认知无线电技术在短波综合通信系统中的应用展望

张剑锋　王峥

摘要：认知无线电是软件无线电向更高阶段的发展，对保证复杂电磁环境下的通信效能具有重要作用。本文首先介绍了认知无线电的基本概念和发展情况，分析了认知通信系统的组成架构，对认知无线电的关键部件认知引擎进行了阐述。然后，结合短波综合通信系统的设备现状及使用情况，对认知无线电技术在短波综合通信系统上的应用前景进行了展望。

关键词：认知无线电；频谱感知；认知引擎；短波综合通信系统

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）23-0043-03

在信息化战争时代，电磁信号源的急剧增多以及作战双方干扰、抗干扰的对抗，对整个战场通信环境带来了两个不利影响：1）常用频段的极端拥挤，可用频率资源减少。2）电磁环境的急剧恶化，包括干扰在内的各种无用频率信号使通信变得更加困难。这就和信息化战争条件下大容量、可靠的通信需求产生了尖锐的矛盾。

因此，如何解决因频率资源紧张和频谱环境恶化而带来的通信效能下降的问题，已经成为一种迫在眉睫的需求。认知无线电技术（Cognitive Radio，CR）[1]是解决上述问题的有效方法。认知无线电可以感知周围的频率、时间和空间等特征，对环境、位置、信道、网络、协议、用户以及设备本身的内部结构进行推理，实时调整传输参数，实现信息的高效可靠传输，是一种智能化的无线通信技术。

1 认知无线电的概念和发展

1999年“软件无线电之父”J.Mitola博士首次提出了认知无线电的概念并系统地阐述了CR的基本原理。此后，经过多年的研究，目前普遍认为CR应该具备以下3个主要特征：

1）感知能力.感知能力使CR能够感知其外部频谱环境信息，发现空闲的频谱资源或干扰信号，寻找合适的信道，这是CR工作的前提。

2）推理和学习能力.推理和学习能力使CR能够根据感知到的外界电磁环境和自身的状况，同时结合过往的工作数据，得出当前的最佳通信参数的能力，这是CR工作的核心。

3）重构能力.重构能力使得CR设备可以根据推理结果对设备的各种参数进行重设置的能力。可以重构的参数包括：频率、发射功率、调制和编码方式、通信协议等。一个常见的CR设备工作流程如图 1所示：

如图1所示，CR设备的工作过程一般分为以下三个阶段：1）认知阶段：系统感知外界的电磁频谱环境；2）决策阶段：根据感知到的外界电磁环境和已有的知识经验，经过运算推理，得出最适合当前环境的通信参数；3）重构阶段：根据决策结果对系统进行参数加载或配置，继续通信。

感知、决策、重构这三个阶段不断的循环，构成了CR设备工作的全过程。

此外，由于认知无线电的特点，人们迅速发现认知无线电技术具有重要的军事意义，越来越多的国家将此作为研究的焦点，其中以美国的DARPA（Defense Advance Research Products Agency，国防高级计划研究局）的XG项目最为典型。从2003年开始，XG以CR技术为核心，着眼于开发认知无线电的实际标准和动态频谱管理标准，采用软件无线电技术来实现最大限度的时域、频域和空间等信息的利用，并称其论证的频谱效率可使目前的频谱利用率提高10～20倍。此外，由于认知无线电能够主动感知战场电磁环境并对接收信号进行识别，因此可以一边进行电磁频谱侦察，一边快速释放或躲避干扰，实现传统无线通信设备所不具备的电子对抗功能【2】。

2 认知无线电的体系架构

2.1 认知无线电和软件无线电的关系

上世纪90年代早期，J.Mitola提出了软件无线电（Software DefinedRadios，SDR）的概念。软件无线电的核心思想是将A/D和D/A尽可能靠近天线，使尽可能多的通信功能用软件定义，以达到根据用户需求随时调整通信参数和进行系统重构的目的。在1999年的论文中，Mitola又提出了认知无线电的概念，认知无线电使得软件无线电中的参数调整和重构不再是单纯以用户需求为输入，而是结合了用户需求和电磁环境，智能化的做出调整，使通信参数不仅与需求相适应，而且能够与环境相匹配。因此，认知无线电是软件无线电向更高阶段的发展，不仅包括信号处理和系统重构，还包括根据相应的任务、规则和环境进行推理得出系统重构依据的高级活动。所以，从这个层面上看，认知无线电是智能化的软件无线电【3】。

2.2 基于软件无线电的认知无线电架构

认知无线电作为智能化的软件无线电，具有软件无线电的所有特征。但是，认知无线电和单纯的软件无线电又有所不同，认知无线电必须具备感知周围电磁频谱环境的能力，必须具备学习和推理的能力。因此，认知无线电的架构应该比软件无线电更复杂。

按照对认知无线电特征的理解，通常情况下，认知无线电系统应该由软件无线电系统、频谱感知单元、认知引擎【4】3部分组成，架构如图 2所示。

图2中，频谱感知单元是一般软件无线电系统所不具备的部分，它的主要功能就是感知外界电磁环境，经过特征提取后将感知结果反馈到认知引擎。

软件无线电系统是完成系统通信功能的部分，它接受认知引擎的控制，按照认知引擎的要求进行参数的调整和系统的重构。

认知引擎是在软件无线电平台上实现基于人工智能技术的推理与学习，实现并驱动整个认知环路，实现认知功能的核心部件。可以说，认知引擎是CR的“大脑”。

2.3 认知引擎

认知引擎是认知无线电的核心部件，通常情况下，认知引擎由学习机、推理机、知识库、认知控制器等几部分组成，其架构如图3所示。

由图3可以看出，认知引擎包含认知控制器、知识库、学习机、推理机以及三个主要的对外接口。1）认知控制器：认知控制器协调控制认知的全过程，接口的输入输出也由认知控制器控制。2）知识库：知识库存储各种先验知识、认知结果和规则。3）学习机：学习机对用户输入的规则、频谱感知得到的环境参数、知识库中的先验知识进行分析、融合，对推理机的推理结果进行比较优化。4）推理机：推理机根据学习机的学习结果和知识库中的先验知识进行推理，得到的推理结果通过无线控制接口控制无线通信波形的重构。5）三个对外接口分别是：认知用户接口：用户通过该接口输入需求及规则；无线感知接口：接收感知信号处理的结果；无线波形控制接口：认知引擎通过该接口控制无线通信波形的重构。

3 短波综合通信系统现状

短波综合通信系统主要装备地面固定通信台站或者大型水面船只，完成多方通信保障任务。因此短波综合通信系统需要具备同时开通多路短波信道的能力，多路收信道可以使用多路耦合器实现天线复用。短波综合通信系统的配置如图4所示。

由图4可以看出，短波综合通信系统是由一个个独立的收信和发信通道组成，收发通道数量可以根据用户需求配置。收信和发信通道都接受控制管理系统的统一控制，协同工作。

在通信参数的选择上，主要依据先验经验进行预先规划或通过频管系统，选择相应参数进行通信。而由于短波信道的时变性，这种预先规划通信带有较大的不可靠性，在激烈对抗的情况下，电磁环境更为复杂不可靠的情况则更为明显，这就给用户普遍造成了“短波通信不好用”的印象。因此，如何改变这一现象，降低短波通信对人工干预的依赖，提高通信的可靠性，就成为当前短波通信系统应用中的一个焦点问题，而认知无线电给我们提供了一个很好的思路。

4 在短波综合通信系统应用认知无线电技术的构想

由短波通信的特点可知，影响短波通信的因素主要有两个：1）本地的电磁环境，直接影响接收效果；2）通信时的电离层特性，影响天波通信信号，是造成天波通信时衰落、多径等现象的主要原因。这两个因素都随时间及外界环境变化（包括敌方干扰）而变化，没有客观规律可循，因此，对短波通信产生了较大的影响。

短波综合通信系统是一个多发多收的系统，具有数量众多的收发信道。而通常情况下，除了少数信道一直处于工作状态，执行值守任务外，其余的信道，都处于空闲或值守状态。因此，这部分信道完全可以被利用起来，用来实现认知无线电功能，提高短波通信效能。

在具体措施上，空闲收信道可以被当做频谱感知单元使用，对本地频谱进行实时感知，多个收信道联动，可以实现对全频段的快速扫描感知，寻找本地接收效果较好的频点。也可以和通信对端配合，在情况允许的条件下通过主动发射探测信号并接收分析，对电离层情况进行判断，寻找较好的天波通信频点。两者结合，可以得到本地接收条件较好的地波通信频点以及电离层条件较好的天波通信频点，共同组成一个实时更新的频率池，供短波综合通信系统备用。如短波综合通信系统的通信情况发生恶化至必须更改通信频点，就可以从频率池中选择合适频点恢复通信。整个过程如图5所示：

5 在短波综合通信系统应用认知无线电技术的展望

在短波综合通信系统中应用认知无线电技术，可以在很大程度上提高短波通信的可通率和抗干扰能力，在理论上和技术上都是可行的，有较大的应用价值。但是，要想付诸实际，还存在一些问题需要解决。

1）在现有系统中加装认知引擎。可以依托于现有的控制管理系统实现，也可以外挂在现有的控制管理系统上，通过控制管理系统和收发信机间的控制接口实现对感知信息的传递及对收发信道的控制。2）全频段的快速频谱感知。全频段的感知速度受限于射频前段的带宽、收信机换频速度以及数字信号处理的能力。现阶段可以多个收信机合并分段扫描处理的方法提高速度。后续也可以研制更大带宽、换频更快的收信机。并且，对短波频段来说，实现对2MHz～30MHz全频段的直接数字化是完全可能的，而数字信号处理的能力可以采用硬件资源堆叠的方法实现。3）通信波形的升级，增加与认知引擎接口，针对认知通信流程做适应性改造。4）设计高可靠波形用作勤务波形，保证通信双方的基本沟通，勤务波形要求在信道条件极差的情况保证最低限度的通信。

当然，想在现有短波综合通信系统上实现认知无线电的技术，需要解决的问题还有很多，以上只是部分问题和初步的解决思路。从技术上看来，这些问题都是可以得到解决的，认知无线电技术在现有的短波综合通信系统上的应用完全可以成为现实。

6 结束语

短波通信作为保障远程通信的主要手段之一，在通信领域有着极其重要的地位。但是，长期以来，由于短波通信所固有的选频难的特点，短波通不上、通不好的现象时有发生。并且，随着电子信息装备数量的增多，共址电磁环境急剧恶化，也使得短波通信的效能进一步下降。为了改善短波通信的现状，人们进行了种种努力，但都不够理想。因为这些手段都缺乏实时感知当前频谱情况的手段，也没有根据当前情况和历史经验进行学习和推理的能力。

认知无线电技术作为一种全新的通信技术，能够实时感知周边电磁频谱环境，经过学习和推理，实时调整通信参数，并不断改进系统性能，有效提高通信设备的通信效能及抗干扰能力，恰恰弥补了短波通信的缺点。因此，在短波综合通信系统中应用认知无线电技术，必将能够大幅提升短波通信的效果，使短波这一古老的通信手段焕发新的青春和活力。

参考文献：

[1] J.Mitola. Cognitive Radio：An Integrated Agent Architecture for Software Defined Radio， Ph.D.Dissertation， Royal Institute of Technology， 2O00.

[2] 赵陆文， 周志杰， 缪志敏等. 浅析认知无线电在军事通信中的应用[J]. 无线通信技术， 2007（4）.

[3] 杨小牛. 从软件无线电到认知无线电，走向终极无线电[J]. 中国电子科学研究院学报， 2007（1）.

[4] 刘先锋， 刘勤. 基于SCA的 认知无线电台结构研究[J]. 无线通信技术， 2008（4）.