认知无线电军事应用研究

李玲玲　龙海英

【摘 要】认知无线电是以软件无线电为基础的一种智能无线通信系统，它能自适应周围环境的变化，动态识别未被占用的合法频谱，在空闲频谱上传输信号且不会对合法用户造成有害干扰。本文介绍了认知无线电的定义和特点，分析了认知无线电的关键技术，给出了认知无线电在军事通信领域的应用优势。

【关键词】认知无线电；频谱感知；频谱分配

【Abstract】Cognitive radio is an intelligent wireless communication system based on soft ware radio， it can adapt to the environment and dynamically identify unoccupied licensed spectrum， and operate on the idle spectrum without causing harmful interference to licensed users. Firstly， this thesis explicates the correlative concept and characteristic of cognitive radio. Then， related key technologies are discussed. Finally， this paper analyzes the application advantage of cognitive radio in the military communication field.

【Key words】Cognitive radio；Spectrum Sensing；Spectrum Allocation

0 引言

认知无线电（Cognitive Radio，简称CR）通过感知周围无线环境，智能调整工作参数，在保证授权用户信号有效传输的前提下，多角度（时间、频率和空间）利用空闲频谱进行通信，从而有效地解决频谱资源紧张，频谱利用率不高和频谱分配方式不灵活性的问题。

1 认知无线电的定义和特点

1.1 认知无线电的定义

Joseph Mitola首先提出了CR[1]的概念，他把CR定义为一种能够通过学习不断感知无线环境，并通过自适应调整自身内部的通信机理来适应无线环境的变化的无线通信技术。

S.Haykin在J.Mitola的认知循环基础上提出了“认知圈”（Cognitive cycle）架构[2]，定义CR系统是由频谱感知、频谱分析和频谱决策三个基本部分构成的具有环境适应能力的智能系统，如图1所示。

1.2 认知无线电的特点

CR有两个主要特点：认知能力和重配置能力。

认知能力是指CR能够从其工作的无线环境中感知信息，捕获频谱空穴（Frequency Hole），找出目标频段在空间和时间上的变化，适时接入目标频段，并且避免对其他用户产生干扰。

重配置能力使得CR设备可以灵活、智能地根据无线环境动态编程，根据当前无线环境的变化，选择最佳的传输参数（工作频谱、调制方式、传输功率等）或接入技术。

2 认知无线电的关键技术

2.1 频谱感知技术

频谱感知主要是发现在时域、频域、空域上的频谱空穴，使用最合适的无线资源（包括频率、调制方式、发射功率等）完成无线传输。一般而言，频谱感知技术可以归纳为发射机检测、合作检测和基于干扰的检测。

2.1.1 发射机检测

其中，x（t）为非授权用户接收到的信号，s（t）为授权用户发送的信号，n（t）为加性白高斯噪声，h（t）为信道增益，*为卷积；H0表示频段空闲；H1表示频段被授权用户占用。

发射机检测的步骤就是在某种映射条件下对接收信号进行处理，从噪声背景中提取信号所携带的信息，根据特定的检测估计准则，判断某一频段上是否有授权用户存在。

2.1.2 基于干扰的检测

FCC提出了一种新的量化和管理干扰源的模型——干扰温度模型[4]，该模型不仅可以控制发射机的发射功率，还能对所使用的频段进行调节。这意味着原本属于发射机内的干扰问题现在转移到了发射机和接收机之间的以自适应方式进行的实时性交互活动。

如图2所示，如果非授权用户想要与授权用户共享同一频谱，那么授权用户的射频干扰就必须在所设定的干扰温度门限以下。否则，非授权用户必须通过调整自己的发射功率、调制方式等参数来避免对授权用户的干扰超过干扰温度门限。

2.1.3 合作检测

合作检测[5]可以分为中心式检测和分布式检测两种。中心式检测中，存在一个中心节点，用于接收来自分散非授权用户的感知情况，并且融合所有用户的感知信息，给出最终的感知结果；分布式检测没有专门的数据融合中心，每个非授权用户都作为数据融合中心，多个非授权用户一起检测目标频段，并将信息进行交互，共享信息后一同确定频谱使用情况后再做出判决。

2.2 频谱管理技术

频谱分析和频谱判决是频谱管理技术中两个主要功能[6]。频谱分析是在频谱感知的基础上，收集不同时间段内可用频谱空穴的不同频谱特征，在一定宽度的时域、空域、频域内对频谱空穴特征进行分析刻画，使CR做出最符合非授权用户要求的判决，以保证频谱的合理分配。频谱判决就是在频谱分析的基础上根据用户的需求和频谱特性为用户选择最合适的工作频段，此外还要综合考虑频谱使用的公平性和代价。

2.3 动态频谱分配

目前，基于CR的动态频谱分配的研究主要基于频谱池及博弈论策略[7]。频谱池策略的主要思想是：它将一部分分配给不同业务的频谱合成一个公共的频谱池，并将整个频谱池划分出若干个子信道，未授权用户可以在不对授权用户产生干扰的情况下临时占用空闲信道；博弈论策略的基本思想是把反映非授权用户交互过程的周期映射为一个博弈模型，从而有效地分析动态频谱分配问题。

3 认知无线电在军事领域的应用

军用认知无线电（Military Cognitive Radio，简称MCR）是—种能够感知当前军事无线环境，通过对环境的理解和学习。实时调整其内部配置，以适应外部战场环境变化的技术。

3.1 军用认知无线电抗干扰策略

军事通信中的抗干扰，主要是指抗敌方人为干扰。常见的敌方干扰方式有瞄准式干扰、阻塞式干扰和扫描式干扰三种，这些干扰有效的前提是接收方能接收到足够的信号强度。MCR通过对工作频谱的感知，将干扰信号所在的频段划分在门限以上，将没有干扰或低干扰的频段划在门限以下，这样就可以在门限下选择工作频段，从而避开干扰。

3.2 军用认知无线电频谱管理

MCR频谱管理的频谱共享和分配模型，应根据作战区域和作战任务的不同而分别建模。在大规模、多兵种联合作战时，采取集中式、基于合作的频谱共享模式，这种模式既保证了高层指挥体系的正常通信，又使低层通信的资源使用最大化。在小规模作战时采取分布式、非合作的频谱共享模式，可以充分发挥小规模部队机动性、灵活性的优势，并解决频谱划分时使用的多、受限多的问题。

3.3 军用认知无线电电子对抗

MCR通过感知战场电磁频谱特性，能提取出干扰信号的特征，快速、准确地进行敌我识别。同时进行电磁频谱侦察、快速躲避干扰，从而大大提高电子对抗效率。当敌方采用扫频式干扰时，可采用更换频率集的对抗策略；当敌方采用跟踪式干扰时，可采用变速跳频的对抗策略；当敌方采用分布式干扰时，可将不同通信节点对干扰信号的感知结果进行分析汇总，进而重构出敌方的干扰分布，采取转发、协同通信等对抗策略。

3.4 军用认知无线电面临的挑战

（1）软件技术的研究和实现

需要针对各种可能的战场环境研究出相应的软件处理算法，然后装订到以软件无线电为平台的军用终端上。

（2）认知无线电装备和现有装备的融合

为了使CR技术在战场环境中起到应有的效果，就必须对各型装备的运行条件和参数进行采集，使CR装备能覆盖我军现役通信装备的绝大部分频段、调制方式以及跳频方式等。

（3）军用认知无线电终端的研制

作为CR终端的硬件部分，射频前端电路是制约CR终端发展的因素之一。随着通信和半导体技术的发展，高性能、快切换、软件化的射频终端将会应用于MCR。

4 结论

本文首先介绍了认知无线电的定义和特点，然后详细阐述了认知无线电的关键技术：频谱感知技术、频谱管理技术、动态频谱分配技术，最后通过分析认知无线电在军事领域的应用，提出了军用认知无线电面临的挑战。

【参考文献】

[1]Mitola J.and Maguire G.Q.，Cognitive radio：making software radios more personal[J].IEEE Pers.Comm.，1999，6（4）：13-18.

[2]Haykin S.，Cognitive radio：brain-empowered wireless communications[J].IEEE Journal onSelected Areas in Communications，Feb.2005，23（2）：201-220.

[3]Kay S.M.，Fundamentals of Statistical Signal Processing：Estimation and Detection Theory[M].Prentice-Hall，February 6，1998，Vol.2，chapter 3.

[4]Shellhammer S.J.，Shankar S.N，Tandra R.and Tomcik J.，Performance ofPower Detector SensorsOf DTV Signals in IEEE 802.22 WRANS[C].First International Workshop on Technology andPolicy for Accessing Spectrum，Boston，MA，USA，Aug.2006：1-9.

[5]Ganesan G.Li Y.G.Cooperative spectrum sensing in cognitive radio networks[C].IEEEProceeding of DySPAN 2005，Baltimore，USA：137-143.

[6]WildB，RamchandranK.Detecting Primary recivers for cognitive radio applications in：Proc.IEEE DySPAN2005，2005：124-130.

[7]Z.Ji，and K.J.Ray Liu，Dynamic Spectrum Sharing：A Game Theoretical Overview[M].IEEE Communication Magazine，May，2007：88-94.

[责任编辑：曹明明]