認知無線電軍事應(yīng)用研究

李玲玲　龍海英

【摘 要】認知無線電是以軟件無線電為基礎(chǔ)的一種智能無線通信系統(tǒng)，它能自適應(yīng)周圍環(huán)境的變化，動態(tài)識別未被占用的合法頻譜，在空閑頻譜上傳輸信號且不會對合法用戶造成有害干擾。本文介紹了認知無線電的定義和特點，分析了認知無線電的關(guān)鍵技術(shù)，給出了認知無線電在軍事通信領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢。

【關(guān)鍵詞】認知無線電；頻譜感知；頻譜分配

【Abstract】Cognitive radio is an intelligent wireless communication system based on soft ware radio， it can adapt to the environment and dynamically identify unoccupied licensed spectrum， and operate on the idle spectrum without causing harmful interference to licensed users. Firstly， this thesis explicates the correlative concept and characteristic of cognitive radio. Then， related key technologies are discussed. Finally， this paper analyzes the application advantage of cognitive radio in the military communication field.

【Key words】Cognitive radio；Spectrum Sensing；Spectrum Allocation

0 引言

認知無線電（Cognitive Radio，簡稱CR）通過感知周圍無線環(huán)境，智能調(diào)整工作參數(shù)，在保證授權(quán)用戶信號有效傳輸?shù)那疤嵯?，多角度（時間、頻率和空間）利用空閑頻譜進行通信，從而有效地解決頻譜資源緊張，頻譜利用率不高和頻譜分配方式不靈活性的問題。

1 認知無線電的定義和特點

1.1 認知無線電的定義

Joseph Mitola首先提出了CR[1]的概念，他把CR定義為一種能夠通過學(xué)習不斷感知無線環(huán)境，并通過自適應(yīng)調(diào)整自身內(nèi)部的通信機理來適應(yīng)無線環(huán)境的變化的無線通信技術(shù)。

S.Haykin在J.Mitola的認知循環(huán)基礎(chǔ)上提出了“認知圈”（Cognitive cycle）架構(gòu)[2]，定義CR系統(tǒng)是由頻譜感知、頻譜分析和頻譜決策三個基本部分構(gòu)成的具有環(huán)境適應(yīng)能力的智能系統(tǒng)，如圖1所示。

1.2 認知無線電的特點

CR有兩個主要特點：認知能力和重配置能力。

認知能力是指CR能夠從其工作的無線環(huán)境中感知信息，捕獲頻譜空穴（Frequency Hole），找出目標頻段在空間和時間上的變化，適時接入目標頻段，并且避免對其他用戶產(chǎn)生干擾。

重配置能力使得CR設(shè)備可以靈活、智能地根據(jù)無線環(huán)境動態(tài)編程，根據(jù)當前無線環(huán)境的變化，選擇最佳的傳輸參數(shù)（工作頻譜、調(diào)制方式、傳輸功率等）或接入技術(shù)。

2 認知無線電的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 頻譜感知技術(shù)

頻譜感知主要是發(fā)現(xiàn)在時域、頻域、空域上的頻譜空穴，使用最合適的無線資源（包括頻率、調(diào)制方式、發(fā)射功率等）完成無線傳輸。一般而言，頻譜感知技術(shù)可以歸納為發(fā)射機檢測、合作檢測和基于干擾的檢測。

2.1.1 發(fā)射機檢測

其中，x（t）為非授權(quán)用戶接收到的信號，s（t）為授權(quán)用戶發(fā)送的信號，n（t）為加性白高斯噪聲，h（t）為信道增益，*為卷積；H0表示頻段空閑；H1表示頻段被授權(quán)用戶占用。

發(fā)射機檢測的步驟就是在某種映射條件下對接收信號進行處理，從噪聲背景中提取信號所攜帶的信息，根據(jù)特定的檢測估計準則，判斷某一頻段上是否有授權(quán)用戶存在。

2.1.2 基于干擾的檢測

FCC提出了一種新的量化和管理干擾源的模型——干擾溫度模型[4]，該模型不僅可以控制發(fā)射機的發(fā)射功率，還能對所使用的頻段進行調(diào)節(jié)。這意味著原本屬于發(fā)射機內(nèi)的干擾問題現(xiàn)在轉(zhuǎn)移到了發(fā)射機和接收機之間的以自適應(yīng)方式進行的實時性交互活動。

如圖2所示，如果非授權(quán)用戶想要與授權(quán)用戶共享同一頻譜，那么授權(quán)用戶的射頻干擾就必須在所設(shè)定的干擾溫度門限以下。否則，非授權(quán)用戶必須通過調(diào)整自己的發(fā)射功率、調(diào)制方式等參數(shù)來避免對授權(quán)用戶的干擾超過干擾溫度門限。

2.1.3 合作檢測

合作檢測[5]可以分為中心式檢測和分布式檢測兩種。中心式檢測中，存在一個中心節(jié)點，用于接收來自分散非授權(quán)用戶的感知情況，并且融合所有用戶的感知信息，給出最終的感知結(jié)果；分布式檢測沒有專門的數(shù)據(jù)融合中心，每個非授權(quán)用戶都作為數(shù)據(jù)融合中心，多個非授權(quán)用戶一起檢測目標頻段，并將信息進行交互，共享信息后一同確定頻譜使用情況后再做出判決。

2.2 頻譜管理技術(shù)

頻譜分析和頻譜判決是頻譜管理技術(shù)中兩個主要功能[6]。頻譜分析是在頻譜感知的基礎(chǔ)上，收集不同時間段內(nèi)可用頻譜空穴的不同頻譜特征，在一定寬度的時域、空域、頻域內(nèi)對頻譜空穴特征進行分析刻畫，使CR做出最符合非授權(quán)用戶要求的判決，以保證頻譜的合理分配。頻譜判決就是在頻譜分析的基礎(chǔ)上根據(jù)用戶的需求和頻譜特性為用戶選擇最合適的工作頻段，此外還要綜合考慮頻譜使用的公平性和代價。

2.3 動態(tài)頻譜分配

目前，基于CR的動態(tài)頻譜分配的研究主要基于頻譜池及博弈論策略[7]。頻譜池策略的主要思想是：它將一部分分配給不同業(yè)務(wù)的頻譜合成一個公共的頻譜池，并將整個頻譜池劃分出若干個子信道，未授權(quán)用戶可以在不對授權(quán)用戶產(chǎn)生干擾的情況下臨時占用空閑信道；博弈論策略的基本思想是把反映非授權(quán)用戶交互過程的周期映射為一個博弈模型，從而有效地分析動態(tài)頻譜分配問題。

3 認知無線電在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

軍用認知無線電（Military Cognitive Radio，簡稱MCR）是—種能夠感知當前軍事無線環(huán)境，通過對環(huán)境的理解和學(xué)習。實時調(diào)整其內(nèi)部配置，以適應(yīng)外部戰(zhàn)場環(huán)境變化的技術(shù)。

3.1 軍用認知無線電抗干擾策略

軍事通信中的抗干擾，主要是指抗敵方人為干擾。常見的敵方干擾方式有瞄準式干擾、阻塞式干擾和掃描式干擾三種，這些干擾有效的前提是接收方能接收到足夠的信號強度。MCR通過對工作頻譜的感知，將干擾信號所在的頻段劃分在門限以上，將沒有干擾或低干擾的頻段劃在門限以下，這樣就可以在門限下選擇工作頻段，從而避開干擾。

3.2 軍用認知無線電頻譜管理

MCR頻譜管理的頻譜共享和分配模型，應(yīng)根據(jù)作戰(zhàn)區(qū)域和作戰(zhàn)任務(wù)的不同而分別建模。在大規(guī)模、多兵種聯(lián)合作戰(zhàn)時，采取集中式、基于合作的頻譜共享模式，這種模式既保證了高層指揮體系的正常通信，又使低層通信的資源使用最大化。在小規(guī)模作戰(zhàn)時采取分布式、非合作的頻譜共享模式，可以充分發(fā)揮小規(guī)模部隊機動性、靈活性的優(yōu)勢，并解決頻譜劃分時使用的多、受限多的問題。

3.3 軍用認知無線電電子對抗

MCR通過感知戰(zhàn)場電磁頻譜特性，能提取出干擾信號的特征，快速、準確地進行敵我識別。同時進行電磁頻譜偵察、快速躲避干擾，從而大大提高電子對抗效率。當敵方采用掃頻式干擾時，可采用更換頻率集的對抗策略；當敵方采用跟蹤式干擾時，可采用變速跳頻的對抗策略；當敵方采用分布式干擾時，可將不同通信節(jié)點對干擾信號的感知結(jié)果進行分析匯總，進而重構(gòu)出敵方的干擾分布，采取轉(zhuǎn)發(fā)、協(xié)同通信等對抗策略。

3.4 軍用認知無線電面臨的挑戰(zhàn)

（1）軟件技術(shù)的研究和實現(xiàn)

需要針對各種可能的戰(zhàn)場環(huán)境研究出相應(yīng)的軟件處理算法，然后裝訂到以軟件無線電為平臺的軍用終端上。

（2）認知無線電裝備和現(xiàn)有裝備的融合

為了使CR技術(shù)在戰(zhàn)場環(huán)境中起到應(yīng)有的效果，就必須對各型裝備的運行條件和參數(shù)進行采集，使CR裝備能覆蓋我軍現(xiàn)役通信裝備的絕大部分頻段、調(diào)制方式以及跳頻方式等。

（3）軍用認知無線電終端的研制

作為CR終端的硬件部分，射頻前端電路是制約CR終端發(fā)展的因素之一。隨著通信和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，高性能、快切換、軟件化的射頻終端將會應(yīng)用于MCR。

4 結(jié)論

本文首先介紹了認知無線電的定義和特點，然后詳細闡述了認知無線電的關(guān)鍵技術(shù)：頻譜感知技術(shù)、頻譜管理技術(shù)、動態(tài)頻譜分配技術(shù)，最后通過分析認知無線電在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，提出了軍用認知無線電面臨的挑戰(zhàn)。

【參考文獻】

[1]Mitola J.and Maguire G.Q.，Cognitive radio：making software radios more personal[J].IEEE Pers.Comm.，1999，6（4）：13-18.

[2]Haykin S.，Cognitive radio：brain-empowered wireless communications[J].IEEE Journal onSelected Areas in Communications，F(xiàn)eb.2005，23（2）：201-220.

[3]Kay S.M.，F(xiàn)undamentals of Statistical Signal Processing：Estimation and Detection Theory[M].Prentice-Hall，F(xiàn)ebruary 6，1998，Vol.2，chapter 3.

[4]Shellhammer S.J.，Shankar S.N，Tandra R.and Tomcik J.，Performance ofPower Detector SensorsOf DTV Signals in IEEE 802.22 WRANS[C].First International Workshop on Technology andPolicy for Accessing Spectrum，Boston，MA，USA，Aug.2006：1-9.

[5]Ganesan G.Li Y.G.Cooperative spectrum sensing in cognitive radio networks[C].IEEEProceeding of DySPAN 2005，Baltimore，USA：137-143.

[6]WildB，RamchandranK.Detecting Primary recivers for cognitive radio applications in：Proc.IEEE DySPAN2005，2005：124-130.

[7]Z.Ji，and K.J.Ray Liu，Dynamic Spectrum Sharing：A Game Theoretical Overview[M].IEEE Communication Magazine，May，2007：88-94.

[責任編輯：曹明明]