GNUradio的認(rèn)知無(wú)線電在移動(dòng)通信中的應(yīng)用

李 婷

(福州理工學(xué)院 信息工程系，福州 350500)

1 認(rèn)知無(wú)線電關(guān)鍵技術(shù)

Mitola提出的概念模型主要包括軟件和硬件兩部分。軟件主要包括基礎(chǔ)軟件和智能軟件；硬件包括天線、用戶接口、射頻前端、調(diào)制解調(diào)器等，如圖1所示。天線滿足了無(wú)線電信號(hào)接收和發(fā)射需求，射頻前端實(shí)現(xiàn)了無(wú)線電信號(hào)的放大、必要轉(zhuǎn)換需求，調(diào)制解調(diào)器滿足了收發(fā)信號(hào)調(diào)制解調(diào)、信號(hào)均衡需求，基帶處理模塊滿足了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)控制、網(wǎng)絡(luò)兼容需求，用戶接口滿足了接口服務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)推理目的，滿足用戶需求，提高個(gè)人通訊服務(wù)質(zhì)量。通過(guò)分析可知，射頻信號(hào)探測(cè)、接收過(guò)程主要包括三個(gè)流程：第一，利用頻譜感知檢測(cè)技術(shù)對(duì)空間內(nèi)的環(huán)境、無(wú)線電占用情況進(jìn)行檢測(cè)；第二，基于目標(biāo)任務(wù)和周圍環(huán)境，采用動(dòng)態(tài)頻譜管理對(duì)最佳使用頻率、輸出信號(hào)等進(jìn)行計(jì)算，確定最佳頻率；第三，基于周圍環(huán)境，在最佳使用頻率基礎(chǔ)上控制好傳輸功率，實(shí)現(xiàn)信息傳輸。在三個(gè)流程中，前兩個(gè)流程主要是實(shí)現(xiàn)接收單元的控制，最后一個(gè)流程則是發(fā)射單元控制的實(shí)現(xiàn)。

圖1 概念模型結(jié)構(gòu)圖

在認(rèn)知無(wú)線電中，包括了多種關(guān)鍵技術(shù)，這些關(guān)鍵技術(shù)是區(qū)別認(rèn)知無(wú)線電和傳統(tǒng)無(wú)線電的重要特征。

1.1 無(wú)線頻譜感知技術(shù)

頻譜感知是認(rèn)知用戶獲取頻譜使用信息的過(guò)程，該過(guò)程實(shí)現(xiàn)時(shí)采取了多種信號(hào)檢測(cè)方法和手段。根據(jù)檢測(cè)策略，無(wú)線頻譜感知技術(shù)主要包括三個(gè)部分，如圖2所示。

圖2 無(wú)線頻譜感知技術(shù)構(gòu)成圖

(1)PHY層檢測(cè)。PHY是物理層的英文縮寫(xiě)，物理層位于OSI最底層，主要對(duì)授權(quán)頻段是否被占用進(jìn)行檢測(cè)判斷。一般通過(guò)時(shí)域、頻域、空域檢測(cè)授權(quán)用戶信號(hào)頻道是否存在。物理層監(jiān)測(cè)包括三個(gè)部分，即發(fā)射機(jī)檢測(cè)、接收機(jī)檢測(cè)和干擾溫度檢測(cè)。發(fā)射機(jī)檢測(cè)方法較多，循環(huán)平穩(wěn)特性監(jiān)測(cè)和能量監(jiān)測(cè)等都是發(fā)射機(jī)檢測(cè)中的重要方法。接收機(jī)檢測(cè)是指運(yùn)用低功耗檢測(cè)傳感器，對(duì)授權(quán)用戶信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，判斷授權(quán)用戶接收機(jī)是否如期工作，該檢測(cè)方法一般應(yīng)用在授權(quán)用戶信號(hào)能量泄露的情況下。干擾溫度檢測(cè)是指通過(guò)對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行干擾，實(shí)現(xiàn)授權(quán)用戶接收機(jī)端干擾源的量化檢測(cè)。

(2)MAC層檢測(cè)，即媒體接入控制層檢測(cè)。MAC層檢測(cè)實(shí)現(xiàn)了多信道環(huán)境下頻譜利用率的檢測(cè)，優(yōu)化了信貸檢測(cè)次序、周期，將信貸搜索時(shí)間縮短到最短或?qū)⒖臻e信道數(shù)量達(dá)到最多。MAC層包括主動(dòng)式檢測(cè)、被動(dòng)式檢測(cè)兩種方法。其中，主動(dòng)式檢測(cè)是按照一定周期主動(dòng)對(duì)授權(quán)用戶信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和統(tǒng)計(jì)，無(wú)論認(rèn)知用戶是否有通信需求都會(huì)進(jìn)行檢測(cè)。被動(dòng)式檢測(cè)是指根據(jù)認(rèn)知用戶通信需求，對(duì)授權(quán)用戶信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。

(3)協(xié)作檢測(cè)層。在進(jìn)行授權(quán)用戶信號(hào)檢測(cè)時(shí)，由于環(huán)境復(fù)雜，依靠單個(gè)認(rèn)知用戶很難實(shí)現(xiàn)檢測(cè)目的。在這種情況下，可以將多個(gè)認(rèn)知用戶捆綁在一起，共同對(duì)授權(quán)用戶信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，提高檢測(cè)準(zhǔn)確度，減少檢測(cè)所用時(shí)間。協(xié)作檢測(cè)層技術(shù)結(jié)合了PHY層檢測(cè)、MAC層檢測(cè)兩種技術(shù)，除發(fā)揮物理層檢測(cè)技術(shù)的高性能外，還應(yīng)發(fā)揮MAC層檢測(cè)的協(xié)調(diào)作用。

在頻率感知技術(shù)中使用了二元假設(shè)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ停撃Ｐ蜑椋?/p>

公式中：y[n]表示非主用戶的感知信號(hào)；s[n]表示主用戶感知信號(hào)；w[n]表示高斯白噪聲；h表示信道增益。H1表示非主用戶感知信息被主用戶使用。

1.2 自適應(yīng)傳輸技術(shù)

自適應(yīng)傳輸技術(shù)包括兩種，一是業(yè)務(wù)自適應(yīng)傳輸，二是信道質(zhì)量自適應(yīng)傳輸。業(yè)務(wù)自適應(yīng)傳輸技術(shù)滿足了不同業(yè)務(wù)傳輸?shù)男枰摲椒ɑ谏蠈討?yīng)用，對(duì)物理層傳輸性能要求不高，一般在有線網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用較多。認(rèn)知無(wú)線電能夠?qū)χ車h(huán)境參數(shù)、信道質(zhì)量情況進(jìn)行感知，根據(jù)感知到的相關(guān)信息數(shù)據(jù)對(duì)無(wú)線電參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)傳輸策略的調(diào)整目的。

無(wú)線通信系統(tǒng)除了滿足用戶性能需求外，還應(yīng)盡可能地降低資源消耗。PHY層或MAC層中，可調(diào)整參數(shù)較多，如調(diào)制方式、發(fā)射功率、接入控制方法等，都屬于可調(diào)整參數(shù)。通過(guò)這些參數(shù)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)非線性多參數(shù)的優(yōu)化。

1.3 跨層設(shè)計(jì)技術(shù)

設(shè)計(jì)分層協(xié)議棧，只將通信條件差這一條件納入到考慮的因素中。頻譜資源、功率資源無(wú)法有效利用。針對(duì)這一現(xiàn)狀，可利用跨層設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。跨層設(shè)計(jì)技術(shù)主要在分層協(xié)議棧各層次間運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)特定信息的傳輸，適應(yīng)各層次環(huán)境的運(yùn)行，滿足用戶個(gè)性化需求。基于分層協(xié)議棧各層環(huán)境變化、用戶需求變化情況，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)化是跨層設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用的核心。跨層設(shè)計(jì)技術(shù)主要包括頻譜管理跨層設(shè)計(jì)、頻譜移動(dòng)性跨層設(shè)計(jì)、頻譜共享跨層設(shè)計(jì)、高層協(xié)議跨層設(shè)計(jì)等四種方式。

2 GNUradio的認(rèn)知無(wú)線電在移動(dòng)通信中的應(yīng)用

認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)為通信行業(yè)的發(fā)展作出了突出貢獻(xiàn)。移動(dòng)通信是目前通信行業(yè)發(fā)展的主流趨勢(shì)，認(rèn)知無(wú)線電也開(kāi)始在移動(dòng)通信中發(fā)揮巨大作用。高鐵、軍事等領(lǐng)域大量運(yùn)用了認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)。

2.1 移動(dòng)通信技術(shù)在高鐵領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著移動(dòng)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的需求也顯著增加[1]。其中，高鐵移動(dòng)通信是很重要的技術(shù)。高鐵運(yùn)行速度快、環(huán)境復(fù)雜，通信設(shè)備要固定在高鐵上，這些不利因素增加了高鐵移動(dòng)通信的難度。認(rèn)知無(wú)線技術(shù)比較適合復(fù)雜環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)通信，傳統(tǒng)鐵路通信和認(rèn)知無(wú)線通信對(duì)比如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)鐵路通信和認(rèn)知無(wú)線通信對(duì)比

在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，衛(wèi)星為乘客提供了通信服務(wù)，GSM_R網(wǎng)絡(luò)為鐵路業(yè)務(wù)提供了通信服務(wù)。在新構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框架中，乘客和列車業(yè)務(wù)通信被IEEE WiFi、3GPP LTE所取代。在新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中增加了核心網(wǎng)，為鐵路業(yè)務(wù)通信、乘客通信提供了網(wǎng)絡(luò)接入接口，滿足了鐵路無(wú)線通信的需要。

2.2 移動(dòng)通信技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)經(jīng)過(guò)不斷實(shí)踐，信道搜索、信息偵查、信號(hào)分析、功率控制等功能不斷優(yōu)化，在通信領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。認(rèn)知無(wú)線電是基于軟件無(wú)線電發(fā)展而來(lái)的，實(shí)現(xiàn)了軟件無(wú)線電和電子偵查、信息對(duì)抗的有機(jī)融合。認(rèn)知無(wú)線電在通信領(lǐng)域中的作用日益突出，軍事領(lǐng)域中開(kāi)始認(rèn)知無(wú)線電，并將認(rèn)知無(wú)線電應(yīng)用到軍事領(lǐng)域中。20世紀(jì)初，美國(guó)國(guó)防部確認(rèn)了無(wú)線電作為下一代無(wú)線通信項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的基本思想。XG項(xiàng)目為認(rèn)知無(wú)線電應(yīng)用提供了完善的設(shè)備設(shè)施。在實(shí)現(xiàn)頻譜資源動(dòng)態(tài)應(yīng)用的同時(shí)，不會(huì)和現(xiàn)有的用戶出現(xiàn)矛盾。

2.2.1 目前軍事通信現(xiàn)狀

軍事通信和民用通信相比，在通信方法上雖然有一定相似之處，但也有許多不同。軍事通信更加特殊。軍事通信應(yīng)具備良好的抗干擾能力。軍事通信中涉及較多軍事核心機(jī)密。這些機(jī)密對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)、軍事發(fā)展有直接影響，需要有良好的抗干擾能力，排除一切干擾因素，保證軍事信息傳遞的準(zhǔn)確性、及時(shí)性。在衡量軍事通信系統(tǒng)性能時(shí)，是否具備良好的抗干擾能力是一項(xiàng)重要的衡量指標(biāo)。解決抗干擾的技術(shù)主要包括優(yōu)化信道環(huán)境、加強(qiáng)信號(hào)處理等，以擴(kuò)頻、跳頻形式實(shí)現(xiàn)信道的抗干擾能力。另外，軍事通信中，戰(zhàn)場(chǎng)頻譜管理是一項(xiàng)重要內(nèi)容。在聯(lián)合作戰(zhàn)中，通信設(shè)備、雷達(dá)、導(dǎo)航等設(shè)備較多，如何加強(qiáng)不同設(shè)備之間的頻率規(guī)劃問(wèn)題是一項(xiàng)重要內(nèi)容，也是實(shí)現(xiàn)聯(lián)合作戰(zhàn)通信的基礎(chǔ)。目前各軍方采用的頻率規(guī)劃方法不同，大多是通過(guò)分配固定頻率實(shí)現(xiàn)頻譜管理。在使用這一方法時(shí)，需要在作戰(zhàn)前花費(fèi)較多的時(shí)間進(jìn)行頻率規(guī)劃。作戰(zhàn)時(shí)，形勢(shì)變化多端，一旦通信頻率出現(xiàn)問(wèn)題再進(jìn)行重新規(guī)劃，很可能無(wú)法滿足即時(shí)通信的需要，影響戰(zhàn)機(jī)，導(dǎo)致戰(zhàn)爭(zhēng)失敗。這是傳統(tǒng)頻率規(guī)劃方法在軍事領(lǐng)域中應(yīng)用的一個(gè)最大弊端。

2.2.2 認(rèn)知無(wú)線電在軍事中的應(yīng)用

在認(rèn)知無(wú)線電中，實(shí)現(xiàn)了頻譜資源的動(dòng)態(tài)利用。將認(rèn)知無(wú)線電應(yīng)用到軍事領(lǐng)域中，可以有效改進(jìn)傳統(tǒng)頻率規(guī)劃方法的弊端、提高頻譜利用水平、提高通信系統(tǒng)容量、滿足軍事領(lǐng)域作戰(zhàn)通信需要。認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)經(jīng)歷頻譜感知、分配等一系列流程，避開(kāi)了各類干擾因素，實(shí)現(xiàn)了抗干擾目的。應(yīng)用認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)，引入位置感知技術(shù)，實(shí)現(xiàn)通信雙方位置的確定。確定出雙方位置后，可對(duì)通信波束方向進(jìn)行調(diào)整、規(guī)劃，排除其他干擾因素。認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的應(yīng)用，可以顯著提高軍事通信系統(tǒng)的抗干擾水平，降低發(fā)射功率，提高信息傳輸抗截獲水平。認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)具備自學(xué)能力，應(yīng)用時(shí)可以對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行采集、分析，根據(jù)干擾信號(hào)，選擇合理的抗干擾策略進(jìn)行干擾規(guī)避。經(jīng)常應(yīng)用的抗干擾策略主要包括改變信道特性、功率控制等，針對(duì)不同的干擾因素，選擇不同的抗干擾策略。隨著認(rèn)知無(wú)線電應(yīng)用日益廣泛，未來(lái)頻譜感知技術(shù)的應(yīng)用將更加廣泛。通過(guò)頻譜感知技術(shù)，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境內(nèi)對(duì)電磁環(huán)境、各系統(tǒng)頻譜帶寬等進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)頻譜資源的自動(dòng)化分配，提高資源利用率，達(dá)到最佳通信效果。圖4為能量收集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作模型。

圖4 能量收集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作模型

3 結(jié)語(yǔ)

認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，在許多行業(yè)中發(fā)揮了巨大作用。隨著認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的開(kāi)發(fā)，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏訌V泛。在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，移動(dòng)通信是通信行業(yè)發(fā)展的主流趨勢(shì)，如何擴(kuò)大認(rèn)知無(wú)線電在移動(dòng)通信行業(yè)中的應(yīng)用范圍，是認(rèn)知無(wú)線電應(yīng)用方面面臨的重要課題。本文對(duì)認(rèn)知無(wú)線電在高鐵和軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，為其他領(lǐng)域和行業(yè)應(yīng)用認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)提供了參考建議。認(rèn)知無(wú)線電具有靈活性和高智能的特征，應(yīng)用時(shí)，如何提高頻譜利用率，實(shí)現(xiàn)周圍環(huán)境信息的采集、分析和應(yīng)對(duì)是實(shí)踐中的重要問(wèn)題。各領(lǐng)域和各行業(yè)在利用認(rèn)知無(wú)線電時(shí)，要根據(jù)行業(yè)特點(diǎn)，合理利用認(rèn)知無(wú)線電，通過(guò)認(rèn)知無(wú)線電實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境的智能感知和動(dòng)態(tài)資源管理。