關(guān)于認(rèn)知無線電技術(shù)在衛(wèi)星通信中應(yīng)用的探討

張 珣，劉 燕

（1.國(guó)家無線電監(jiān)測(cè)中心哈爾濱監(jiān)測(cè)站，哈爾濱 150010；2.國(guó)家無線電監(jiān)測(cè)中心烏魯木齊監(jiān)測(cè)站，烏魯木齊 830000）

0 引言

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的不斷發(fā)展，持續(xù)涌現(xiàn)的新型業(yè)務(wù)與設(shè)備應(yīng)用正迅速消耗著有限的可用無線電頻譜資源。衛(wèi)星通信系統(tǒng)目前采取固定式頻譜分配策略，即針對(duì)特定無線電業(yè)務(wù)劃分相應(yīng)無線電頻段。這種頻譜分配方法在一定程度上導(dǎo)致了較低的頻譜利用效率，如在某些時(shí)間和地區(qū)內(nèi)授權(quán)頻譜并未被占用，即產(chǎn)生了未被任何用戶使用的“頻譜空穴”?，F(xiàn)有的提高單位頻譜利用率的技術(shù)（如多載波頻率復(fù)用、多天線傳輸技術(shù)等）仍以固定式頻譜分配策略為出發(fā)點(diǎn)，無法從根源上解決頻譜資源緊張問題[1]。

認(rèn)知無線電（Cognitive Radio，CR）技術(shù)作為解決頻譜供需矛盾的有效手段，允許認(rèn)知用戶在不干擾授權(quán)用戶通信的前提下，機(jī)會(huì)性地接入授權(quán)頻段，提高空閑頻譜資源的利用率，為頻譜共享提供了技術(shù)上的可行性[2]。通過在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中引入CR相關(guān)技術(shù)，有助于解決目前衛(wèi)星通信目前面臨的可用頻譜資源緊缺問題。

經(jīng)過多年發(fā)展，CR技術(shù)已在地面通信系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)和實(shí)施得到了深入研究，但對(duì)于其在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用場(chǎng)景與技術(shù)的研究仍處于初級(jí)階段。歐洲在“DAE”（Digital Agenda for Europe）計(jì)劃中開展了衛(wèi)星通信動(dòng)態(tài)使用Ka頻段頻率資源的研究[3]，并 于 2013 年 啟 動(dòng) 了“CoRaSat”（Cognitive Radio for Satellite Communications）項(xiàng)目[4]，旨在研究可應(yīng)用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的CR技術(shù)并制定相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，國(guó)內(nèi)也展開了對(duì)衛(wèi)星通信中CR技術(shù)的探索性研究。中科院微系統(tǒng)研究所針對(duì)CR在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性開展了相關(guān)研究，認(rèn)為CR技術(shù)有助于提高衛(wèi)星通信中的頻譜利用率和抗干擾能力，并詳細(xì)分析了CR在低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用前景[5]。中國(guó)空間技術(shù)研究院構(gòu)建了衛(wèi)星認(rèn)知無線電的接入模型并優(yōu)化了頻譜共享與功率分配技術(shù)，其研究結(jié)果顯示CR技術(shù)可以為衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的吞吐量帶來增益[6]。

本文首先針對(duì)CR技術(shù)在衛(wèi)星通信中應(yīng)用的典型場(chǎng)景進(jìn)行闡述；其次重點(diǎn)對(duì)可能在衛(wèi)星通信中應(yīng)用的CR關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹；最后對(duì)認(rèn)知衛(wèi)星通信的發(fā)展前景做出展望。

1 典型場(chǎng)景

目前針對(duì)認(rèn)知衛(wèi)星通信應(yīng)用場(chǎng)景的研究大致分為以下三種[7-9]：衛(wèi)星通信系統(tǒng)接入地面通信系統(tǒng)的空閑頻譜（場(chǎng)景A）、地面通信系統(tǒng)接入衛(wèi)星通信系統(tǒng)的空閑頻譜（場(chǎng)景B）以及衛(wèi)星通信系統(tǒng)接入其他衛(wèi)星通信系統(tǒng)的空閑頻譜（場(chǎng)景C）。

1.1 場(chǎng)景A

在場(chǎng)景A中，地面通信系統(tǒng)與衛(wèi)星通信系統(tǒng)分別為授權(quán)用戶與認(rèn)知用戶。如圖1所示，該場(chǎng)景包含認(rèn)知鏈路與授權(quán)鏈路，衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的認(rèn)知模塊對(duì)授權(quán)用戶的頻段占用情況進(jìn)行感知。當(dāng)需建立上行通信鏈路時(shí)，認(rèn)知地面終端根據(jù)認(rèn)知模塊頻譜感知的結(jié)果來決定是否接入授權(quán)頻譜；當(dāng)需要建立下行通信鏈路時(shí)，若授權(quán)頻段未被占用，則認(rèn)知衛(wèi)星用戶利用空閑頻譜進(jìn)行通信傳輸。

圖1 場(chǎng)景A示意圖

1.2 場(chǎng)景B

場(chǎng)景B中的地面通信系統(tǒng)為認(rèn)知用戶，衛(wèi)星通信系統(tǒng)為授權(quán)用戶，如圖2所示。在不對(duì)授權(quán)衛(wèi)星用戶通信產(chǎn)生干擾的前提下，地面通信系統(tǒng)中配有認(rèn)知模塊的地面認(rèn)知用戶檢測(cè)授權(quán)頻段的占用情況，發(fā)現(xiàn)可用頻譜空穴并動(dòng)態(tài)接入，通過對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中空閑頻譜的二次利用，實(shí)現(xiàn)頻譜利用率的提升。

該場(chǎng)景下，在地面部署認(rèn)知系統(tǒng)的建設(shè)成本較低，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和維護(hù)更加方便，且對(duì)于認(rèn)知用戶的計(jì)算能力與能耗要求不高。但考慮到授權(quán)衛(wèi)星用戶的波束覆蓋區(qū)域較為廣闊，可能包含多個(gè)次級(jí)地面網(wǎng)絡(luò)，地面通信系統(tǒng)中認(rèn)知用戶數(shù)目較多，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性也大幅提升。

圖2 場(chǎng)景B示意圖

1.3 場(chǎng)景C

場(chǎng)景C中，認(rèn)知用戶與授權(quán)用戶均為衛(wèi)星通信系統(tǒng)，認(rèn)知衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)授權(quán)衛(wèi)星系統(tǒng)中的頻譜空穴進(jìn)行檢測(cè)，并基于頻譜檢測(cè)結(jié)果做出是否接入授權(quán)衛(wèi)星用戶頻譜的決策。

該種場(chǎng)景的優(yōu)勢(shì)在于，少數(shù)認(rèn)知用戶能夠分享較為豐富的授權(quán)頻譜資源，然而，作為認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的衛(wèi)星需具有較強(qiáng)的計(jì)算能力，即強(qiáng)大的星上處理技術(shù)是實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景C的先決條件。此外，認(rèn)知模塊在星地鏈路中檢測(cè)頻譜空穴與傳輸感知結(jié)果的行為將導(dǎo)致額外的功耗開銷和感知時(shí)延，這極大地提升了頻譜感知環(huán)節(jié)的難度。

圖3 場(chǎng)景C示意圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

目前，多數(shù)CR技術(shù)是針對(duì)地面通信場(chǎng)景進(jìn)行設(shè)計(jì)的，由于衛(wèi)星通信具有如低信號(hào)接收功率、廣覆蓋范圍、長(zhǎng)傳輸時(shí)延等特性，在將CR技術(shù)向衛(wèi)星通信場(chǎng)景遷移應(yīng)用的過程中，應(yīng)充分考慮衛(wèi)星通信場(chǎng)景的特征及其與地面通信場(chǎng)景的差異，對(duì)現(xiàn)有CR技術(shù)進(jìn)行修正甚至是重新設(shè)計(jì)。

本節(jié)對(duì)可能應(yīng)用于衛(wèi)星通信的CR技術(shù)進(jìn)行介紹。這些技術(shù)可大致分為頻譜認(rèn)知技術(shù)與頻譜利用技術(shù)兩類[9]：前者主要用于獲取周圍無線電環(huán)境的相關(guān)信息和知識(shí)，尋找并確定可接入的頻譜資源；后者旨在對(duì)發(fā)現(xiàn)的頻譜資源進(jìn)行充分利用，實(shí)現(xiàn)授權(quán)系統(tǒng)和認(rèn)知系統(tǒng)之間的共存。

再生細(xì)骨料是使用破碎機(jī)械設(shè)備對(duì)建筑廢棄物進(jìn)行破碎的，由于外力的作用，會(huì)導(dǎo)致再生細(xì)骨料與天然細(xì)骨料在各項(xiàng)性能指標(biāo)上均有較大程度的差異。通過對(duì)再生細(xì)骨料進(jìn)行強(qiáng)化或顆粒整形，可以改善其粒形，減小再生細(xì)骨料的孔隙率、表面棱角等，以提高再生細(xì)骨料的性能。李秋義等[13]利用骨料整形機(jī)對(duì)經(jīng)簡(jiǎn)單破碎的再生骨料進(jìn)行整形處理，再生骨料經(jīng)過在整形機(jī)內(nèi)的反復(fù)撞擊、剪切和磨擦，使附著在再生骨料表面的硬化水泥漿剝落，從而改善骨料粒形，提高骨料的性能。

2.1 頻譜認(rèn)知技術(shù)

2.1.1 頻譜感知

頻譜感知的目的在于獲知指定區(qū)域內(nèi)的頻譜使用情況，該技術(shù)是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜分配和頻率共享目標(biāo)的前提。在頻譜感知中，認(rèn)知用戶對(duì)所處無線環(huán)境中授權(quán)頻譜的使用情況進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)所選頻段中授權(quán)用戶的活動(dòng)狀態(tài)做出判斷，旨在發(fā)現(xiàn)可被利用的“頻譜空穴”，實(shí)現(xiàn)對(duì)空閑頻譜資源的二次利用。

該技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)之一是如何確保感知結(jié)果的準(zhǔn)確性。認(rèn)知用戶在對(duì)授權(quán)用戶信號(hào)狀態(tài)的判決過程中會(huì)不可避免地產(chǎn)生偏差。具體來講，若虛警概率過高將造成對(duì)授權(quán)用戶通信的干擾，而漏檢概率過高則會(huì)降低頻譜利用效率。由于衛(wèi)星傳輸能力受限，且云、雨等大氣效應(yīng)造成信號(hào)強(qiáng)度大幅衰減，認(rèn)知節(jié)點(diǎn)處的信號(hào)接收質(zhì)量嚴(yán)重惡化，導(dǎo)致上述挑戰(zhàn)在衛(wèi)星通信中表現(xiàn)得更為嚴(yán)峻。在單用戶檢測(cè)場(chǎng)景中，基于能量檢測(cè)方法的感知設(shè)備可能需要使用指向衛(wèi)星的定向天線，其他檢測(cè)方法如匹配濾波器檢測(cè)和循環(huán)平穩(wěn)特征檢測(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)更優(yōu)的檢測(cè)性能，但其前提是需已知待檢測(cè)授權(quán)信號(hào)的相關(guān)先驗(yàn)信息。多認(rèn)知用戶通過合作進(jìn)行檢測(cè)的協(xié)作頻譜感知可有效提高全局檢測(cè)性能，并降低對(duì)單用戶的感知性能要求。但由于衛(wèi)星覆蓋范圍廣闊，認(rèn)知用戶可能需在數(shù)百公里外尋找信道條件良好的合作用戶，且分布在廣闊地理區(qū)域中的多個(gè)用戶如何高效進(jìn)行信息交互的問題也同樣需要考慮。

除上述挑戰(zhàn)外，衛(wèi)星通信中的頻譜感知可能需要在遠(yuǎn)大于地面通信場(chǎng)景的信道帶寬中進(jìn)行檢測(cè)，已有學(xué)者提出采用稀疏功率譜估計(jì)或?qū)拵嚎s感知技術(shù)用于解決該問題[10-11]。此外，在低軌衛(wèi)星通信場(chǎng)景中進(jìn)行頻譜感知還面臨著移動(dòng)性和可用頻率短缺的問題[12]。

2.1.2 地理數(shù)據(jù)庫

除頻譜感知外，認(rèn)知系統(tǒng)還可通過地理數(shù)據(jù)庫[13]獲取頻譜認(rèn)知信息。認(rèn)知節(jié)點(diǎn)將自身的地理位置信息發(fā)送至地理數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫根據(jù)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求生成該位置的相關(guān)頻譜認(rèn)知信息報(bào)告。地理數(shù)據(jù)庫通常包含地理特征信息、設(shè)備信息及無線電環(huán)境信息。其中，地理特征信息存儲(chǔ)著衛(wèi)星覆蓋范圍、業(yè)務(wù)類型、空間無線電臺(tái)和地球站相關(guān)信息；設(shè)備信息指目標(biāo)區(qū)域內(nèi)存在的授權(quán)和認(rèn)知設(shè)備相關(guān)信息，如位置、海拔、仰角和方位角、設(shè)備類型、天線類型及方向等；無線電環(huán)境信息包含可用頻率、極化、功率大小等信息。地理數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢(shì)在于，可以利用上述豐富的數(shù)據(jù)組來生成單個(gè)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)難以獲取的頻譜認(rèn)知信息報(bào)告。

頻譜感知與地理數(shù)據(jù)庫有著各自的適用場(chǎng)景。地理數(shù)據(jù)庫通常適用于發(fā)射機(jī)特性穩(wěn)定或變化不頻繁的場(chǎng)景，不適用于頻譜占用模式快速變化的場(chǎng)景。原因在于，認(rèn)知節(jié)點(diǎn)確定位置、向地理數(shù)據(jù)庫發(fā)送請(qǐng)求及生成可用頻譜報(bào)告的過程較為耗時(shí)，在高動(dòng)態(tài)頻帶場(chǎng)景下，上述延時(shí)將導(dǎo)致認(rèn)知節(jié)點(diǎn)獲取的信息滯后嚴(yán)重，無法真實(shí)反映當(dāng)前頻譜使用狀態(tài)。相反，頻段占用狀態(tài)快速變化、存在移動(dòng)終端或地理數(shù)據(jù)庫不可接入的情況，則適合采用頻譜感知技術(shù)獲取頻譜認(rèn)知信息。理想情況下，通過聯(lián)合使用頻譜感知與地理數(shù)據(jù)庫，確保認(rèn)知系統(tǒng)對(duì)周圍無線電環(huán)境變化的敏捷性，獲取準(zhǔn)確的可用頻譜認(rèn)知信息，為后續(xù)頻譜接入與利用提供較為可靠的信息。

2.2 頻譜利用技術(shù)

2.2.1 認(rèn)知區(qū)域

頻譜利用是認(rèn)知系統(tǒng)為認(rèn)知用戶有效合理分配可用資源的重要能力，在充分獲取有關(guān)授權(quán)系統(tǒng)的頻譜認(rèn)知信息后，認(rèn)知系統(tǒng)可以通過采用合適的頻譜利用技術(shù)以無有害干擾模式接入空閑頻譜。認(rèn)知區(qū)域[8]是一種干擾保護(hù)技術(shù)，在認(rèn)知區(qū)域內(nèi)，通過采用適當(dāng)?shù)恼J(rèn)知干擾抑制技術(shù)將干擾降至特定閾值以下，以獲取頻譜接入機(jī)會(huì)。認(rèn)知區(qū)域外的干擾低于可接受的干擾閾值，能夠以非認(rèn)知方式（不采用CR技術(shù)）進(jìn)行傳輸。在地面通信場(chǎng)景中，干擾多出現(xiàn)于由認(rèn)知用戶至授權(quán)用戶的方向上，認(rèn)知區(qū)域通常圍繞授權(quán)接收機(jī)來定義。而衛(wèi)星場(chǎng)景中可能發(fā)生雙向干擾，認(rèn)知區(qū)域可能需要圍繞授權(quán)用戶或認(rèn)知用戶進(jìn)行定義。例如，認(rèn)知區(qū)域可以圍繞一個(gè)或多個(gè)地球站進(jìn)行定義，也可圍繞衛(wèi)星的點(diǎn)波束或覆蓋區(qū)域來定義。

認(rèn)知區(qū)域的計(jì)算通常基于地理數(shù)據(jù)庫中的信息與干擾建模技術(shù)[14]。干擾建模主要是針對(duì)認(rèn)知用戶可能對(duì)授權(quán)用戶產(chǎn)生的干擾進(jìn)行分析建模，以保護(hù)授權(quán)用戶的正常通信。干擾建模技術(shù)中考慮的因素通常包括：干擾傳輸功率、傳播信道（包括視距、繞射、對(duì)流層散射等傳播機(jī)制）特性，以及如氣候、距離和路徑地形等環(huán)境因素。若無法獲取準(zhǔn)確和完整的數(shù)據(jù)庫信息，則需要基于頻譜感知測(cè)量值進(jìn)行計(jì)算。認(rèn)知區(qū)域技術(shù)已被證明有利于衛(wèi)星通信中的干擾保護(hù)[14]。

2.2.2 載波分配

認(rèn)知系統(tǒng)在進(jìn)行資源分配時(shí)應(yīng)盡量?jī)?yōu)化利用可得資源，同時(shí)將干擾保持在可接受的水平上。載波分配技術(shù)的目標(biāo)是在滿足用戶通信質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)認(rèn)知系統(tǒng)總吞吐量或公平性的最大化。具體地，前者指為用戶盡可能多地分配載波，以使整個(gè)系統(tǒng)吞吐量的總和最大化；后者表示根據(jù)用戶數(shù)據(jù)速率請(qǐng)求，將可用載波分配給盡可能多的認(rèn)知用戶，實(shí)現(xiàn)可獲取載波的充分利用?？紤]到速率約束，只能在滿足特定速率請(qǐng)求的前提下將單個(gè)載波分配給用戶，上述請(qǐng)求與特定載波上的接收信干噪比相關(guān)。此外，載波分配還可與波束賦形技術(shù)結(jié)合使用，以優(yōu)化空間無線資源的利用率。

2.2.3 功率控制

在載波分配的基礎(chǔ)上，認(rèn)知系統(tǒng)結(jié)合信道狀態(tài)、接收機(jī)信噪比和干擾等信息，對(duì)各載波的發(fā)射功率進(jìn)行靈活調(diào)整，以避免干擾同頻段的授權(quán)用戶。該技術(shù)可大致分為兩種：一是在保證通信容量的前提下，將發(fā)射功率最小化，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)；二是確保在不超過干擾閾值的前提下，最大化系統(tǒng)的通信容量。前者適用于能量受限的衛(wèi)星和移動(dòng)終端，后者則適合能量充足的地面基站。在星地混合場(chǎng)景中，利用功率控制等資源分配策略，可在一定程度上提升地面鏈路的通信容量。

2.2.4 波束賦形

波束賦形是一種多天線信號(hào)處理技術(shù)，通過對(duì)各天線陣元接收信號(hào)的加權(quán)處理形成所需的組合波束，使目標(biāo)信號(hào)沿特定期望方向進(jìn)行傳輸，同時(shí)可減少或消除非期望方向的信號(hào)分量。該技術(shù)允許多個(gè)用戶在同一地理區(qū)域內(nèi)同時(shí)使用相同的頻率資源，使部署密集網(wǎng)絡(luò)成為可能，且在非期望方向上產(chǎn)生的干擾更少。波束賦形可用于實(shí)現(xiàn)授權(quán)系統(tǒng)與認(rèn)知系統(tǒng)在角域的頻譜共存，而將其與資源分配方法相結(jié)合，有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)頻譜的有效利用。

波束賦形可作為一種干擾消除技術(shù)應(yīng)用于認(rèn)知衛(wèi)星的發(fā)射機(jī)或接收機(jī)中，然而該技術(shù)的引入可能需要對(duì)目前的衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行包括衛(wèi)星側(cè)和地面終端設(shè)備做出重大升級(jí)，設(shè)備復(fù)雜度和成本將大幅提升。此外，除發(fā)射機(jī)處的信道狀態(tài)信息外，實(shí)現(xiàn)該技術(shù)還需已知授權(quán)系統(tǒng)的位置信息。

3 結(jié)束語

目前，CR技術(shù)在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的應(yīng)用研究仍處于初期，尚無完整的技術(shù)應(yīng)用方案。隨著相關(guān)研究的展開，CR的發(fā)展正由具備頻譜認(rèn)知的基本功能向智能化方向演進(jìn)，為解決當(dāng)前動(dòng)態(tài)頻譜環(huán)境及較低的頻譜利用率等問題提供了技術(shù)手段。