基于大數(shù)據(jù)的無線通信頻譜資源分批協(xié)作分配系統(tǒng)設(shè)計

楊世康 王長清 白維維

摘? 要： 為解決傳統(tǒng)無線通信頻譜資源分配系統(tǒng)存在認知能力、重構(gòu)能力、決策能力較差的問題，設(shè)計一種基于大數(shù)據(jù)的無線通信頻譜資源分批協(xié)作分配系統(tǒng)。對系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)進行改進，依據(jù)系統(tǒng)硬件的整體架構(gòu)，設(shè)計了局部傳感器、頻譜資源信號調(diào)理單元、數(shù)據(jù)采集單元、系統(tǒng)主機等主要組成部分，采用高頻電流傳感器實現(xiàn)頻譜資源的轉(zhuǎn)換，利用信號調(diào)理單元對傳感器采集到的頻譜資源信號進行放大、消噪等處理。在改進硬件的基礎(chǔ)上，結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)對系統(tǒng)軟件功能進行優(yōu)化，設(shè)計了采集模塊、無線通信頻譜資源分析模塊、分配模塊和數(shù)據(jù)庫存儲模塊，實現(xiàn)對頻譜資源數(shù)據(jù)的分批協(xié)作分配。采用與傳統(tǒng)方法對比的形式進行實驗，結(jié)果表明，改進系統(tǒng)的認知能力、重構(gòu)能力、決策能力得到了較大的提升，該系統(tǒng)在無線電技術(shù)領(lǐng)域具有非常廣闊的應用前景和價值。

關(guān)鍵詞： 無線通信; 頻譜資源分配; 分批協(xié)作; 大數(shù)據(jù)技術(shù); 信號放大; 消噪處理

中圖分類號： TN92?34; TP313? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）17?0020?05

Abstract： In order to solve the problems of poor cognitive ability， reconstruction ability and decision?making ability in the traditional wireless communication spectrum resource allocation system， a new spectrum resource batch cooperative allocation system based on big data is designed. In this scheme， the system′s hardware structure is improved first， and then on the basis of the overall architecture of the system hardware， the local sensor， spectrum signal conditioning unit， data acquisition unit， system host and other major components are designed. The conversion of spectrum resources is realized by high?frequency current sensor. The spectrum resource signals collected by sensors are amplified and denoised by means of the signal conditioning unit. On the basis of hardware improvement， the functions of the system software is optimized in combination with big data technology， and the acquisition module， wireless communication spectrum resource analysis module， allocation module and database storage module are designed to realize the cooperative allocation of spectrum resource data in batches. A contrast experiment was carried out in comparison with the traditional method. The results show that the cognitive ability， reconstruction ability and decision?making ability of the improved system have been greatly improved， and the system has a very broad application prospect and value in the field of radio technology.

Keywords： wireless communication; spectrum resource allocation; batch collaboration; big data technology; signal amplification; noise processing

0? 引? 言

目前使用的認知無線電技術(shù)都是利用無線頻譜資源實現(xiàn)對周圍環(huán)境的分析[1]。在研究無線頻譜資源之前首先要了解認知無線電，認知無線電又被稱為智能無線電，能夠利用無線終端分析當前所處環(huán)境狀況，不斷改善自身內(nèi)部傳輸參數(shù)，確保通過最佳的參數(shù)完成傳輸[2]。

無線通信頻譜資源分批協(xié)作分配系統(tǒng)是認知無線電的重要組成系統(tǒng)之一，通過對外界環(huán)境的感知，改變傳輸功率、載波頻率、調(diào)制技術(shù)等參數(shù)，從而對無線通信頻譜資源進行分配，提高資源的利用效率[3]。鑒于無線通信頻譜資源分批協(xié)作分配系統(tǒng)的重要性，學者們投入了多次研究，進行了多次設(shè)計，但是目前的無線通信頻譜資源分批協(xié)作分配系統(tǒng)存在如下3個問題：

1） 認知能力有限，認知能力指的是系統(tǒng)在所處環(huán)境中感知信息的能力，然而目前設(shè)計的分配系統(tǒng)很難標記出未使用的頻譜資源，即使標記出來，也難以找出適當?shù)念l譜參數(shù)和工作參數(shù)。

2） 重構(gòu)能力有限，系統(tǒng)的重構(gòu)能力指的是內(nèi)部硬件設(shè)備和軟件程序根據(jù)得到的無線環(huán)境參數(shù)進行重新編程，使系統(tǒng)能夠以更加合理的方式分配，雖然目前研發(fā)的系統(tǒng)基本具備重構(gòu)能力，但是很有可能產(chǎn)生有害干擾。

3） 決策能力有限，分配系統(tǒng)應該具有決策能力，確保合理分配，然而目前使用的系統(tǒng)所用的決策方法都是非合作式?jīng)Q策方法，降低了頻譜的利用率[4]。

大數(shù)據(jù)技術(shù)具有容量大、獲取數(shù)據(jù)速度快、存儲數(shù)據(jù)種類多樣等特點[5]。本文基于大數(shù)據(jù)設(shè)計了一種新的無線通信頻譜資源分批協(xié)作分配系統(tǒng)，針對系統(tǒng)的硬件和軟件進行優(yōu)化設(shè)計。實驗結(jié)果表明，設(shè)計的系統(tǒng)具有很強的分配能力。

1? 無線通信頻譜資源分批協(xié)作分配系統(tǒng)硬件設(shè)計

無線通信頻譜資源分批協(xié)作分配系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括傳感器、機箱和主機，局部傳感器中共有3個類型的傳感器，分別是：HFCT傳感器、AE傳感器和UHF傳感器[6]。

基于大數(shù)據(jù)的無線通信頻譜資源分批協(xié)作分配系統(tǒng)硬件構(gòu)架如圖1所示。

觀察圖1可知，本文設(shè)計的基于大數(shù)據(jù)的無線通信頻譜資源分批協(xié)作分配系統(tǒng)硬件設(shè)置了2個通道，輸入4路檢測信號，輸入的信號在各個傳感器之中可以反復切換，使系統(tǒng)工作更加靈活。由傳感器采集無線頻譜資源，再通過系統(tǒng)及調(diào)理單元調(diào)控局放信號，最后由采集單元選取樣品進行采集[7]。數(shù)據(jù)采集單元最多只能接收來自兩個通道的無線通信頻譜資源，超過2個通道后，將無法接收，被接收的無線通信頻譜資源會被送到系統(tǒng)主機中，由主機進行綜合分析[8]。

無線通信頻譜資源分批協(xié)作分配系統(tǒng)實物圖如圖2所示。

1.1? 局部傳感器

針對局部傳感器中的高頻電流傳感器、特高頻傳感器和超聲波傳感器進行研究。本文選用的高頻電流傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3中的高頻電流傳感器由整體閉口式互感器和分體開口式互感器組成，有效帶寬在5～25 MHz之間，帶寬范圍相對較廣，對不低于5 mV/mA的無線通信頻譜資源都能實現(xiàn)轉(zhuǎn)換，控制匹配阻抗選用的元件為50 Ω同軸變壓器[9]。

法蘭式特高頻傳感器示意圖如圖4所示。

特高頻傳感器的頻帶很高，傳感器的頻帶最低也能夠達到30 MHz，最高能夠達到150 MHz，對于空氣中的低頻干擾，特高頻傳感器能夠有效避開。特高頻傳感器的檢測靈敏度低于-78 dBμV，有效高度大于9 mm，動態(tài)范圍[10]超過75 dB。鑒于無線通信頻譜資源中高頻信號的結(jié)構(gòu)特點，本文選用法蘭式特高頻傳感器，該傳感器具有監(jiān)測薄弱環(huán)節(jié)的能力，且監(jiān)測范圍廣、靈敏度高，需要特別指出的是，法蘭式特高頻傳感器必須要在出廠之前完成安裝[11]。

超聲波傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

觀察圖5可知，超聲波傳感器分為單端式和差分式兩種。傳感器的金屬外殼能夠屏蔽外部信號，保護傳感器內(nèi)部各個設(shè)備，發(fā)揮可靠接地的作用。通過陶瓷晶片組成傳感器內(nèi)部各個元件，再通過電膠將晶體固定在保護膜中。

1.2? 頻譜資源信號調(diào)理單元

傳感器收到的無線通信頻譜資源信號都是微弱信號，這些信號中不僅夾雜著噪聲，同時含有干擾信號，如果直接當作有效信號進行處理，對最終的分配結(jié)果有著很大影響。由于存在采樣頻率限制，所以調(diào)理單元中的采樣無法處理特高頻信號，針對不同的信號特點，選擇不同的傳感器處理不同的信號，傳感器能夠同時完成濾波、放大、調(diào)理三項工作，確保滿足分配系統(tǒng)的采樣要求[12]。

高頻電流傳感器、特高頻傳感器和超聲波傳感器會向信號調(diào)理單元下發(fā)不同的信號。

信號調(diào)理單元能夠精準地分析出各個傳感器的檢測頻段，利用單元內(nèi)部的各類放大電路和濾波電路對信號進行放大和過濾處理，消除原始信號中的干擾信號。增加信號的檢出率，消除背景噪聲，根據(jù)收到的頻譜資源信號不同，設(shè)計不同的參數(shù)，從而得到最優(yōu)信噪比。頻譜資源信號調(diào)理單元結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6中的增益控制是可以隨時調(diào)節(jié)的，通過對應的軟件調(diào)節(jié)硬件，使調(diào)控單元變得更加靈活，增強分配效果[3]。采用兩級放大的結(jié)構(gòu)，使調(diào)控單元的增益大于40 dB，同時提高頻率特性。放大原理圖如圖7所示。

當接收到超高頻信號（信號頻帶超過300 MHz）后，將無法直接進行采集，需要同時進行對數(shù)放大、脈沖展寬、檢波處理，從而滿足采樣要求。頻譜資源信號調(diào)理單元內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖8所示。

1.3? 數(shù)據(jù)采集單元

信號調(diào)理單元調(diào)理的數(shù)據(jù)傳遞到數(shù)據(jù)采集單元，由USB數(shù)據(jù)總線和系統(tǒng)主機完成通信。數(shù)據(jù)采集單元不僅能夠接收采集數(shù)據(jù)，同時，也能夠接收采樣控制指令，通過系統(tǒng)主機中的各項軟件完成配置和采樣控制工作。采集單元設(shè)置的高速采集卡采樣率高達100 Mb/s，能夠同時分析無線通信頻譜資源，并診斷資源信號是否存在故障。

1.4? 系統(tǒng)主機

為提高分配系統(tǒng)的工作效率，系統(tǒng)選擇的主機為一體化便攜式結(jié)構(gòu)主機，當放大器將無線通信頻譜資源信號放大后，信號就會自動進入調(diào)理單元，再通過數(shù)據(jù)采集單元完成數(shù)據(jù)模式轉(zhuǎn)換，得出分配結(jié)果，最終的分配結(jié)果會輸入到工控系統(tǒng)中。資源分批協(xié)作分配系統(tǒng)會將分配結(jié)果以人機交互的方式展示給用戶。在系統(tǒng)主機內(nèi)部安裝各類軟件，方便用戶操作，同時，系統(tǒng)的大屏幕會以動態(tài)的方式顯示分配結(jié)果。

根據(jù)上述設(shè)計的局部傳感器、信號調(diào)理單元、數(shù)據(jù)采集單元和主機等硬件，為后續(xù)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)分配以及數(shù)據(jù)庫構(gòu)建等軟件功能設(shè)計奠定了最佳的硬件基礎(chǔ)，能夠加速軟件部分對數(shù)據(jù)的多項處理。

2? 無線通信頻譜資源分批協(xié)作分配系統(tǒng)軟件設(shè)計

以良好的硬件環(huán)境為基礎(chǔ)，設(shè)計無線通信頻譜資源分批協(xié)作分配系統(tǒng)的軟件部分。基于大數(shù)據(jù)的無線通信頻譜資源分批協(xié)作分配系統(tǒng)軟件共分為4大部分：采集模塊、無線通信頻譜資源分析模塊、分配模塊和數(shù)據(jù)庫存儲模塊，軟件實現(xiàn)框圖如圖9所示。

圖9中的分析單元主要負責對主機中得到的無線通信頻譜資源進行檢測和參數(shù)配置，從而控制采樣流程，對采集卡中的數(shù)據(jù)進行讀取。分析單元能夠設(shè)置系統(tǒng)內(nèi)部的基本參數(shù)。分析模式共有2種：第一種是實時分析;第二種是連續(xù)分析。實時分析主要是針對一個周期的無線通信頻譜資源數(shù)據(jù)進行分析，顯示的數(shù)據(jù)峰值僅為一個周期數(shù)據(jù)峰值;連續(xù)分析模式是針對每一個頻譜資源數(shù)據(jù)點進行分析，分析結(jié)果直接顯示在主機屏幕中，這兩種方式既可以同時顯示，也可以切換顯示。

基于大數(shù)據(jù)的無線通信頻譜資源分批協(xié)作分配系統(tǒng)軟件工作流程如圖10所示。

首先對信息進行預處理，預處理操作主要指的是更改配置，通過改變內(nèi)部配置確保信息的真實性;然后將需要分析的特征參數(shù)提取出來，通過多種方法對無線通信頻譜資源特征信號進行分析;接著根據(jù)分析結(jié)果設(shè)定分配方案;進一步檢測方案的有效性，直到最終確認有效，才可以執(zhí)行分配命令。系統(tǒng)軟件內(nèi)部始終設(shè)有維護層，通過維護層保障軟件正常運行。

3? 實驗研究

3.1? 實驗目的

為了檢測本文設(shè)計的基于大數(shù)據(jù)的無線通信頻譜資源分批協(xié)作分配系統(tǒng)的有效性，進行了一次仿真實驗。與傳統(tǒng)分配系統(tǒng)進行了對比，分別檢測了重構(gòu)能力、認知能力和決策能力，并分析實驗結(jié)果。

3.2? 實驗參數(shù)設(shè)置

設(shè)置仿真實驗參數(shù)如表1所示。

3.3? 實驗結(jié)果與分析

根據(jù)上述參數(shù)進行仿真實驗，分別對傳統(tǒng)系統(tǒng)和本文系統(tǒng)的認知能力、重構(gòu)能力和決策能力進行測試，得到對比實驗結(jié)果分別如圖11～圖13所示。

分析圖11可知，兩種不同系統(tǒng)的認知時間均隨著認知范圍的增大而增加，且在認知范圍為0～10 GB之間時，呈大幅度上升趨勢，而后保持平穩(wěn)緩慢上升趨勢。傳統(tǒng)系統(tǒng)的認知時間平均約為18.5 s，本文系統(tǒng)的認知時間平均約為13 s。對比兩種系統(tǒng)的實驗結(jié)果可得，本文系統(tǒng)的認知時間更短，說明本文系統(tǒng)的認知能力更強。

分析圖12可知，在認知范圍為0～10 GB之間時，本文系統(tǒng)的重構(gòu)時間隨著重構(gòu)范圍的增加，呈大幅度上升趨勢，而后保持平穩(wěn)緩慢上升趨勢。傳統(tǒng)系統(tǒng)的重構(gòu)時間則始終呈現(xiàn)遞增的趨勢，其重構(gòu)時間平均約為29.5 s，本文系統(tǒng)的重構(gòu)時間平均約為16.5 s。對比兩種系統(tǒng)的實驗結(jié)果可得，本文系統(tǒng)的重構(gòu)時間更短，說明本文系統(tǒng)的重構(gòu)能力更好。

分析圖13可知，在決策范圍為0～10 GB之間和20～25 GB之間時，本文系統(tǒng)的重構(gòu)時間隨著重構(gòu)范圍的增加，呈較快的上升趨勢，在決策范圍為10～20 GB之間時，則保持平穩(wěn)趨勢。傳統(tǒng)系統(tǒng)的決策時間則始終呈現(xiàn)遞增的趨勢，其決策時間平均約為25.5 s，本文系統(tǒng)的決策時間平均約為11.5 s。對比兩種系統(tǒng)的實驗結(jié)果可得，本文系統(tǒng)的決策時間更短，說明本文系統(tǒng)的決策能力更好。

通過對圖11～圖13的結(jié)果分析可知：隨著數(shù)據(jù)處理的范圍越大，系統(tǒng)花費的認知時間、重構(gòu)時間和決策時間越長，但是本文研究的系統(tǒng)的認知能力、重構(gòu)能力、決策能力都優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)，能夠在短時間內(nèi)完成精準的分配工作。由此可見，本文研究的無線通信頻譜資源分批協(xié)作分配系統(tǒng)更加適用于無線電技術(shù)的應用。

4? 結(jié)? 語

本文針對無線通信頻譜資源分批協(xié)作分配系統(tǒng)進行設(shè)計，引用了大數(shù)據(jù)技術(shù)，主要設(shè)計了傳感器、采集模塊、處理單元以及系統(tǒng)主機，根據(jù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件操作流程，該分配系統(tǒng)對無線通信頻譜資源有著很強的認知能力，同時具備很高的重構(gòu)能力和決策能力，在認知無線電技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域中，該系統(tǒng)的研發(fā)有著關(guān)鍵性意義。

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