0 引言

    無線通信自20世紀(jì)初發(fā)展至今，已然取得了斐然的成績，給人類社會帶來了諸多便利，成為人們生活中不可或缺的部分。我國的電力通信技術(shù)也得益于此，完成了從依靠電力線載波到無線通信為主的轉(zhuǎn)變。目前常用的無線通信方式有基于無線公網(wǎng)的通用分組無線業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service，GPRS）技術(shù)、碼分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)方式和傳統(tǒng)230 MHz數(shù)傳電臺等^[1]。由于專用頻段較公網(wǎng)而言更安全、可靠，所以自1991年國家無線電管理委員批復(fù)電力負(fù)荷控制專用頻點(diǎn)以來，經(jīng)過多年發(fā)展，230 MHz數(shù)傳電臺無線系統(tǒng)已基本在全國大部分城市實(shí)現(xiàn)。

    230 MHz無線通信系統(tǒng)具有投資少、建設(shè)周期短、維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，因此非常適用于通信節(jié)點(diǎn)分散的配電網(wǎng)，在2005年之前被各縣級電力公司選用以實(shí)現(xiàn)專變用戶的數(shù)據(jù)采集與負(fù)荷控制等功能。然而由于其頻帶資源有限、傳輸速率低，隨著通信信息量的急劇增加，傳統(tǒng)數(shù)傳電臺技術(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足電網(wǎng)通信業(yè)務(wù)的需求，業(yè)界也正在對此積極地尋找解決對策。2010年，LTE230無線寬帶系統(tǒng)試點(diǎn)工程在浙江省海鹽縣開展，此項(xiàng)目采用第四代TD-LTE通信技術(shù)研制開發(fā)，通過頻譜聚合、自適應(yīng)調(diào)制編碼等技術(shù)將230 MHz頻譜資源的利用率提高到最大^[2]。目前該方案已得到充分肯定，在不久的將來或許便能投入產(chǎn)業(yè)化使用。但其仍未擺脫電力無線專網(wǎng)在230 MHz頻段上可使用頻點(diǎn)的局限性，僅著眼于分配的1 MHz的帶寬，而隨著未來頻譜資源愈發(fā)緊張的局勢，對頻譜資源的更高效靈活的分配利用必將成為大勢所趨，并帶來收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)上的變化和對頻譜檢測技術(shù)的進(jìn)一步探索的需求。本文在后面章節(jié)有給出關(guān)于這兩點(diǎn)的討論。

    軟件無線電是一種基于軟件定義的無線通信技術(shù)。不同于傳統(tǒng)的無線電架構(gòu)只能局限于特定的工作區(qū)域，它可以通過可編程軟件同時支持廣泛的頻率和功能。而頻譜檢測則是一種有效的通過檢測頻譜空穴再施以靈活的頻譜分配以應(yīng)對頻譜資源短缺的技術(shù)^[3]。目前對于頻譜資源管理的通用做法是實(shí)行授權(quán)和非授權(quán)頻率管理機(jī)制，如230 MHz授權(quán)為電力專網(wǎng)，這造成了頻譜利用率不一、頻段資源供需不平衡的局面。本方案通過結(jié)合軟件無線電和頻譜檢測的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)了一種靈活高效的提高頻譜利用率的方法以期打破該頻譜資源緊張的局面。

1 電力無線專網(wǎng)

    1991年，國家無線電管理委員會發(fā)布了《關(guān)于印發(fā)民用超短波遙測、遙控、數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)頻段規(guī)劃的通知》，規(guī)定223~235 MHz頻段作為遙測、遙控、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)使用的頻段。該頻段的特點(diǎn)是屬于行業(yè)應(yīng)用，并分配給了8個部委，其中有40個頻點(diǎn)被分配給了能源部用于電力負(fù)荷監(jiān)控系統(tǒng)，如表1所示。其中共有10個單頻頻點(diǎn)和15對雙頻頻點(diǎn)，收發(fā)頻率間隔為7 kHz。各相鄰頻點(diǎn)間隔為50~150 kHz，帶寬為25 kHz。

    電力企業(yè)在使用230 MHz頻段無線資源時，采用數(shù)傳電臺作為通信終端。傳統(tǒng)230 MHz數(shù)傳電臺遵循國際GB-T 16611-1996《數(shù)傳電臺通用規(guī)范》，采用2FSK、2PSK、4PSK等較落后的調(diào)制方式，數(shù)傳速率規(guī)定為300 b/s、600 b/s、1 200 b/s、2 400 b/s、4 800 b/s、6 400 b/s、7 200 b/s和9 600 b/s 8種比特率中的一種或一種以上^[4]。系統(tǒng)采用點(diǎn)對點(diǎn)的通信分配方式，并支持輪詢的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，因此帶來了較長的傳輸延時。且數(shù)傳電臺之間各自分立，沒有統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)管理，沒有無線信號的同步，這必須增加空閑時間作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｗo(hù)間隔，使得頻譜的利用率降低。電力系統(tǒng)中230 MHz頻段的頻點(diǎn)分配見表1。

    電力企業(yè)主要的業(yè)務(wù)需求基本可分為三類：用電信息采集、配電自動化和應(yīng)急搶修、檢修及移動資產(chǎn)可視化管理^[5]。隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，其信息化、數(shù)字化、自動化和互動化的基本特征決定了在不遠(yuǎn)的未來，用電信息采集的數(shù)據(jù)量將會出現(xiàn)一個飛速增長的階段，同時對配電自動化提出了更高的實(shí)時性要求。應(yīng)急搶修、檢修及移動資產(chǎn)可視化管理業(yè)務(wù)主要通過視頻監(jiān)控實(shí)現(xiàn)，在數(shù)據(jù)傳輸、語音傳輸?shù)幕A(chǔ)上提出了圖像傳送和視頻傳送的業(yè)務(wù)需求，對帶寬的需求最高。這些均對現(xiàn)有的230 MHz無線電力專網(wǎng)通信系統(tǒng)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。230 MHz電力專用頻段由于帶寬較小、速率較低、頻譜利用率低的局限性，無法滿足快速增長的業(yè)務(wù)量的需求，也無法支持高實(shí)時性要求的配電自動化業(yè)務(wù)和高帶寬需求的應(yīng)急搶險、移動可視化業(yè)務(wù)。因此，設(shè)法提高其頻譜利用率勢在必行。

2 軟件無線電

    早在20世紀(jì)90年代初，軟件無線電的概念一經(jīng)Joe Mitola提出之后便開始廣泛流行。一方面，當(dāng)時軍事通信方面亟需一種方案來解決通信設(shè)備不兼容、互通困難的問題；另一方面，這也是由當(dāng)時多種數(shù)字無線通信標(biāo)準(zhǔn)(如GSM、CDMA-IS95等)共存的時代背景決定的。因此，軟件無線電的核心內(nèi)容便是把硬件系統(tǒng)作為無線電通信的基本通用平臺，而將通信的大部分功能，如選頻、抽樣、量化、編碼、調(diào)制等信號處理過程均集合于軟件實(shí)現(xiàn)中，從而構(gòu)造出一套可通過軟件更換而變化的靈活、開放、可重配的無線通信系統(tǒng)。

    圖1所示的軟件無線電結(jié)構(gòu)是一種理想化的結(jié)構(gòu)，主要由天線、射頻模塊、AD/DA轉(zhuǎn)換器和通用數(shù)字信號處理器組成^[6]。相比傳統(tǒng)的無線電結(jié)構(gòu)而言，其最大特點(diǎn)在于盡可能地減少模擬處理環(huán)節(jié)。理想的軟件無線電實(shí)現(xiàn)完全的數(shù)字化、完全的可編程性和模塊化。得益于此，軟件無線電可以方便地支持多標(biāo)準(zhǔn)多頻帶的切換，并且通過軟件升級來完成系統(tǒng)升級，緩解當(dāng)前由于新標(biāo)準(zhǔn)新技術(shù)頻出帶來的硬件升級成本劇增的壓力。

    然而，軟件無線電的發(fā)展仍面臨著許多技術(shù)難題^[7]。首先，寬帶智能天線和高速率的數(shù)模轉(zhuǎn)換是軟件無線電通信中不可或缺的硬件模塊。根據(jù)軟件無線電的理想化需要，該天線需要具備極寬的頻率覆蓋范圍并能自動感知干擾源的存在并抑制其影響的能力，同時兼容各種無線電通信制式^[8]。廣覆蓋的工作帶寬也為數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的采樣速率提出了巨大的挑戰(zhàn)。其次，高采樣速率又對ADC后續(xù)的信號處理增加了實(shí)現(xiàn)難度，對其處理速度要求大大提高。最后，現(xiàn)在的軟件無線電實(shí)現(xiàn)基本上是基于雙總線結(jié)構(gòu)，其中的高速數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)是該體系結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，但目前還沒有形成標(biāo)準(zhǔn)。

3 頻譜檢測

3.1 頻譜檢測原理

    頻譜檢測是認(rèn)知無線電中的一大關(guān)鍵技術(shù)，在該機(jī)制下，用戶通過各種信號檢測和處理手段來獲取無線網(wǎng)絡(luò)中的頻譜使用信息。若檢測到空閑頻帶，則在其上進(jìn)行通信，且在使用空閑頻段進(jìn)行通信的同時不斷地檢測授權(quán)用戶的出現(xiàn)，一旦檢測到授權(quán)用戶要使用該頻段，便自動退出并轉(zhuǎn)移到其他空閑頻段繼續(xù)通信，確保在不干擾授權(quán)用戶的情況下進(jìn)行頻譜共享^[9]。因此，頻譜檢測過程，并輔以靈活的頻帶動態(tài)分配可以有效地應(yīng)對當(dāng)前頻譜資源隨著無線通信需求的不斷增長而日益緊張的局勢。

3.2 頻譜檢測的實(shí)現(xiàn)

    頻譜檢測的實(shí)現(xiàn)算法有很多，按照其檢測策略基本分為兩種，形象地稱為單帶頻譜檢測方案和多帶頻譜檢測方案。一種是通過逐個檢測每個頻段并通過特定準(zhǔn)則來確定信道是否被占用，如常見的能量檢測算法、匹配濾波算法。另一種則是同時對比所有信道來確定占用的信道。相比單帶頻譜檢測，該方案可以比對多個信道，對噪聲方差信息的依賴也較小，從而帶來更好的檢測性能^[10]。

    這里介紹一種基于最短描述長度(Minimum Description Length，MDL)準(zhǔn)則排序算法的多帶頻譜檢測方案，如圖2，用R={1，2，…，Q}表示整個待檢測信道的索引，R₁={q₁，q₂，…，q_K}表示其中被占用信道的索引，則最后需確定的目標(biāo)參數(shù)為K和R₁。算法性能仍由檢測概率和虛警概率來描述，即被占用信道被正確檢測的概率和空閑信道被誤判為被占用信道的概率。算法的具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

    用y_q(n)表示第q個信道中第n個接收信號的抽樣，q=1，2，…，Q，n=1，2，…，N，則其可以被建模為：

4 SDR收發(fā)機(jī)原型結(jié)構(gòu)及仿真驗(yàn)證

4.1 一種基于頻譜檢測的230 MHz SDR收發(fā)信機(jī)

    該基于頻譜檢測的軟件無線電在230 MHz頻段上的收發(fā)機(jī)在傳統(tǒng)軟件無線電收發(fā)信機(jī)架構(gòu)的基礎(chǔ)上主要做了如下變動：細(xì)化射頻前端模塊的模擬信號處理過程，及增加頻譜檢測裝置^[11]。該裝置包括檢測模塊、記錄模塊和頻譜切換模塊，旨在通過頻譜檢測尋找頻譜空穴的作用，在不干擾其他該頻段使用權(quán)持有者通信的情況下，充分利用230 MHz整個頻段，而不僅僅局限于40個頻點(diǎn)進(jìn)行通信。

    電力企業(yè)在使用230 MHz頻段時，固定信道帶寬為25 kHz，所以230 MHz頻段即223~235 MHz可被劃分為480個通信信道。為了減輕頻譜檢測的工作壓力，把230 MHz整個頻段先以每1 MHz設(shè)為一個子頻段單位，劃分為CH1，CH2，…，CH12共12個子頻段。檢測模塊的工作流程如圖3所示，當(dāng)有信息在空閑信道上傳輸時，同時檢測頻段使用情況，從CH1開始檢測子頻段使用情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)空閑信道時立即更新記錄模塊中的頻譜使用情況以供下次信息傳輸時選擇空閑信道。

    收發(fā)機(jī)主要由雙工器、接收機(jī)、發(fā)送機(jī)、頻譜檢測裝置和基帶處理模塊組成，如圖4所示。接收機(jī)主要完成接收信號數(shù)模轉(zhuǎn)換前的處理過程，包括數(shù)控可調(diào)諧的射頻預(yù)選低通濾波器、低噪聲放大器（Low Noise Amplifier，LNA）、二次混頻器和自適應(yīng)增益控制器（Adaptive Gain Control，AGC）。其中，數(shù)控可調(diào)諧的射頻預(yù)選低通濾波器能濾除所需子頻段外的信號，有效避免了鏡像和諧波干擾。低噪聲放大器將接收的信號進(jìn)行放大及抑制噪聲功率，而二次變頻由一個數(shù)控可調(diào)本振頻率的上變頻和一個固定本振頻率的下變頻組成，確?？蛇M(jìn)行頻段選擇。頻譜檢測裝置中檢測模塊機(jī)制如前所述，頻譜切換模塊負(fù)責(zé)從記錄模塊中讀取空閑信道信息，為下次傳輸做好準(zhǔn)備，它為每個子頻段單位提供相應(yīng)的射頻預(yù)選可調(diào)諧低通濾波器的頻段選擇控制字和第一本地振蕩頻率。當(dāng)下次傳輸?shù)竭_(dá)時，選擇空閑信道，即先完成相應(yīng)的子頻段和本地振蕩頻率的設(shè)置。對接收機(jī)中出來的數(shù)字信號做所需的基帶處理之后送入發(fā)射機(jī)。發(fā)射機(jī)則主要由數(shù)模轉(zhuǎn)換器、二次變頻模塊、自適應(yīng)增益控制和功率放大器（Power Amplifier，PA）組成。

4.2 頻譜檢測技術(shù)仿真測試

    為了形象地體現(xiàn)頻譜檢測技術(shù)在尋找頻譜空穴功能上的性能表現(xiàn)，利用MATLAB模擬對230 MHz頻段上的一個1 MHz寬度的子頻帶進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，即共有40個待檢測信道，在其中尋找被占用的信道。仿真時，信道環(huán)境設(shè)置為均值為0、方差為1的加性高斯白噪聲信道，信噪比SNR為-10 dB~10 dB。簡化起見，假設(shè)信號也是服從均值為0的高斯分布。其中，信道被占用情況如表2中所示設(shè)置。

    仿真結(jié)果與期望相符。如圖5所示，當(dāng)信道環(huán)境過于惡劣時，頻譜檢測性能極差。此時，信號成分極易被與噪聲混淆，所以當(dāng)取樣100個點(diǎn)時，幾乎完全不能檢測出有信號的存在，檢測概率與虛警概率均趨于零。而當(dāng)取樣僅10個點(diǎn)時，受隨機(jī)干擾大，判斷不充分，因而產(chǎn)生了檢測概率和虛警概率虛高的現(xiàn)象，通過信噪比增大和不斷重復(fù)實(shí)驗(yàn)可提高性能，然而在實(shí)際中最根本的解決措施應(yīng)為提高采樣點(diǎn)數(shù)。當(dāng)SNR=-2 dB，N=100時，檢測概率已達(dá)到0.9以上，虛警概率趨近于0，檢測效果較理想。且隨著SNR增大，檢測概率不斷趨近于1。

    當(dāng)采樣數(shù)增加時，相應(yīng)的對信噪比的要求就會下降，從圖6中可看出，當(dāng)N=1 000、SNR=-5 dB時，檢測概率能達(dá)到0.7，且在信噪比不變的情況下隨采樣點(diǎn)數(shù)的增加快速提升檢測概率直至完全檢測。這充分說明了基于MDL算法的多帶頻譜檢測技術(shù)在實(shí)際場景中的可應(yīng)用性，性能所需的采樣數(shù)N和信噪比SNR是可實(shí)現(xiàn)的。

5 結(jié)語

    為了提高230 MHz電力專用頻段的頻譜利用率，改變其一貫的在40個專用頻點(diǎn)中進(jìn)行通信的制式，選擇使用頻譜檢測在確保不干擾正在進(jìn)行的通信的情況下使用完整的230 MHz頻段。本文提出了一種基于頻譜檢測的軟件無線電架構(gòu)，并給出了相應(yīng)的靈活高效的收發(fā)信機(jī)的數(shù)字電路以適應(yīng)該改變趨勢。 

    隨著無線通信的發(fā)展，頻譜資源供需不平衡、頻譜資源利用率不一的狀況在各處頻發(fā)，若沒有采取得當(dāng)?shù)奶幚泶胧?，將愈演愈烈?；陬l譜檢測的軟件無線電不失為一個優(yōu)秀的解決方案。隨著對軟件無線電和頻譜檢測技術(shù)的深入研究，勢必能夠?yàn)樘岣哳l譜利用率帶來更好的效果。

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作者信息:

王繼業(yè)1，趙東艷2，3，原義棟2，3，毛  敏4，靳嘉楨2，3

（1.國家電網(wǎng)公司，北京100031；

2.北京智芯微電子科技有限公司 國家電網(wǎng)公司重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 電力芯片設(shè)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)室，北京100192；

3.北京智芯微電子科技有限公司 北京市電力高可靠性集成電路設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心，北京100192；

4.北京郵電大學(xué)，北京100876）