顧慶峰，左 彬，吳 皓

（1.海軍駐廣州地區(qū)通信軍事代表室，廣東 廣州 510663；2.總裝備部裝甲兵軍事代表局駐廣州地區(qū)軍事代表室，廣東 廣州 510656；3.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第七研究所，廣東 廣州 510310）

動(dòng)態(tài)頻譜接入策略仿真研究

顧慶峰1，左 彬2，吳 皓3

（1.海軍駐廣州地區(qū)通信軍事代表室，廣東 廣州 510663；2.總裝備部裝甲兵軍事代表局駐廣州地區(qū)軍事代表室，廣東 廣州 510656；3.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第七研究所，廣東 廣州 510310）

以聯(lián)合戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境為應(yīng)用背景，提出了一種動(dòng)態(tài)頻譜接入策略，圍繞該策略構(gòu)建了動(dòng)態(tài)頻譜接入模型，并對(duì)動(dòng)態(tài)頻譜接入策略相應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，解決了在頻譜資源緊張和電磁干擾的條件下提升通信節(jié)點(diǎn)之間通信能力的問(wèn)題，為頻譜資源的合理分配、高效利用以及動(dòng)態(tài)頻譜接入控制提供技術(shù)參考。

動(dòng)態(tài)頻譜接入 接入策略 接入模型

1 引言

諸軍兵種聯(lián)合作戰(zhàn)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，越來(lái)越多的用頻設(shè)備使得頻譜資源供不應(yīng)求。由于用頻設(shè)備之間存在電磁干擾，影響通信節(jié)點(diǎn)之間的通信能力。電磁干擾主要有兩個(gè)方面[1]：一是來(lái)自系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的干擾；二是外部有意或無(wú)意的干擾，這是系統(tǒng)能否正常生存的關(guān)鍵因素。如何在頻譜資源緊張和電磁干擾的條件下提高通信節(jié)點(diǎn)之間的通信能力，是亟待解決的問(wèn)題。

從現(xiàn)有研究結(jié)果可以看出，在現(xiàn)有靜態(tài)的頻譜管理方式下，頻譜資源的使用主要存在兩個(gè)問(wèn)題：一是可用頻譜資源緊缺，但部分已分配頻段的利用率卻很低[2]；二是系統(tǒng)的頻譜需求動(dòng)態(tài)變化，但頻譜劃分卻是固定的。上述問(wèn)題表明，目前頻譜資源緊張的現(xiàn)狀并不是真正“物理上的稀缺”，而是由靜態(tài)的頻譜管理方式導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)性矛盾。

根據(jù)IEEE 1900.1標(biāo)準(zhǔn)的定義，DSA（DynamicSpectrum Access，動(dòng)態(tài)頻譜接入）是一種可以在一定頻譜使用權(quán)限范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)地選擇工作頻譜，并利用在一定時(shí)域、空域和頻域上出現(xiàn)的頻譜空洞或白區(qū)進(jìn)行通信的無(wú)線電技術(shù)[3-4]。從接入策略角度看，動(dòng)態(tài)頻譜接入是在頻譜管理中不再固定地將某段頻譜資源指配給某個(gè)用頻系統(tǒng)，并可以采用接近實(shí)時(shí)的方式調(diào)整頻譜資源的使用，靈活地分配頻譜資源，以適應(yīng)不斷改變的客觀通信環(huán)境[5]。動(dòng)態(tài)頻譜接入策略是對(duì)頻譜資源動(dòng)態(tài)使用的一組規(guī)則，根據(jù)需要分配和使用頻譜空洞，實(shí)現(xiàn)頻譜的高效利用[6]。

2 場(chǎng)景設(shè)定

超短波跳頻電臺(tái)是常用的無(wú)線通信方式之一，其通信頻段在VHF（Very High Frequency，甚高頻）、UHF（Ultra High Frequency，特高頻）頻段內(nèi)，可用頻率資源有限。由超短波電臺(tái)組成的無(wú)線通信網(wǎng)系架構(gòu)部署圖如圖1所示：

圖1 網(wǎng)系架構(gòu)部署圖

通管設(shè)備包含用頻資源動(dòng)態(tài)配置系統(tǒng)和網(wǎng)管。通信節(jié)點(diǎn)連接骨干網(wǎng)，包含終端、DSA設(shè)備、電臺(tái)（包括業(yè)務(wù)信道和信令信道）。通信分節(jié)點(diǎn)連接分組網(wǎng)。通信節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)超短波跳頻電臺(tái)進(jìn)行通信，包含終端、DSA設(shè)備、電臺(tái)（只有1個(gè)信道，業(yè)務(wù)信道和信令信道共用）。1個(gè)通信節(jié)點(diǎn)可以對(duì)應(yīng)多個(gè)通信設(shè)備。

3 模型構(gòu)建

構(gòu)建動(dòng)態(tài)頻譜接入模型：由干擾模型、感知模型、波形模型和交互模型4個(gè)模型所組成。

3.1 干擾模型

戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境下，將包含2種干擾：己方用頻設(shè)備之間的自擾互擾；外部干擾源施加的干擾。

（1）基本噪聲模型

考慮己方互擾自擾因素，設(shè)定基礎(chǔ)背景噪聲模型。其范圍為-120dBm至-80dBm，隨機(jī)生成。

（2）外部干擾模型

外部干擾源施加的干擾是引起通信可通率的主要原因。根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)常見的2種外部干擾類型（梳狀干擾和跟蹤干擾），設(shè)定干擾模型。干擾模型考慮的要素有：干擾源的發(fā)射功率、施加干擾的地域、頻域范圍、干擾類別等。設(shè)定干擾源的發(fā)射功率為500W，發(fā)射頻段為30MHz至88MHz，干擾頻率的信道間隔為25kHz，干擾變化的時(shí)間設(shè)定為10s。

梳狀干擾的干擾頻率分布為等間隔梳齒狀分布。設(shè)定最小間隔比例為3、最大間隔比例為10，每次仿真開始時(shí)，在此范圍內(nèi)隨機(jī)生成干擾間隔比例，在用頻頻段內(nèi)按照間隔隨機(jī)生成干擾頻率。

跟蹤干擾的干擾頻率跟隨使用頻率變動(dòng)，使用頻率變更后干擾頻率和使用頻率的差別跟隨時(shí)間變化而減少。設(shè)定初始間隔為10，干擾逐步逼近的比例為0.8。假定開始的干擾頻率與實(shí)際工作頻率的間隔為10×25kHz，經(jīng)過(guò)一個(gè)干擾變化的周期后，則干擾頻率與實(shí)際工作頻率的間隔為0.8×10×25kHz。

3.2 感知模型

實(shí)時(shí)的頻譜感知是動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù)的特點(diǎn)之一。通信節(jié)點(diǎn)的信令電臺(tái)具有頻譜感知能力。由于干擾模型本身為自己設(shè)定的干擾模型，故感知模型未單獨(dú)再去設(shè)計(jì)模型，而是采用自由空間傳播模型，具備感知能力的節(jié)點(diǎn)所感知頻率的電平能量值為從干擾源到節(jié)點(diǎn)所在地經(jīng)過(guò)自由空間傳播損耗后的電平能量值，并在其中隨機(jī)加入±3dB的誤差[7]，再結(jié)合基礎(chǔ)背景噪聲模型，形成本仿真的感知模型。

3.3 波形模型

本仿真里主要有2種波形：某超短波電臺(tái)跳頻波形和DSA波形。

這里設(shè)定的波形參數(shù)主要考慮可通率?？赏始串?dāng)前頻率表內(nèi)有一定數(shù)量頻點(diǎn)被干擾，仍可成功通信的概率。設(shè)定噪聲門限為-90dBm，普通頻率表根據(jù)跳頻表內(nèi)超出噪聲門限的點(diǎn)占跳頻表數(shù)量的比例確定可通率。當(dāng)可通率降低至75%時(shí)，到達(dá)設(shè)定門限，換頻機(jī)制啟動(dòng)。傳統(tǒng)超短波電臺(tái)當(dāng)換頻機(jī)制啟動(dòng)時(shí)，在電臺(tái)內(nèi)置的多張?zhí)l頻率表內(nèi)進(jìn)行切換。本策略當(dāng)換頻機(jī)制啟動(dòng)時(shí)，DSA設(shè)備根據(jù)感知信息，利用可用頻點(diǎn)生成新的跳頻表并下發(fā)給電臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)可通率的提升。

超短波跳頻波形可通率如圖2所示：

圖2 超短波跳頻波形可通率

超短波跳頻波形的可通率設(shè)定如下：

（1）0%的點(diǎn)被干擾對(duì)應(yīng)可通率為100%；

（2）30%的點(diǎn)被干擾對(duì)應(yīng)可通率為90%；

（3）70%的點(diǎn)被干擾對(duì)應(yīng)可通率為40%；

（4）90%的點(diǎn)被干擾對(duì)應(yīng)可通率為10%；

（5）100%的點(diǎn)被干擾對(duì)應(yīng)可通率為0%。

3.4 交互模型

用頻方案下發(fā)：用頻資源動(dòng)態(tài)配置系統(tǒng)生成用頻方案，并下發(fā)給通信節(jié)點(diǎn)的D S A設(shè)備。下級(jí)通信分節(jié)點(diǎn)提出用頻申請(qǐng)，由電臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)用頻申請(qǐng)到通信節(jié)點(diǎn)的DSA設(shè)備。通信節(jié)點(diǎn)的DSA設(shè)備下發(fā)用頻方案，經(jīng)過(guò)電臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)，下發(fā)至分節(jié)點(diǎn)的DSA設(shè)備。通信節(jié)點(diǎn)和分節(jié)點(diǎn)的DSA設(shè)備都向電臺(tái)加載用頻方案。通信節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)電臺(tái)和分節(jié)點(diǎn)電臺(tái)進(jìn)行業(yè)務(wù)交互。

換頻機(jī)制觸發(fā)：通信節(jié)點(diǎn)的信令電臺(tái)始終進(jìn)行實(shí)時(shí)感知，并把感知結(jié)果上報(bào)給通信節(jié)點(diǎn)的DSA設(shè)備。當(dāng)信令電臺(tái)感知到可通率在75%以下，即超過(guò)設(shè)定門限時(shí)，觸發(fā)換頻機(jī)制，根據(jù)感知頻譜信息生成新的頻率表[8-9]。

換頻方案下發(fā)：分節(jié)點(diǎn)的DSA設(shè)備轉(zhuǎn)入換頻機(jī)制，向上級(jí)通信節(jié)點(diǎn)DSA設(shè)備申請(qǐng)用頻方案，經(jīng)電臺(tái)無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)申請(qǐng)換頻請(qǐng)求。通信節(jié)點(diǎn)的DSA設(shè)備下發(fā)換頻方案，通信雙方電臺(tái)加載用頻方案[10]。

3.5 目標(biāo)建模

基于車輛行進(jìn)中通信的場(chǎng)景，建立了多個(gè)站點(diǎn)越區(qū)切換的模型，其場(chǎng)景如圖3所示。該模型包含10輛通信節(jié)點(diǎn)車、100輛通信分節(jié)點(diǎn)車，通信分節(jié)點(diǎn)車的速度不高于60km/h，通信節(jié)點(diǎn)車低于通信分節(jié)點(diǎn)車的速度。

圖3 越區(qū)切換

4 仿真結(jié)果

設(shè)置3種策略作為對(duì)比，以觀察動(dòng)態(tài)頻譜接入策略能否有效提高通信節(jié)點(diǎn)之間的通信能力：

（1）無(wú)頻管，依靠電臺(tái)自身跳頻抗干擾的能力；

（2）有頻管，但換頻只能根據(jù)實(shí)時(shí)干擾情況在電臺(tái)內(nèi)置的多張?zhí)l頻率表內(nèi)進(jìn)行切換；

（3）有頻管，采用動(dòng)態(tài)頻譜接入策略動(dòng)態(tài)換頻，換頻時(shí)根據(jù)實(shí)時(shí)干擾情況以及感知信息，利用可用頻點(diǎn)生成新的跳頻表。

仿真通信節(jié)點(diǎn)之間通信過(guò)程，模擬通信節(jié)點(diǎn)均已裝備頻譜接入控制系統(tǒng)，通過(guò)編程在仿真軟件中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜接入?yún)f(xié)議，在通信區(qū)域內(nèi)隨機(jī)施加一個(gè)發(fā)射功率為500W的干擾源，其干擾類型分為梳狀干擾和跟蹤干擾。

4.1 頻譜接入策略仿真結(jié)果

本文利用通信成功率來(lái)衡量通信系統(tǒng)從換頻開始到整個(gè)業(yè)務(wù)信息交互結(jié)束，通信過(guò)程能否完整完成。不同的頻譜動(dòng)態(tài)接入策略對(duì)提升通信的成功率也有顯著的區(qū)別。通過(guò)施加不同的外部干擾（梳狀干擾和跟蹤干擾），對(duì)采用不同的頻譜動(dòng)態(tài)接入策略進(jìn)行了仿真。觀察1小時(shí)內(nèi)通信成功率曲線的變化情況，按照不換頻、更換頻率表號(hào)和更換頻點(diǎn)3種方式進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)與對(duì)比，具體如圖4和圖5所示。

通過(guò)圖4和圖5可以看出：在跟蹤干擾的情況下，使用更換頻點(diǎn)的頻率動(dòng)態(tài)接入策略相比其他方式更能顯著提升通信成功率；在梳狀干擾的情況下也能有效提升通信成功率，但相比更換頻率表號(hào)的方式提升效果不是很明顯。

圖4 通信效果的影響（梳狀干擾）

圖5 通信效果的影響（跟蹤干擾）

4.2 對(duì)通信效果影響的仿真結(jié)果

頻繁對(duì)當(dāng)前工作頻率進(jìn)行換頻操作，有可能對(duì)整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)造成抖動(dòng)，同時(shí)也有可能使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)陷入癱瘓狀態(tài)?；诖?，下面將針對(duì)動(dòng)態(tài)頻譜接入對(duì)通信效果的影響進(jìn)行仿真分析。

同樣也考慮2種外部干擾情況，針對(duì)不同的動(dòng)態(tài)頻譜接入策略對(duì)通信效果的影響進(jìn)行仿真，觀察1小時(shí)內(nèi)通信成功率曲線的變化情況。本文通過(guò)觀察通信成功率曲線的波動(dòng)程度來(lái)衡量換頻后對(duì)通信效果的影響。

由圖4和圖5可以看出，在梳狀干擾的情況下，通信成功率曲線出現(xiàn)較大波動(dòng)，即通信效果較差時(shí)，不換頻時(shí)與更換表號(hào)差別不大，其抖動(dòng)主要出現(xiàn)在干擾的過(guò)程中；更換頻點(diǎn)時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)通信效果下降時(shí)即進(jìn)行更換，其通信效果一直維持較好的狀態(tài)，即使出現(xiàn)抖動(dòng)也只是小范圍的波動(dòng)，對(duì)通信效果影響較小。在跟蹤干擾的情況下，通信成功率曲線有很大不同。不換頻時(shí)，通信效果逐漸下降，且趨于0不再變化，說(shuō)明在跟蹤干擾的情況下不換頻已無(wú)法通信；更換表號(hào)時(shí)，每次換頻都會(huì)造成較大的波動(dòng)，且通信效果沒(méi)有質(zhì)的變化；更換頻點(diǎn)時(shí)，可以看出換頻后其通信效果相對(duì)一直維持較好的狀態(tài)，即使出現(xiàn)抖動(dòng)也只是小范圍的波動(dòng)，對(duì)通信效果影響較小。

5 結(jié)論

本文以聯(lián)合戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境為應(yīng)用背景，利用動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù)，對(duì)動(dòng)態(tài)頻譜接入策略進(jìn)行仿真。利用有限的頻譜資源，在不同干擾情況下，保證通信節(jié)點(diǎn)之間正常通信，從而提升通信能力。仿真結(jié)果表明，該動(dòng)態(tài)頻譜接入策略具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）相比不換頻的方法，2種外部干擾下，通信成功率均大幅提升；相比更換頻率表號(hào)的方法，在跟蹤干擾的情況下，通信成功率顯著提升。

（2）2種外部干擾下，換頻后通信效果均維持在較好狀態(tài)，對(duì)通信效果的影響都較小。

總之，制定更有效的動(dòng)態(tài)頻譜接入策略，以提高通信系統(tǒng)的通信成功率和頻譜利用率，是今后研究的重點(diǎn)。

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顧慶峰：高級(jí)工程師，碩士畢業(yè)于華南理工大學(xué)，現(xiàn)任職于海軍駐廣州地區(qū)通信軍事代表室，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信。

左彬：工程師，學(xué)士畢業(yè)于西安礦業(yè)學(xué)院，現(xiàn)任職于總裝備部裝甲兵軍事代表局駐廣州地區(qū)軍事代表室，主要研究方向?yàn)橥ㄐ殴こ獭?/p>

吳皓：高級(jí)工程師，碩士畢業(yè)于武漢大學(xué)，現(xiàn)任職于中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第七研究所，主要研究方向?yàn)轭l譜管理。

Research on Simulation of Dynamic Spectrum Access Strategy

GU Qing-feng1, ZUO Bin2, WU Hao3
(1. Communication Military Representative Office of Navy in Guangzhou Area, Guangzhou 510663, China; 2. General Armaments Department Military Representative Office in Guangzhou, Guangzhou 510656, China; 3. China Electronics Technology Group Corporation No.7 Research Institute, Guangzhou 510310, China)

On the background of complex electromagnetic environment on joint battlefi eld, a dynamic spectrum access strategy was proposed in this paper. Based on the strategy, dynamic spectrum access model was built and the corresponding indicators of the strategy were simulated. It solved that communication capacity between nodes is enhanced in the conditions of both scarce spectrum resource and electromagnetic interferences. In addition, it provides a technical reference to reasonable allocation and effi cient utilization of spectrum, as well as dynamic spectrum access control.

dynamic spectrum access (DSA) access strategy access model

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.14.010

TN97

A

1006-1010(2015)14-0049-05

顧慶峰,左彬,吳皓. 動(dòng)態(tài)頻譜接入策略仿真研究[J]. 移動(dòng)通信, 2015,39(14): 49-53.

2015-06-19

責(zé)任編輯：袁婷 yuanting@mbcom.cn