基于認(rèn)知無(wú)線電的通信抗干擾應(yīng)用研究

余鵬

摘 要：認(rèn)知無(wú)線電（Cognitive Radio，CR）技術(shù)的提出，為解決不斷增長(zhǎng)的無(wú)線通信應(yīng)用需求與日益緊張的無(wú)線頻譜資源之間的矛盾提供了一種有效的解決途徑。介紹了認(rèn)知無(wú)線電的基本概念和關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)分析了認(rèn)知無(wú)線電在通信抗干擾中的應(yīng)用策略及其優(yōu)勢(shì)，對(duì)促進(jìn)通信對(duì)抗裝備的快速發(fā)展具有積極意義。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知無(wú)線電；智能頻譜共享技術(shù)；頻譜感知技術(shù)；無(wú)線通信

中圖分類號(hào)：TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.15.012

文章編號(hào)：2095-6835（2015）15-0012-02

認(rèn)知無(wú)線電（CR）作為一種智能頻譜共享技術(shù)，能依靠人工智能感知無(wú)線通信環(huán)境，根據(jù)一定的學(xué)習(xí)和決策算法實(shí)時(shí)、自適應(yīng)地改變系統(tǒng)工作參數(shù)，動(dòng)態(tài)檢測(cè)和有效利用空閑頻譜，理論上允許在時(shí)間、頻率和空間上進(jìn)行多維的頻譜復(fù)用。近年來(lái)，通過(guò)國(guó)內(nèi)外認(rèn)知無(wú)線電的軍事應(yīng)用情況表明，該技術(shù)不僅為解決頻譜利用率低的問(wèn)題提供了有效的解決途徑，還給電子對(duì)抗帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，必將促進(jìn)通信對(duì)抗裝備的快速發(fā)展。

1 認(rèn)知無(wú)線電的基本概念

自1999年“軟件無(wú)線電之父”Joseph Mitola博士首次提出認(rèn)知無(wú)線電的概念并系統(tǒng)地闡述了其基本原理以來(lái)，不同的機(jī)構(gòu)和學(xué)者從不同的角度給出了認(rèn)知無(wú)線電的定義。其中，比較有代表性的包括FCC和著名學(xué)者Sirnon Haykin教授的定義。FCC認(rèn)為，認(rèn)知無(wú)線電是能基于對(duì)其工作環(huán)境的交互改變發(fā)射機(jī)參數(shù)的無(wú)線電；Simon Haykin從信號(hào)處理的角度出發(fā)，認(rèn)為認(rèn)知無(wú)線電是一個(gè)智能無(wú)線通信系統(tǒng)，它能感知外界環(huán)境，并使用人工智能技術(shù)從環(huán)境中學(xué)習(xí)，通過(guò)實(shí)時(shí)改變某些操作參數(shù)（傳輸功率、載波頻率和調(diào)制技術(shù)等），使其內(nèi)部狀態(tài)適應(yīng)接收到的無(wú)線信號(hào)的統(tǒng)計(jì)性變化，以達(dá)到任何時(shí)間、任何地點(diǎn)的高可靠通信和對(duì)頻譜資源的有效利用的目的。

2 認(rèn)知無(wú)線電的主要技術(shù)特點(diǎn)

認(rèn)知無(wú)線電的關(guān)鍵技術(shù)包括頻譜感知檢測(cè)技術(shù)、自適應(yīng)傳輸技術(shù)、頻譜資源管理技術(shù)（包括頻譜分析和決定等），這些關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)成了CR技術(shù)體系框架，決定了CR的技術(shù)特點(diǎn)。認(rèn)知無(wú)線電的無(wú)線電通信系統(tǒng)不在固定的頻段上工作，能自動(dòng)搜索合適的頻段并在該頻段上通信，具有環(huán)境感知和傳輸參數(shù)自適應(yīng)修改的功能。通過(guò)對(duì)環(huán)境的理解，實(shí)時(shí)改變和調(diào)整其內(nèi)部狀態(tài)，以適應(yīng)外部無(wú)線環(huán)境的變化，從而實(shí)現(xiàn)頻譜共享，動(dòng)態(tài)地增加或減少網(wǎng)絡(luò)和個(gè)人用戶的可用頻譜總數(shù)，為頻譜分配提供可行的解決方案?；贑R的通信網(wǎng)絡(luò)，基本的通信運(yùn)行流程如圖1所示。通信節(jié)點(diǎn)通過(guò)環(huán)境感知模塊感知周圍環(huán)境的頻譜信息，通過(guò)誤碼監(jiān)測(cè)獲得通信質(zhì)量信息；通過(guò)認(rèn)知信息的獲取、傳遞、綜合分析、決策處理確定通信頻率、速率和波形等通信參數(shù)即變策略，并形成信令傳遞到各節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)調(diào)整。

圖1 基于CR的通信網(wǎng)絡(luò)的基本通信運(yùn)行流程

3 認(rèn)知無(wú)線電的關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)認(rèn)知無(wú)線電的定義和特點(diǎn)分析，對(duì)應(yīng)于認(rèn)知無(wú)線電的整個(gè)工作過(guò)程，感知無(wú)線電的關(guān)鍵技術(shù)主要包括3個(gè)方面，即頻譜感知檢測(cè)技術(shù)、自適應(yīng)傳輸技術(shù)和頻譜資源管理技術(shù)（包括頻譜分析和決定等），這些關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)成了認(rèn)知無(wú)線電的核心功能。在基本的感知周期中，認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)通過(guò)對(duì)其所處的無(wú)線電環(huán)境的觀察，將了解的環(huán)境情況作為頻譜感知檢測(cè)部分的輸入信息，通過(guò)頻譜感知檢測(cè)功能獲得頻譜空洞信息，它是空域、時(shí)域和頻域中出現(xiàn)的可以被利用的頻譜資源，同時(shí)，將頻譜空洞信息提供給頻譜分析和頻譜決定部分。認(rèn)知無(wú)線電能感知、適應(yīng)和學(xué)習(xí)周圍的電磁環(huán)境，發(fā)現(xiàn)頻率空洞，熟知無(wú)線信號(hào)的特征，并合理利用這些結(jié)果，即頻譜感知技術(shù)，這是認(rèn)知無(wú)線電區(qū)別于其他無(wú)線電的根本所在。所謂“頻率空洞”，是指被分配給某授權(quán)用戶，但在特定時(shí)間和具體位置下該用戶并沒(méi)有使用的頗帶。

4 基于認(rèn)知無(wú)線電的軍事通信抗干擾策略

從上述對(duì)認(rèn)知無(wú)線電基本概念、特征和關(guān)鍵技術(shù)的分析可知，有希望將認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)應(yīng)用到軍事通信抗干擾中。通信干擾方式一般有瞄準(zhǔn)式干擾、阻塞式干擾和掃描式干擾三種形式，這些干擾的前提是必須使通信方能接收到信號(hào)，且具有足夠的信號(hào)強(qiáng)度。雖然認(rèn)知無(wú)線電的頻譜感知檢測(cè)能力主要是用來(lái)發(fā)現(xiàn)頻譜空洞的，但這也是建立在分析目標(biāo)頻段并檢測(cè)其他被占頻譜的基礎(chǔ)上的。通過(guò)對(duì)工作頻譜區(qū)域進(jìn)行感知和分析，按照頻譜池的思想（如圖2所示），將干擾信號(hào)所在的頻點(diǎn)或頻段劃分進(jìn)黑色區(qū)域，將沒(méi)有干擾或低干擾的頻段分別劃進(jìn)白色區(qū)域和灰色區(qū)域，就可在白色或灰色區(qū)域內(nèi)選擇工作頻率，從而有效避開(kāi)干擾。

圖2 頻譜池示意圖

此外，由于認(rèn)知無(wú)線電具有位置感知能力，因此，可將位置感知技術(shù)與數(shù)字波束形成技術(shù)相結(jié)合，這樣可使認(rèn)知無(wú)線電的輻射模式沿接收方向擴(kuò)展，不僅能降低發(fā)射功率，還可有效降低認(rèn)知無(wú)線電與其他用戶之間的干擾，提高認(rèn)知無(wú)線電的抗截獲能力。最不利的情況是，認(rèn)知無(wú)線電臺(tái)工作時(shí)受到了敵意的干擾。此時(shí)，可通過(guò)認(rèn)知無(wú)線電節(jié)點(diǎn)對(duì)其自身的發(fā)射參數(shù)（功率、調(diào)制方式、編碼方式和頻率等）進(jìn)行調(diào)整，可通過(guò)認(rèn)知無(wú)線電的可重構(gòu)能力實(shí)現(xiàn)。通過(guò)分析可知，具有頻譜感知能力的認(rèn)知無(wú)線電完全能通過(guò)感知無(wú)線環(huán)境來(lái)檢測(cè)敵方的干擾，同時(shí)，借助于可重構(gòu)能力自動(dòng)對(duì)認(rèn)知無(wú)線電節(jié)點(diǎn)自身的發(fā)射參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。因此，具備感知能力和重構(gòu)能力的認(rèn)知無(wú)線電用于軍事通信抗干擾具有理論上的可行性。

5 結(jié)論

近年來(lái)，認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的軍事應(yīng)用得到了快速發(fā)展。然而，它還面臨諸多挑戰(zhàn)，還需要解決許多問(wèn)題，比如設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)符合軍用標(biāo)準(zhǔn)、適用于戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的認(rèn)知無(wú)線電臺(tái)和如何使認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)更加智能化、更符合軍事通信的特點(diǎn)和要求。

參考文獻(xiàn)

[1]謝中.感知無(wú)線電技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[2]趙陸文.淺析認(rèn)知無(wú)線電在軍事通信中的應(yīng)用[J].無(wú)線通信技術(shù)，2007（4）：31-35.

[3]王忠思，黃輝，于爽.認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)及其在軍事通信上的應(yīng)用[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2009，30（7）.

〔編輯：張思楠〕