电磁频谱空间应用及发展趋势综述

近年来,电磁频谱空间已逐步发展成为大国博弈的必争领域,成为国家的战略稀缺资源。在民用电磁频谱领域,电磁频谱拥挤、应用业务激增,在宽带频谱监测、频谱安全、频谱大数据及智能化应用方面面临着巨大挑战;军用电磁频谱博弈对抗愈加激烈,电磁频谱感知、监测及影响效应评估面临感知手段有限、频谱管控和协同应用能力不足等难题。该文首先回顾了典型电磁频谱应用现状、面临的挑战及国外发展趋势。然后,分析了国内电磁频谱空间总体设计和规划管理、典型工程实践和关键技术突破情况。最后,给出了我国电磁频谱空间应用的发展思路。

基于窄带频谱分析的电力线载波通信干扰过滤技术

电力线路载波通信受到背景噪声、脉冲噪声等方面干扰因素影响,导致通信信号质量下降,为此提出一种基于窄带频谱分析的通信干扰过滤技术。首先构建近似模型分析通信信号特征,利用马尔可夫链模拟信道上脉冲噪声状态。然后基于窄带频谱分析算法,在信号频谱周期图下,利用正交数据窗分离直接频谱,筛选估计方差以避免频谱泄漏事件的发生。利用傅里叶变换计算特征频谱,估计信号能量的集中特性,分析通信信号,平衡信号振幅和干扰抑制。最后通过时频峰值实施干扰滤波,有效保证电力线载波通信信号质量。经过实验数据分析证明,所提技术的载波干扰幅值最小值为1.1 dB,载波通信信号误码率平均值为1.9%,方法耗时平均值为3.8 s。

面向6G无线通信系统的动态频谱管理技术研究

随着通信技术的快速发展,6G无线通信系统将面临更为严峻的频谱资源调配难题。文章通过深入研究6G无线通信系统的动态频谱管理技术,阐述动态频谱管理的基础理念,包括其种类、追求的目标、运作的原理以及优势。重点分析6G无线通信技术对无线电频谱资源的需求,包括提升频谱使用效率、在多元用户和多样化业务情境下的频谱分配与调度等。同时,深入探索针对无线电频谱的先进管理策略,如无线电频谱的感知与预测、借助机器学习和人工智能的智能管理技术以及面向6G通信技术的动态频谱分配技巧等。最后,剖析无线频道的共用与买卖规则,展望未来研究的趋势与方向。

三维空域频谱态势生成算法研究

通过调研国内外频谱态势测绘的研究现状,比较现有的各个频谱补全算法的优缺点,给出频谱补全算法的原理概述。在传统的数据或者模型驱动方法的基础上,提出了基于数据模型双驱动的逆距离加权三维频谱态势补全算法,解决了现存方法大多只适用于二维频谱补全或者在三维频谱补全场景中补全精度低的问题。数据模型双驱动的逆距离加权三维频谱态势补全算法在传统的逆距离加权法的基础上,结合信道传播损耗模型,传统的运用于二维平面的频谱补全方法扩展到三维空间,综合考虑方向、距离和路径损耗等因素,改进传统的逆距离加权法,极大提高了补全的精度。

宇宙黎明全天频谱实验研究进展

探索宇宙黑暗时代、黎明时代和再电离时代对于理解宇宙的演化具有重要意义,一直是天文学研究的一个重要方向。从2000年前后开始,人们尝试利用200 MHz以下的红移中性氢21 cm辐射对宇宙早期的演化进行探测,主要是两条路径,一种是利用大规模阵列对中性氢辐射进行三维成像或空间功率谱测量,另一种是通过单天线对21 cm中性氢全天平均频谱进行测量。后一种测量设备规模小,只需要单天线,但要求接收机具有高精度的校准能力。本文主要介绍近年来我们在国家天文台红柳峡观测站开展的全天频谱探测实验的进展情况,包括多种非频变天线设计、创新性的多通道交叉验证接收系统设计思想,以及初步的实验进展等,实验结果显示利用天线模拟器得到系统校准精度残差小于0.025 K,达到了自校准精度的国际水平。这些设备的研制和实验的开展将有力地推动我国未来的月球轨道或月基全天频谱探测项目。

基于深度学习的认知物联网频谱感知算法研究

针对认知物联网(Internet of Things, IoT)对低信噪比(Signal to Noise Ratio, SNR)的频谱感知性能低下以及传统卷积神经网络(Convolutional Neural Network, CNN)频谱感知方法提取数据特征不充分导致感知性能差等问题,提出了一种改进残差网络——ResNeXt的单节点频谱感知算法,ResNeXt只需要设置少量超参数且高度模块化,将该网络在图像处理上的优势应用在频谱感知问题上,先将接收信号转成二维矩阵并归一灰度化处理,得到灰度图像作为网络的输入。通过训练ResNeXt来提取灰度图像特征,将在线数据输入完成频谱感知。将各个次用户(Secondary User, SU)得到的评分向量矩阵直接用融合中心SoftCombinationNet(SCN)融合获得协作频谱感知结果,有效解决了传统硬融合方法检测性能低、软融合处理复杂等问题。实验结果表明,所提方法在低SNR仍能实现低虚警率、高检测概率,优于传统频谱感知方法。

数字T/R组件发射频谱控制技术研究

现代武器装备单平台集成的各频段雷达、通信等无线电设备数量越来越多,且发射信号均向高功率、超宽带等方向发展,使得雷达与其他设备之间的发射频谱交叠严重,进而导致不同设备之间存在严重的电磁干扰问题。文中针对不同无线电设备收发信号之间的电磁干扰问题进行了分析,重点讨论了数字T/R组件脉冲发射带外频谱分量的产生机理和改善方法,提出了针对性的频谱控制措施,并在某雷达数字T/R组件上开展了试验验证,证明了该频谱控制方法的有效性。

自适应压缩频谱感知的采样率动态调整策略

受奈奎斯特-香农采样定理的限制,宽带频谱感知(wideband spectrum sensing,WBSS)的首要难点是采集宽带信号。根据变步长自适应滤波算法原理,基于自适应压缩频谱感知(adaptive compressed spectrum sensing,ACSS)提出了一种动态调整采样率的压缩频谱感知方法(dynamically adjust sampling rate ACSS,DASR-ACSS)。采用调制宽带转换器结构,针对传统ACSS固定步长的问题设计了步长动态调整策略。针对原始信号难以获取的问题,通过对信道占用状态相关性和检测率的变化趋势进行数据统计分析,设计了利用信道占用状态相关性的停止准则;通过对停止准则的实验数据分析,以sigmoid函数为基础设计了分段函数作为步长调整策略,利用步长补偿因子充分提升性能。仿真结果表明,与传统ACSS相比,DASR-ACSS能更快达到高检测率,能够平衡算法的实时性能和采样率压缩比性能,当信噪比在-30~30 dB时,DASR-ACSS表现出更好的检测性能。

基于天基干扰绘图的星地一体化系统频谱共享研究

针对未来星地一体化系统中新入低轨道地球卫星(LEO)组件的用频需求和现任地面组件聚合干扰影响的问题,面向天基认知系统提出频谱感知和频谱数据库辅助的交织模式频谱共享方案。首先,针对低轨认知系统节点稀疏分布属性对频谱感知和干扰绘图带来的负面影响,提出“认知节点位置”概念。其次,研究低轨认知系统的双门限混合频谱感知和干扰绘图的机制,构建频谱数据库。最后,面向多状态虚拟网络模型,提出卫星组件上行频谱共享方案,实现LEO组件和地面组件之间的同频共存工作。仿真结果表明,所提双门限混合感知和干扰绘图能以较低密度的低轨认知节点实现高可靠性的频谱空间态势认知;所提基于频谱数据库和交织模式的LEO组件协作接入方案可以实现与地面组件的频谱共享,且不会显著增加LEO组件的端到端时延。

基于频谱泄漏干扰多层消除的密集谐波/间谐波参数估计方法

当电力系统中存在密集谐波/间谐波时,现有谐波/间谐波参数估计方法往往因计算模型阶数难以选取或部分频谱泄漏干扰被忽略等因素而产生严重误差。由此,提出一种基于频谱泄漏干扰多层消除的密集谐波/间谐波参数估计方法。根据干扰来源,将频谱泄漏干扰分为自频谱泄漏干扰和互频谱泄漏干扰;提出频谱旋转线性化和多层频谱错位相减方法以有效抑制互频谱泄漏干扰;构建自频谱泄漏干扰模型并采用自适应步长牛顿迭代法求解模型,从而有效抑制自频谱泄漏干扰并求得密集谐波/间谐波参数。相较于现有方法,所提方法无需任何先验条件,且能在主瓣重叠时有效抑制频谱泄漏干扰,从而精准估计密集谐波/间谐波参数。仿真和实验验证了所提方法的有效性与准确性。

小样本学习驱动的无线频谱状态感知

无线频谱状态感知是实现无线频谱资源高效利用及各种用频系统和谐共存的先决条件之一。针对复杂无线传播环境下获取的频谱观测往往存在数据稀疏性、数据类别分布不稳定、标记数据严重不足的情况,该文提出基于插值和小样本学习(FSL)分类的无线频谱状态感知方法。首先,对捕获的稀疏频谱观测数据插值,构建频谱状态地图,作为频谱状态分类器的输入数据。其次,针对频谱数据类别分布不稳定、数据量严重不足的问题,基于小样本学习方法,利用嵌入模块和度量模块协同工作,以实现快速精确的频谱状态分类。具体地,利用嵌入模块将频谱数据映射到嵌入空间,提取频谱数据中的隐含特征;在度量模块的设计中,分别提出基于原型和基于样例的两种类别表示方式,通过计算待分类样本与类别之间的相似度判断待分类样本类别。最后,为了确保分类模型克服测试样本数量少导致过拟合问题,设置A-way B-shot任务训练模型。仿真结果表明,与传统机器学习方法相比,本文模型可以在低信噪比条件下进行精准分类;同时,在测试集样本数很少的情况下,或者在测试集中出现在训练集从未见到的新类时,所训练的模型也可以精准快速判别无线频谱的场景类别。

面向6G网络的频谱定价机制演进与展望

6G网络的异构性和复杂性将进一步提高,可用频段愈渐短缺,迫切需要更为灵活高效的频谱资源管理模式。使用市场化定价手段促进频谱资源的高效利用,为纾解6G频谱短缺困境提供了解决方案。首先简要分析了6G移动网络的频谱资源新特点,接着梳理了数十年来频谱管理和定价机制的演进进程,包括基于博弈论、拍卖模型的定价机制研究和基于人工智能的定价机制研究等成果。最后,对面向6G移动网络的频谱定价机制进行了展望,为标准化工作提供借鉴和参考。

基于频谱效用的频率优化分配算法及策略分析

针对联合作战条件下多业务用频装备频率分配问题,引入频谱效用的概念,设计了能够综合考量装备用频优先级、用频效能、用频需求等频率分配关键影响因素的频谱效用函数。以频谱效用最大化为优化目标,可用频谱资源、整数决策变量和公平分配限制为约束条件,建立了频率优化分配模型,并给出了不完全约束条件下的近似解析解,以及完全约束条件下基于最大边际效用的准最优算法。仿真实验验证了算法的有效性,对频率分配公平性的调节作用,以及对频谱容量优先、任务优先、用频效能优先等频率分配典型策略的支撑作用。

未来网络中无线电频谱分配和管理模式的研究

随着未来网络的不断演进,使得无线电频谱资源的合理分配与高效管理显得尤为关键。该文针对无线电频谱资源的管理现状,通过分析未来网络技术对频谱需求的新变化,指出了传统频谱分配和管理模式的不足之处。在此基础上,该文探讨了一些频谱分配和管理的策略,旨在实现频谱资源的动态、灵活和高效利用。通过对技术创新的综合应用,提出了包括政策工具优化、经济性分析在内的多元化管理策略。研究结果表明,这些策略能够促进频谱资源的优化配置,满足未来网络的高速数据传输需求,对促进无线电频谱资源的可持续发展具有重要意义。

无线通信中的频谱感知与动态频谱接入技术研究

随着无线通信技术的迅速发展,频谱资源日益成为一种宝贵的资源。频谱感知与动态频谱接入技术作为解决频谱资源管理难题的重要手段备受关注。本文综述了频谱感知与动态频谱接入技术在无线通信领域的研究现状与应用前景,分析了其在提升频谱利用效率、解决频谱拥塞和频谱管理等方面的重要作用。并结合实验分析,展示了这些技术的潜力和优势,为未来的频谱管理与通信技术发展提供了有益的参考。

动态频谱共享技术在5G中的应用

移动通信是一个资源受限性系统,而频谱是非常关键的资源和要素。目前,移动通信已经进入5G时代,而5G的主力频谱是3.5 GHz,频率越高,覆盖能力就越弱,因此其很难实现城区的深度覆盖及农村的广覆盖,且实现的建设成本也会非常高。目前,中低频谱资源几乎被3/4G占据,且无法全部重耕这些优质的低频段资源。5G与3/4G共用中低频段,由于每张网络承载用户是一个动态变化的过程,若采用固定分配频谱的策略,则会出现网络忙闲不均的现象,从而不能完全发挥中低频谱的利用率。动态频谱共享技术可有效解决上述问题,提高频谱利用率。文中在介绍技术原理的前提下,对该技术实现方式以及部署方式进行了介绍,最后通过测试数据证明了该技术的有效性。

基于STFT-AOK的星箭力学环境等效频谱分析

星箭力学环境的频谱特性研究对于力学试验环境条件设计非常重要。工程上通常基于冲击响应谱变换获得力学环境参数等效频谱,然而该方法受稳态放大系数Q取值的影响较大。为此,文章提出一种基于短时傅里叶变换–自适应优化核函数(STFT-AOK)融合技术的星箭力学环境等效频谱分析方法。研究结果表明:STFT-AOK方法可在AOK准确定位频率成分和瞬态特征时频区域的基础上,结合STFT的准确幅值,构造出频率分辨率高且幅值准确的时频分布,实现力学环境等效频谱的有效获取,适用于各种复杂瞬态星箭力学环境参数的频谱分析。

SMTLOC:基于多源频谱的SMT求解器缺陷定位

SMT求解器作为重要的基础软件,其存在的缺陷可能会导致依赖于它的软件功能失效,甚至带来安全事故.然而,修复SMT求解器缺陷是一个十分耗时的任务,因为开发者需要花费大量的时间和精力来理解并找到缺陷的根本原因.虽然已有许多软件缺陷定位方面的研究,但尚未有系统的工作研究如何自动定位SMT求解器缺陷.因此,提出一种基于多源频谱的SMT求解器缺陷定位方法SMTLOC.首先,对于给定的SMT求解器缺陷,SMTLOC提出一种枚举算法,用以对触发该缺陷的公式进行变异,从而生成一组不触发缺陷,但与触发缺陷的公式具有相似执行路径的证人公式.然后,SMTLOC根据证人公式的执行路径以及SMT求解器的源码信息,提出一种融合覆盖频谱和历史频谱的文件可疑度计算方法,从而定位可能存在缺陷的文件.为了验证SMTLOC的有效性,收集60个SMT求解器缺陷.实验结果表明,SMTLOC的缺陷定位效果明显优于传统的频谱缺陷定位方法,SMTLOC可以将46.67%的缺陷定位在TOP-5的文件内,定位效果提升了133.33%.

基于无线环境地图的星地智能频谱共享方法

卫星和地面组件共享同一频段可以有效缓解频谱稀缺问题,提升频谱利用率,星地频谱共享将在未来的无线系统中发挥至关重要的作用。相较于传统的七色复用星地频谱共享方案均匀地分配点波束带宽,通过波束预测能够基于点波束流量需求的变化合理分配带宽,而频谱预测能够有效降低碰撞概率,从而提升网络频谱效率。提出一种基于无线环境地图的星地智能频谱共享方法,该方法联合波束预测和频谱预测,构建无线环境地图并基于无线环境地图进行频谱分配。仿真结果表明,该方法可有效提升频谱利用率,降低网络阻塞率和用户等待时间。

数字全息显微信号项频谱定位及干扰项抑制

在离轴数字全息显微和非相干光成像研究中,空间频域滤波是重建目标物体的振幅和相位信息的关键步骤。信号项频谱选取及中心定位对滤波后重建相位的质量有着极大影响,即使像素级的微小差异也会导致重建相位的严重失真。为了解决这个问题,文章提出了一种数字全息显微信号项频谱定位及干扰项抑制的方法。方法根据全息图频谱的直方图分布特性,自适应确定滤波形状和大小,同时,采用质心法来快速准确的确定信号项频谱的中心,并在频域中运用形态学处理来消除信号项频谱周围的干扰项。实现了信号项频谱自适应滤波,从而提高了相位重建的质量。文章使用二维山形图模拟相位进行了仿真验证,并搭建光路拍摄USAF1951标定板上的数字区域和洋葱表皮细胞进行了实验验证。仿真和实验结果表明,算法可以实现高质量的相位重建,并对干扰项进行抑制,提高了离轴数字全息显微系统的成像质量。