基于认知的直升机低空通信系统研究

郜玲 邹博 王立强

摘要：针对高动态复杂战场环境中地形环境和电磁干扰等对直升机低空通信的影响，以联合环境感知、融合信息处理与决策、节点自适应配置与重构为核心，研究了具有认知功能的直升机低空通信系统。为实现直升机战场情报态势和指挥控制信息的可靠、高效、远距离传输提供了理论支持。

关键词：认知无线电；系统组成；电磁干扰

中图分类号：TP312文献标志码：A文章编号：1008-1739（2022）20-57-4

0引言

在信息化战场上，各种信息化装备的使用，不仅使电磁环境变得不稳定、频谱利用率逐渐降低，频谱资源也越来越匮乏。尤其对直升机来说，低空作战环境导致的信号获取方式更为复杂。文献[1]指出，认知无线电（Congnitive Radio， CR）技术是提高直升机低空通信质量的前沿技术，该技术具备特殊性能，不仅能够提高军事通信的频谱利用率，还能提升军事通信系统的整体性能。

认知通信是指在通信中使用CR技术实现智能化功能的现代通信[2]。CR的概念于1999年由Joseph Mitola教授在软件无线电基础上首次提出，它是一个智能化的无线通信系统，能够自动感知周围电磁环境，根据感知得到的电磁环境参数进行分析、学习、重构和规划，主动改变系统内部的通信参数（包括发射载波、调制方式和编码策略等），以最有效、最快捷的传输方式完成无线通信[3]。与软件无线电相比，其最大的特点是智能化，主要体现在2个方面：一是具有感知无线电电磁环境的能力，即认知能力；二是通过感知得到的结果灵活重构设备传输参数从而提高通信质量的能力，即重构能力[4]。因此，在军事通信中使用CR技术是非常有必要的，能够为满足各种作战样式下的直升机低空通信提供可靠保障。

1认知通信发展情况

1.1国外认知通信研究现状

在认知通信研究方面，美国国防部在下一代无线通信（Next Generation Communication，XG）项目中研制了频谱捷变无线电，这也是第一代军用CR产品。该电台可以动态适应变化的无线环境，通过在频率、时间和空间上动态地感知和自适应来增加频谱的利用率[5]。美国国防高级研究计划局正在开展的新一代无线网络（Wireless Network after Next，WNaN）项目，研制利用低成本认知无线电台组成智能自适应的战场无线网络[6]。美国的相关科研项目主要研究CR系统方法和关键技术，以实现基于CR技术的动态频谱应用；欧洲的一些项目主要关注无线电网络中频谱的动态分配和流量控制机制，以及研究如何通过端到端重配置网络和软件无线电技术将未来不同类型的无线网络融合起来，同时对基于CR应用的市场模型、CR网络的定价策略和计费策略也进行了初步研究[7]。

1.2国内认知通信研究现状

与国外认知通信发展相比，国内的研究起步较晚，近年来正在积极开展相关的研究。在2005年首次支持了CR关键技术的研究，开展了网元敏捷重构和智能化技术的研究；在一些相关项目中，也都开启了军事通信领域的智能化网络技术的研究，以军用通信网为重点研究对象，构建具备“多域认知、集约服务、敏捷重构”能力的体系结构模型，达到提升军用通信网络体系作战效能的目的。除此以外，各高等学校和科研院所也积极开展了认知网络系统及相关关键技术的研究工作，并在认知无线网络体系结构、智能端到端可重配置技术、基于认知的无线传输机理、智能的动态无线资源管理与控制机制等方面取得了一定的研究成果。近十年以來，国家自然科学基金委员会也针对CR技术的发展审批了相关基金项目，为科研人员从事这方面的研究提供了资金支持[8]。

2认知技术在直升机通信场景下的应用

针对现有直升机低空通信系统无法满足在远距离、复杂电磁环境和恶劣地形条件下的通信保障问题，分别分析认知技术在直升机各个通信场景下的具体应用。

2.1多手段融合通信

针对实际场景中直升机编队与指挥所远距离通信问题，通信节点综合运用短波、超短波和卫星等多种传输手段，能够有效保障编队与指挥所之间通信的有效性及可靠性，同时提升多维网络资源的使用效率[9]。多手段融合通信系统示意如图1所示。

首先，传输层的各种传输设备感知各自传输信道的状态，如链路带宽、时延和误码率等指标，将感知数据进行处理，并上报给控制层的融合分析处理模块，以进行各种传输资源的可用性和可靠性分析及预测。

其次，控制层的智能决策模块通过智能综合控制器重配技术，依据对各种传输手段的评估结果，结合应用层业务的QoS要求，决策确定适合当前场景和业务下的传输组合方式，并依此确定消息转换适配机制和传送控制策略。当上层应用产生文本、话音、图像和多媒体等数据时，由消息处理模块完成通用业务数据与格式化传输消息间的信令/内容转换适配，并进一步在传送控制模块的调度下完成格式化消息在选定传输设备上的收发控制，最终实现多种传输手段的融合组织运用[10]。

2.2敏捷适变抗干扰通信

针对实际应用场景中存在的电磁干扰问题，基于CR技术，通过通信波形重构，实现通信节点的敏捷适变抗干扰通信，能够确保复杂电磁干扰环境中信息的安全可靠传输，提升低空区域通信能力[11-12]。敏捷适变抗干扰通信系统示意如图2所示。

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