国外动态频谱技术发展现状及其对抗措施

杨会军，王　琦

(中国航天科工集团8511研究所，江苏 南京 210007)



国外动态频谱技术发展现状及其对抗措施

杨会军，王琦

(中国航天科工集团8511研究所，江苏 南京 210007)

摘要：分析了动态频谱技术原理及其面临的挑战，介绍了国外动态频谱技术研究现状，

提出了动态频谱技术的对抗措施。

关键词：动态频谱；认知无线电；对抗措施

0引言

传统的无线通信系统采用的是静态(固定)频谱分配政策，即授权用户(PU)对其频谱具有独占性，其他用户不允许使用。虽然这种频谱分配方式有利于保证系统的服务质量，但由于通信业务在地域、时域、频域上的不均衡性，频谱资源并没有得到充分利用。以美国为例，美国联邦通信委员会(FCC)的大量研究报告说明频谱的利用情况极不平衡，一些非授权频段占用拥挤，而有些授权频段则经常空闲[1]。而随着无线通信业务需求的快速增长，无线频谱资源显得日益缺乏。可用频谱资源稀缺及频谱利用效率低等问题使得一种全新的、优化使用频谱资源的无线通信模式变得十分必要。因此，基于认知无线电[2](CR)的动态频谱接入(DSA)技术应运而生，DSA是一种可以在一定频谱使用权限范围内动态地选择工作频谱，并利用在一定时域、空域和频域上出现的频谱空洞进行通信的无线电技术，该技术能有效提高战时频谱管理能力和通信网络的抗干扰能力，同时具有良好的保密及网络鲁棒性等优点。

本文介绍了国外动态频谱技术原理和发展现状，根据CR技术的特点，提出了动态频谱技术对抗措施。

1动态频谱技术的原理及挑战

1.1　动态频谱技术的原理

CR是未来军事通信发展的方向，DSA技术和多波形设计是CR的基础。CR技术由Mitola博士于1999年8月在IEEE Personal Communications杂志上明确提出。CR能够感知频谱环境和网络状态，实时改变功率、载频、调制方式、传输速率等工作参数，伺机接入当前空闲频谱，从而实现DSA。

图1为Mitola提出的认知循环[3]，该图给出了CR实体的工作流程、CR技术所涉及到的关键技术。

图1　Mitola提出的认知循环

与传统无线电相比，CR具备两大基本功能：认知功能和重配置功能。认知功能指获取或感知无线环境信息的能力；重配置功能是指根据无线环境的变化，在不改变硬件情况下调整工作参数的能力。非授权用户(SU)可以感知空闲频段，并在不影响该频段PU的情况下，实现频谱资源的动态利用，其关键技术[4]主要包括：

1)频谱感知：通过分析感兴趣的频段，找出可以被利用的频谱资源。单节点频谱感知由于阴影、多径等不利影响，性能难以满足要求且开销较大，目前主要研究方向为多节点协作感知[5-8]。

2)频谱决策：在获得可用频谱信息的基础上分析频谱特征，决策选取合适的频段，满足SU传输的QoS需求。频谱决策的研究主要优化公平性、通信开销以及切换次数等指标[9-10]。

3)频谱共享：主要解决多个用户之间不冲突地选择频谱以最大化频谱利用率的问题。频谱共享需要同时考虑公平性和高效性，采用动态频谱分配算法。

4)频谱切换：SU在当前使用的信道感知到PU出现或者信道质量严重下降时，切换到其他可用信道上继续通信．切换时要求快速、平稳执行，保证PU不受干扰，并且对SU的性能影响最小。

以CR为代表的DSA技术的出现，推动了频谱接入方式的变革。DSA技术是一种频谱应用策略，也就是在当前越来越复杂的背景频谱中，通过感知周边频谱资源，寻找可用频谱带宽来实现可靠通信的一种方法。由于可用频谱带宽不同，在信息带宽一定时，则要求设备具有灵活多变的波形进行实时匹配，以适应频谱带宽、信息带宽和信噪比等通信参数。DSA策略包括三种模型：动态排他使用模型、开放共享模型、分层接入模型，如图2所示。

1)动态排他使用模型

图2　DSA的分类[11]

动态专用模型维持当前的频谱授权专用政策，但引入分配灵活性来提高频谱效率。它包括两种方案：频谱产权和动态频谱分配。频谱所有权方案允许PU自由地交易或者出租其频段，利用经济和市场因素推动频谱资源的合理利用。动态频谱分配由欧洲DRiVE计划提出，主要应用在商业领域，是在特定时间和特定位置分配一段频段给某个无线网络专用，与静态频谱分配政策不同的是频谱分配周期大大加快。动态排他使用模型主要缺点在于它并不能完全消除和充分利用由于通信业务的突发性而产生的频谱空洞。

2)开放共享模型

开放共享模型亦称为频谱商品，它通过在对等用户间开放共享频谱来有效利用无线频谱资源，如工业、科学和医用频段的开放共享方式。开放共享模型的很多技术问题更接近传统的媒质接入控制问题，目前已有集中式频谱共享、分布式开放频谱共享等多种方案提出。集中式频谱共享利用集中控制单元控制频谱分配和接入过程[12]。网络中的每个分布式节点都把自己感知到的频谱信息汇聚到集中控制单元，由控制单元绘制出频谱分配映射图。而分布式频谱共享主要用于不能构建集中式基础设施的场合[13]。在这种情况下，每个分布式节点都参与频谱分配和竞争的过程。同时，频谱接入是由节点自身的策略决定的。博弈论是研究开放频谱共享模型的重要方法，在解决用户自私性和非合作性方面具有较大优势。

3)分层接入模型

分层接入模型的主要思想是在保证SU不会对PU造成干扰的前提下，PU对SU开放其频谱。这种模型一般包括两种实现机制：频谱衬垫和频谱填充。

频谱衬垫允许次用户与主用户共存于同一频段，但规定SU对PU接收机的干扰功率必须低于某一限值[14]。低功率的CR设备与高功率的无线广播共存于同一频段是一种典型的频谱衬垫应用实例。功率受限决定了衬垫系统多用于近距离传输，但衬垫方案具有不依赖于频谱感知的优点。

频谱填充早期以“频谱池”[3]概念提出，后被定义为机会频谱接入(OSA)。在OSA技术中，当PU不使用自己的频谱时，SU通过频谱检测手段发现时域和空域上出现的频谱空洞，SU在不干扰PU的前提下，动态的“借用”这些频谱空洞进行通信，从而和频谱PU共享频谱资源，提高频谱利用率。与频谱衬垫不同的是，填充方案对次用户的发射功率没有严格限制，但限制次用户的传输时间和传输空间。

1.2　动态频谱技术的挑战

SU要发掘可用的频谱机会，实现DSA，主要面临的挑战如下：①如何准确获得可用的频谱机会，使得SU利用这些频谱机会进行通信时不会对相应的PU造成有害干扰；②不同的非授权系统如何协调使用共同的可用空闲频谱；③如何高效的利用频谱机会，并且保证SU通信的QoS性能。

1)确定空闲频谱

为了保证SU不对PU造成有害干扰，SU需要准确确定可用的频谱机会，这是非常具有挑战性的问题。不同类型的PU具有不同的感知灵敏度和感知速度要求。通常，SU发射机的感知灵敏度必须高于PU的接收机，以便降低DSA中的隐藏终端问题所带来的负面影响。FCC提出了三种感知电视频段的方案，包括：①通过被动频谱感知确定电视信号是否存在，如匹配滤波检测、循环平稳特征检测和能量检测，也称为“先感知后通信”原则；②通过GPS或其他技术(例如数据库)的协助，基于地理信息确定SU附近是否存在PU信号；③采用PU的传输帧标明附近的可用空闲频谱。

2)系统共存

在DSA系统中，SU必须和PU以及其它SU很好地共存，从而使得SU和PU之间，以及不同的SU之间避免有害干扰。通常将SU和PU的共存称为纵向共存，将不同的SU的共存称为横向共存。这两种共存都要求SU能够确定可用的空闲频谱。

纵向共存不但避免了耗时长、花费大的频谱授权过程，而且避免了给新的无线业务重新分配频谱。尽管SU可以通过DSA与PU共享频谱，同时不对PU造成有害干扰，而且PU原有的系统结构也不需要进行任何改动，但是，PU可以协助SU获得可用的空闲频谱。具体的协助方法包括：①PU主动发送数据帧，通知非授权频谱是否可以进行频谱接入；②SU通过授权频谱利用数据库预测PU对频谱的使用模式。

在横向共存模式下，SU之间通过协调共享可用的空闲频谱。为了实现可持续地利用频谱，SU需要一系列相互兼容的频谱接入规则和协议，减少SU之间的有害干扰，提高空闲频谱的利用率，并保证SU共享频谱的公平性。

3)确保SU的QoS性能

DSA系统面临两个相互矛盾的需求：确保SU的QoS性能，以及确保对PU有足够的保护。为了保证感知结果可靠，SU必须周期的进行频谱感知，在频谱感知时，所有SU都不能发送信息，这样就中断了SU的正常通信，影响SU的QoS性能。

2国外动态频谱技术研究现状

1)美国下一代(XG)无线通信计划

美国国防高级研究计划局(DARPA)资助的下一代(XG)无线通信计划主要对DSA网络进行研究。XG网络利用DSA技术给移动的用户提供宽频带接入，通过OSA以提高频谱利用效率，并且不对已有PU带来有害干扰。因此，XG网中的无线电电台应具备频谱感知、频谱管理、频谱转移和频谱共享的功能。

2006年8月SSC公司和DARPA在弗吉尼亚州的堡马士基山进行了XG网络实测，测试结果表明XG系统在对PU干扰限制、DSA范围、网络接入时间等关键指标上达到了设计要求[15]。XG网络可在225～600MHz的频段上检测PU无线电信号，并在未被占用的信道上运行。这次实验是DSA技术的一次成功实证，它表明XG系统没有给其他用户造成有害干扰，还能有效地使用频谱资源，并且可以有效地组网。2007年，在都柏林DySPAN国际会议上，SSC演示了该公司研发的XG无线电系统。演示突出地显示出该系统检测频谱机会，遵从政策要求以及与其他XG节点组网的能力。目前，XG计划已进入到第三阶段，SSC和Harris公司进行合作，将前者的DSA技术应用于后者研发的Falcon III军用电台，目的在于战胜日益增长的无线通信带宽需求和干扰带给军事通信的挑战。这标志着XG技术即将进入实用阶段。

2)IEEE 802.22标准

2004年11月，基于CR的无线标准IEEE802.22工作组成立，该工作组旨在开发一种基于CR的点到多点的无线区域接入网(WRAN)空中接口标准。该标准应用于54～862MHz的广播电视频段，支持18～24Mb/s的比特速率，并规定IEEE 802.22系统在4W的CPE有效辐射功率下的覆盖范围为33km。一个IEEE 802.22系统必须由一个基站(BS)和至少一个CPE构成，由BS管理CPE，并通过空中接口进行通信。目前，IEEE 802.22草案标准处于第二版本草案的制定阶段。

IEEE 802.22是第一个商用的CR标准，该标准定义的通信设备拥有DSA、动态频谱共享和动态频谱多信道接入三个方面的功能。其中，DSA采用是典型的OSA方式，通信设备需要灵活、自适应地对PU进行感知，并机会式地利用频谱空洞进行接入；动态频谱共享属于开放共享模型，其通信设备必须能感知到其它具有相似接入权利的CR网络，并与之共存；动态频谱多信道接入要求通信设备必须具有灵活性，能利用多个并行信道进行无缝运行。IEEE802.22标准支持两种动态频谱多信道接入方案，分别是动态信道绑定和动态信道集合。

3)欧洲E3(端到端效率)项目

2006年12月欧盟议会正式批准启动欧共体研究与技术发展第七框架计划(FP7)，FP7计划中的E3(端到端效率)项目将动态频谱分配策略纳入了该项目的研究范围。该项目旨在将CR技术整合到B3G体系结构中，使目前的异构无线通信系统基础设施演进到一个整合的、可伸缩的和管理高效的B3G认知系统框架。

为了克服未来通信环境的复杂性，E3项目制定的主要目标之一是设计一种CR系统，它具备探测并重新配置网络的能力以及对动态环境的自适应能力。该项目已着手研究基于自动分布式决策的无线电资源管理(RRM)和动态频谱分配策略。其分布式决策功能需要相应的网络环境信息以及优化约束条件(在合作情况下)。为此，定义了一种携带各种信息的认知导频信道(CPC)，从而能使网络终端和用户设备获得上述信息，当CPC不可得时，系统就必须依赖检测手段。在这些信息的基础上，通过RRM和动态频谱分配可以进行基于分布式的链路优化，达到改善链路可靠性和收敛特性的目的。

3动态频谱技术对抗措施

类似于CR，认知电子战采用基于动态知识库的“感知→识别→决策→行动→感知”的闭环处理过程，具有感知环境、适应新威胁、避免自扰、波形多变、协同工作、多层攻击(包括物理层、控制层、用户层)、自主学习等能力。CR技术可以用认知循环来描述CR体系结构，主要包括频谱认知、频谱决策和频谱重构三个环节，因此，认知电子战可以分别对CR的三个环节实施干扰，即认知干扰、决策干扰和重构干扰。

1)认知环节干扰。对认知环节实施拦阻式干扰，在某一给定频段上同时施放干扰信号，对该频段上的所有信道进行全面压制，给敌方认知系统造成一种频谱空洞稀缺或不存在的认识，从而无法实施频谱决策与重构，阻断SU通信。拦阻式干扰根据其频谱形式可以分为宽带噪声拦阻式干扰、宽带扫频拦阻式干扰和离散梳状谱拦阻式干扰。

2)决策环节干扰。在敌方系统工作的频带范围内划出一大部分并对该范围内的频谱空洞采取宽带拦阻式干扰，缩小敌方频谱空洞的分布范围。这时，敌方频谱空洞只可能存在于剩余较小的频带范围内，这些频谱空洞被敌方认知系统发现并用于通信的概率很大，称为频谱陷阱。在频谱陷阱内侦收敌方通信信号，获取决策机制、信号参数等，对通信系统实施产生式欺骗干扰，构造虚假环境，使得敌方认知系统学习虚假环境后做出错误的决策导致无法正常通信。

3)重构环节干扰。重构的关键在于通信双方信息的交互，只要能够通过干扰使得交互失败或错误交互都可以使认知系统的端到端重配置功能失效，达到攻击目的。对重构环节实施转发式干扰，该干扰利用信号在空间传播的特性，将收到的通信信号进行人为延迟，再将信号发射出去，从而使对码同步要求严格的接收机收到两个完全相同的信号后产生误判，或者使接收机判断信号的真实性而耗费时间、运算量、存储量大等。

4结束语

动态频谱技术为提高频谱利用率、解决频谱资源稀缺提供了一种有效途径。本文介绍了动态频谱技术原理及发展现状，针对CR认知循环中的频谱认知、频谱决策和频谱重构三个环节，提出了动态频谱技术对抗措施。■

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Foreign development status of dynamic spectrum technique

and its countermeasures

Yang Huijun， Wang Qi

(No. 8511 Research Institute of CASIC，Nanjing 210007，Jiangsu，China)

Abstract：The principle and challenge of dynamic spectrum technique are analyzed. The foreign development status of dynamic spectrum is introduced. The countermeasures of dynamic spectrum are put forward.

Key words：dynamic spectrum;cognitive radio;countermeasure

中图分类号：TN97

文献标识码：A

作者简介：杨会军(1979-)，男，高工，博士，主要从事电子对抗技术研究。

收稿日期：2015-05-19；2015-11-11修回。