认知无线电技术及在军事通信中的应用

摘 要： 认知无线电是通信领域在软件无线电概念之后出现的又一新概念，其主要关注于系统通过感知操作环境的变化调整系统工作参数。叙述了认知无线电的概念及与软件无线电的关系，对其构架和关键技术进行了介绍，并分析了认知无线电在军事通信领域的优势及面临的挑战，对于我军通信系统的升级建设具有积极作用。

关键词： 认知无线电； 频谱感知； 功率控制； 军事通信

中图分类号： TN92⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2014）17⁃0036⁃04

Abstract： The cognitive radio （CR） is a new concept following the software radio in the communication field， and it focu⁃ses on the adjusting the system running parameters on the basis of sensing surrounding. The concept of CR and its relation with software radio are described in this paper. Its structure and key technologies are introduced. The advantages of CR in the military communication and the challenge it is facing are analyzed. It has a positive role in upgrade construction of the communication systems in China.

Keywords： cognitive radio； spectrum sensing； power controlling； military communication

0 引 言

随着无线通信技术的迅速发展，在20世纪90年代末期，软件无线电（Software Defined Radio，SDR）的概念广泛流行，并被引入部分通信产品领域，其基本思想是以一个通用、标准及模块化的硬件平台，通过软件编程实现无线电台的各种功能，把数字化处理（A/D和D/A变换）尽量靠近天线，通过软件算法实现不同的主流无线调制解调算法。软件无线电的出现，将改变目前基于硬件和面向用途的产品设计方法，主要依赖软件更新改变硬件配置结构，实现新的功能。随着软件无线电的进一步发展，代表第二代技术的认知无线电（Cognitive Radio，CR）逐渐受到研究人员及工程师的重视。

认知无线电的概念是Joseph Mitola博士于1999年明确提出，主要是对软件无线电的进一步深化和发展，其描述其为“在无线电资源和通信领域，无线数字设备及相关网络应使用智能计算方法检测用户通信需求，并根据需求来分配适合的无线电资源、提供最佳的无线电业务”[1]。认知无线电以灵活、智能、可重配置为显著特征，使用人工智能技术感知外部电磁环境，并从环境中学习，能够有目的地实时改变操作参数（如功率、频率和调制方式等），使内部状态适应接收到的无线信号，从而实现任何时间、任何地点的高可靠通信，以及对有限频谱资源高效利用。在目前针对CR研究的众多描述中，美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission，FCC）提出了一个简化的版本，该版本建议任何具有自适应频谱意识的无线电都应该被称为认知无线电CR，基于此他们将CR定义为基于与操作环境的交互、能动态改变其发射机参数的无线电通信系统，具有环境感知和传输参数自我修改的功能。

CR与SDR二者的主要关注点有所不同，SDR关注的是无线电系统的信号处理方法、功能实现方式，而CR则需要感知外部环境的变化，并根据变化调整系统工作参数。从该意义上讲CR是更高层的概念，不仅包括基本的信号处理方法，还包括根据相应的任务、规则和目标等进行深一步的推理和高层次的规划功能，具有一定的自主学习能力。综上所述，CR具有以下特点：对环境的感知能力、对环境变化的学习能力、对环境变化的自适应性、通信质量的高可靠性、对频谱资源的充分利用、系统功能模块的可重构性。

1 认知无线电架构及关键技术

Mitola提出的概念模型如图1所示[1⁃2]，分为硬件、软件两大部分。软件部分主要有基础软件、智能软件。硬件部分主要沿用基本软件无线电的体系结构，包括天线、射频、调制解调器、安全模块、基带信号处理以及用户接口部分。天线主要解决无线电信号的接收和发射；射频前端包括无线电信号的放大及必要变换（A/D数字化处理）；调制解调器主要处理收发信号的调制解调、信号均衡等问题；基带处理模块主要处理网络中的各种协议、控制等，实现不同网络的兼容；用户接口部分利用RKRL语言（Radio Knowledge Representation Language）实现不同接口服务，并采用支持关于用户需要的自动推理的方式，更好地为个人通信服务。

根据图1及相应分析可知，实现探测并接收外部的射频信号，需要以下三个步骤：首先是进行频谱感知检测，分析当前空间的电磁环境及无线电占用情况；其次进行动态频谱管理，根据当前环境和目标任务，计算最佳使用频率并输出信号；最后是传输功率控制，根据当前电磁环境、系统使用频率确定需要发送的功率水平并发射。其中前两个由接收单元完成，最后一个由发射单元完成。涉及到的关键技术[3]主要分析如下。

1.1 频谱感知技术

频谱感知技术是指用户通过各种信号检测、信号处理的方法，获取当前无线网络频谱使用信息，发现谱空穴，使用户能利用最优化频谱进行通信，提高谱频的利用率和通信质量[4⁃5]。

根据数据来源的不同，频谱感知技术可以分为单节点感知和协同感知。本地频谱感知是指单个认知用户根据本地射频环境，独立执行某种检测算法进行频谱特性标志，其检测性能以虚警概率以及漏检概率进行衡量。目前单节点感知技术的研究方向主要集中在匹配滤波、能量检测法和循环平稳特征检测法等方法上，见表1。在复杂环境中，只有部分CR用户能够检测出准确的频谱，且不能保证检测出的频谱准确性。因此一些学者提出多节点协同的频谱感知方法，通过频谱检测协作提高其正确性。协同感知是指通过多个用户之间的交互与协作，综合不同节点的结果并进行判决。协同感知可以在一定程度上克服单节点感知对本地硬件要求高、容易受干扰等弊端，降低用户对检测灵敏度的要求，提高用户的捷变能力，有效缓解噪声不确定性问题。

根据协作网络的构架以及协作的策略，协作感知方案可分集中式协作和分布式协作。集中式协作方案中一般由一个中心基站和多个参与协作的认知用户组成，通过专用控制信道将不同用户的本地感知信息传送到中心基站，统一进行融合处理、最终判决。在分布式协作感知方案中不需要中心站，简化了认知网络结构，各协作节点之间可以直接交互和信息共享，对各自感兴趣的频谱做最终判决。该方案的优点主要是开销成本小。

1.2 动态频谱管理

动态频谱管理（Dynamic Spectrum Management，DSM），其主要目标是通过自适应算法动态分配频率使用，有效利用RF频谱[6]。频谱管理算法设计主要是以频谱感知技术和功率控制技术为基础，通过侦测最适合的频谱信道，选择适应无线环境时间变化特征的调制模式，根据目标节点可能的接收能力提供源到目标的调整，通过最佳功率水平发射出去。利用DSM技术可以提高无线通信的灵活性，合理规划信道使用，避免主要用户和次要用户之间的冲突，兼顾公平与效率，合理共享频谱。

动态频谱管理主要包括频谱的辨认描述、频谱可用性的持续时间以及频谱分配方法等方面，其中频谱分配主要是根据当前感知到的频谱使用情况，结合需要接入的频谱节点数目及服务要求，将适当的频谱通过相应策略分配给一个或多个指定用户节点。分配算法的设计应该以高效性、公平性、有效性以及扩展性为设计目标，目前的算法研究主要集中在基于图论的方法、基于频谱交易的方法、基于频谱拍卖的方法、基于博弈论的方法四个方面[7]。

1.3 功率控制技术

在通信系统中发射功率过大往往会干扰其他用户，功率过小又会降低通信的距离和可靠性，发射功率的幅度必须找到一个适当折中的水平，因此功率控制是每个通信系统中必须要考虑的问题，也是下一代CR系统的关键技术之一。传统的通信系统中功率控制的最优化技术主要有拉格朗日松弛法、经典法、二次规划法、博弈论和几何规划法等。CR系统中功率控制的方法主要还是在传统基础上发展，目前的研究方向主要集中在基于对策论、信息论、博弈论等[8⁃9]方法上。

在对策论算法设计中，由于在合作对策中每个用户都试图最大化自己的功率，无法满足系统要求，所有主要非合作对策，可以将多部对策简化为一个随机过程，从而将问题转化为Markov过程，进而可以使用传统成熟算法进行分析。基于信息论方法是将系统信道分为多个独立信道，形成信道矩阵，通过奇异值分解求出各自信道的奇异值，根据不同奇异值在发送端分配不同的功率水平，达到功率传输容量和效率的最大化。采用博弈论的方法适合处理具有多用户的复杂问题，通过参与用户的相互交互形成众多结合，并进行融合后生成最佳决策，能够使问题的争论达到一个均衡点（即Nash均衡）。

2 认知无线电在军事通信中的应用

根据认知无线电认知、重构等特点，使用其既可完成通信功能，也可实现信道搜索、信息侦察以及信号分析等，甚至在特定条件下实现对目标信号的测距、定向，实现频谱感知、信道分配、功率控制等方面的优化。认知无线电是软件无线电的进一步发展，也是软件无线电与电子侦察、信息对抗的有效结合。这些特点也引起军方特别关注，从2004年美国国防部高级研究计划局（DARPA）就已经提出了以认知无线电为基本思想的下一代无线通信（XG）项目，并颁布了一套新的建议需求文件。XG项目将为无线通信系统提供整套设备，使得无线通信系统可以动态利用若干暂时未使用的频谱资源，而不会与现有常规系统和用户产生冲突。

2.1 现代军事通信的特点

现代军事通信与民用通信相比，有若干相同的手段和方法，同时有更多不同的特殊要求。首先要求能够抗干扰，在日益复杂的现代战争条件下，抗干扰能力已经成为衡量军事通信系统的一项最关键指标，在某种程度上能够决定军事信息战的胜负。传统的抗干扰技术研究主要集中在信道的优化、调制解调技术、信号处理等方面，通过扩频、跳频、跳时以及由此衍生出的相关技术[9]提高信道的抗干扰能力。

另一方面，战场频谱管理也是现代军事通信系统中的一个重要方面。在现代战争中的海、陆、空、天、电磁五维一体的联合作战中，如何有效管理己方的不同军种、不同盟友之间的通信、雷达、导航以及电子对抗等设备之间的频率规划，已经成为各国军方极度关注的问题。目前军方大都采用不同使用方分配固定频率，进行简单的战场频谱管理。该思路需要在战斗开始之前，由专门机构花费大量时间进行固定频谱规划，在形势瞬息万变的战争中不容易实现实时更改，容易造成战机贻误，并且在实战中也暴露出弊端。

2.2 认知无线电的优势

由于认知无线电的基本思路就是动态利用频谱资源，因为理论上可以大幅度提高战场频谱利用率，可以在实际应用中扩大整个通信系统的容量。CR系统经过频谱感知、频谱分配等步骤，自身能避让固定干扰源，具有一定的抗干扰能力，此外还可以通过采用位置感知技术，通过通信双方相互位置方向的测定，调整通信波束的方向，规划定向通信，进一步增强抑制干扰的能力。

CR不仅能够提高通信系统抗干扰能力，同时通过适当降低发射功率，提高了抗截获的能力。由于认知无线电系统具有自学习能力，在使用中可以对干扰信号进行信号采集和信号分析，在此基础上选择最合适的抗干扰策略（如改变通信信道特性、调制方式、功率水平、改变跳频图案等方式），实现对干扰信号的主动规避。

在未来的CR通信系统中，通过频谱感知技术，能够实现对所处区域的战场所有电磁环境监测及分析，对各自子系统所需频谱带宽、当前使用频谱有效性等特征进行检测，从而快速完成频谱资源的自动分配，例如在实时通信的过程中，可以根据战场频率使用、干扰等因素自动调整通信频率，达到最佳通信的效果。

2.3 面临的挑战

目前的军事通信领域的CR研究和应用还处于初级阶段，存在若干需要解决的问题。

（1） 目前对于CR系统而言大部分研究还仅仅停留在物理层，对高层次的组网（包括网络协议、拓扑结构等）方面的研究还较少，未能形成使用CR终端的通用标准，不利于研制方开发互通产品；

（2） 使用终端的小型化设计。未来战场要求单兵终端必须实现体积小、长时间工作等特点，需要进一步进行小型化、低功耗设计，以适应各种复杂环境；

（3） 与现役通信设备兼容。预计未来CR终端的成本会比较高昂，可能在短时间内无法实现大规模装备，应采用逐步更新换代的策略。这需要新旧两代产品之间能够实现互通兼容，要求CR终端设计时要兼容我军现役通信装备的大部分频段、调制方式等。

3 结 语

CR技术是继SDR之后无线通信领域的下一个新概念，对其研究还处于初始阶段。虽然CR技术具有独特的优势和诱人的前景，但目前基础技术领域研究还不够成熟，要解决许多难题，例如需要进一步加强CR动态频谱利用的灵活性，可以尝试将MIMO技术引入CR系统中；需要规范CR技术的专用协议，如路由协议、终端接口等；CR系统需要强大的重配置能力，但是目前的硬件平台还不能支持其动态适应无线环境的要求[10]。

由于SDR在美国军方取得相当的成功，目前各国军方都正在加紧对认知无线电各项关键技术的研究。我国应抓住机遇，加大研究力度，力争形成我国相应标准，并开发出适合军队实际需求的CR无线通信系统及终端设备，使其能够快速装备部队并发挥其卓越的性能，提升我军战斗力。

参考文献

[1] MITOLA J， GERALD Q. Cognitive radio： Making software radios more personal [J]. IEEE Personal Communication. 1999 （8）： 6⁃13.

[2] 朱江，李少谦.认知无线电网络架构与协议体系[J].中兴通信技术，2007（6）：5⁃8.

[3] 张玉，葛利，嘉赤伟，等.认知无线电系统中的关键技术研究[J].微计算机信息，2010，26（11）：99⁃101.

[4] 邓韦，朱琦.认知无线电系统中频谱感知方法的研究[J].通信技术，2007，40（11）：76⁃77.

[5] 冯霞，莫景猷.认知无线电研究综述[J].中国无线电，2008（10）：38⁃42.

[6] 文展，曾晓辉，陈果.动态频谱分配与频谱共享研究综述[J].通信技术，2008，41（7）：60⁃62.

[7] 王钦辉，叶保留，田宇，等.认知无线电网络中频谱分配算法[J].电子学报，2012，40（1）：149⁃154.

[8] 徐斌阳，李少谦.认知无线电系统中的联合功率控制[J].电子科技大学学报，2008，37（5）：649⁃652.

[9] 赵陆文，周志杰，缪志敏，等.浅析认知无线电在军事通信中的应用[J].无线通信技术，2007（4）：31⁃35.

[10] 刘元，彭端，陈楚.认知无线电的关键技术和应用研究[J].通信技术，2007，40（7）：50⁃52.

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