99994，v2＝0.99765，v3＝0.95939，v4＝0.72175。第4个序列的能量集中率偏低，故而舍去，取前三个序列，构成仿真需要的三个窗函数。
本设计主要针对宽频段频谱感知，因此需要切换本振和前端的谐波滤波器组，分多次来完成全频段的频谱感知与处理，如图5所示。为提高感知精度，每次本振切换均舍去两端的部分点(需保证全频段的不间断性)。感知本振切换时间一般有三部分组成，本振切换时间、信道稳定时间和总线传输时延。为提高对周期性信号的检测准确性，对每段频谱需要连续采样多次(采样次数与要求的信号检测周期长度有关)。
采样完成后的信号分成多路，分别通过相应的DPSS序列进行加窗，然后即可以进行FFT处理，进而得到多窗谱估计后的平均功率谱密度如图6所示。
(8)功率谱密度感知完成后，节点设备和终端设备分别对感知的功率谱密度进行分析。功率谱密度分析完成后得到实时认知信息，将实时认知信息置为当前认知信息。
(9)判断通信是否结束，如果结束则转入步骤(10)，反之则转入步骤(2)；
(10)通信结束。
Claims (5)
1.一种基于认知的频谱监测与自适应通信方法，实现了设备通信过程中无线频谱的实时感知与功率谱密度分析、信道状态估计、通信参数的自适应调整以及迟入网设备的接入，其特征在于包括如下步骤：
(1)输入节点设备和终端设备初始认知信息，并将初始认知信息置为当前认知信息；
(2)通信过程中，节点设备与终端设备间保持时间同步，在管理时隙，节点设备和终端设备均完成注册信息、通信频率及通信速率参数的发送或接收，节点设备还需要对终端设备的当前认知信息进行轮询上报；
(3)在业务时隙，节点设备和终端设备均完成业务信息的发送或接收，业务时隙结束后进入信道估计时隙；业务信息包括话音业务与IP业务；此外，在业务时隙，对于节点设备，还需要根据轮询接收到的当前认知信息进行信道的选择与匹配；
(4)在信道估计时隙，节点设备分别与各终端设备根据信道选择与匹配的结果进行两两信道估计；
(5)信道估计完成后，节点设备根据当前认知信息和信道估计结果，通过自适应传输策略得到节点设备和每个终端设备的实时最优传输参数；
(6)在设备迟入网时隙，节点设备对未入网的终端设备进行轮询接入；
(7)设备迟入网时隙完成后进入频谱感知时隙，在频谱感知时隙，节点设备和终端设备开始分别通过多窗谱估计算法对全频段频谱依次进行功率谱密度感知；
(8)功率谱密度感知完成后，节点设备和终端设备分别对感知的功率谱密度进行分析，功率谱密度分析完成后得到实时认知信息，将实时认知信息置为当前认知信息；
(9)判断通信是否结束，如果结束则转入步骤(10)，反之则转入步骤(2)；
(10)通信结束；
其中，步骤(7)中的节点设备和终端设备分别通过多窗谱估计算法对全频段频谱依次进行功率谱密度感知，具体包括以下步骤：
(7.1)切换节点设备与终端设备的谐波滤波器；
(7.2)切换节点设备与终端设备的本振频率；
(7.3)对切换后的频谱进行多次时域采样；
(7.4)对时域采样信号分多路进行DPSS序列加窗；
(7.5)对加窗后的信号进行多窗估计，得到对应的功率谱密度，然后判断是否为最后一段频谱，如果是则转入步骤(7.6)；如果不是最后一段频谱，则判断是否需要切换谐波滤波器，如果需要切换，则转至步骤(7.1)，如果不需要切换，则转至步骤(7.2)；
(7.6)对最后一段频谱感知结束后即可以得到全频段频谱的功率谱密度感知结果。
2.根据权利要求1所述的基于认知的频谱监测与自适应通信方法，其特征在于：步骤(2)中节点设备对终端设备的当前认知信息进行轮询上报，具体包括以下步骤：
(2.1)节点设备对各终端设备的当前认知信息进行轮询；
(2.2)终端设备收到轮询信息后，终端设备将当前认知信息上报给节点设备。
3.根据权利要求1所述的基于认知的频谱监测与自适应通信方法，其特征在于：步骤(3)中，节点设备对接收到的当前认知信息进行信道的选择与匹配，具体包括以下步骤：
(3.1)在全频段范围内按频谱由低到高生成信道列表；
(3.2)依次将各终端设备的认知信息填入表中；如果对应信道的标记为0，表示该信道在对应的终端处不可使用，表中填入0；
(3.3)首先比较各条信道中非0值的个数，按照个数由多到少排序，个数较多的信道优先选用；如果个数相同则将非0值相加后求均值，均值较小的优先选用；如果均值仍相同，则优先选用序号较小的信道；
(3.4)将步骤(3.3)中选择的信道按照优先等级排序，然后与节点设备的功率谱密度分析结果一起填入与步骤(3.2)相同的表中，并根据步骤(3.3)中的策略得出最终的信道排序结果，进而从中选出信道匹配的结果。
4.根据权利要求1所述的基于认知的频谱监测与自适应通信方法，其特征在于：步骤(6)具体包括以下步骤：
(6.1)判断设备类型，如果是节点设备，则转入步骤(6.2)；如果是终端设备，则转入步骤(6.3)；
(6.2)节点设备切换到信令波形，对未入网的终端设备轮询发送通信频率信息；
(6.3)终端设备未入网之前一直工作在信令波形上，且处于接收状态，当接收到节点设备的轮询信息后，则进行应答，应答信息包括刚开机、通信频点受干扰两种；
(6.4)如果终端设备应答信息为刚开机，则在应答结束后切换到通信频率，然后在管理时隙进行注册、入网；如果应答信息为通信频点受干扰，则在应答中的可用频点信息中列出该设备本地可用频点；
(6.5)节点设备根据终端设备的应答信息判断对应的终端设备状态，如果通信频点受干扰，则根据终端设备的优先级决定是否切换网络的通信频率。
5.根据权利要求1所述的基于认知的频谱监测与自适应通信方法，其特征在于：步骤(8)中对感知的功率谱密度进行分析具体包括以下步骤：
(8.1)将全频段频谱的功率谱密度感知结果分两路进行处理：一路最大保持，选出每个频点多次估计中的最大值作为最大保持值；另一路逐一相加后求均值；
(8.2)将得到的均值，乘以设定的系数作为信道门限值；
(8.3)将最大保持值根据波道间隔每若干个点为一段与信道门限值比较，如果这些点均低于门限值，此段设为A，反之设为B；
(8.4)如果连续多段均为A且这些段的带宽和等于信道带宽，则以这些段中第1段的标号作为信道标号并标记为1，并求得这些段的均值；反之则标记为0；
(8.5)将记录的信道标号按照均值由低到高排列，标号为0时自动排至序列末端，进而得到实时认知信息。
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