?基于软件无线电平台的电磁信 数据表征方法

《移动通信》2022年第2期 目录

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基于软件无线电平台的电磁信 数据表征方法

黄璐莹1，陈润丰1，石亮2，徐逸凡1

【摘 要】随着信息时代的快速发展，电磁频谱环境日益复杂，为了在有限条件下实现信息的高效传输，对电磁信 数据信息的感知与表征显得格外重要。重点研究了基于软件无线电平台的数据表征方法与实现。首先，给出了时序-频点-幅度表征法、时序-频序-幅度表征法、单一幅度数据表征方法和基于幅度差分的四种数据表征方法，分析了不同表征方法的性能和效率。然后从硬件和软件两个方面，对软件无线电平台进行了简要介绍。最后，基于通用软件无线电设备搭建了一套收发通信系统，按照理论方法对频谱数据进行表征，以验证数据表征方法的可行性，结果表明所提的幅度差分的数据表征方法传输数据量较低，还能恢复出原始的电磁信 数据，实现了信息的高效传输。

【关键词】USRP；电磁信 ；数据表征；幅度差分

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2022.02.017

引用格式：黄璐莹,陈润丰,石亮,等. 基于软件无线电平台的电磁信 数据表征方法[J]. 移动通信, 2022,46(2): 95-100.

0 引言

1 数据表征方法设计

频谱感知设备将感知到的频谱数据进行表征，需表示出信 的时间、频率和幅度信息。信息传输采用二进制编码方式，电磁信 数据所需表征的信息如表1所示。其中，将功率谱幅度大于设定门限值的用1表示，幅度为0表示低于门限值。

设感知频段的下限为A，上限为B（单位：MHz），采样频率为F s （单位：MHz），单次采样点数为n，频谱感知设备的整体感知时间为T（单位：s）。采样次数为

所需表征的频点总数为

1.1 数据表征方法介绍

（1）时序-频点-幅度表征法

电磁信 的采样信息通过二进制编码传输，采用时序-频点-幅度表征法时，所传输的数据如图1所示。

1）记录时序信息所需的位数为表示向上取整。例如一共采样10次，时序为1至10，二进制编码时则需要4bit的数据，时序编码对应0000至1001。

3）每个频点的幅度信息仅需1 bit数据。

综上所述，采用时序-频点-幅度表征法时，传输一个频点的信息共需L 1 个bit，

（2）时序-频序-幅度表征法

在时序-频点-幅度表征法中，频点频率值的传输占用了较多信息资源，为了压缩传输信息的长度，将所有频率采样值从1至n进行排序，根据初始频点、频率采样间隔和频序即可恢复对应的频率值信息。将频序1至n传输替代频点传输，即为时序-频序-幅度表征法。在传输一个频序信息时，所需信息量为

，外加1bit的幅度信息，传输一个频点的信息共需L2 个bit，

由于采用频序的记录方式，需给定初始频点的频率信息，初始频点的数据量大小为 个比特，因此传输电磁信 信息时总数据量为：

（3）单一幅度数据表征方法

由于幅度值只有0和1，在电磁信 数据表征时，可只记录幅度为1的信 频点，未记录的频点幅度默认为0，设第k时序的样本中幅度值为1的频点数目为L k ，则信息传输总量为

（4）基于幅度差分的数据表征方法

为进一步提升数据表征的效率，可采用差分的方法进行数据表征：①记录初始频点对应的频率信息。②在表征单次采样信息时，记录当前时序和初始频谱幅度，对于频点1至频点n，只记录幅度发生变化的频点信息。③对于i 次采样信息，若当前样本与上一次样本表征信息相同，则删除本次样本信息。相关示例如图2所示：在时序0中，频点1和频点3的幅度发生变化，所以记录频序信息01和11；由于时序1和时序2态势信息相同，无需记录时序2的频点信息；在时序3中，由于态势信息未发生变化，无需记录频序信息。

由于去除了重复信息，差分表征法的效率将进一步提升，所需的信息量与幅度突变的频点个数相关，具体数据量大小将结合实际的信 给出。

1.2 数据表征示例与性能分析

复杂电磁环境下，存在恶意用户和竞争用户产生的干扰信 ，对通信系统效能产生严重影响，对干扰信 的数据表征愈发重要。本节以干扰信 为例，分析不同数据表征方法的性能效率。

（1）常见干扰信

通信干扰通常指干扰机通过干扰发射端正常发包或者影响接收机正常接收两种方式来干扰正常通信 [7] 。物理层干扰是指干扰机释放干扰信 ，使接收端接收到的有用信 的信干噪比低于解调门限，从而使接收端无法正确解调 转换[8] 。常见的物理层干扰主要有定频干扰、阻塞干扰、梳状干扰、扫频干扰。定频干扰指干扰信 集中作用于某一固定单一信道。阻塞干扰相较于定频干扰，区别在于干扰带宽较大。梳状干扰是指干扰信 同时对多个信道进行干扰。扫频干扰是指以一定的周期顺序改变干扰频率，与前三种干扰的最大不同之处在于，能够实现对整个频段的攻击。 图3给出了阻塞干扰、梳状干扰和扫频干扰的示意图。

（2）干扰信 的数据表征示例

以阻塞干扰和扫频干扰为例，感知设备采样频率为10 MHz，采样点数10 000，感知设备工作时间为1s，干扰信 的感知频段为799 MHz～809 MHz。阻塞干扰的干扰频段带宽为5 MHz，干扰时间为1s。扫频干扰变换周期为0.1s，干扰带宽为1 MHz。各种信 表征方法对应的数据量大小如图4所示。

如图4所示，与传统的“时序-频点-幅度”和“时序-频序-幅度”两种数据表征方法相比，单一幅度的数据表征方法至少降低了50%的数据量，表征阻塞干扰的态势数据大约需要75 MB，表征扫频干扰信 的数据需要15 MB。采样幅度差分方法对干扰信 进行表征时，数据量约为0.01 MB，效率远远高于其他表征方法。需要注意的是，表征效率的提升也带来了更复杂的表征规则。四种方法中，时序-频点-幅度表征法表征方式较为简单，数据量较大，适用于对数据时延不敏感的应用场景。相反，基于幅度差分的表征方法规则较为复杂，对硬件处理能力具有一定的需求，适用于对传输时延敏感的应用场景。

2 软件无线电平台简介及数据表征实现

2.1 软件无线电平台简介

2.2 基于软件无线电平台的数据表征实现

参数设置，感知终端的感知频段为799 MHz～809 MHz，感知中心频点为804 MHz，采样频率为10 MHz，采样点数为10 000，干扰信 以扫频干扰信 为例。

如图6为软件设计界面，由USRP参数设置、设备工作参数显示和感知信 频谱显示部分组成。图中第1部分为USRP设备参数、采样点数以及中心频点设置窗口，第2部分为USRP参数输出窗口，用户可通过参数输出窗口判断系统是否正常工作。第3部分为感知到的信 时域波形图，第4部分为感知到的信 频域波形图，用于实时显示干扰信 状态信息。从第4部分可以看出当前时刻感知到的干扰信 的中心频点为808 MHz，信道带宽为1 MHz。

将感知终端感知到的实时频谱数据通过幅度差分表征法简化数据量，并将简约表征后的数据信息发送到接收终端，接收终端对简约表征的频点、时序信息以及有无干扰信 进行恢复。原始干扰信 的时频图如图7所示，从中可以看出干扰信 为扫频干扰，频点分别为802 MHz，804 MHz，806 MHz，换频时间约为125 ms。表征后恢复的时频态势图 如图8所示，可以看出信 的干扰模式，以及对应的频点、换频时间与图7中原始的干扰信 一致。对比得出，所提出的数据简约表征方法可以恢复出原始信 的时序和频点信息以及该时刻和频点处有无干扰，验证了所提算法的可行性。

3 结束语

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★原文发表于《 移动通信》2022年第2期★

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2022.02.017

引用格式：黄璐莹,陈润丰,石亮,等. 基于软件无线电平台的电磁信 数据表征方法[J]. 移动通信, 2022,46(2): 95-100.

石亮：助理工程师，学士毕业于重庆通信学院，现任职于中国人民解放军75836部队，主要研究方向为电磁频谱管理。

徐逸凡：现于陆军工程大学博士研究生在读，主要研究方向为抗干扰通信和博弈学习。

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