基于認知無線電的軍用抗干擾電臺的設計

何春虎 郭 強 孟 宓

（1.重慶通馳科技有限公司，中國 重慶 400039；2.重慶通信學院，中國 重慶 400035；3.重慶電訊職業學院，中國 重慶 402247）

0 引言

在信息化條件下的戰爭中，獲取信息優勢是戰爭勝負的關鍵。由于戰爭的突發性和戰場的移動性，無線通信無疑成為最主要的通信方式。但隨著軍用無線通信網絡規模的不斷擴大，可用頻譜資源變得越來越稀缺。美國聯邦通信委員會 (FCC，Federal Communications Commission)的大量研究發現：當前頻譜的利用情況極不平衡，一些非授權頻段占用擁擠，而有些授權頻段則經常空閑[1]。來自美國國家無線電網絡研究實驗床(NRNRT，National Radio Network Research Testbed)項目的一份測量報告表明：3GHz以下頻段的平均頻譜利用率僅有5.2%[2]。因而，頻譜利用率低的問題日益成為制約軍用無線通信性能提高的瓶頸。

認知無線電(CR，Cognitive Radio)[3]作為一種智能頻譜共享技術，能夠依靠人工智能的支持，感知無線通信環境，根據一定的學習和決策算法，實時自適應地改變系統工作參數，動態的檢測和有效地利用空閑頻譜，理論上允許在時間、頻率以及空間上進行多維的頻譜復用。近些年，國內外認知無線電的軍事應用情況表明，該技術不僅為解決頻譜利用率低的問題提供了有效途徑，而且對電子對抗帶來了新的挑戰和機遇，比將促進通信對抗裝備的快速發展。

1 認知無線電基礎理論

1.1 認知無線電的定義

自1999年“軟件無線電之父”Joseph Mitola博士首次提出了認知無線電的概念并系統地闡述了其基本原理以來，不同的機構和學者從不同的角度給出了認知無線電的定義，其中比較有代表性的包括FCC和著名學者Simon Haykin教授的定義。FCC認為“認知無線電是能夠基于對其工作環境的交互改變發射機參數的無線電”[4]。Simon Haykin則從信號處理的角度出發，認為“認知無線電是一個智能無線通信系統，它能夠感知外界環境，并使用人工智能技術從環境中學習，通過實時改變某些操作參數(比如傳輸功率、載波頻率和調制技術等)，使其內部狀態適應接收到的無線信號的統計性變化，以達到任何時間、任何地點的高度可靠通信和對頻譜資源的有效利用的目的”[5]。該定義較好地兼顧了數字信號處理、網絡、人工智能和計算機軟硬件實現，在該定義基礎上提出的認知環模型（如圖1）也能較好地反映認知無線電的概念和內涵。

其中，“策略決策”將特征提取數據作為依據，綜合了頻譜管理中心分配的頻譜資源、業務需求等信息，在決策庫中選出最佳通信方案并予以“實施”。

1.2 認知無線電的主要技術特點

認知無線電的關鍵技術主要包括：頻譜感知檢測技術、自適應傳輸技術、頻譜資源管理技術(包括頻譜分析和決定等)[6]，這些關鍵技術構成了CR技術體系框架，決定了CR具有以下技術特點，見表1。

1.3 認知無線電的基本原理

基于認知無線電的無線電通信系統不是工作在一個固定的頻段上，而是能自動搜索一個合適的頻段并在該頻段上進行通信，并具有環境感知和傳輸參數自適應修改的功能。通過對環境的理解實時改變和調整它的內部狀態，適應外部無線環境的變化，從而實現頻譜共享，動態的增加網絡和個人用戶的可用頻譜總數，為頻譜分配提供了一個可行的解決方案。基于CR的通信網絡中基本通信運行流程如圖2所示。通信節點通過環境感知模塊感知周圍環境的頻譜信息、通過誤碼監測獲得通信質量信息；通過認知信息獲取、傳遞與綜合分析和決策處理，確定通信頻率、速率和波形等通信參數捷變策略，并形成信令傳遞到各節點，實現通信網絡的自適應調整。

圖1 環境認知環模型

表1 認知無線電的技術特點

圖2 基于CR的通信網絡基本通信運行流程

2 認知無線電在軍事通信領域的應用優勢

2.1 增加通信系統容量

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，使得頻譜資源異常緊張。近些年，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。一些國家的技術組織已經申請將部分軍用頻譜劃歸民用。這一動向無疑將進一步加劇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，也能較大幅度增加整個通信系統的容量。

2.2 提高頻譜管理效率

目前，戰場頻譜管理基本都采用固定頻率分配的形式進行戰場頻譜分配。然而，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，固定頻譜分配方案難以適應瞬息萬變的戰場形勢。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。

2.3 提升系統抗干擾能力

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，還具有位置感知技術，與數字波束形成技術結合，通過調整波束方向，來抑制干擾，并能夠降低發射功率，提高抗截獲能力。CR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 基于認知無線電的軍用抗干擾電臺的設計

3.1 基于認知無線電的通信抗干擾設備實現的可行性分析

由于認知無線電賦予電臺對周圍環境的感知能力，因此能夠提取出干擾信號的特征，進而可以根據電磁環境感知信息、干擾信號特征以及通信業務的需求選取合適的抗干擾通信策略，大大提升電臺的抗干擾水平。例如：進行短報文通信業務，可采用在安靜（空閑）頻率上進行猝發通信的策略；當敵方采用掃頻式干擾時，可采用更換通信頻率集進行抗干擾的策略；當敵方采用跟蹤式干擾時，可采用變速跳頻的抗干擾策略；如果敵方采用分布式干擾，可將不同通信節點對干擾信號的感知結果進行分析匯總，進而重構出敵方的干擾分布，采取轉發、協同通信等抗干擾策略。

通過分析可知，具有頻譜感知能力的認知無線電完全能夠通過感知無線環境來檢測敵方的干擾，同時自動對認知無線電節點自身的發射參數進行調整，所以將認知無線電應用于通信設備實現抗干擾通信功能具有理論上的可行性。

3.2 基于認知無線電的軍用抗干擾電臺系統架構設計

基于認知無線電技術的軍用抗干擾電臺系統架構如圖3所示，主要由通信設備和認知設備組成。

圖3 軍用抗干擾電臺架構示意圖

軍用抗干擾電臺架構中通信設備包括編解碼、調制解調、上下變頻和功放濾波等處理功能，認知設備包括頻譜感知、認知決策、人工智能機器學習、頻譜動態分配和自適應參數調整等功能。認知設備是該架構的核心，通過對環境信息的分析、學習、判決和決策，自適應地調整系統的通信參數（如工作頻率、傳輸速率、編碼方式和調制體制等），以適應外部戰場環境的變化。

3.3 基于認知無線電的軍用抗干擾電臺的模塊化結構設計

基于認知無線電技術的軍用抗干擾電臺將通信與電磁環境感知綜合在一起，每一部電臺即是感知節點也是通信節點。電臺內部的策略管理模塊可根據策略管理中心分配的資源來確定通信策略，同時軍用抗干擾電臺利用先進的機器學習能力，對干擾進行學習和分析，從而獲得各地區的電磁環境信息，不僅為策略決策中心提供更實時準確的戰場環境信息，也有助于策略管理模塊選擇最合適的抗干擾策略。與傳統的無線電臺相比，軍用抗干擾電臺的根本區別就是策略管理、電磁環境感知模塊以及機器學習模塊包含在每部電臺中，因而可以及時地評估戰場電磁環境態勢，由電臺本身或策略決策中心決定最佳通信策略。軍用抗干擾電臺的模塊化結構設計如圖4所示。

圖4 軍用抗干擾電臺的模塊化結構

其中，電磁環境感知模塊能夠探測偵察電臺周圍的電磁環境并進行信號特征提取；機器學習模塊實現了對周圍環境和自我工作狀態（當前通信信道、調制方式、發送功率、跳頻圖案等）的認知；策略管理模塊將根據提取的信號特征、策略管理中心分配的資源及通信業務需求實施靈活的策略管理。

由于軍用抗干擾電臺同時具備電磁環境感知能力和通信能力，實現了電磁環境感知和通信的一體化，不僅有效解決了頻率資源利用率低的問題，還提升了通信的抗干擾性能，同時賦予通信網絡以全方位的電磁環境感知能力。

4 結論

近幾年來，認知無線電技術的軍事應用得到了快速發展。然而，它還面臨諸多挑戰，還需要解決許多問題。

4.1 目前對認知無線電的軍用應用研究仍處于初級階段，大部分停留在物理層，如何設計并實現符合軍用標準適用于戰場電磁環境的認知無線電臺還有待進一步解決。

4.2 在現代戰爭條件下，戰場環境比較復雜，多種電子設備在有限的地域內密集開設，如何使認知無線電網絡更加智能化，更加符合軍事通信的特點和要求，還需要進一步研究。

4.3 軍用認知無線電臺的經濟化、小型化。認知無線電臺生產成本高昂，無法在短時間內大規模裝備部隊。未來戰場瞬息萬變，在數字化的背景下更加要求認知無線電臺的小型化、低功耗設計，從而更好地推廣到單兵。

由于認知無線電技術的軍事應用尚不成熟，需要解決的問題遠非局限于上述幾種情況。相信隨著對認知無線電技術研究的不斷深入，認知無線電將把戰場環境感知、通信、指揮控制綜合在一起，構建出未來的通信、偵察、指揮一體化系統，引導軍事通信裝備實現新一輪變革。

［1］P.Kolodzy.Spectrum Policy Task Force：Findings and Recommendations[C]//International Symposium on Advanced Radio Technologies(ISART).2003,3.

［2］M.McHenry.Report on Spectrum Occupancy Measurements.Shared Spectrum Company[OL].Available：http：//www.sharedspectrum.com/?section=nsf_summary.

［3］S.Haykin.Cognitive Radio：Brain-Empowered Wireless Communications[J].IEEE JSAC,2005,2,23(2).

［4］FCC,Facilitating Opportunities for Flexible,Efficient and Reliable Spectrum Use Employing Cognitive Radio Technologies[Z].ET Docket No.2003：322.

［5］Simon Haykin.Cognitive Radio：Brain-Empowered Wireless Communications [J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2005,23(2)：201-220.

［6］謝顯中.感知無線電技術及其應用[M].北京：電子工業出版社，2008.