分析认知无线电技术在电磁频谱管理中的运用

李 猛



分析认知无线电技术在电磁频谱管理中的运用

李 猛

海华电子企业（中国）有限公司，广东 广州 510656

现有的静态电磁频谱管理模式已经无法适应无线技术和无线服务的飞速发展，而且导致了已分配频谱使用率不高，频谱管理模式亟待改革。而认知无线电技术可以感知周围无线频谱环境，并且改变操作参数以更好地使用感知到的可用频谱。这种思想给未来的频谱管理带来了希望，基于认知无线电技术的频谱管理模式成为频谱管理部门的研究热点。

无线服务；无线技术；频谱管理模式

随着无线通信技术的飞速发展，频谱资源变得越来越紧张。在目前的频谱管理政策下，由于已授权频段被分配的用户给特定的业务，即使在某些时间该频段空闲，其他的用户也无权使用该频段，这造成频谱资源的巨大浪费。另一方面，采用固定频谱分配方式，也对不同区域、不同通信设备之间的互联互通造成障碍。因此，增强通信设备的灵活性、兼容性和互通性，提高频谱利用率成为国内外通信专家学者追求的目标[1]。

1 认知无线电的关键技术

认知无线电技术利用空闲的授权频段进行通信，必须保证不对主用户造成干扰，需要一系列技术的支持，主要包括频谱感知与探测、干扰评估与功率控制等关键技术。

1.1 频谱感知

频谱感知技术是实现认知无线电的基础和前提，为了不对主用户造成干扰，认知用户必须能够实时地监测无线环境中频谱的利用状况，搜寻和判定“频谱空洞”（Spectrum Hole），分析估计其特性，予以利用，同时将实时监测的结果反馈到发送端，为高层频谱管理和功率控制提供参数支持。

1.2 干扰评估与功率控制

2003年FCC提出干扰温度的概念用于量化和衡量干扰的程度，在认知无线电中，认知用户被当成是对主用户的干扰，当认知用户和噪声累积的干扰未超过主用户的干扰温度门限时，主用户可以正常通信，否则主用户的通信无法进行。对干扰温度的测量采用两种办法，一种是由接收端进行估计，反馈给发射端，以使发射端根据干扰的状态对功率做出调整；另一种办法就是在无线环境中部署大量的无线传感器，感知环境中通信设备的干扰温度。

2 CR网络的电磁频谱管理

2.1 CR网络电磁频谱管理的基本过程

CR网络是由CR用户组成的网络，区别于传统的授权网络。传统的静态频率分配方式不适用具有CR功能的网络。这是因为由于电磁环境不断变化，CR节点检测到的空闲频谱也不断在变化；另外由于形势、任务的变化，用户的需求也在变化，对空闲频谱的使用需求也就不相同。而且要实现完全自适应动态频谱分配还要打破传统政策、标准及接入协议的束缚。

基于CR技术的动态频谱管理Simon Haykin在给出其定义：频谱管理也叫频谱分配，在发射端实现，实时探测当前工作区域内的无线环境，根据探测的结果，对频谱资源进行分析和评价，确定时间和空间上可用频谱资源，并根据一定的规则对频谱资源进行共享和分配[2]。

2.2 CR网络的频谱管理与传统频谱管理网系

2.2.1 传统频谱管理网系

传统的电磁频谱管理网系一般包含频谱监测网、频谱探测网、用频装备检测系统、频谱管理数据库系统和电磁频谱管理指挥控制系统几个部分。频谱监测网是军事电磁频谱管理网系的支撑网络。主要完成对无线环境中电磁信号频谱特征参数（包括信号频率、频率误差、发射带宽、场强、调制度等参数）的测量、分析，并对非法电台和干扰源进行测向定位。频谱监测为频率指配、频率动态调整和制定无线电管制方案提供依据。准确、详实、及时的频谱监测数据是科学频谱管理的依据。电磁频谱监测网的数据信息通过综合信息网传输到电磁频谱管理指挥控制系统，供频谱管理机构分析与决策使用。

2.2.2 CR网络的频谱管理

对用频电子装备进行技术改造，使之集成CR功能，通过一定的组网方式，构成CR网络。各个节点通过CR的频谱感知技术监测本地电磁环境的变化，完成本地电磁环境感知，在本地网络中分发共享频谱感知信息，作为频谱管理的依据；并且能够通过CR干扰估测技术估计CR用户与授权用户之间的干扰，通过用户间的相互协商来避免它们之间干扰的发生；且根据一定的规则进行频谱管理，并通过学习与推理选择适宜的网络标准和运行机制，实现频谱管理的自适应性和智能化。各个具有CR功能的用频装备不再只是频谱分配、控制的对象，而且成为频谱监测网、频谱管理网的一部分，是完成电磁环境监测、频谱管理的最主要装备。用频装备网实现了频谱监测网和频谱管理网的功能，完成实时频谱监测、动态频谱管理和频谱使用的多重任务。基于CR技术的频谱管理模式与传统频谱管理模式相比具有以下几种优点：

（1）改变传统频谱管理网系中频谱管理网与用频装备网分离的现象，实现频谱管理网、频谱监测网与用频装备网三网合一，频谱分配能够适应任务与环境的变化。

（2）实现频谱管理方式的大变革。由传统的集中式静态或有限自适应频谱管理方式转变为动态、自适应的频谱管理方式。频谱管理不再是一项繁琐的系统工程，很少需要人的参与，实现完全的机器分配，自动化程度高。

（3）频谱分配的可靠性、适应性大幅增强。传统的静态频谱管理方式指配的频率不容随意更改，遇到突发事件难以处置，适应性差、抗干扰能力差。应用了CR技术的频谱管理网，用频装备单元通过干扰估计、功率控制等方式预防干扰的发生，并在受到干扰时能够通过频谱移动性管理迅速切换频率，保障通信的顺畅进行。

（4）频谱管理实现了网络化、智能化管理。传统的集中式静态频谱管理方式是一种自上而下的双向频谱管理过程，需要人的干预。事先需要对电子装备的技术参数进行统计，还要对电子装备所处的电磁环境信息进行统计分析，然后再结合需求情况进行集中的频谱规划与分配，自动化、智能化程度不高。而具备CR技术的频谱管理网络各个节点能够对所处电磁环境进行学习与推理，择机使用空闲频谱，通过共享环境感知信息，运行分配算法实现频谱的分配，并智能选择合适的网络标准，建立通信，整个过程不需要事先准备。从频谱感知到通信的建立，无不实现了网络化管理和智能化操作。

3 结语

认知无线电技术的提出，为解决日益增长的无线业务与有限的频谱之间的矛盾提供了解决的办法，为进一步提高通信设备的灵活性、增强无线设备的互通性开拓了思路。然而认知无线电技术正面临许多挑战，提出的频谱感知、频谱管理等许多关键性难题极需突破，认知无线电技术将会是未来通信领域的研究热点。

[1]席志红，晋野，李娅.认知无线电的频谱分配算法[J].应用科技，2010（2）:63.

[2]蒋永磊，胡宏林，易辉跃，芮赟.数字电视信号的频谱感知实测方案研究[J].中国科学技术大学学报，2010（1）:14.

Analysis of the Application of Cognitive Radio Technology in Electromagnetic Spectrum Management

Li Meng

HaiHua Electronics Enterprise（China）Corporation, Guangdong Guangzhou 510656

The existing static electromagnetic spectrum management model has been unable to adapt to the rapid development of wireless technology and wireless services, but also led to the allocation of spectrum is not high, the spectrum management model needs to be reformed.Cognitive radio technology can sense the surrounding radio spectrum environment and change the operating parameters to better use the perceived available spectrum.This idea brings hope to the future spectrum management, and the spectrum management mode based on cognitive radio technology becomes the research hotspot of spectrum management department.

wireless service; wireless technology; spectrum management mode

TN925

A

1009-6434（2017）04-0151-02