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基于空间稀疏采样的频谱态势生成:模型与算法

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中国科学：信息科学 2022年第11期52卷 2011-2036页

作者：张国勇王军陈霄南武刚电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室成都611731

面对日益复杂的电磁频谱环境和持续增长的用频需求,为了维护电磁频谱秩序和安全,提高频谱资源整体利用效率,亟需利用有限感知节点采集的频谱状态数据,挖掘广域地理空间的频谱态势信息.本文从空、时、频等多维频谱态势表征着手,探讨和总... 详细信息

面对日益复杂的电磁频谱环境和持续增长的用频需求,为了维护电磁频谱秩序和安全,提高频谱资源整体利用效率,亟需利用有限感知节点采集的频谱状态数据,挖掘广域地理空间的频谱态势信息.本文从空、时、频等多维频谱态势表征着手,探讨和总结基于空间稀疏采样的电磁环境频谱态势的模型和生成方法.本文提出了基于多元函数的频谱态势表征方法,建立了适应不同辐射源传播特性的频谱态势模型.针对不同类别的频谱态势生成方法,论文分析了空间稀疏采样下频谱态势模型的辨识性和恢复性条件,为实现频谱态势的可靠生成提供了理论准则.最后,论文通过仿真对不同频谱态势生成算法的性能进行了对比分析.

关键词：频谱态势无线电环境地图张量分解张量填充神经网络

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多维频谱态势感知与生成关键技术研究

多维频谱态势感知与生成关键技术研究

作者：李娜电子科技大学

学位级别：硕士

随着信息科技的的迅速发展,频谱资源紧张的问题日益凸显,对电磁环境进行多维认知是进行电磁频谱管理和提高电磁频谱资源整体利用率的基础。多维频谱态势感知与生成是电磁环境认知中的关键技术之一。本文研究电磁环境频谱态势感知与生成... 详细信息

随着信息科技的的迅速发展,频谱资源紧张的问题日益凸显,对电磁环境进行多维认知是进行电磁频谱管理和提高电磁频谱资源整体利用率的基础。多维频谱态势感知与生成是电磁环境认知中的关键技术之一。本文研究电磁环境频谱态势感知与生成的关键技术。第一章介绍论文的研究背景及意义,概括了本文的研究内容及结构安排。第二章首先总结电磁环境的关键构成要素,给出基于本体模型的电磁环境知识图谱构建方法,用于构建电磁环境知识图谱以表征多维电磁环境。第三章研究空域频谱态势感知与生成技术。根据是否已知电磁环境先验信息、辐射源是否在目标区域呈稀疏分布等条件,分别研究了基于空间插值和稀疏表示的频谱态势感知与生成技术。基于空间插值的方法将感知空域进行网格离散化,将空域频谱态势生成问题转换为空域离散点上频谱数据补全的问题,把未知数据表示为采样数据的加权组合,分别利用克里金(Kriging)插值法和薄板样条(Thin Plate Splines,TPS)插值法求解加权系数,估计未知数据,获取完整的频谱数据,生成频谱地图。在已知电磁环境先验信息且辐射源在空域稀疏分布的场景下,论文基于稀疏表示的方法根据辐射源稀疏分布特性与信号传播模型,将空域频谱态势生成问题转换为稀疏辐射源信息估计的问题,分别建立压缩感知(Compressed Sensing,CS)和变分贝叶斯最大期望(Variational Bayesian Expectation Maximization,VBEM)模型,通过范数最小化算法和Levenberg–Marquardt算法从采样信息中求解辐射源的位置和功率信息,再利用辐射源信息和信号传播模型计算整个空域的频谱数据,生成完整的频谱地图。本章仿真对比了两类算法的性能,结果表明:在不同仿真场景下,基于VBEM算法的频谱态势生成算法性能最优,且达到最优性能所需的传感器数量最少、算法复杂度适中;基于空间插值的频谱态势生成算法性能与插值法的选取有关,为了获得较好的性能需要大量的采样数据,其中TPS插值法的性能较好、算法复杂度低,但对数据的平稳性要求较高;基于CS算法的频谱态势生成算法性能与空域离散精细度有关,算法复杂度较高。当辐射源不位于空域离散网格点上时,算法性能较差,且随着空域范围增大,算法性能急剧下降。第四章研究电磁频谱态势生成中的感知节点部署技术。针对电磁频谱态势生成中辐射源定位问题,本章通过最大化费雪信息矩阵(Fisher Information Matrix,FIM),最小化辐射源定位的克拉美罗下界(Cramer Rao Lower Bound,CRLB),求解感知节点优化部署方案,提高辐射源定位精度,减小频谱态势生成误差。分析结果表明:感知节点围绕辐射源呈正多面体分布时,辐射源定位误差最小。基于这一结果,论文提出将部分感知节点围绕辐射源呈正多面体分布、部分感知节点在目标区域均匀分布采集数据,进行频谱态势生成。针对电磁频谱态势生成过程中,基于VBEM算法的频谱态势生成算法容易估计出多个几乎重叠的辐射源、生成的频谱地图不能重建阴影衰落特征等问题,本章进一步研究了多感知节点联合辐射源定位和频谱态势生成方案。联合方案在VBEM算法粗略估计出辐射源的位置与功率信息的基础上,利用迭代自组织数据分析算法(Iterative Selforganizing Data Analysis Techniques Algorithm,ISODATA)将估计出的辐射源位置聚类,令辐射源聚类中心代表多个重复的辐射源,围绕每个辐射源聚类中心位置设计感知节点的优化部署方案,精细感知频谱态势信息,减少感知节点使用量;在频谱态势生成的过程中,利用TPS插值法估计并加入阴影衰落分量,提高频谱的地图精度。仿真结果表明:联合方案在小范围空域内,感知节点足够的情况下,平均定位误差小于1米的概率能够达到90%以上;对于不同感知节点数量和空域范围,相比于单独采用VBEM算法,联合方案生成的频谱地图误差更小。第五章以多无人机协同频谱态势感知为例,设计开发了频谱态势感知与生成仿真系统,描述了仿真系统架构和所涉及的关键算法,展示了仿真系统的运行效果。第六章进行全文总结,并说明后续研究方向。

关键词：频谱态势频谱地图空间插值稀疏表示感知节点部署

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面向频谱地图构建的频谱态势生成技术研究

面向频谱地图构建的频谱态势生成技术研究

作者：李竟铭南京航空航天大学

学位级别：硕士

随着云计算、大数据、物联网、移动互联网、人工智能等新兴技术带动的新一轮科技革命和产业变革,新型无线多媒体业务量呈现爆炸式增长。非法利用频谱资源正在世界范围内成为新常态,并对我国经济建设和国家安全产生深远影响。频谱地图是... 详细信息

随着云计算、大数据、物联网、移动互联网、人工智能等新兴技术带动的新一轮科技革命和产业变革,新型无线多媒体业务量呈现爆炸式增长。非法利用频谱资源正在世界范围内成为新常态,并对我国经济建设和国家安全产生深远影响。频谱地图是对无线电环境的抽象表达,它可以直观、多维度地展现频谱态势信息,为频谱的动态接入、频谱共享、频谱监管提供可视化依据。其中,频谱态势是指电磁频谱环境的当前状态、综合形势和发展趋势。频谱态势生成实现了对频谱数据的整合与呈现,从时,频,空等多维度来刻画复杂的频谱信息,并以直观的可视化形式进行呈现,是频谱地图构建的关键技术。论文系统地研究了面向频谱地图构建的频谱态势生成技术,选题具有理论意义和应用价值。论文工作如下:1)设计并实现了基于深度学习的室内异常信号定位系统,对局域空间内的频谱态势进行生成。应用深度神经网络对指纹数据库内数据进行训练,基于深度学习的室内定位算法采用自动编码器、批正则化,随机梯度下降等方法有效地提高了深度神经网络的性能和计算速度,经过仿真对比,得出适合的参数设置。与传统的算法相比,该算法可以直接学习、提取数据隐含的结构特征,并且不需要预处理,而且可以有效避免过拟合等问题,提高网络泛化能力。2)设计并搭建起一套南航频谱监测平台,以南京航空航天大学江宁校区为监测地点,将频谱态势生成技术由室内推广到室外,从局域推广到广域。系统可分为以下三个部分:分别为频谱数据采集、数据集成与处理和可视化呈现。针对采集数据的缺失性问题,提出基于增广拉格朗日乘数法的矩阵重建算法,对缺失数据进行补全,最后融于地理信息系统形成南航校区的频谱地图,直观呈现校园内不同频段、不同时间段的频谱状态。3)设计并实现了基于卫星扫描的频谱大数据分析平台,将频谱态势生成技术由室内、室外、推广至卫星,从广域推广到太空。该平台由卫星运行演示模块、频谱态势生成模块、频谱态势预测模块、干扰源定位模块组成。提出了一种卫星频谱态势生成算法,将补全、预测产生的完整频谱数据,映射到地球表面具体位置上。将处理后的数据融于地理信息系统,进行数据可视化分析与预测平台构建,应用大数据存储和分析系统,提出大数据级解决方案。4)设计并搭建小巧轻便,能搭载在小型无人机上的数据采集硬件平台,为频谱数据采集奠定了硬件基础。该平台可利用成熟的模块迅速搭建,可实现对电磁频谱在三维空间上的动态监测,能够有效减少监测信号中断和多径的影响,提高了无线电监测的有效性和可靠性。

关键词：频谱地图频谱态势频谱态势生成深度学习矩阵重建

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基于生成对抗网络的频谱态势感知技术研究

基于生成对抗网络的频谱态势感知技术研究

作者：胡田钰南京航空航天大学

学位级别：硕士

频谱态势感知技术旨在获取复杂电磁环境中功率谱密度、信道增益等无线电参数的分布情况,并构建当前电磁频谱空间下的完整频谱态势。但随着无线通信系统的不断演进和社会的急速发展,传统感知方法已难以应对严峻的电磁频谱领域挑战和满足... 详细信息

频谱态势感知技术旨在获取复杂电磁环境中功率谱密度、信道增益等无线电参数的分布情况,并构建当前电磁频谱空间下的完整频谱态势。但随着无线通信系统的不断演进和社会的急速发展,传统感知方法已难以应对严峻的电磁频谱领域挑战和满足用户的智能个性化通信需求。另一方面,生成对抗网络(Generative Adversarial Networks,GANs)作为人工智能领域中的一种新兴深度学习框架,其可以基于无线大数据,出色的完成无线通信系统中与分布学习和数据生成相关的任务。因此,研究基于生成对抗网络的频谱态势感知技术具有理论价值和应用前景。本论文主要工作如下:(1)面向无线信道估计问题,提出了一种基于生成对抗网络的在线感知增强算法。在该算法中,生成对抗网络对接收序列分布进行在线学习,在不造成额外训练开销的同时增加训练序列长度,进而可以由基于训练的信道估计方法实现感知增强。此外,本研究还分别研究了一种面向信道估计的生成对抗网络结构和迭代次数选择策略。仿真结果显示,该算法可以有效的对最小二乘方法的信道增益估计性能进行增强。(2)面向态势补全问题,提出了一种基于生成对抗网络的有监督三维频谱态势补全算法,其中无人机通过随机航迹来进行关于功率谱密度的频谱数据采样。在该算法中,生成对抗网络通过完整的历史或经验频谱数据,来对以缺损三维频谱态势为条件的完整频谱态势数据分布进行有监督学习,进而部署后可实现三维频谱态势补全。此外,本研究还研究了一种面向随机航迹下三维频谱态势补全的生成对抗网络结构。仿真结果显示,该算法的补全性能优于传统基于空间插值的算法和现有基于生成对抗网络的算法。(3)面向态势补全问题,提出了一种基于生成对抗网络的无监督三维频谱态势补全算法,其中无人机通过更易实现的有限航迹来进行频谱数据采样。在该算法中,生成对抗网络在所提采样处理函数的辅助下,通过实际中更易获得的缺损历史或经验频谱数据,来对缺损三维频谱态势与完整三维频谱态势之间的映射关系进行无监督学习,进而部署后可对缺损三维频谱态势进行补全。此外,本研究还研究了一种面向有限航迹下三维频谱态势补全的生成对抗网络结构。仿真结果显示,该算法的补全性能同样优于传统插值算法,且可以稳定的应用于不同生成对抗网络训练情况下的三维频谱态势补全应用。

关键词：频谱态势感知生成对抗网络无线信道估计感知增强三维频谱态势补全频谱态势无人机航迹功率谱密度

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多维频谱态势构建研究

多维频谱态势构建研究

作者：黄亚建北京邮电大学

学位级别：硕士

随着无线通信技术的快速发展,传统固定的频谱分配方式使得频谱资源变得愈加短缺。为解决该问题,认知无线电技术应运而生,在不影响主用户正常通信的前提下,次用户利用空闲频段接入网络,实现频谱资源的充分利用。感知无线环境是认知无线... 详细信息

随着无线通信技术的快速发展,传统固定的频谱分配方式使得频谱资源变得愈加短缺。为解决该问题,认知无线电技术应运而生,在不影响主用户正常通信的前提下,次用户利用空闲频段接入网络,实现频谱资源的充分利用。感知无线环境是认知无线电的实现前提,构建电磁频谱态势可以掌握环境中频谱的使用情况,为动态频谱接入提供现实依据。因此,本文从多个维度对频谱态势的构建展开了研究。本文基于大量的实测数据,从不同维度上进行了频谱态势构建工作,并对频谱使用、信号分布等规律进行了深入研究。本文的研究主要包括一下几个部分:1、基于大量实测数据,对北京城区进行时域、频域、空域的频谱态势构建,不仅分析了频谱的占用情况,还结合频谱态势图分析了信号的地理分布规律。其中重点研究了空域频谱态势构建中的抽样方案,提出了“基于模拟退火的电子排斥”抽样方案,该方案能够有效地避开建筑物、无法放置信号采集装置的区域,弥补了传统系统抽样所带来的抽样不均匀所造成的误差;2、为了更加全面地对频谱特性进行挖掘,本文将信道频率响应维度加入频谱态势研究范畴,突破了传统频谱态势构建仅限于时频空三个维度的思维限制。其中详细地介绍了基于信道频率响应维度的频谱态势构建方法,分析了信道频率响应随时间和位置的变化规律,并将其用于指导复杂环境下的信源定位。最后,本文所得结论无论是对于电磁频谱态势构建,还是为基于位置指纹的定位方法提供数据支持,都具有十分重要的意义。

关键词：认知无线电频谱态势抽样方案信道频率响应

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基于无人机频谱认知仪的频谱态势感知研究

基于无人机频谱认知仪的频谱态势感知研究

作者：刘东南京航空航天大学

学位级别：硕士

随着物联网设备从二维地面到三维空间的爆发式增长,电磁频谱空间面临的频谱资源紧缺以及频谱安全问题正从陆域向空域延伸,频谱感知技术旨在获取电磁环境中的功率分布等无线电参数情况,三维立体呈现电磁频谱空间的完整频谱态势。然而一... 详细信息

随着物联网设备从二维地面到三维空间的爆发式增长,电磁频谱空间面临的频谱资源紧缺以及频谱安全问题正从陆域向空域延伸,频谱感知技术旨在获取电磁环境中的功率分布等无线电参数情况,三维立体呈现电磁频谱空间的完整频谱态势。然而一方面传统的频谱感知技术往往针对二维频谱态势展开研究,难以实现对三维频谱态势补全。另一方面传统的频谱监测技术存在着监测精度低,监测成本高等弊端。因此有必要提出利用空中频谱监测手段来开展三维频谱态势感知技术的研究,进而呈现完整的三维频谱态势以及挖掘三维电磁频谱空间频谱态势信息,最终实现频谱资源的充分利用和安全管控。因此,本论文开展基于无人机频谱认知仪的频谱态势感知相关研究具有理论意义和应用价值。本文主要工作如下:(1)提出一种面向有限航迹下基于传播模型的辐射源位置反演定位算法。在该算法中,通过无人机搭载的信号监测接收装置对当前环境的辐射源强度信息进行监测接收,然后基于监测接收辐射源信号强度的差值进行辐射源的位置反演定位,有效解决TDOA和AOA等定位方法需要额外的硬件设备存在的缺点及不足。仿真结果证明,该算法可以在不同的干扰环境下以及不同无人机监测采样航迹情况下,进行目标辐射源位置反演定位。(2)提出一种面向有限航迹下基于模型增强生成学习的三维频谱态势补全算法。该算法包括模型增强的辐射源位置估计阶段、数据预处理阶段、训练阶段以及推理阶段,将搭载频谱监测设备的无人机在有限航迹下采集的缺损频谱态势进行补全,很好地解决了有效频谱数据极少以及完整频谱数据先验信息未知的问题,有效地监测电磁频谱空洞,进而实现频谱资源的充分利用和管理。仿真结果证明,在不同干扰环境下该算法在频谱态势补全精度方面均优于传统空间插值算法。(3)研制一种空中频谱监测系统——无人机频谱认知仪。该系统由无人机平台单元、频谱监测单元以及地面频谱感知终端单元组成。此外,本研究还提出了一种面向非法辐射源搜索定位频谱感知任务的无人机路径自主规划算法,在该算法中基于机载频谱监测设备监测采样的频谱数据信息,利用基于强化学习的无人机路径自主规划方案进行非法辐射源搜索定位。通过算法仿真与实测验证,嵌入面向非法辐射源搜索定位频谱感知任务的无人机路径自主规划算法的无人机频谱认知仪能更高效地完成非法辐射源搜索定位。

关键词：频谱态势感知辐射源定位模型增强生成对抗网络三维频谱态势补全无人机路径强化学习频谱态势

面向高速铁路无线通信的智能频谱态势感知关键技术研究

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面向高速铁路无线通信的智能频谱态势感知关键技术研究

作者：蔡兴强苏州大学

学位级别：硕士

无线频谱资源作为移动通信技术中最基础的资源,在移动通信中发挥着重要作用。随着无线通信技术的发展,无线频谱资源越来越复杂混乱,难以管理,使得无线频谱资源的利用率始终处于较低水平。因此,更高效率的时频资源分配算法和技术亟需得... 详细信息

无线频谱资源作为移动通信技术中最基础的资源,在移动通信中发挥着重要作用。随着无线通信技术的发展,无线频谱资源越来越复杂混乱,难以管理,使得无线频谱资源的利用率始终处于较低水平。因此,更高效率的时频资源分配算法和技术亟需得到应用。在当前铁路无线通信领域,基于全球移动通信系统平台的铁路专用数字移动通信系统(GSM for Railway,GSM-R)正在向新一代高铁移动通信系统(Long Term Evolution for Railway,LTE-R)演进,在保证列车高速运行安全通信的前提下,能为用户提供更高带宽,更低时延的服务。如何保证高速运行的列车在可靠通信的前提下,充分利用铁路通信系统中有限的无线频谱资源,提高无线频谱的利用率,是目前铁路通信系统的主要研究方向。另外“频谱态势”这一概念的提出,使得铁路通信无线频谱资源的高效利用有了新的研究思路。本文以高速铁路智能频谱态势为主要研究内容,通过分析高速铁路通信场景下列车用户在接受通信服务时的网络小区选择、小区切换和信道选择这三个关键流程中存在的问题,分别研究了频谱态势空间维度的小区机会性接入态势,小区切换态势和时间维度的信道占用态势。结合图卷积网络,强化学习理论和时序深度网络等人工智能方法,对不同维度的频谱态势进行研究和建模,提出了全新的无线频谱资源优化算法,并进行了通信仿真,验证研究的频谱态势具有应用的可行性,提高铁路通信环境下的无线频谱资源利用率。本文主要创新包括以下三点:首先,针对铁路通信用户在异构网络中的小区选择和接入问题,研究了智能频谱态势中的空间特征,建立了基于图卷积网络(Graph Convolutional Network,GCN)的铁路通信系统机会性接入态势,利用GCN网络挖掘不同小区之间的空间关联性,并结合传统的异构网络多属性决策算法,提出了基于GCN的铁路通信小区选择算法,进一步提高了小区选择的合理性。其次,针对铁路通信用户在小区切换时的参数选择问题,研究了智能频谱态势中的小区切换态势,提出了一种基于强化学习和参数估计的切换态势感知算法,该算法通过智能体与环境相互作用,在动态变化的铁路环境条件下获得铁路用户在不同切换参数组合下的切换性能和网络性能,选择出具有最优通信性能的切换参数,提高列车用户的切换成功率和服务质量。最后,针对铁路通信用户在小区通信中的信道选择问题,研究了智能频谱态势中基于时间特征的信道占用态势,利用时序深度网络对授权信道的占用态势进行感知,根据授权信道过去的时序数据预测其未来的变化情况,提高信道占用态势感知的准确度,为用户动态接入授权信道提供参考,提高无线信道的资源利用率。

关键词：高铁无线通信认知无线电频谱态势图卷积网络强化学习循环神经网络

认知无线网络中基于频谱态势的频谱接入方法研究

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认知无线网络中基于频谱态势的频谱接入方法研究

作者：彭勋重庆邮电大学

学位级别：硕士

在认知无线网络中,频谱态势是无线频谱资源在时-频-空域的当前状态和未来趋势,反映当前频谱特征,是动态频谱接入的重要依据。本文通过分析时-频-空域上的频谱态势,研究小尺度认知无线网络和大尺度认知无线网络下的频谱接入问题。主要研... 详细信息

在认知无线网络中,频谱态势是无线频谱资源在时-频-空域的当前状态和未来趋势,反映当前频谱特征,是动态频谱接入的重要依据。本文通过分析时-频-空域上的频谱态势,研究小尺度认知无线网络和大尺度认知无线网络下的频谱接入问题。主要研究内容有:在小尺度认知无线网络中,次用户(SU)间的距离比较近,网络半径较小,不同SU感知到的频谱态势相似,SU主要通过时间和频率上的频谱空洞进行频谱接入。本文提出基于信道时-频态势的混合频谱接入方法,通过两状态马尔科夫过程对信道状态进行建模,估计信道在时间和频率维度的状态,SU根据信道状态选择Overlay或者Underlay接入方式,然后以最大化系统容量为准则求解SU最优发射功率,并通过修正信道转移概率来降低频谱感知误差的影响。理论分析和仿真实验表明,本文方法下的认知系统容量优于单一的Overlay或Underlay系统。频谱态势图可以有效地估计不同地点的干扰和空白频带,指导不同位置的SU进行频谱接入和功率控制。针对传统插值法构建频谱态势图精度较低而且所需测量节点较多的问题,本文提出基于主用户(PU)信息构建频谱态势图的方法,针对PU发射功率未知的情况,首先基于接收信号强度利用最小二乘法建立定位模型,然后利用拉格朗日乘数法求解PU的位置和发射功率,最后根据PU空间信息和传播模型直接构建频谱态势图。实验表明本文方法比传统的空间插值法构建频谱态势图精度高而且所需测量节点数少。在大尺度认知无线网络下,SU网络半径较大并且分布较广,离PU较远的区域可能不存在PU的影响,空间频谱空洞由此产生。本文提出基于位置信息的空间频谱接入方法,首先分析主网络覆盖范围、主次用户之间距离以及认知网络容量之间的关系,然后根据主次用户的三种位置关系进行功率控制,解决主次用户在空间上并发通信的干扰问题,指导不同位置的SU进行频谱接入。在保证PU正常通信的情况下,为SU提供更多的空间频谱接入机会,提升认知系统的容量。

关键词：认知无线网络频谱态势频谱接入功率控制

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频谱态势在海上通信领域的发展及应用研究

中国无线电 2023年第7期 49-50页

作者：赖幸君林达宜王渤洋李晓帆国家无线电监测中心检测中心暨南大学

海上通信中的频谱态势监测和分析是提高海上通信系统效率和可靠性的关键要素。为了满足不断增长的海上通信需求以及应对海上的复杂电磁环境,开展精确高效的频谱监测方法、干扰源定位技术和动态频谱分配策略研究,将为海上通信频谱态势的... 详细信息

海上通信中的频谱态势监测和分析是提高海上通信系统效率和可靠性的关键要素。为了满足不断增长的海上通信需求以及应对海上的复杂电磁环境,开展精确高效的频谱监测方法、干扰源定位技术和动态频谱分配策略研究,将为海上通信频谱态势的应用提供更多的可能性和潜在优势。未来,随着技术的不断演进和应用的扩展,频谱态势在海上通信中的研究和应用将继续取得更多突破,进一步提升海上通信系统的性能和效益。

关键词：频谱态势海上通信发展应用