基于认知无线电的通信抗干扰应用研究

余鹏

摘 要：认知无线电（Cognitive Radio，CR）技术的提出，为解决不断增长的无线通信应用需求与日益紧张的无线频谱资源之间的矛盾提供了一种有效的解决途径。介绍了认知无线电的基本概念和关键技术，重点分析了认知无线电在通信抗干扰中的应用策略及其优势，对促进通信对抗装备的快速发展具有积极意义。

关键词：认知无线电；智能频谱共享技术；频谱感知技术；无线通信

中图分类号：TN92 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.15.012

文章编号：2095-6835（2015）15-0012-02

认知无线电（CR）作为一种智能频谱共享技术，能依靠人工智能感知无线通信环境，根据一定的学习和决策算法实时、自适应地改变系统工作参数，动态检测和有效利用空闲频谱，理论上允许在时间、频率和空间上进行多维的频谱复用。近年来，通过国内外认知无线电的军事应用情况表明，该技术不仅为解决频谱利用率低的问题提供了有效的解决途径，还给电子对抗带来了新的挑战和机遇，必将促进通信对抗装备的快速发展。

1 认知无线电的基本概念

自1999年“软件无线电之父”Joseph Mitola博士首次提出认知无线电的概念并系统地阐述了其基本原理以来，不同的机构和学者从不同的角度给出了认知无线电的定义。其中，比较有代表性的包括FCC和著名学者Sirnon Haykin教授的定义。FCC认为，认知无线电是能基于对其工作环境的交互改变发射机参数的无线电；Simon Haykin从信号处理的角度出发，认为认知无线电是一个智能无线通信系统，它能感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，通过实时改变某些操作参数（传输功率、载波频率和调制技术等），使其内部状态适应接收到的无线信号的统计性变化，以达到任何时间、任何地点的高可靠通信和对频谱资源的有效利用的目的。

2 认知无线电的主要技术特点

认知无线电的关键技术包括频谱感知检测技术、自适应传输技术、频谱资源管理技术（包括频谱分析和决定等），这些关键技术构成了CR技术体系框架，决定了CR的技术特点。认知无线电的无线电通信系统不在固定的频段上工作，能自动搜索合适的频段并在该频段上通信，具有环境感知和传输参数自适应修改的功能。通过对环境的理解，实时改变和调整其内部状态，以适应外部无线环境的变化，从而实现频谱共享，动态地增加或减少网络和个人用户的可用频谱总数，为频谱分配提供可行的解决方案。基于CR的通信网络，基本的通信运行流程如图1所示。通信节点通过环境感知模块感知周围环境的频谱信息，通过误码监测获得通信质量信息；通过认知信息的获取、传递、综合分析、决策处理确定通信频率、速率和波形等通信参数即变策略，并形成信令传递到各节点，实现通信网络的自适应调整。

图1 基于CR的通信网络的基本通信运行流程

3 认知无线电的关键技术

根据认知无线电的定义和特点分析，对应于认知无线电的整个工作过程，感知无线电的关键技术主要包括3个方面，即频谱感知检测技术、自适应传输技术和频谱资源管理技术（包括频谱分析和决定等），这些关键技术构成了认知无线电的核心功能。在基本的感知周期中，认知无线电系统通过对其所处的无线电环境的观察，将了解的环境情况作为频谱感知检测部分的输入信息，通过频谱感知检测功能获得频谱空洞信息，它是空域、时域和频域中出现的可以被利用的频谱资源，同时，将频谱空洞信息提供给频谱分析和频谱决定部分。认知无线电能感知、适应和学习周围的电磁环境，发现频率空洞，熟知无线信号的特征，并合理利用这些结果，即频谱感知技术，这是认知无线电区别于其他无线电的根本所在。所谓“频率空洞”，是指被分配给某授权用户，但在特定时间和具体位置下该用户并没有使用的颇带。

4 基于认知无线电的军事通信抗干扰策略

从上述对认知无线电基本概念、特征和关键技术的分析可知，有希望将认知无线电技术应用到军事通信抗干扰中。通信干扰方式一般有瞄准式干扰、阻塞式干扰和扫描式干扰三种形式，这些干扰的前提是必须使通信方能接收到信号，且具有足够的信号强度。虽然认知无线电的频谱感知检测能力主要是用来发现频谱空洞的，但这也是建立在分析目标频段并检测其他被占频谱的基础上的。通过对工作频谱区域进行感知和分析，按照频谱池的思想（如图2所示），将干扰信号所在的频点或频段划分进黑色区域，将没有干扰或低干扰的频段分别划进白色区域和灰色区域，就可在白色或灰色区域内选择工作频率，从而有效避开干扰。

图2 频谱池示意图

此外，由于认知无线电具有位置感知能力，因此，可将位置感知技术与数字波束形成技术相结合，这样可使认知无线电的辐射模式沿接收方向扩展，不仅能降低发射功率，还可有效降低认知无线电与其他用户之间的干扰，提高认知无线电的抗截获能力。最不利的情况是，认知无线电台工作时受到了敌意的干扰。此时，可通过认知无线电节点对其自身的发射参数（功率、调制方式、编码方式和频率等）进行调整，可通过认知无线电的可重构能力实现。通过分析可知，具有频谱感知能力的认知无线电完全能通过感知无线环境来检测敌方的干扰，同时，借助于可重构能力自动对认知无线电节点自身的发射参数进行调整。因此，具备感知能力和重构能力的认知无线电用于军事通信抗干扰具有理论上的可行性。

5 结论

近年来，认知无线电技术的军事应用得到了快速发展。然而，它还面临诸多挑战，还需要解决许多问题，比如设计并实现符合军用标准、适用于战场电磁环境的认知无线电台和如何使认知无线电网络更加智能化、更符合军事通信的特点和要求。

参考文献

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[3]王忠思，黄辉，于爽.认知无线电技术及其在军事通信上的应用[J].四川兵工学报，2009，30（7）.

〔编辑：张思楠〕