1 引言

眾所周知，無線電頻譜是一種寶貴的自然資源。雖然在理論上3000GHz以下的電磁頻譜均被稱為無線電頻譜，但由于技術(shù)的限制，目前人類僅僅劃分出9kHz到400GHz的使用頻段。實際上，軍用的頻段集中在40GHz以下，而民用頻段主要集中在3GHz以下。隨著移動通信技術(shù)的迅速發(fā)展，新的無線通信業(yè)務(wù)層出不窮，用戶數(shù)量不斷增加，頻譜資源變得日益緊缺。為了解決這一問題，人們先后發(fā)明了多種先進的調(diào)制技術(shù)、編碼技術(shù)以及多天線技術(shù)、鏈路自適應(yīng)等新技術(shù)。這些技術(shù)從不同的角度提高了信道容量，取得了較好的效果。然而，由于受到香農(nóng)極限的限制，人們不可能無限制地提高信道容量。雖然無線電頻譜可以重復(fù)使用，但就某個頻點或頻段來說，在一定的時域、空域是有限的，是不能夠重復(fù)使用的。與頻譜資源短缺形成鮮明對比的卻是現(xiàn)有頻譜利用率的極其低下。

圖l為加利福尼亞大學(xué)伯克利分校測試的0—6GHz頻譜利用率。實測結(jié)果表明，在全球授權(quán)頻段，即便是信號傳播特性較好、需求非常緊張的300MHz到3GHz頻段內(nèi)，頻譜利用率也不到6％；在3—4GHz頻段，頻譜利用率降低為0.5％；在4GHz以上，頻率利用率更低。因此，如何對頻譜資源進行有效共享，充分提高頻譜利用率成為亟待解決的問題。在這樣的背景下，認知無線電(CR，Cognitive Radio)技術(shù)提出了一種新的解決思路一通過動態(tài)頻譜共享(DSS，DynamicSpectrum Sharing)來提高無線頻譜的利用效率。

2 認知無線電技術(shù)

1999年，軟件無線電奠基人、瑞典皇家理工學(xué)院J．Mitola博士在軟件無線電(SR，Software Radio)的基礎(chǔ)上提出了認知無線電的概念。J.Mitola在其博士論文和隨后的一系列論述中，對CR進行了較為系統(tǒng)的闡述。

CR的概念一經(jīng)提出就引起了世界各國眾多學(xué)者的密切關(guān)注。IEEE、FCC、SDR論壇等機構(gòu)都從不同的角度對CR進行了描述和定義。這些定義實質(zhì)上大同小異，概括來說：認知無線電能夠不斷感知周圍電磁環(huán)境和地理環(huán)境的變化，通過機器學(xué)習(xí)的方法，實現(xiàn)環(huán)境和自我的認知，采用無線電知識描述語言，與通信網(wǎng)絡(luò)進行智能交流，在不干擾授權(quán)用戶的條件下，自適應(yīng)地調(diào)整其自身的通信機理(通信頻率、調(diào)制方式、發(fā)送功率等參數(shù))來達到對環(huán)境變化的適應(yīng)。這樣的自適應(yīng)調(diào)整不僅提高了無線頻譜的利用效率，同時也提高了系統(tǒng)的吞吐量、信噪比、穩(wěn)定性等性能。

CR的最大優(yōu)勢在于它可以不用專門授權(quán)就工作在授權(quán)用戶的工作頻段上，對所謂的“閑置”頻譜進行二次利用。所謂授權(quán)用戶(AU，Authorized User)也叫主用戶(PU，Primary User)，是指經(jīng)過頻率管理部門授權(quán)，合法使用某一頻段的傳統(tǒng)無線電用戶；與授權(quán)用戶對應(yīng)的稱為感知用戶(SU，Sense User)也叫次用戶(SU，Second User)，是指不經(jīng)過頻率管理部門專門授權(quán)，就可以使用已授權(quán)于主用戶的頻段的認知無線電用戶。CR主要包括以下關(guān)鍵技術(shù)：

2.1 頻譜感知技術(shù)

CR能夠感知、適應(yīng)和學(xué)習(xí)周圍的電磁環(huán)境，發(fā)現(xiàn)頻率空穴(Frequency Hole)，熟知無線信號的特征，并合理利用這些結(jié)果，這就是所謂的頻譜感知(Spectrum Awareness)技術(shù)，也是CR區(qū)別與其他無線電的根本之所在。所謂頻率空穴是指被分配給某授權(quán)用戶，但在特定時間和具體位置該用戶并沒有使用的頻帶。

CR頻譜感知技術(shù)主要有兩種類型：主動感知和被動感知。主動感知是指CR終端利用自身靈敏的射頻前端，采集電磁信息，借助先進的信號處理技術(shù)，進而識別出所處環(huán)境的無線電頻譜使用狀況；被動感知由系統(tǒng)中的基站來進行頻譜分析，并廣播目前的頻譜使用狀態(tài)信息，進而使得該區(qū)域內(nèi)分布的CR終端能夠從中心基站“被動”地知道無限頻譜的使用狀況。

主動感知方式要求CR終端的射頻前端有極高的靈敏度和很寬的工作帶寬，同時具備高速的信號處理能力。因此，主動感知不可避免地導(dǎo)致CR終端造價高昂且軟硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

被動感知方式顯然可以減小CR終端的復(fù)雜度和成本，但頻譜使用信息是由基站進行廣播的，若基站檢測到授權(quán)用戶要接人某一個正在被感知用戶使用的頻率，感知用戶只有在收到基站信息后才能為授權(quán)用戶“騰出”這個頻率。這樣勢必會加大鏈路切換的時延，進而對授權(quán)用戶造成一定的干擾。

不管是被動還是主動感知方式，對弱信號的檢測都是一個比較困難的問題。采用聯(lián)合頻譜檢測的技術(shù)的仿真結(jié)果表明，聯(lián)合頻譜感知不僅能夠降低弱信號的漏檢概率，而且能縮短檢測時間，提高整個網(wǎng)絡(luò)的靈活性。

2.2 頻譜池共享技術(shù)

頻譜池(Spectrum Pooling)策略共享的基本思想是首先將頻譜區(qū)域分成3種類型：
(1)黑色區(qū)域，常被高能量的局部干擾占用；
(2)灰色區(qū)域，在部分時間被低能量干擾占用；
(3)白色區(qū)域，只有環(huán)境噪聲而幾乎沒有射頻干擾占用。

一般情況下，白色區(qū)域和有限度的灰色區(qū)域都可以被感知用戶使用。在特定地理位置，CR將一定的頻段分為若干個子信道。通過頻譜感知和機器學(xué)習(xí)技術(shù)，將這些子信道分別納入黑色、灰色和白色的“頻譜池”，頻譜池中的頻譜可以是不連續(xù)的，如圖2所示。感知用戶盡可能利用白色頻譜池內(nèi)的子信道建立鏈路。當(dāng)白色頻譜池中的子信道容量不夠時，感知用戶可以隨時占用灰色頻譜池中的空閑信道。但是一旦主用戶要再次使用被感知用戶占用的子信道時，感知用戶必須切換到其他信道上，為授權(quán)用戶騰出這個信道。

頻譜池共享技術(shù)的關(guān)鍵問題是如何對特定的頻譜或者是子信道進行準確歸類。一般情況下，CR是通過多抽頭奇異值分解(MTM-SVD，Multi-Tape Method SVD)算法，對特定時間、具體位置的頻譜使用情況進行分析并歸類。實際上，頻譜池中的頻率成份是動態(tài)變化的。因此，一旦有授權(quán)用戶正在使用的子信道被CR納入空閑的灰色區(qū)域，甚至是白色區(qū)域時，感知用戶就有可能干擾授權(quán)用戶的正常通信。因此，不論何時何地，都應(yīng)保證檢測過程的靈敏性和可靠性。

2.3 位置感知技術(shù)

不同的地理環(huán)境對無線電信號的傳輸會產(chǎn)生不同的影響。比如，室內(nèi)與室外、市區(qū)與鄉(xiāng)村、山區(qū)與平原相比，后者就更適合無線電信號的傳輸。CR與全球定位系統(tǒng)(GPS)以及地理信息系統(tǒng)(GIS，Geography Information System)結(jié)合，通過自我學(xué)習(xí)的方法，能夠識別出自身所處的地理位置，進而能根據(jù)地理環(huán)境選擇合適的發(fā)送頻率、調(diào)制方式等參數(shù)。比如，在市區(qū)內(nèi)，由于電磁環(huán)境復(fù)雜，多徑衰落較大，可以采用抗多徑衰落較好的OFDM調(diào)制。在鄉(xiāng)村，由于電磁環(huán)境優(yōu)良，可以采用較大的功率，傳輸更遠的距離。

此外，如圖3所示，將位置感知技術(shù)與數(shù)字波束形成技術(shù)結(jié)合，可以使CR輻射模式沿著接收端方向，不僅能夠降低傳輸能量，而且可以有效降低CR和其他用戶之間的干擾，此外還可以提高CR的抗截獲能力。

2.4 鏈路保持技

一旦授權(quán)用戶要再次通信，CR必須要在最短的時間內(nèi)騰出正在使用的頻率，并且還要保證自己的通信不被中斷，這就是所謂的CR鏈路保持技術(shù)?？梢圆捎肔T(Luby Transform)編碼技術(shù)來實現(xiàn)鏈路保持。LT編碼是一種冗余編碼，將長度為L比特的數(shù)據(jù)分成 k( k=L／l)個輸入符號，經(jīng)過基于Meta-Content的編碼就變成了無限長的數(shù)據(jù)流。接收端只要收到任意K>k個編碼符號就可以無失真地還原個比特的原始數(shù)據(jù)。這種編碼方式只需5％(即K=1.05k)的開銷就足夠無失真譯碼了。通過增加鏈路的冗余，進而達到數(shù)據(jù)的冗余。在不同的電磁環(huán)境下，鏈路的最佳冗余數(shù)是不同的，但并非冗余越多，鏈路可靠性就越高。

實際上，除了上述技術(shù)之外，CR還包括機器學(xué)習(xí)技術(shù)、功率控制技術(shù)、數(shù)字波束形成技術(shù)、自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)技術(shù)、軟件無線升級技術(shù)、信道估計技術(shù)、數(shù)字信號處理等諸多先進技術(shù)。鑒于這些技術(shù)非CR特有，在此不予進行專門討論。

3 認知無線電在軍事通信中的應(yīng)用
3.1 提高通信系統(tǒng)容量

無線頻譜短缺的問題，不僅在民用領(lǐng)域比較突出，在軍用領(lǐng)域也是如此。尤其是在現(xiàn)代戰(zhàn)爭條件下，多種電子設(shè)備在有限的地域內(nèi)密集開設(shè)，將使得頻譜資源異常緊張。并且，隨著民用無線電設(shè)備的更新?lián)Q代和用戶數(shù)量的急劇增加，對頻譜的需求也越來越多。有一些國家的一些組織已經(jīng)申請將部分軍用頻譜劃歸民用。這一動向無疑將更進一步加劇了軍用無線電頻譜資源短缺的問題。而CR能夠動態(tài)利用頻譜資源，理論上可使頻譜利用率提高數(shù)十倍。因此，即便是部分采用CR，也能較大幅度提高整個通信系統(tǒng)的容量。

3.2 提高頻譜管理效率

戰(zhàn)場頻譜管理是一個非常重要的課題，各國軍方都非常重視這一問題的研究。然而，目前基本都采用固定頻率分配的形式進行戰(zhàn)場頻譜分配。從實戰(zhàn)情況來看這種方案是不完全成功的。一方面，這種分配方案不但導(dǎo)致頻譜資源利用率較低，而且容易導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部或者友軍之間互相產(chǎn)生電磁干擾；另一方面，這種分配方案需要在戰(zhàn)斗開始前花費大量的時間進行頻譜規(guī)劃；此外，通信頻率一旦確定，在戰(zhàn)斗狀態(tài)下，無論發(fā)生什么情況都無法更改。因
此，在戰(zhàn)場形勢瞬息萬變的現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，固定頻譜分配方案容易貽誤戰(zhàn)機。CR能夠?qū)λ巺^(qū)域的戰(zhàn)場電磁環(huán)境進行感知，對所需帶寬和頻譜的有效性進行自動檢測。因此借助CR可以快速完成頻譜資源的分配，在通信過程中還可以自動調(diào)整通信頻率。不僅提高了組網(wǎng)的速度，而且提高了整個通信系統(tǒng)的電磁兼容能力。

3.3 提高系統(tǒng)抗干擾能力

抗干擾能力是現(xiàn)代戰(zhàn)爭條件下衡量通信設(shè)備的一項重要指標，也是取得戰(zhàn)爭勝利的重要保障。傳統(tǒng)的信道抗干擾技術(shù)主要包括擴頻、跳頻、跳時以及由此衍生出的相關(guān)技術(shù)。CR不但具有以上抗干擾能力，而且由于其采用了位置感知技術(shù)，與DBF技術(shù)相結(jié)合，通過調(diào)整波束方向，來抑制干擾。CR不僅提高了抗干擾能力，而且還可以降低發(fā)射功率，提高抗截獲能力。認知無線電具有先進的機器學(xué)習(xí)能力，能夠?qū)Ω蓴_進行學(xué)習(xí)和分析，使其能夠選擇合適的抗干擾策略(選擇合適的通信信道、調(diào)制方式、發(fā)送功率、跳頻圖案等)對干擾進行主動規(guī)避。此外，由于CR的工作頻段很寬，也加大了干擾的難度。

3.4 提供電子對抗能力

電子對抗的傳統(tǒng)做法是首先通過戰(zhàn)場無線電檢測，偵察戰(zhàn)場電磁環(huán)境，然后將偵察到的情況通過戰(zhàn)役通信網(wǎng)傳達給電子對抗部隊，由擔(dān)任電子對抗任務(wù)的部隊實施干擾。這種方式不僅需要大量的人力物力，而且需要擔(dān)任電磁環(huán)境偵察和電子對抗的部隊密切配合。因此，從偵察到實施干擾的周期較長，容易貽誤戰(zhàn)機。CR通過感知戰(zhàn)場電磁頻譜特性，能夠快速、準確地進行敵我識別?？梢砸贿呥M行電磁頻譜偵察，一邊快速釋放或躲避干擾，實現(xiàn)傳統(tǒng)無線電所不具備的。

3.5 增強系統(tǒng)互聯(lián)互通能力

目前我軍各軍兵種裝備了數(shù)量眾多、型號各異的電臺。這些電臺工作頻率、發(fā)射功率、調(diào)制方式等各不相同，無法實現(xiàn)互聯(lián)互通，已成為制約三軍聯(lián)合作戰(zhàn)的一個重要因素。CR能夠覆蓋很寬的頻段，并且用軟件來實現(xiàn)信號的基帶處理、中頻調(diào)制以及產(chǎn)生射頻信號波形。通過自主加載不同的軟件就可以使得一部CR既能與短波電臺通信，也能與超短波電臺通信，甚至能夠與衛(wèi)星通信。正是因為CR能夠自主學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議和服務(wù)，從而能從根本
上提高系統(tǒng)的互操作性和互聯(lián)互通能力。

除了以上功能和優(yōu)點之外，CR還提供定位及環(huán)境感知功能，具有不易受民用無線電干擾、組網(wǎng)快捷等優(yōu)點，這些都是傳統(tǒng)無線電無法替代的優(yōu)勢。

4 軍用認知無線電面臨的機遇和挑戰(zhàn)

CR被認為是下下一代通信發(fā)展的方向。由于CR技術(shù)能夠顯著提高無線頻譜的利用效率，引起了業(yè)界的極大重視，近年來得到了快速發(fā)展。然而，CR從實驗室走向?qū)嵱?、走向軍用，還面臨諸多挑戰(zhàn)：

(1)目前的研究大部分停留在物理層，對CR的組網(wǎng)以及網(wǎng)絡(luò)拓撲、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等研究較少；
(2)快速頻譜感知和信號識別技術(shù)有待進一步研究；
(3)快速有效地進行環(huán)境感知以及如何有效利用環(huán)境感知信息；
(4)CR在進行動態(tài)頻率調(diào)整時，鏈路的重新建立和保持技術(shù)；
(5)CR終端設(shè)計復(fù)雜，需要寬頻帶、高靈敏度的射頻前端，快速高效的數(shù)字信號處理算法以及符合軍用標準的穩(wěn)健可靠的軟硬件設(shè)計；
(6)機器學(xué)習(xí)以及如何更好地利用計算機語言，使CR網(wǎng)絡(luò)更加智能化，更加符合軍事通信的特點和要求；
(7)CR與現(xiàn)役裝備的兼容性問題。CR終端成本高昂，即便是軍用，也無法在短時間內(nèi)大規(guī)模裝備部隊。這要求CR能夠覆蓋我軍現(xiàn)役通信裝備的絕大部分頻段、調(diào)制方式以及跳頻方式等；
(8)終端的小型化、低功耗設(shè)計。

目前CR技術(shù)還很不成熟，我們應(yīng)該在充分借鑒這些研究成果的基礎(chǔ)上，加大研究力度，爭取早日研制出適合我國軍隊需求的CR；戰(zhàn)術(shù)方面，如何將數(shù)量有限的CR運用于關(guān)鍵的場合，使其一旦能夠裝備部隊就能發(fā)揮其卓越的性能，真正提升我軍戰(zhàn)斗力。相信隨著對CR技術(shù)研究的不斷深入，其對軍事通信必將產(chǎn)生深遠的影響。
 
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