認知無線電技術在電磁頻譜管理中的應用

王彥

摘 要 作為一種重要的戰(zhàn)略資源 無線電頻譜資源對保障信息通暢 增強軍事實力 以及保證國家長治久安有著重要意義 因此 必須對其進行規(guī)范有效地管理 同時 無線電技術已被廣泛應用于各行各業(yè)以及生活的各個方面 比如 氣象預測 軍事以及人們的日常通信 無線電技術已成為生活中不可或缺的重要組成部分 但是 隨著電磁頻譜的需求逐漸擴大 供需矛盾日益凸顯 高峰期供給不足同時又存在電磁頻譜閑置的現(xiàn)象 如何解決該問題 值得相關從業(yè)者進行深入思考 文章以認知無線電技術為突破口 論述認知無線電技術在電磁頻譜管理中的應用 以期為相關行業(yè)提供參考

關鍵詞 認知無線電技術 電磁頻譜 管理

中圖法分類號tn925? ?文獻標識碼a

認知無線電又被稱為智能無線電，它以靈活、智能、可重配置為顯著特征，通過感知外界環(huán)境，并借助人工智能技術從環(huán)境中學習，有目的地實時改變某些操作參數(shù)（如傳輸功率、載波頻率和調(diào)制技術等），使其內(nèi)部狀態(tài)適應接收到的無線信號的統(tǒng)計變化，從而實現(xiàn)任何時間、任何地點的高可靠通信以及對異構網(wǎng)絡環(huán)境中有限的無線頻譜資源進行高效利用。其具有認知性能、決策性能、執(zhí)行性能，能夠有效提高電磁頻譜的利用率，解決了電磁頻譜在高峰期供給不足以及電磁頻譜限制的問題。

１ 電磁頻譜管理與認知無線電技術

由于現(xiàn)代信息技術以及無線電技術的快速發(fā)展，無線電技術的應用在人們?nèi)粘Ｉ钪械钠占靶砸苍诓粩嘣黾?。在對電磁頻譜進行管理的過程中，由于電磁頻譜資源存在需求增加以及資源有限的特征，使電磁頻譜管理備受行業(yè)專家的重視［１］ 。

傳統(tǒng)的電磁頻譜管理指的是數(shù)據(jù)被頻譜監(jiān)測網(wǎng)絡采集后，傳輸?shù)焦芾硐到y(tǒng)中，由頻譜管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行決策和分析，然后進行下一步的數(shù)據(jù)加工，最后將加工處理后的電磁頻譜分配給指定的用戶。在傳統(tǒng)的電磁頻譜管理過程中，執(zhí)行網(wǎng)絡與頻譜監(jiān)測網(wǎng)絡互相獨立，未形成良好的協(xié)調(diào)合作關系。顯然這種作業(yè)模式不能適應現(xiàn)代化的信息發(fā)展，無法對有效數(shù)據(jù)和有效信息進行協(xié)同處理和加工。而新時代的認知無線電技術能克服傳統(tǒng)頻譜管理系統(tǒng)中存在的問題。當前，隨著認知無線電技術的發(fā)展，認知無線電技術在國內(nèi)外得到了廣泛的發(fā)展和應用，尤其是在通信領域，如在５ ＧＨｚ 頻段的ＩＥＥＥ·８０２．１１ａ 則對ＴＰＣ以及ＤＦＳ 機制進行了應用，以避免雷達信號間的干擾。而在高速情況下接入的ＥＶＤＯ 以及ＨＳＤＰＡ 認知調(diào)制，則需要通過對用戶服務的確認以及對用戶工作的最佳環(huán)境進行識別，并在此基礎上對更為有效的數(shù)據(jù)速率以及調(diào)制方案進行設定，以滿足用戶的ＱｏＳ 需求。對于這部分技術來說，其僅僅是認知無線電功能中非常小的一部分，能夠按照漸進方式擴展到無線電全部性能。如今，認知無線電技術具有廣闊的市場以及發(fā)展?jié)摿Α?/p>

認知無線電技術屬于無線通信技術，此概念最早在１９９９ 年由瑞典皇家技術學院的Ｊｏｓｅｐｈ Ｍｉｔｏｌａ 博士提出，英文全稱為Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ Ｒａｄｉｏ，簡稱ＣＲ。此后，隨著認知無線電技術的成熟，越來越多的國家開始致力于研究其應用價值和應用途徑。認知無線電技術在電磁頻譜傳輸作業(yè)中充當著“交通警察”的角色，將電磁頻譜傳輸給目標用戶和有需要的用戶，對頻譜信息進行自主收集，并學習其分配方式。在具體的操作過程中，使用認知無線電技術能夠節(jié)省人力、物力資源，以及實現(xiàn)電磁頻譜傳輸?shù)淖畲蠡?。可以將認知無線電應用于軍事領域，能夠有效加強信息的保密性以及電子的對抗能力。相較于傳統(tǒng)的電磁頻譜管理體系而言，認知無線電技術擁有更好的協(xié)調(diào)聯(lián)動性，能對眾多的終端設備進行整合，最終實現(xiàn)電磁頻譜的自主分析、決策，以及智能化分配［２］ 。

１．１ 認知無線電技術物理層特征

１．１．１ 認知無線電技術中頻率偵聽技術

將頻率偵聽技術應用至認知無線電技術中，可以實現(xiàn)對頻譜的連續(xù)偵聽。此項技術的應用，能夠及時發(fā)現(xiàn)閑置的頻譜，從而在不對授權用戶造成影響的情況下，對其他出現(xiàn)的用戶實施快速檢測，為出現(xiàn)的用戶挪出可用寬帶。將頻譜偵聽應用至無線電技術中，能夠實現(xiàn)對用戶的不同接受率進行實時監(jiān)測。此技術在靈敏度以及寬帶頻率方面具有更大的優(yōu)勢，主要原因在于對ＤＦ，ＣＦ，ＡＦ 協(xié)議的有效應用，能夠有效提高頻譜偵聽能力［３］ 。

１．１．２ 動態(tài)頻譜分析

歐洲部分地區(qū)的多個項目對不同網(wǎng)絡的動態(tài)頻譜進行了細致的分析。對認知無線電技術而言，客戶的需求不斷變化，且客戶的需求對于可用信道的數(shù)量、位置存在著不固定性，而該類需求也在不斷變化。因此，動態(tài)頻譜分析技術對認知無線電技術而言是不具備普適性的。但是，目前動態(tài)頻譜的標準往往受國家政策、企業(yè)生產(chǎn)技術、生產(chǎn)設備以及頻譜統(tǒng)籌的限制，多采用頻譜共享技術。頻譜共享技術主要內(nèi)容是將各個業(yè)務的頻譜進行加工、處理并整合成公共頻譜池，根據(jù)客戶需求將頻譜池的頻譜處理成不同的信道［４］ 。經(jīng)過上述處理，能夠滿足部分非授權用戶對于信道的使用需求，讓其對閑置信道進行臨時的使用，在極大程度上解決了信道的分配問題。

１．２ 認知無線電技術循環(huán)結構框架

認知無線電技術能夠隨著操作環(huán)境的變化對傳輸數(shù)據(jù)進行智能化的調(diào)節(jié)和分配。其在性能上具有２個特點：一是認知性能；二是重配置性能。完善的認知無線電循環(huán)主要由３ 個部分組成：一是頻譜分析；二是頻譜決策；三是頻譜感知。頻譜分析指的是為客戶提供所需信息，將數(shù)據(jù)提供給信道并進行估算，其中信道的好壞決定了最終通信效果的精準性；頻譜決策指的是對用戶的需求和決策進行優(yōu)化以及對最終的通信效果進行優(yōu)先選??；頻譜感知指的是認知用戶通過各種信號檢測和處理手段來獲取無線網(wǎng)絡中的頻譜使用信息［５］ 。認知無線電循環(huán)結構示意圖如圖１ 所示。

從圖１ 可知，完整的認知無線電循環(huán)結構有３ 個重要組成部分，即頻譜分析、頻譜感知以及頻譜決策。認知無線電循環(huán)結構在運行過程中能夠感知重復出現(xiàn)的用戶信息，進而采取規(guī)避性操作行為。其次，認知無線電循環(huán)結構的重配置性指的是，在對硬件組件不更改的基礎上，對參數(shù)進行調(diào)整［６］ 。認知無線電的重配置性使頻譜相較于傳統(tǒng)而言更具有靈活性和智能性。打造無線電循環(huán)結構，能夠對資源進行有效地調(diào)度。

１．３ 電磁頻譜資源調(diào)度

電磁頻譜資源調(diào)度作業(yè)是為了對電磁資源以及數(shù)據(jù)的靈活有效應用，使作業(yè)更具有針對性，幫助專業(yè)設備達到最優(yōu)的性能狀態(tài)。在具體的操作過程中要注意以下幾個方面：一是保證電磁頻譜正常運轉；二是當發(fā)起攻擊時，對設備不能生成干擾因素。要兼顧好上述２ 個方面內(nèi)容，就需要對現(xiàn)有的電磁頻譜資源進行全面把控，對相關需求實現(xiàn)全方位的分析和處理，進而實現(xiàn)對頻譜的有效調(diào)度。電磁頻譜調(diào)度主要包含以下３ 個方面的內(nèi)容。電磁頻譜資源內(nèi)容如表１所列。

由表１ 可知，及時獲取電磁頻譜資源，需要在調(diào)度之前對區(qū)域節(jié)點進行科學分析和精準獲?。粚﹄姶庞妙l需求進行多方位分析指的是，分析用頻裝備的屬性和個數(shù)、評定需求量以及電磁兼容程度；對頻譜資源實施科學調(diào)度指的是，根據(jù)環(huán)境和具體需求對頻譜資源進行統(tǒng)一調(diào)度，避免各設備之間出現(xiàn)互相干擾的狀況以及確保頻譜的使用率。

由于在實際操作過程中，電磁態(tài)勢往往易呈現(xiàn)出速變性和復雜性等特點，因此在進行頻譜資源調(diào)度時要注意以下幾個方面。（１）遵循統(tǒng)籌規(guī)劃原則。避免各個設備之間以及鄰頻之間出現(xiàn)互相干擾、相互影響的現(xiàn)象，保證設備運行最優(yōu)化，發(fā)揮設備的最大效能。（２）調(diào)度統(tǒng)一性。根據(jù)不同的需求對電磁頻譜進行統(tǒng)

一、供需平等的調(diào)度。

總體來說，認知無線電技術相較于傳統(tǒng)的無線電技術而言，已經(jīng)具有認知技能?，F(xiàn)代化的認知無線電技術主要包括２ 個技術內(nèi)容：一是認知技術；二是技術重構。其中，認知技術又包含了以下３ 個方面的內(nèi)容：決策技術、分析技術、感知技術。通過感知技術覺察電磁環(huán)境中頻譜用戶和頻譜空洞，利用分析技術對頻譜需求和信道需求進行分析，最后利用決策技術經(jīng)過統(tǒng)籌協(xié)調(diào)和對比分析后做出傳輸決策，以保障傳輸?shù)耐〞场Ｖ貥嫾夹g指的是，在硬件設備不做出整改的前提下，對參數(shù)進行調(diào)整。比如，發(fā)射功率參數(shù)、發(fā)射頻率參數(shù)。同時，對寬帶發(fā)射機進行重建，為客戶隨時隨地提供高效高質的通信［７］ 。

２ 認知無線電技術在電磁頻譜管理中的應用

２．１ 實現(xiàn)電磁頻譜的動態(tài)分配

在具體的操作過程中，電磁頻譜的分配往往是固定的，大部分被分配給固定的授權用戶，而少部分分配給非授權用戶。這就容易出現(xiàn)閑置問題，因為大部分的授權用戶并沒有對電磁頻譜實現(xiàn)有效利用，易出現(xiàn)頻譜資源閑置和浪費現(xiàn)象。另外，伴隨著電磁頻譜非授權用戶需求量的不斷增加，頻譜資源的利用率難以滿足現(xiàn)有的需求量，導致市場出現(xiàn)供給小于需求的現(xiàn)象。

此時，利用無線電技術對電磁頻譜進行管理能夠在極大程度上消除傳統(tǒng)運行方式中出現(xiàn)的供需不對等現(xiàn)象。無線電技術能夠感知自身的電磁環(huán)境以及周圍的電磁環(huán)境，并對有需求的用戶的實際情況進行實時監(jiān)測。當感知到需求用戶需要頻譜資源時，認知無線電技術就將頻譜資源的相關信息提交給有需求的用戶。提升需求用戶資源使用率，降低資源閑置和浪費。當認知無線電技術感知到閑置的頻譜資源時，能夠對頻譜資源實行有效分配。比如，在不影響授權用戶的正常使用情況下，允許非授權用戶使用資源。這種分配方式相較于傳統(tǒng)的靜態(tài)頻譜分配方式而言，能夠對頻譜資源實行更高效高質的使用和分配。這充分展現(xiàn)了認知無線電技術在頻譜分析技術、頻譜共享技術以及頻譜感知技術等方面的優(yōu)越性。

２．２ 增強電磁頻譜的抗干擾性

電磁環(huán)境由于其自身的物理特性，在具體的操作過程中往往容易受到干擾。所以，在對電磁頻譜管理的過程中就要求對電磁頻譜做到及時修改、及時調(diào)整等。比如，對參數(shù)、頻率、功率等進行及時修改，以期增強電磁頻譜的環(huán)境抗干擾性。但這項操作在具體的作業(yè)過程中往往難以實施，因為電磁頻率的相關參數(shù)一旦被設定，就不能由工作人員任意更改。這也導致當遇到突發(fā)狀況時靜態(tài)頻譜的管理網(wǎng)難以及時做出應對，并且極易受突發(fā)情況的影響，進而導致接下來的通信工作受到干擾。在具體的運行過程中，傳統(tǒng)的靜態(tài)頻譜管理網(wǎng)往往會出現(xiàn)抗干擾性較差的問題。在頻譜管理中引入認知無線電技術，能夠有效解決上述問題。其中，認知無線電技術所特有的干擾估測技術，能夠智能地識別各個評估用戶之間的干擾性，實現(xiàn)各個用戶之間的協(xié)調(diào)，從而減少干擾現(xiàn)象發(fā)生的可能性。

若出現(xiàn)了上述無法避免的干擾現(xiàn)象，則認知無線電技術會啟動頻譜移動管理技術，在突發(fā)事件發(fā)生的第一時間將頻率切換，以保障通信工作的順利進行。

２．３ 促進電磁頻譜智能化管理

傳統(tǒng)的電磁頻譜管理工作流程如下。首先，通過頻譜監(jiān)測網(wǎng)對電磁環(huán)境進行監(jiān)測，在將監(jiān)測數(shù)據(jù)進行初步的加工處理后，將數(shù)據(jù)傳送至頻譜管理網(wǎng)。在此基礎上，根據(jù)客戶的具體需求制定出相應的方案。最后，對該方案進行執(zhí)行落地。在傳統(tǒng)的電磁頻譜管理工作中，各網(wǎng)之間相互獨立，缺少協(xié)同性、合作性，是一種自上而下的集中式管理。在具體的操作過程中以及應對突發(fā)事件時往往需要人工對事件進行處理、分析和決策。這些不足，大幅降低了頻譜管理的綜合效率。采用認知無線電技術能夠有效地彌補傳統(tǒng)電磁管理中的不足［８］ 。

認知無線電技術有著特有的感知能力，能夠對周圍的電磁環(huán)境進行智能化分析，并對閑置的頻譜進行再次按需分配，從而提高頻譜的利用率，在一定程度上解決了頻譜供需不對等的問題，協(xié)調(diào)好授權用戶和非授權用戶的需求以及頻譜供給。并且，使用認知無線電技術對電磁頻譜進行管理，在整個通信建立的過程中，極大地減少了人力成本，減輕了電磁頻譜相關工作人員的作業(yè)負擔，從真正意義上實現(xiàn)了對頻譜的自動化管理。

３ 結束語

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展以及自動化技術的更新迭代，傳統(tǒng)的電磁頻譜管理技術在實際應用過程中的弊端已經(jīng)日益凸顯，這嚴重制約了我國通信技術的發(fā)展。采用認知無線電技術對電磁頻譜進行管理，能夠有效地彌補傳統(tǒng)管理方式所帶來的不足。認知無線電技術具有優(yōu)異的重構能力和認知能力，能夠對電磁頻譜的異常反應做出快速準確的分析和判斷，并及時實施解決對策，保障通信的正常運轉與進行，進而實現(xiàn)頻譜資源智能化管理。這節(jié)省了人力、財力、物力，避免了頻譜資源的限制，提高了頻譜資源的使用效率。

參考文獻：

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［６］ 楊林超．無人機測控系統(tǒng)中干擾感知與頻譜資源管理技術［Ｊ］．電訊技術，２０２３，６３（２）：１８７?１９２．

［７］ 周莉，馬曉勇，武林，等．星載開關電源的電磁干擾抑制技術［Ｊ］．空間科學學報，２０２３，４３（5