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        一種面向大規(guī)模感知節(jié)點的電磁環(huán)境地圖快速生成方法

        2020-02-23 12:47:40郭宇鵬李炳呈李艷婷肖逸凡
        電聲技術 2020年9期
        關鍵詞:輻射源分區(qū)頻譜

        張 淞,邵 尉,郭宇鵬,李炳呈,李艷婷,肖逸凡

        (陸軍工程大學,江蘇 南京 210007)

        0 引言

        電磁頻譜是不可或缺的資源。通信、雷達以及導航等業(yè)務的開展,越來越依賴于電磁頻譜的使用。然而,當前各類用頻系統(tǒng)部署密集,導致用頻矛盾突出,兼容難度加大,自擾和互擾現(xiàn)象日趨加重。電磁環(huán)境地圖[1]能夠表征頻譜資源占用的狀態(tài)和形勢,是一種有效的頻譜管理工具。

        構建REM 可采用空間插值算法[2],包括空間統(tǒng)計法、空間幾何法以及函數(shù)法等類型。空間統(tǒng)計類算法包括簡單Kriging、普通Kriging 以及泛Kriging 等[3-4]??臻g幾何類算法包括最近鄰、反距離加權[5]以及改進Shepard[6]等。函數(shù)類算法包括線性、Cubic 等。近年來,頗具代表性的學術進展涉及兩個方面:一方面,一種存在陰影損耗條件下的Kriging 插值法被提出,并用于REM 的構建[4];另一方面,一種改進Shepard 算法被提出,用于二級用戶發(fā)現(xiàn)頻譜空洞[7]。這些成果主要針對認知無線電網絡[1],且主用戶和二級用戶之間存有一定的合作性。然而,在電磁環(huán)境監(jiān)測的應用場景下,輻射源與感知節(jié)點之間的合作性通常是不存在的。

        為推進針對電磁環(huán)境的精細化管理,擴大頻譜監(jiān)測網絡覆蓋范圍和提升頻譜監(jiān)測節(jié)點配置數(shù)量的需求逐漸變得迫切。例如,有研究團隊[8]在山地叢林地帶布設了數(shù)十個頻譜監(jiān)測節(jié)點,通過采集感知數(shù)據來計算得到該傳播環(huán)境下的電波傳播損耗模型。

        但是,無論是改進Shepard 算法還是Kriging 算法,這些算法的精確度較高,但在大規(guī)模感知節(jié)點場景下也帶來了較大的計算量。此外,為提高計算速度而顯著犧牲精度也是不合理的。因此,為了在精度和計算復雜度之間取得折中,設計了一種REM快速生成方法。該方法將整個地域劃分為若干分區(qū),在每個分區(qū)上分別運用空間內插算法生成該分區(qū)的REM,然后將這些分區(qū)REM 拼接為全地域REM。這些分區(qū)REM 的生成過程還可以運用分布式的并行計算。

        1 研究場景

        在一定地域中,分布有M個輻射源和N個頻譜感知節(jié)點,假設N≥100。輻射源包括通信、雷達以及導航等各類用頻臺站。感知節(jié)點一般指可提供電磁環(huán)境場強或功率測量功能的接收機。假定對該地域內分布的各用頻臺站類型、數(shù)量、位置以及參數(shù)等信息一無所知,而僅已知感知節(jié)點提供的電磁環(huán)境測量數(shù)據,則任務是通過空間內插算法快速得到該區(qū)域每一位置的場強或功率值,進而生成覆蓋該地域的REM。

        2 分區(qū)快速生成REM

        2.1 改進Shepard 算法

        假設有|Δ|個頻譜感知節(jié)點,第i個節(jié)點δi的坐標為(xi,yi)。該節(jié)點的感知數(shù)據為zi。假設有|Δ|個三元數(shù)組(xi,yi,zi),尋求發(fā)現(xiàn)一個連續(xù)可微的二維內插函數(shù)f(x,y)=z,使該函數(shù)遍歷所有測量點,也就是說f(xi,yi)=zi。該內插函數(shù)可幫助評估任意位置(xt,yt)的頻譜占用情況。

        式中,k為距離加權因子的冪。

        假設r為以(xt,yt)為中心的圓的半徑,最遠的測量點位于該圓的邊沿。該值取決于圓心(xt,yt)的選擇與感知節(jié)點的數(shù)量。定義集合Rt={δ1,δ2,…,δn},且各數(shù)據點與(xt,yt)之間的距離呈升序排列由于各數(shù)據點與(xt,yt)之間的距離不同,故采用以下加權函數(shù)表示該距離的影響。

        考慮測量點距離的影響,內插功率值可被修正為[6]:

        綜合考慮測量點數(shù)量、距離和排列方向對(xi,yi)的影響,加權因子表示為:

        最終得到信道q的內插功率值為:

        2.2 分區(qū)計算

        選定某一信道。將某一地域劃分為C個分區(qū),第c個分區(qū)中的待插點位置為傳感器集合為傳感器在該信道采集的電磁環(huán)境功率值為其中1 ≤c≤C。

        3 仿真實驗

        3.1 感知數(shù)據來源

        為支持仿真系統(tǒng)的構建,本文將模擬電磁環(huán)境感知數(shù)據,進而為REM 的生成提供感知數(shù)據源。已知M個輻射源的位置、發(fā)射功率等參數(shù),根據具體的傳播環(huán)境地形選擇電波傳播損耗模型。計算每個輻射源發(fā)射信號到達所在地域任一位置所形成的功率值,得到每個輻射源在該地域范圍內產生的功率分布,再將全部輻射源產生的功率分布疊加,形成總的電磁環(huán)境功率分布。感知節(jié)點所在位置的功率即為該節(jié)點的接收功率值,為仿真實驗中感知節(jié)點提供了感知數(shù)據來源。

        常用的電波傳播模型包括自由空間模型、Okumura-Hata 模型、ITU-R P.1546 模型以及ITU-R P.526 模型[9]等。本文以ITU-R P.526 模型為例進行介紹,并在后文的仿真實驗中采用該模型。

        傳播損耗表示為[9]:

        式中,LFS表示自由空間帶來的路徑損耗,單位dB;LDIF/FS表示自由空間的繞射損耗,單位dB。

        LFS的定義為:

        式中,ft表示輻射源的發(fā)射頻率,單位MHz;d表示輻射源和傳播環(huán)境中某一位置之間的距離,單位km。

        LDIF/FS的定義為:

        式中,F(xiàn)(X)表示與歸一化距離相關的增益項,單位dB;G(Y1)、G(Y2)表示與歸一化天線高度相關的增益項,單位dB;X表示發(fā)射與接收天線間的歸一化距離,無量綱;Y1、Y2表示歸一化天線高度,無量綱。

        X、Y1和Y2的定義分別為:

        式中,ae表示等效地球半徑,取值為6 371×4/3 km;h1和h2分別表示發(fā)射和接收天線的高度,單位km;γ為中間變量,計算公式為:

        K為歸一化地球表面導納,計算公式為:

        式中,ε為垂直極化的地球表面導納,取值為30 S;σ為地球等效電導率,取值為10-2S/m。

        F(X)的計算公式為:

        假設Y取Y1或Y2,則G(Y)的計算如下:

        3.2 仿真結果與分析

        為驗證所提方法的可行性,設計如下計算機仿真實驗。假設在某一140 m×140 m 的地域上分布有4 個輻射源,位置坐標分別為(30 m,40 m)、(115 m,20 m)、(105 m,105 m)和(40 m,115 m)。為簡單起見,設發(fā)射頻率均為450 MHz,發(fā)射功率均為13 dBW。采用ITU-R P.526 電波傳播損耗模型外推生成該地域總的REM,如圖1 所示,功率分布的顆粒度為120×120。該REM 上的功率分布值也為下一步采用內插法生成各分區(qū)的REM 提供了感知數(shù)據源。

        均勻分布的感知節(jié)點數(shù)量為18×18 個。如圖1 所示,將該地域均分為4 個70 m×70 m 的分區(qū),那么每個分區(qū)的感知節(jié)點數(shù)為9×9 個。在每個分區(qū)上采用改進Shepard 內插算法生成各自的REM,如圖2~圖5 所示。圖6 為拼接形成的全地域REM。可以看到,在采用本文方法得到的各分區(qū)REM 和拼接形成的全地域REM 中,輻射源位置與圖1 基本一致。

        采用改進Shepard 內插算法,生成全地域REM和生成4 個分區(qū)REM 所需的CPU 時間對比如圖7所示。可以看到,所提方法在生成REM 的時間效率上獲得了顯著提升。

        4 結語

        針對大規(guī)模感知節(jié)點條件下的REM生成問題,設計了一種分區(qū)快速生成方法并進行了仿真驗證。結果表明,分區(qū)計算能夠顯著提升REM 生成的時間效率,還能夠為分布式處理創(chuàng)造條件,對管控頻譜資源和認知電磁環(huán)境具有重要的現(xiàn)實意義。

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