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。隨著移動通信技術的迅速發展，新的無線通信業務層出不窮，用戶數量不斷增加，頻譜資源變得日益緊缺。為了解決這一問題，人們先后發明了多種先進的調制技術、編碼技術以及多天線技術、鏈路自適應等新技術。這些技術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，是不能夠重復使用的。與頻譜資源短缺形成鮮明對比的卻是現有頻譜利用率的極其低下。

圖l為加利福尼亞大學伯克利分校測試的0—6GHz頻譜利用率。實測結果表明，在全球授權頻段，即便是信號傳播特性較好、需求非常緊張的300MHz到3GHz頻段內，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)技術提出了一種新的解決思路一通過動態頻譜共享(DSS，DynamicSpectrum Sharing)來提高無線頻譜的利用效率。

2 認知無線電技術

1999年，軟件無線電奠基人、瑞典皇家理工學院J．Mitola博士在軟件無線電(SR，Software Radio)的基礎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進行了較為系統的闡述。

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

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

2.1 頻譜感知技術

CR能夠感知、適應和學習周圍的電磁環境，發現頻率空穴(Frequency Hole)，熟知無線信號的特征，并合理利用這些結果，這就是所謂的頻譜感知(Spectrum Awareness)技術，也是CR區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，進而識別出所處環境的無線電頻譜使用狀況；被動感知由系統中的基站來進行頻譜分析，并廣播目前的頻譜使用狀態信息，進而使得該區域內分布的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致CR終端造價高昂且軟硬件結構復雜。

被動感知方式顯然可以減小CR終端的復雜度和成本，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。采用聯合頻譜檢測的技術的仿真結果表明，聯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，提高整個網絡的靈活性。

2.2 頻譜池共享技術

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

一般情況下，白色區域和有限度的灰色區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習技術，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的，如圖2所示。感知用戶盡可能利用白色頻譜池內的子信道建立鏈路。當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，為授權用戶騰出這個信道。

頻譜池共享技術的關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變化的。因此，一旦有授權用戶正在使用的子信道被CR納入空閑的灰色區域，甚至是白色區域時，感知用戶就有可能干擾授權用戶的正常通信。因此，不論何時何地，都應保證檢測過程的靈敏性和可靠性。

2.3 位置感知技術

不同的地理環境對無線電信號的傳輸會產生不同的影響。比如，室內與室外、市區與鄉村、山區與平原相比，后者就更適合無線電信號的傳輸。CR與全球定位系統(GPS)以及地理信息系統(GIS，Geography Information System)結合，通過自我學習的方法，能夠識別出自身所處的地理位置，進而能根據地理環境選擇合適的發送頻率、調制方式等參數。比如，在市區內，由于電磁環境復雜，多徑衰落較大，可以采用抗多徑衰落較好的OFDM調制。在鄉村，由于電磁環境優良，可以采用較大的功率，傳輸更遠的距離。

此外，如圖3所示，將位置感知技術與數字波束形成技術結合，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

一旦授權用戶要再次通信，CR必須要在最短的時間內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?？梢圆捎肔T(Luby Transform)編碼技術來實現鏈路保持。LT編碼是一種冗余編碼，將長度為L比特的數據分成 k( k=L／l)個輸入符號，經過基于Meta-Content的編碼就變成了無限長的數據流。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據。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，進而達到數據的冗余。在不同的電磁環境下，鏈路的最佳冗余數是不同的，但并非冗余越多，鏈路可靠性就越高。

實際上，除了上述技術之外，CR還包括機器學習技術、功率控制技術、數字波束形成技術、自適應調制解調技術、軟件無線升級技術、信道估計技術、數字信號處理等諸多先進技術。鑒于這些技術非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用
3.1 提高通信系統容量

無線頻譜短缺的問題，不僅在民用領域比較突出，在軍用領域也是如此。尤其是在現代戰爭條件下，多種電子設備在有限的地域內密集開設，將使得頻譜資源異常緊張。并且，隨著民用無線電設備的更新換代和用戶數量的急劇增加，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能夠動態利用頻譜資源，理論上可使頻譜利用率提高數十倍。因此，即便是部分采用CR，也能較大幅度提高整個通信系統的容量。

3.2 提高頻譜管理效率

戰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場頻譜分配。從實戰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致頻譜資源利用率較低，而且容易導致系統內部或者友軍之間互相產生電磁干擾；另一方面，這種分配方案需要在戰斗開始前花費大量的時間進行頻譜規劃；此外，通信頻率一旦確定，在戰斗狀態下，無論發生什么情況都無法更改。因
此，在戰場形勢瞬息萬變的現代戰爭中，固定頻譜分配方案容易貽誤戰機。CR能夠對所處區域的戰場電磁環境進行感知，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整通信頻率。不僅提高了組網的速度，而且提高了整個通信系統的電磁兼容能力。

3.3 提高系統抗干擾能力

抗干擾能力是現代戰爭條件下衡量通信設備的一項重要指標，也是取得戰爭勝利的重要保障。傳統的信道抗干擾技術主要包括擴頻、跳頻、跳時以及由此衍生出的相關技術。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，與DBF技術相結合，通過調整波束方向，來抑制干擾。CR不僅提高了抗干擾能力，而且還可以降低發射功率，提高抗截獲能力。認知無線電具有先進的機器學習能力，能夠對干擾進行學習和分析，使其能夠選擇合適的抗干擾策略(選擇合適的通信信道、調制方式、發送功率、跳頻圖案等)對干擾進行主動規避。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

電子對抗的傳統做法是首先通過戰場無線電檢測，偵察戰場電磁環境，然后將偵察到的情況通過戰役通信網傳達給電子對抗部隊，由擔任電子對抗任務的部隊實施干擾。這種方式不僅需要大量的人力物力，而且需要擔任電磁環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，容易貽誤戰機。CR通過感知戰場電磁頻譜特性，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，實現傳統無線電所不具備的。

3.5 增強系統互聯互通能力

目前我軍各軍兵種裝備了數量眾多、型號各異的電臺。這些電臺工作頻率、發射功率、調制方式等各不相同，無法實現互聯互通，已成為制約三軍聯合作戰的一個重要因素。CR能夠覆蓋很寬的頻段，并且用軟件來實現信號的基帶處理、中頻調制以及產生射頻信號波形。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，甚至能夠與衛星通信。正是因為CR能夠自主學習網絡的通信協議和服務，從而能從根本
上提高系統的互操作性和互聯互通能力。

除了以上功能和優點之外，CR還提供定位及環境感知功能，具有不易受民用無線電干擾、組網快捷等優點，這些都是傳統無線電無法替代的優勢。

4 軍用認知無線電面臨的機遇和挑戰

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

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

目前CR技術還很不成熟，我們應該在充分借鑒這些研究成果的基礎上，加大研究力度，爭取早日研制出適合我國軍隊需求的CR；戰術方面，如何將數量有限的CR運用于關鍵的場合，使其一旦能夠裝備部隊就能發揮其卓越的性能，真正提升我軍戰斗力。相信隨著對CR技術研究的不斷深入，其對軍事通信必將產生深遠的影響。
 
參考文獻:

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