郭霞，張永輝，陳真佳，劉偉

（海南大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，海南 ?？?570228）

0 引言

當(dāng)前，無線通信業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展使得對(duì)頻譜資源的需求日益增加，但可用的頻譜資源卻越來越少。由此衍生的非法占用授權(quán)頻段的事件頻繁發(fā)生，已經(jīng)嚴(yán)重?fù)p害到授權(quán)用戶的正常通信?，F(xiàn)如今的頻譜檢測(cè)設(shè)備雖然可以實(shí)時(shí)檢測(cè)到某些頻段有異常信號(hào)，但往往受限于有限的存儲(chǔ)空間，不能將所有頻譜數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存下來，用于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理。

文獻(xiàn)[1-4]對(duì)多種頻譜檢測(cè)的算法進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了對(duì)無線電信號(hào)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，但是都未對(duì)頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的存儲(chǔ)與管理。能量檢測(cè)和循環(huán)平穩(wěn)特征檢測(cè)是目前最常用的有效頻譜檢測(cè)技術(shù)。文獻(xiàn)[5]對(duì)能量檢測(cè)和循環(huán)平穩(wěn)特征檢測(cè)兩種方法進(jìn)行了性能比較，循環(huán)平穩(wěn)特征檢測(cè)雖然檢測(cè)準(zhǔn)確性高但存在著計(jì)算復(fù)雜度大、檢測(cè)時(shí)間長的問題，不適用于長期的實(shí)時(shí)檢測(cè)；能量檢測(cè)雖然受噪聲影響較大，但是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、計(jì)算復(fù)雜度低、速度較快，被廣泛應(yīng)用于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中。文獻(xiàn)[6]分析了無線電管理的現(xiàn)狀和存在問題，闡述了大數(shù)據(jù)在無線電頻譜資源管理中的應(yīng)用，但是僅對(duì)無線電頻譜大數(shù)據(jù)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了理論分析，并未具體實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[7]探討了如何實(shí)現(xiàn)對(duì)頻譜資源的直觀展示和深入探索，并提出如何在龐大的數(shù)據(jù)庫中更高效地甄別和挖掘頻譜數(shù)據(jù)有效信息這一問題。

基于上述問題，提出一種電磁信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，建立多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行頻譜檢測(cè)，將每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯總分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)無線電頻譜資源的性能分析，挖掘有價(jià)值頻譜數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)頻譜可視化[8]，從而指導(dǎo)認(rèn)知用戶更加有效的利用頻譜資源。基于長期的實(shí)時(shí)檢測(cè)這一需求，該系統(tǒng)選用能量檢測(cè)方法[9]。通過軟件無線電對(duì)頻譜資源的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)無線電信號(hào)的實(shí)時(shí)檢測(cè)；并將實(shí)時(shí)的頻譜數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，用戶根據(jù)檢測(cè)需求通過上位機(jī)來發(fā)送頻譜檢測(cè)指令，同時(shí)完成對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理。

1 系統(tǒng)概述

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的頻譜檢測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析處理等多種功能，用戶可以通過上位機(jī)向主控設(shè)備發(fā)送指令，主控設(shè)備解析指令后，按照上位機(jī)的要求完成對(duì)頻譜數(shù)據(jù)庫的操作以及對(duì)頻譜數(shù)據(jù)的分析和處理，并將結(jié)果反饋給上位機(jī)。

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)由信號(hào)采集模塊、主控模塊、數(shù)據(jù)庫、上位機(jī)四部分組成，選用Linux平臺(tái)作為主控模塊和服務(wù)端，軟件無線電作為射頻模塊，Android平臺(tái)終端如手機(jī)、平板作為客戶端，并在Linux平臺(tái)上搭建頻譜數(shù)據(jù)庫，用于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，主控模塊和上位機(jī)通過套接字建立通信，主控模塊通過USB驅(qū)動(dòng)射頻模塊?？傮w設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Diagram of overall design

1.2 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

本系統(tǒng)的整體架構(gòu)以及各個(gè)模塊設(shè)計(jì)，對(duì)比現(xiàn)有的頻譜檢測(cè)系統(tǒng)，具有下列幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì):

1）現(xiàn)階段使用的頻譜檢測(cè)設(shè)備價(jià)格較高，體積較大，本系統(tǒng)使用了靈活性強(qiáng)、開源程度高、性價(jià)比高的軟件無線電作為通信系統(tǒng)的信號(hào)采集模塊，頻段、帶寬、調(diào)制方式等參數(shù)可調(diào)，更便于應(yīng)用拓展。

2）建立頻譜數(shù)據(jù)庫，可以存儲(chǔ)大量歷史數(shù)據(jù)，便于頻譜數(shù)據(jù)有效信息的挖掘，實(shí)現(xiàn)對(duì)無線電信號(hào)的特性分析。

3）選用Android控制端作為上位機(jī)進(jìn)行頻譜數(shù)據(jù)的檢測(cè)和處理，方便快捷。

4）采用TCP/IP協(xié)議作為主控模塊和控制端的通信協(xié)議，使得主控模塊控制腳本和上位機(jī)應(yīng)用得以并行開發(fā)。使用軟件工程思想提高主控模塊和控制端的獨(dú)立性，使用TCP/IP協(xié)議降低設(shè)備之間的通信壁壘。上位機(jī)不直接接觸硬件結(jié)構(gòu)，移植性較強(qiáng)；設(shè)備不區(qū)分網(wǎng)絡(luò)硬件，擁有極高的可靠性，可以為用戶提供可靠的服務(wù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)采集模塊

系統(tǒng)的信號(hào)采集模塊選用的是Software Defined Radio（SDR），SDR主要由天線、射頻端、高速模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，以及高速數(shù)字信號(hào)處理器（DSP或FPGA）等組成[10]。軟件無線電的軟、硬件開源性較高，有很強(qiáng)的靈活性，便于用戶自行開發(fā)。軟件無線電結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示[11]。

2.2 主控模塊

選用搭建Linux系統(tǒng)的設(shè)備作為主控模塊，主控模塊通過USB串口與信號(hào)采集模塊連接向信號(hào)采集模塊發(fā)送控制指令。主控模塊具有Ad Hoc功能，Android控制端可以通過連接主控設(shè)備的熱點(diǎn)接入系統(tǒng)。主控模塊作為服務(wù)端，上位機(jī)作為客戶端通過TCP/IP協(xié)議訪問主控模塊向主控模塊發(fā)送控制指令。主控模塊接收到指令后，通過USB驅(qū)動(dòng)軟件無線電模塊進(jìn)行頻譜檢測(cè)，將獲取的頻譜數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到本地?cái)?shù)據(jù)庫，并將數(shù)據(jù)反饋給上位機(jī)處理。

為了實(shí)現(xiàn)多任務(wù)信號(hào)采集，主控模塊提供多進(jìn)程驅(qū)動(dòng)多個(gè)SDR進(jìn)行頻譜檢測(cè)，檢測(cè)的同時(shí)將頻譜數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫，保證頻譜檢測(cè)數(shù)據(jù)訪問的實(shí)時(shí)性和頻譜數(shù)據(jù)庫的完整性。檢測(cè)數(shù)據(jù)以SDR的序列號(hào)作為唯一識(shí)別碼，用戶可以根據(jù)相應(yīng)的識(shí)別碼訪問SDR頻譜數(shù)據(jù)。主控模塊的控制流程圖如圖3所示。多進(jìn)程同時(shí)訪問同一檢測(cè)腳本會(huì)出現(xiàn)函數(shù)重入問題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不同步或者運(yùn)行程序出錯(cuò)。為了避免這一現(xiàn)象，在進(jìn)程間加入了信號(hào)量實(shí)現(xiàn)操作鎖，保證同一時(shí)刻只有一個(gè)進(jìn)程占用程序。當(dāng)信號(hào)量值大于0時(shí)，則進(jìn)程可以調(diào)用頻譜檢測(cè)腳本，否則進(jìn)程進(jìn)入阻塞狀態(tài)。系統(tǒng)中使用信號(hào)量實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信的流程圖如圖4所示。

圖3 主控模塊控制流程圖Fig.3 Control flow of master control module

圖4 信號(hào)量實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信流程圖Fig.4 Flow chart of realizing inter-process communication by means of signal amount

2.3 頻譜數(shù)據(jù)庫

2.3.1 數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫是存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)、有組織的、可為各種用戶所共享的大量數(shù)據(jù)的集合。頻譜數(shù)據(jù)包含豐富的數(shù)字特征，在完成基礎(chǔ)的頻譜檢測(cè)功能后，應(yīng)該將收集到的頻譜數(shù)據(jù)保存起來，用于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理。頻譜數(shù)據(jù)庫包含各種常用信號(hào)樣本，如模擬調(diào)制、數(shù)字調(diào)制，以及常用的無線電信號(hào)的時(shí)頻特征和相關(guān)信息[12]；可根據(jù)多種條件及其組合對(duì)信號(hào)進(jìn)行篩選和搜索，支持模糊查找，快速匹配信號(hào)特征；數(shù)據(jù)庫易于擴(kuò)展，用戶可方便地添加新的樣本信號(hào)和相關(guān)信息，可將歷次記錄到的干擾信號(hào)和排查方法存檔，便于對(duì)照參考。

為了使數(shù)據(jù)更好的保存，在主控設(shè)備上搭建了MySQL數(shù)據(jù)庫。MySQL數(shù)據(jù)庫使用C/C++語言編寫，源代碼具有很好的移植性；支持多線程，充分利用CPU資源；而且它為多種編程語言提供了API，方便用戶編寫自己的程序。MySQL提供了管理和優(yōu)化數(shù)據(jù)庫操作的工具，可以處理擁有上千萬條記錄的數(shù)據(jù)庫。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的頻譜數(shù)據(jù)庫選用C語言作為應(yīng)用程序接口，移植性較好。

2.3.2 頻譜數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中頻譜數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，設(shè)計(jì)的好壞關(guān)系到后期數(shù)據(jù)查找和數(shù)據(jù)處理的難易程度。根據(jù)頻譜數(shù)據(jù)的特征和后期處理的需求，將頻譜數(shù)據(jù)庫分為3個(gè)功能模塊:數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)篩選和數(shù)據(jù)處理。頻譜數(shù)據(jù)庫整體設(shè)計(jì)示意圖如圖5所示。為了方便后期數(shù)據(jù)的篩選和處理，數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建兩種類型的表:存儲(chǔ)頻譜檢測(cè)任務(wù)的任務(wù)表和存儲(chǔ)頻譜檢測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)表。任務(wù)表存儲(chǔ)每次上位機(jī)發(fā)送的頻譜檢測(cè)指令，包括時(shí)間、起始頻率、采樣間隔、終止頻率，以及指令所對(duì)應(yīng)的SDR的序列號(hào)。系統(tǒng)斷電后，且上位機(jī)沒有發(fā)送指令時(shí)，系統(tǒng)可以從數(shù)據(jù)庫的任務(wù)表中讀取上一次頻譜檢測(cè)的指令繼續(xù)工作。

圖5 頻譜數(shù)據(jù)庫整體設(shè)計(jì)示意圖Fig.5 Schematic diagram for overall design of frequency spectrum database

為了確保頻譜數(shù)據(jù)的同步性，每個(gè)數(shù)據(jù)表均由時(shí)間、溫度、濕度、頻點(diǎn)等屬性描述，數(shù)據(jù)庫中定義表的基本語句為:

CREATE TABLE IF NOT EXISTS Spectrum（time varchar（25）primary key，temp varchar（25），humidity varchar（25），freq_point decimal（6，3））；

系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，選用的頻譜檢測(cè)的頻段為10 MHz～1 GHz，采樣間隔為100 kHz，數(shù)據(jù)表中存儲(chǔ)的是每個(gè)頻點(diǎn)的能量值。通過計(jì)算可知，大概有10 000個(gè)頻點(diǎn)，即需要建立的表格應(yīng)有10 000列，但MySQL數(shù)據(jù)庫對(duì)表格的列數(shù)有限制，需要對(duì)表格進(jìn)行縱向擴(kuò)展。系統(tǒng)根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的頻譜檢測(cè)命令的起始頻率、終止頻率以及采樣間隔，計(jì)算頻譜檢測(cè)頻點(diǎn)的個(gè)數(shù)和所需要?jiǎng)?chuàng)建的數(shù)據(jù)表的個(gè)數(shù)。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，設(shè)定每個(gè)表格中存放1 000個(gè)頻點(diǎn)，每個(gè)表格中均有時(shí)間、溫度、濕度三個(gè)屬性，便于后期數(shù)據(jù)的篩選和處理。

軟件無線電進(jìn)行頻譜檢測(cè)時(shí)，會(huì)將數(shù)據(jù)寫入到名為“scan_freq”的文件中，需要在文件中逐行讀取數(shù)據(jù)，將獲得的每幀頻譜數(shù)據(jù)添加到數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)庫向表中添加數(shù)據(jù)的基本語句為:

INSERT INTO Spectrum（time ，temp，humidity，power）VALUES（‘2017’，‘NULL’，‘NULL’，‘-120’）；

為了更好地觀察數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，安裝數(shù)據(jù)庫可視化工具M(jìn)ySQL Workbench，任務(wù)表和數(shù)據(jù)表的格式見圖6。

圖6 數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建表格式Fig.6 Formats of tables created in database

2.4 上位機(jī)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用Android設(shè)備作為上位機(jī)，采用Client/Server（C/S）架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)和主控模塊之間的交互。C/S架構(gòu)，即客戶端和服務(wù)端的通信連接模式，充分利用客戶端和服務(wù)器端的環(huán)境，在客戶端進(jìn)行具體的運(yùn)算和數(shù)據(jù)的處理，服務(wù)器端任務(wù)較輕，為客戶端提供篩選數(shù)據(jù)的接口，將任務(wù)合理分配到Client端和Server端，降低了系統(tǒng)的通信開銷。套接字（Socket）是一個(gè)通用的網(wǎng)絡(luò)編程接口，使用套接字通信協(xié)議進(jìn)行通信的設(shè)備，均被劃分為服務(wù)器端和客戶端。本系統(tǒng)中主控模塊作為服務(wù)器端首先通過組播發(fā)布自己的IP地址，本地開啟端口進(jìn)行監(jiān)聽，此時(shí)該監(jiān)聽進(jìn)程從運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換成阻塞狀態(tài)，實(shí)時(shí)等待客戶端發(fā)送連接請(qǐng)求。上位機(jī)作為客戶端，向服務(wù)器端發(fā)出創(chuàng)建Socket連接請(qǐng)求。服務(wù)器端接收到請(qǐng)求，響應(yīng)狀態(tài)從阻塞狀態(tài)轉(zhuǎn)換成運(yùn)行狀態(tài)。服務(wù)器端反饋Socket描述，客戶端接收到描述后發(fā)送確認(rèn)信息，服務(wù)器端收到確認(rèn)信息則標(biāo)志創(chuàng)建連接成功[13]。具體流程如圖7所示。

圖7 Socket通信流程圖Fig.7 Flow chart of Socket communication

主控模塊和Android控制端采用套接字進(jìn)行通信，Android控制端向主控模塊詢問SDR的序列號(hào)信息，用戶可以根據(jù)主控模塊返回的SDR信息，向?qū)?yīng)的SDR發(fā)送相應(yīng)的頻譜檢測(cè)指令，或者查看相對(duì)應(yīng)的SDR返回的頻譜數(shù)據(jù)制成的折線圖。同時(shí)用戶可以在上位機(jī)查看頻譜數(shù)據(jù)庫中存放的數(shù)據(jù)表格的目錄，篩選所需的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。Android控制端界面如圖8所示。

圖8 Android控制端界面Fig.8 Interface of Android control terminal

3 系統(tǒng)測(cè)試

頻譜數(shù)據(jù)庫中包含大量的歷史數(shù)據(jù)，可以利用這些數(shù)據(jù)回放之前任一時(shí)刻某一頻段的能量瀑布圖，分析電磁信號(hào)的時(shí)頻特征，計(jì)算頻道占用度和頻段占用度。為了驗(yàn)證本系統(tǒng)采集的頻譜數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在數(shù)據(jù)庫中利用select語句選取某一時(shí)刻某一頻段的數(shù)據(jù)，采用Matlab工具進(jìn)行數(shù)據(jù)仿真，將仿真結(jié)果和頻譜儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。圖9為Matlab仿真得到的700～780 MHz的瀑布圖，圖10為專業(yè)頻譜儀檢測(cè)到的同頻段的瀑布圖。

圖9 系統(tǒng)仿真獲得的瀑布圖Fig.9 Waterfall map obtained by system simulation

圖10 專業(yè)頻譜儀檢測(cè)的瀑布圖Fig.10 Waterfall map of detection by professional frequency spectrum analyzer

由于SDR和專業(yè)頻譜儀過濾噪聲的能力不同，SDR對(duì)噪聲的閾值較低，可以檢測(cè)到更多的微弱信號(hào)，因此兩幅瀑布圖稍有差異。但是對(duì)比信號(hào)強(qiáng)度較強(qiáng)的信號(hào)，本系統(tǒng)和專業(yè)頻譜設(shè)備檢測(cè)到的無線電信號(hào)基本一致。

驗(yàn)證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性后，可以利用頻譜數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)計(jì)算某一頻點(diǎn)的頻道占用度。信號(hào)強(qiáng)度大于H時(shí)（H為用戶自己設(shè)定的頻點(diǎn)被占用的閾值），認(rèn)為該時(shí)刻該頻點(diǎn)被占用。計(jì)算頻道占用度的核心代碼如下:

測(cè)試時(shí)，設(shè)置閾值H=-100 dB，得到時(shí)間2017年11月21日12:25—17:20，頻點(diǎn)763.5 MHz的頻道占用度為10.36%。運(yùn)行結(jié)果如圖11所示。

圖11 運(yùn)行結(jié)果Fig.11 Running result

4 結(jié)語

本文提出的基于頻譜數(shù)據(jù)庫的電磁信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，選用開源程度高、靈活性強(qiáng)的軟件無線電作為信號(hào)采集模塊，同時(shí)采用C/S架構(gòu)實(shí)現(xiàn)客戶端和服務(wù)器端的交互。不但實(shí)現(xiàn)了對(duì)無線電信號(hào)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，而且能將頻譜數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存到數(shù)據(jù)庫中，便于后續(xù)實(shí)現(xiàn)對(duì)無線電信號(hào)的特性分析和有效信息的挖掘。但由于選用了實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單的能量檢測(cè)算法，使得在噪聲復(fù)雜的環(huán)境下，可能會(huì)造成數(shù)據(jù)誤差過大。今后將對(duì)這一算法加以優(yōu)化，確保采集的頻譜數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確。后期將加強(qiáng)對(duì)無線電信號(hào)的時(shí)頻特性分析，以更好地挖掘頻譜數(shù)據(jù)中的有用信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)有限頻譜資源更加高效合理的利用。