认知无线电技术及其在军事方面的应用 - 全文

众所周知，无线电频谱是一种宝贵的自然资源。虽然在理论上3000GHz以下的电磁频谱均被称为无线电频谱，但由于技术的限制，目前人类仅仅划分出9kHz到400GHz的使用频段。实际上，军用的频段集中在40GHz以下，而民用频段主要集中在3GHz以下。随着移动通信技术的迅速发展，新的无线通信业务层出不穷，用户数量不断增加，频谱资源变得日益紧缺。为了解决这一问题，人们先后发明了多种先进的调制技术、编码技术以及多天线技术、链路自适应等新技术。这些技术从不同的角度提高了信道容量，取得了较好的效果。然而，由于受到香农极限的限制，人们不可能无限制地提高信道容量。虽然无线电频谱可以重复使用，但就某个频点或频段来说，在一定的时域、空域是有限的，是不能够重复使用的。与频谱资源短缺形成鲜明对比的却是现有频谱利用率的极其低下。

图l为加利福尼亚大学伯克利分校测试的0—6GHz频谱利用率。实测结果表明，在全球授权频段，即便是信号传播特性较好、需求非常紧张的300MHz到3GHz频段内，频谱利用率也不到6％；在3—4GHz频段，频谱利用率降低为0.5％；在4GHz以上，频率利用率更低。因此，如何对频谱资源进行有效共享，充分提高频谱利用率成为亟待解决的问题。在这样的背景下，认知无线电(CR，Cognitive Radio)技术提出了一种新的解决思路一通过动态频谱共享(DSS，DynamicSpectrum Sharing)来提高无线频谱的利用效率。

2 认知无线电技术

1999年，软件无线电奠基人、瑞典皇家理工学院J．Mitola博士在软件无线电(SR，Software Radio)的基础上提出了认知无线电的概念。J.Mitola在其博士论文和随后的一系列论述中，对CR进行了较为系统的阐述。

CR的概念一经提出就引起了世界各国众多学者的密切关注。IEEE、FCC、SDR论坛等机构都从不同的角度对CR进行了描述和定义。这些定义实质上大同小异，概括来说：认知无线电能够不断感知周围电磁环境和地理环境的变化，通过机器学习的方法，实现环境和自我的认知，采用无线电知识描述语言，与通信网络进行智能交流，在不干扰授权用户的条件下，自适应地调整其自身的通信机理(通信频率、调制方式、发送功率等参数)来达到对环境变化的适应。这样的自适应调整不仅提高了无线频谱的利用效率，同时也提高了系统的吞吐量、信噪比、稳定性等性能。

CR的最大优势在于它可以不用专门授权就工作在授权用户的工作频段上，对所谓的“闲置”频谱进行二次利用。所谓授权用户(AU，Authorized User)也叫主用户(PU，Primary User)，是指经过频率管理部门授权，合法使用某一频段的传统无线电用户；与授权用户对应的称为感知用户(SU，Sense User)也叫次用户(SU，Second User)，是指不经过频率管理部门专门授权，就可以使用已授权于主用户的频段的认知无线电用户。CR主要包括以下关键技术：

2.1 频谱感知技术

CR能够感知、适应和学习周围的电磁环境，发现频率空穴(Frequency Hole)，熟知无线信号的特征，并合理利用这些结果，这就是所谓的频谱感知(Spectrum Awareness)技术，也是CR区别与其他无线电的根本之所在。所谓频率空穴是指被分配给某授权用户，但在特定时间和具体位置该用户并没有使用的频带。

CR频谱感知技术主要有两种类型：主动感知和被动感知。主动感知是指CR终端利用自身灵敏的射频前端，采集电磁信息，借助先进的信号处理技术，进而识别出所处环境的无线电频谱使用状况；被动感知由系统中的基站来进行频谱分析，并广播目前的频谱使用状态信息，进而使得该区域内分布的CR终端能够从中心基站“被动”地知道无限频谱的使用状况。

主动感知方式要求CR终端的射频前端有极高的灵敏度和很宽的工作带宽，同时具备高速的信号处理能力。因此，主动感知不可避免地导致CR终端造价高昂且软硬件结构复杂。

被动感知方式显然可以减小CR终端的复杂度和成本，但频谱使用信息是由基站进行广播的，若基站检测到授权用户要接人某一个正在被感知用户使用的频率，感知用户只有在收到基站信息后才能为授权用户“腾出”这个频率。这样势必会加大链路切换的时延，进而对授权用户造成一定的干扰。

不管是被动还是主动感知方式，对弱信号的检测都是一个比较困难的问题。采用联合频谱检测的技术的仿真结果表明，联合频谱感知不仅能够降低弱信号的漏检概率，而且能缩短检测时间，提高整个网络的灵活性。

2.2 频谱池共享技术

频谱池(Spectrum Pooling)策略共享的基本思想是首先将频谱区域分成3种类型：
(1)黑色区域，常被高能量的局部干扰占用；
(2)灰色区域，在部分时间被低能量干扰占用；
(3)白色区域，只有环境噪声而几乎没有射频干扰占用。

一般情况下，白色区域和有限度的灰色区域都可以被感知用户使用。在特定地理位置，CR将一定的频段分为若干个子信道。通过频谱感知和机器学习技术，将这些子信道分别纳入黑色、灰色和白色的“频谱池”，频谱池中的频谱可以是不连续的，如图2所示。感知用户尽可能利用白色频谱池内的子信道建立链路。当白色频谱池中的子信道容量不够时，感知用户可以随时占用灰色频谱池中的空闲信道。但是一旦主用户要再次使用被感知用户占用的子信道时，感知用户必须切换到其他信道上，为授权用户腾出这个信道。

频谱池共享技术的关键问题是如何对特定的频谱或者是子信道进行准确归类。一般情况下，CR是通过多抽头奇异值分解(MTM-SVD，Multi-Tape Method SVD)算法，对特定时间、具体位置的频谱使用情况进行分析并归类。实际上，频谱池中的频率成份是动态变化的。因此，一旦有授权用户正在使用的子信道被CR纳入空闲的灰色区域，甚至是白色区域时，感知用户就有可能干扰授权用户的正常通信。因此，不论何时何地，都应保证检测过程的灵敏性和可靠性。

2.3 位置感知技术

不同的地理环境对无线电信号的传输会产生不同的影响。比如，室内与室外、市区与乡村、山区与平原相比，后者就更适合无线电信号的传输。CR与全球定位系统(GPS)以及地理信息系统(GIS，Geography Information System)结合，通过自我学习的方法，能够识别出自身所处的地理位置，进而能根据地理环境选择合适的发送频率、调制方式等参数。比如，在市区内，由于电磁环境复杂，多径衰落较大，可以采用抗多径衰落较好的OFDM调制。在乡村，由于电磁环境优良，可以采用较大的功率，传输更远的距离。

此外，如图3所示，将位置感知技术与数字波束形成技术结合，可以使CR辐射模式沿着接收端方向，不仅能够降低传输能量，而且可以有效降低CR和其他用户之间的干扰，此外还可以提高CR的抗截获能力。

2.4 链路保持技

一旦授权用户要再次通信，CR必须要在最短的时间内腾出正在使用的频率，并且还要保证自己的通信不被中断，这就是所谓的CR链路保持技术。可以采用LT(Luby Transform)编码技术来实现链路保持。LT编码是一种冗余编码，将长度为L比特的数据分成 k( k=L／l)个输入符号，经过基于Meta-Content的编码就变成了无限长的数据流。接收端只要收到任意K>k个编码符号就可以无失真地还原个比特的原始数据。这种编码方式只需5％(即K=1.05k)的开销就足够无失真译码了。通过增加链路的冗余，进而达到数据的冗余。在不同的电磁环境下，链路的最佳冗余数是不同的，但并非冗余越多，链路可靠性就越高。

实际上，除了上述技术之外，CR还包括机器学习技术、功率控制技术、数字波束形成技术、自适应调制解调技术、软件无线升级技术、信道估计技术、数字信号处理等诸多先进技术。鉴于这些技术非CR特有，在此不予进行专门讨论。

3 认知无线电在军事通信中的应用

3.1 提高通信系统容量

无线频谱短缺的问题，不仅在民用领域比较突出，在军用领域也是如此。尤其是在现代战争条件下，多种电子设备在有限的地域内密集开设，将使得频谱资源异常紧张。并且，随着民用无线电设备的更新换代和用户数量的急剧增加，对频谱的需求也越来越多。有一些国家的一些组织已经申请将部分军用频谱划归民用。这一动向无疑将更进一步加剧了军用无线电频谱资源短缺的问题。而CR能够动态利用频谱资源，理论上可使频谱利用率提高数十倍。因此，即便是部分采用CR，也能较大幅度提高整个通信系统的容量。

3.2 提高频谱管理效率

战场频谱管理是一个非常重要的课题，各国军方都非常重视这一问题的研究。然而，目前基本都采用固定频率分配的形式进行战场频谱分配。从实战情况来看这种方案是不完全成功的。一方面，这种分配方案不但导致频谱资源利用率较低，而且容易导致系统内部或者友军之间互相产生电磁干扰；另一方面，这种分配方案需要在战斗开始前花费大量的时间进行频谱规划；此外，通信频率一旦确定，在战斗状态下，无论发生什么情况都无法更改。因
此，在战场形势瞬息万变的现代战争中，固定频谱分配方案容易贻误战机。CR能够对所处区域的战场电磁环境进行感知，对所需带宽和频谱的有效性进行自动检测。因此借助CR可以快速完成频谱资源的分配，在通信过程中还可以自动调整通信频率。不仅提高了组网的速度，而且提高了整个通信系统的电磁兼容能力。

3.3 提高系统抗干扰能力

抗干扰能力是现代战争条件下衡量通信设备的一项重要指标，也是取得战争胜利的重要保障。传统的信道抗干扰技术主要包括扩频、跳频、跳时以及由此衍生出的相关技术。CR不但具有以上抗干扰能力，而且由于其采用了位置感知技术，与DBF技术相结合，通过调整波束方向，来抑制干扰。CR不仅提高了抗干扰能力，而且还可以降低发射功率，提高抗截获能力。认知无线电具有先进的机器学习能力，能够对干扰进行学习和分析，使其能够选择合适的抗干扰策略(选择合适的通信信道、调制方式、发送功率、跳频图案等)对干扰进行主动规避。此外，由于CR的工作频段很宽，也加大了干扰的难度。

3.4 提供电子对抗能力

电子对抗的传统做法是首先通过战场无线电检测，侦察战场电磁环境，然后将侦察到的情况通过战役通信网传达给电子对抗部队，由担任电子对抗任务的部队实施干扰。这种方式不仅需要大量的人力物力，而且需要担任电磁环境侦察和电子对抗的部队密切配合。因此，从侦察到实施干扰的周期较长，容易贻误战机。CR通过感知战场电磁频谱特性，能够快速、准确地进行敌我识别。可以一边进行电磁频谱侦察，一边快速释放或躲避干扰，实现传统无线电所不具备的。

3.5 增强系统互联互通能力

目前我军各军兵种装备了数量众多、型号各异的电台。这些电台工作频率、发射功率、调制方式等各不相同，无法实现互联互通，已成为制约三军联合作战的一个重要因素。CR能够覆盖很宽的频段，并且用软件来实现信号的基带处理、中频调制以及产生射频信号波形。通过自主加载不同的软件就可以使得一部CR既能与短波电台通信，也能与超短波电台通信，甚至能够与卫星通信。正是因为CR能够自主学习网络的通信协议和服务，从而能从根本
上提高系统的互操作性和互联互通能力。

除了以上功能和优点之外，CR还提供定位及环境感知功能，具有不易受民用无线电干扰、组网快捷等优点，这些都是传统无线电无法替代的优势。

4 军用认知无线电面临的机遇和挑战

CR被认为是下下一代通信发展的方向。由于CR技术能够显著提高无线频谱的利用效率，引起了业界的极大重视，近年来得到了快速发展。然而，CR从实验室走向实用、走向军用，还面临诸多挑战：

(1)目前的研究大部分停留在物理层，对CR的组网以及网络拓扑、网络协议等研究较少；
(2)快速频谱感知和信号识别技术有待进一步研究；
(3)快速有效地进行环境感知以及如何有效利用环境感知信息；
(4)CR在进行动态频率调整时，链路的重新建立和保持技术；
(5)CR终端设计复杂，需要宽频带、高灵敏度的射频前端，快速高效的数字信号处理算法以及符合军用标准的稳健可靠的软硬件设计；
(6)机器学习以及如何更好地利用计算机语言，使CR网络更加智能化，更加符合军事通信的特点和要求；
(7)CR与现役装备的兼容性问题。CR终端成本高昂，即便是军用，也无法在短时间内大规模装备部队。这要求CR能够覆盖我军现役通信装备的绝大部分频段、调制方式以及跳频方式等；
(8)终端的小型化、低功耗设计。

目前CR技术还很不成熟，我们应该在充分借鉴这些研究成果的基础上，加大研究力度，争取早日研制出适合我国军队需求的CR；战术方面，如何将数量有限的CR运用于关键的场合，使其一旦能够装备部队就能发挥其卓越的性能，真正提升我军战斗力。相信随着对CR技术研究的不断深入，其对军事通信必将产生深远的影响。
 
参考文献:

[1] R. W. Broderson，A. Wolisz，D. Cabric，S. M. Mishra,and D. Willkomm．A cognitive    radio approach forusage of virtual unlicensed spectrum[A]．14th IST Mobileand Wireless Communications Summmit[C]，June  2005.5．
[2] J.Mitola, Maquire G Q Jr. Cognitive Radio: Making Software Radios More Personal[J].IEEE Personal Communications,1999.6(4):13 - 18.
[3] J.Mitola. Cognitive Radio an Integrated Agent Architecture for Software Define
Radio[D].Ph.D thesis, Royal Institute of Technology,Stockholm,Sweeden,2000.
[4] J．Mitola．Cognitive rsdlo for flexible mobile multimediacommunication[J]．Mobile Multimedia Communications．1999，11：3—1O．