GNUradio的认知无线电在移动通信中的应用

李 婷

(福州理工学院 信息工程系，福州 350500)

1 认知无线电关键技术

Mitola提出的概念模型主要包括软件和硬件两部分。软件主要包括基础软件和智能软件；硬件包括天线、用户接口、射频前端、调制解调器等，如图1所示。天线满足了无线电信号接收和发射需求，射频前端实现了无线电信号的放大、必要转换需求，调制解调器满足了收发信号调制解调、信号均衡需求，基带处理模块满足了网络协议、网络控制、网络兼容需求，用户接口满足了接口服务需求，实现自动推理目的，满足用户需求，提高个人通讯服务质量。通过分析可知，射频信号探测、接收过程主要包括三个流程：第一，利用频谱感知检测技术对空间内的环境、无线电占用情况进行检测；第二，基于目标任务和周围环境，采用动态频谱管理对最佳使用频率、输出信号等进行计算，确定最佳频率；第三，基于周围环境，在最佳使用频率基础上控制好传输功率，实现信息传输。在三个流程中，前两个流程主要是实现接收单元的控制，最后一个流程则是发射单元控制的实现。

图1 概念模型结构图

在认知无线电中，包括了多种关键技术，这些关键技术是区别认知无线电和传统无线电的重要特征。

1.1 无线频谱感知技术

频谱感知是认知用户获取频谱使用信息的过程，该过程实现时采取了多种信号检测方法和手段。根据检测策略，无线频谱感知技术主要包括三个部分，如图2所示。

图2 无线频谱感知技术构成图

(1)PHY层检测。PHY是物理层的英文缩写，物理层位于OSI最底层，主要对授权频段是否被占用进行检测判断。一般通过时域、频域、空域检测授权用户信号频道是否存在。物理层监测包括三个部分，即发射机检测、接收机检测和干扰温度检测。发射机检测方法较多，循环平稳特性监测和能量监测等都是发射机检测中的重要方法。接收机检测是指运用低功耗检测传感器，对授权用户信号进行检测，判断授权用户接收机是否如期工作，该检测方法一般应用在授权用户信号能量泄露的情况下。干扰温度检测是指通过对环境温度进行干扰，实现授权用户接收机端干扰源的量化检测。

(2)MAC层检测，即媒体接入控制层检测。MAC层检测实现了多信道环境下频谱利用率的检测，优化了信贷检测次序、周期，将信贷搜索时间缩短到最短或将空闲信道数量达到最多。MAC层包括主动式检测、被动式检测两种方法。其中，主动式检测是按照一定周期主动对授权用户信号进行检测和统计，无论认知用户是否有通信需求都会进行检测。被动式检测是指根据认知用户通信需求，对授权用户信号进行检测。

(3)协作检测层。在进行授权用户信号检测时，由于环境复杂，依靠单个认知用户很难实现检测目的。在这种情况下，可以将多个认知用户捆绑在一起，共同对授权用户信号进行检测，提高检测准确度，减少检测所用时间。协作检测层技术结合了PHY层检测、MAC层检测两种技术，除发挥物理层检测技术的高性能外，还应发挥MAC层检测的协调作用。

在频率感知技术中使用了二元假设检验模型，该模型为：

公式中：y[n]表示非主用户的感知信号；s[n]表示主用户感知信号；w[n]表示高斯白噪声；h表示信道增益。H1表示非主用户感知信息被主用户使用。

1.2 自适应传输技术

自适应传输技术包括两种，一是业务自适应传输，二是信道质量自适应传输。业务自适应传输技术满足了不同业务传输的需要，该方法基于上层应用，对物理层传输性能要求不高，一般在有线网络中应用较多。认知无线电能够对周围环境参数、信道质量情况进行感知，根据感知到的相关信息数据对无线电参数进行优化，进而实现传输策略的调整目的。

无线通信系统除了满足用户性能需求外，还应尽可能地降低资源消耗。PHY层或MAC层中，可调整参数较多，如调制方式、发射功率、接入控制方法等，都属于可调整参数。通过这些参数调整，实现非线性多参数的优化。

1.3 跨层设计技术

设计分层协议栈，只将通信条件差这一条件纳入到考虑的因素中。频谱资源、功率资源无法有效利用。针对这一现状，可利用跨层设计技术进行优化。跨层设计技术主要在分层协议栈各层次间运用，实现特定信息的传输，适应各层次环境的运行，满足用户个性化需求。基于分层协议栈各层环境变化、用户需求变化情况，实现网络资源的优化是跨层设计技术应用的核心。跨层设计技术主要包括频谱管理跨层设计、频谱移动性跨层设计、频谱共享跨层设计、高层协议跨层设计等四种方式。

2 GNUradio的认知无线电在移动通信中的应用

认知无线电技术为通信行业的发展作出了突出贡献。移动通信是目前通信行业发展的主流趋势，认知无线电也开始在移动通信中发挥巨大作用。高铁、军事等领域大量运用了认知无线电技术。

2.1 移动通信技术在高铁领域的应用

随着移动技术的不断发展，对移动网络的需求也显著增加[1]。其中，高铁移动通信是很重要的技术。高铁运行速度快、环境复杂，通信设备要固定在高铁上，这些不利因素增加了高铁移动通信的难度。认知无线技术比较适合复杂环境下的网络通信，传统铁路通信和认知无线通信对比如图3所示。

图3 传统铁路通信和认知无线通信对比

在无线通信网络结构中，卫星为乘客提供了通信服务，GSM_R网络为铁路业务提供了通信服务。在新构建的网络结构框架中，乘客和列车业务通信被IEEE WiFi、3GPP LTE所取代。在新的网络结构中增加了核心网，为铁路业务通信、乘客通信提供了网络接入接口，满足了铁路无线通信的需要。

2.2 移动通信技术在军事领域的应用

认知无线电技术经过不断实践，信道搜索、信息侦查、信号分析、功率控制等功能不断优化，在通信领域得到了广泛应用。认知无线电是基于软件无线电发展而来的，实现了软件无线电和电子侦查、信息对抗的有机融合。认知无线电在通信领域中的作用日益突出，军事领域中开始认知无线电，并将认知无线电应用到军事领域中。20世纪初，美国国防部确认了无线电作为下一代无线通信项目开发的基本思想。XG项目为认知无线电应用提供了完善的设备设施。在实现频谱资源动态应用的同时，不会和现有的用户出现矛盾。

2.2.1 目前军事通信现状

军事通信和民用通信相比，在通信方法上虽然有一定相似之处，但也有许多不同。军事通信更加特殊。军事通信应具备良好的抗干扰能力。军事通信中涉及较多军事核心机密。这些机密对战争胜负、军事发展有直接影响，需要有良好的抗干扰能力，排除一切干扰因素，保证军事信息传递的准确性、及时性。在衡量军事通信系统性能时，是否具备良好的抗干扰能力是一项重要的衡量指标。解决抗干扰的技术主要包括优化信道环境、加强信号处理等，以扩频、跳频形式实现信道的抗干扰能力。另外，军事通信中，战场频谱管理是一项重要内容。在联合作战中，通信设备、雷达、导航等设备较多，如何加强不同设备之间的频率规划问题是一项重要内容，也是实现联合作战通信的基础。目前各军方采用的频率规划方法不同，大多是通过分配固定频率实现频谱管理。在使用这一方法时，需要在作战前花费较多的时间进行频率规划。作战时，形势变化多端，一旦通信频率出现问题再进行重新规划，很可能无法满足即时通信的需要，影响战机，导致战争失败。这是传统频率规划方法在军事领域中应用的一个最大弊端。

2.2.2 认知无线电在军事中的应用

在认知无线电中，实现了频谱资源的动态利用。将认知无线电应用到军事领域中，可以有效改进传统频率规划方法的弊端、提高频谱利用水平、提高通信系统容量、满足军事领域作战通信需要。认知无线电系统经历频谱感知、分配等一系列流程，避开了各类干扰因素，实现了抗干扰目的。应用认知无线电技术，引入位置感知技术，实现通信双方位置的确定。确定出双方位置后，可对通信波束方向进行调整、规划，排除其他干扰因素。认知无线电技术的应用，可以显著提高军事通信系统的抗干扰水平，降低发射功率，提高信息传输抗截获水平。认知无线电系统具备自学能力，应用时可以对干扰信号进行采集、分析，根据干扰信号，选择合理的抗干扰策略进行干扰规避。经常应用的抗干扰策略主要包括改变信道特性、功率控制等，针对不同的干扰因素，选择不同的抗干扰策略。随着认知无线电应用日益广泛，未来频谱感知技术的应用将更加广泛。通过频谱感知技术，实现战场环境内对电磁环境、各系统频谱带宽等进行检测，实现频谱资源的自动化分配，提高资源利用率，达到最佳通信效果。图4为能量收集系统结构与工作模型。

图4 能量收集系统结构与工作模型

3 结语

认知无线电技术的出现和发展，在许多行业中发挥了巨大作用。随着认知无线电技术的开发，应用领域将更加广泛。在很长一段时间内，移动通信是通信行业发展的主流趋势，如何扩大认知无线电在移动通信行业中的应用范围，是认知无线电应用方面面临的重要课题。本文对认知无线电在高铁和军事领域中的应用进行了分析，为其他领域和行业应用认知无线电技术提供了参考建议。认知无线电具有灵活性和高智能的特征，应用时，如何提高频谱利用率，实现周围环境信息的采集、分析和应对是实践中的重要问题。各领域和各行业在利用认知无线电时，要根据行业特点，合理利用认知无线电，通过认知无线电实现对周围环境的智能感知和动态资源管理。