復雜電磁環境下戰場頻譜動態管理模式分析

楊麗芬，王艷聰

（解放軍通信指揮學院一系，湖北武漢 430010）

復雜電磁環境下戰場頻譜動態管理模式分析

楊麗芬，王艷聰

（解放軍通信指揮學院一系，湖北武漢 430010）

頻譜動態管理是基于當前頻譜靜態管理模式提出的，認知無線電技術是實現頻譜動態管理的技術基礎。本文在認知無線電技術特點的基礎上，分析了設備級頻譜動態管理和協調式頻譜動態管理的內涵和特點，并從不同的角度對幾種頻譜動態管理模式進行了對比分析。

譜動態管理模式；認知無線電；設備級頻譜動態管理；協調式頻譜動態管理

未來基于信息系統的體系作戰中，敵我雙方為爭奪戰場制電磁權，在有限的作戰地域和空間內將大量使用作戰指揮、情報偵察、預警探測、通信聯絡、武器制導和電子對抗等電子信息裝備及武器系統，由此導致戰場電磁環境更加復雜，用頻需求持續增加，頻譜供需矛盾日益突出。電磁頻譜動態管理，是在戰場電磁環境極其復雜，電磁頻譜資源相對有限的背景下，適應基于信息系統體系作戰頻率使用和管理需求，針對當前靜態頻譜管理模式而提出的一種新型頻譜資源管控方法和手段。戰場頻譜動態管理模式對當前靜態頻譜管理模式下的用頻方式、管理性能及頻譜感知提出了新的挑戰和要求。

1 認知無線電技術特點

當前頻譜管理策略是采用靜態劃分的方式，將某段頻譜資源劃分給某個特定應用，這種劃分方式是排它性、獨占性的，沒有考慮到頻譜利用率隨時間、空間變化的現實情況，導致了新技術、新應用可用頻率資源的不足。認知無線電（CR）技術的提出，使人們認識到當前頻譜匱乏并不是頻譜資源的絕對稀缺，而是當前靜態頻率使用方式限制了空閑頻率的有效接入。從目前來看，無論是Mitola的理想認知無線電還是FCC的頻譜認知無線電，都反映出認知系統應具備捷變性、自適應性、智能性的特點。

1．1 捷變性

CR具有重新改變波形和配置的能力，當同一頻帶實現兩種完全不同的業務時，CR能夠迅速反映不同業務類型的傳播特性，如：調制方式、發送功率、數據速率、無線電射程、丟包率等。

1．2 自適應性

CR能自適應外界環境和自身需求變化，具有自動更換工作頻帶的能力，認知無線電是自適應傳輸思想在頻譜分配領域的推廣應用。頻譜自適應與傳輸自適應使得無線設備媒體接入控制層（MAC）以下都能適應環境與需求的變化。

1．3 智能性

智能性是認知無線電與軟件無線電的最顯著區別，CR中智能性主要體現在感知、學習及重配置能力上。認知設備能夠自動感知外界環境的各種信息（如授權用戶和認知用戶的工作頻率調制方式、鏈路質量、網絡流量等），并具有對這些信息進行分析、學習和判斷的能力；當設備由于位置、狀態或射頻環境變化而需要改變工作狀態時，CR通過自適應調整其內部配置，在不干擾授權用戶通信的條件下與授權用戶共享頻譜。

2 設備級頻譜動態管理

設備級頻譜動態管理是基于認知設備的一種頻譜管理方式，它體現了開放式頻譜管理理念［1－2］。設備級頻譜動態管理建立在用戶動態頻譜接入（DSA）基礎上，是指將整個（或部分）無線電頻譜作為可資利用的信道資源，系統通過實時地感知、識別，并有效地加以利用可用頻譜，實現不同無線電系統頻譜資源的有序共享。設備級頻譜動態管理典型工作方式是：當終端需要使用頻率時，通過主動或被動感知寬頻譜環境下的頻譜空穴，然后根據可用頻譜空穴情況，調整自身狀態，在搜尋到的頻譜空穴上工作，以充分利用空閑的頻率資源；同時，為避免對授權用戶造成的不必要干擾，設備可在空閑頻譜間進行無縫的頻譜轉移，如圖1所示。

設備級頻譜動態管理不依賴人或系統的參與，用戶節點不僅僅是無線電信息的傳輸載體，同時也是無線電頻譜管理的參與者。它通過設備自身具備的頻譜感知、頻譜分析、頻譜決策、頻譜共享和頻譜轉移功能來實現頻譜動態管理，也就是說設備在實現動態頻譜接入的同時完成了設備的頻譜動態管理。

設備級頻譜動態管理的典型應用是美國國防部高級技術研究計劃署DARPA資助的下一代XG通信計劃［3－4］，該計劃中的DSA系統自身具備頻譜動態管理功能，它不必在時間、位置、信號、傳播等方面預先做好避免沖突的準備，就可實現多數時刻有效的頻譜接入。2006年8月美軍對其研制的6臺DSA樣機進行了實地試驗，在網絡節點數較少時，DSA系統可在226～600 MHz頻率范圍內與授權用戶無干擾共存，這也證明了在移動環境中基于認知技術的頻譜動態管理是可實現且有效的。

長遠來看，基于認知技術的設備級頻譜動態管理是未來頻譜管理的發展目標。但設備級頻譜動態管理是一項復雜的系統工程，相對于傳統頻譜管理模式，在網絡結構、系統模型、系統功能以及管理方式等方面都發生了顯著的變化，具體體現在：實現方式上，由傳統集中、靜態的系統級頻譜管理，轉變為分布式、動態地用頻設備頻譜管理；網絡管理上，由用戶網絡與管理網絡相互獨立，轉變為授權網絡與認知網絡共存的多樣化網絡；系統構成上，由傳統的單一頻段、單一體制的無線電平臺，轉變為通用化、系列化、模塊化的軟件無線電平臺；系統功能上，由原來單一頻段上的通信功能，拓展到寬頻譜范圍內通信和管理于一體的多功能系統。

由此不難看出，設備級頻譜動態管理不僅需要發展機會頻譜接入的使能技術，如感知環境特征、確定和分發頻譜機會信息、根據需求分配和使用頻譜機會等，還需要制定可以長期存在的管理框架，并通過靈活的政策來管理無線電設備的關鍵行為。毋庸置疑，基于認知設備的頻譜動態管理對于緩解當前頻譜資源不足，提高復雜電磁環境下的頻譜管理效能，具有良好的發展前景，但遺憾地是，它并不能代替當前頻譜管理樣式，因而不能成為現階段最佳發展模式。

圖1 設備級頻譜動態管理過程

3 協調式頻譜動態管理

協調式頻譜動態管理概念源于泛在移動網絡動態智能頻譜管理［5］（DIMSUMnet）項目，該管理模式引入了中心控制、區域網絡以及頻譜經紀人（SB）機制。為增強頻譜接入的靈活性以及提高頻譜使用效率，區域頻譜被劃分為靜態訪問頻帶（SAB）、未許可頻帶和協調訪問頻帶（CAB），如圖2所示。協調式頻譜動態管理實現了用戶在CAB上的統計多元接入（SMA），CAB頻帶是SB根據現實頻譜狀況提前劃分好的一段特定頻帶，用戶是則具有一定頻譜感知能力的電臺。

圖2 協調式頻譜動態管理中頻率等級分類圖

協調式頻譜動態管理在中心控制實體SB的統一指導下實現，SB負責收集來自頻譜認知電臺的感知信息，并對這些信息進行綜合處理分析，然后根據頻譜請求信息，在不對其他系統造成有害干擾的前提下，為動態頻譜接入系統指配臨時性工作頻段。SB可以提供用戶對蜂窩網絡、固定無線接入網和網格網等多種網絡結構的動態頻譜接入，服務提供者和用戶都不是永久性的擁有頻譜資源，而是通過使用SB給出的對某一段頻譜利用的時間段。也就是說，頻譜認知系統通信結束后，將釋放占用頻帶，并在恰當的時刻供其他用頻系統使用。

由于協調訪問頻帶許可證是基于用戶而不是針對廣闊區域內特定服務分配的大段靜態頻譜，因此與現行靜態頻譜管理方式相比，協調式頻譜管理能夠更加高效、動態地為用戶指配頻譜。同時，由于動態頻譜接入系統使用的頻譜是SB通過自動化程序自動實現的，而不是人工指配，因此其分配過程更加靈活。

4 幾種管理模式對比

設備級頻譜動態管理中動態接入系統智能較高，無論對硬件設備還是技術實現都有很高要求，實現難度大。協調式頻譜動態管理接入系統具備一定的頻譜感知能力，在系統規劃好的頻段內可自主接入，實現難度較小。表1從頻率分配方法和頻管技術角度分析了當前靜態頻譜管理、協調型和伺機型接入方式下的頻譜管理和用頻特點［6］。不同的頻譜接入方式催生了相應的頻譜管理與使用模式。

表1 不同頻譜管理方式的技術特性

表2從概念層次、管理方式、管理內容以及管理本質對3種頻譜管理方式進行了對比。傳統靜態、一維的頻譜利用和管理觀念已不適應當今頻譜動態管理的需求，基于認知技術的設備頻譜動態管理和協調式頻譜動態管理分別以二次利用授權用戶頻率和多網絡共享頻率的方式，來增強用戶的動態頻譜接入能力，它們的頻譜管理策略與用戶接入方式，對發展我軍戰場頻譜動態管理起到了重要的牽引和指導作用。

表2 不同頻譜管理模式性能對比

［1］ MCHENRY M，STEADMAN K．XG DSA Radio system．［EB／OL］．http：／／www．spectrumsharing．com／measurements，2007－05－05．

［2］ XG Working Group．The XG Vision RFCs［EB／OL］．http：／／www．ir．bbn．com／projects／xmac／rfc／rfc－vision．pdf，2006－02－05．

［3］ MCHENRY M，LIVSICS E，NGUYEN T，et al．XG dynamic spectrum sharing field test results［A］．IEEE DySPAN Conference［C］．Dublin：［s．n．］，2007．676－684．

［4］ FREDERICK W．A description of the August 2006 XG demonstrations at Fort A．P．Hill［A］．IEEE DySPAN Conference［C］．Dublin：［s．n．］，2007．1－12．

［5］ MILIND M B，PAUL K，SCOOT M，et al．DIMSUMNet：Directions in wireless networking using coordinated dynamic spectrum access［A］．Proc IEEE WoWMo M［C］．［S．l．］：［s．n．］，2005．78－85．

［6］ 鄒 恒，方志英．動態頻譜訪問技術——推動美軍網絡中心化頻譜管理［J］．外軍電信動態，2008（4）：31－37．

TP393．08

A

1008－1542（2011）07－0096－04

2011－06－20；責任編輯：馮 民

楊麗芬（1973－），女，湖南懷化人，講師，博士研究生，主要從事軍事電磁頻譜管理和戰場電磁環境效應方面的研究。