國外動態頻譜技術發展現狀及其對抗措施

楊會軍，王　琦

(中國航天科工集團8511研究所，江蘇 南京 210007)

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國外動態頻譜技術發展現狀及其對抗措施

楊會軍，王琦

(中國航天科工集團8511研究所，江蘇 南京 210007)

摘要：分析了動態頻譜技術原理及其面臨的挑戰，介紹了國外動態頻譜技術研究現狀，

提出了動態頻譜技術的對抗措施。

關鍵詞：動態頻譜；認知無線電；對抗措施

0引言

傳統的無線通信系統采用的是靜態(固定)頻譜分配政策，即授權用戶(PU)對其頻譜具有獨占性，其他用戶不允許使用。雖然這種頻譜分配方式有利于保證系統的服務質量，但由于通信業務在地域、時域、頻域上的不均衡性，頻譜資源并沒有得到充分利用。以美國為例，美國聯邦通信委員會(FCC)的大量研究報告說明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]。而隨著無線通信業務需求的快速增長，無線頻譜資源顯得日益缺乏。可用頻譜資源稀缺及頻譜利用效率低等問題使得一種全新的、優化使用頻譜資源的無線通信模式變得十分必要。因此，基于認知無線電[2](CR)的動態頻譜接入(DSA)技術應運而生，DSA是一種可以在一定頻譜使用權限范圍內動態地選擇工作頻譜，并利用在一定時域、空域和頻域上出現的頻譜空洞進行通信的無線電技術，該技術能有效提高戰時頻譜管理能力和通信網絡的抗干擾能力，同時具有良好的保密及網絡魯棒性等優點。

本文介紹了國外動態頻譜技術原理和發展現狀，根據CR技術的特點，提出了動態頻譜技術對抗措施。

1動態頻譜技術的原理及挑戰

1.1　動態頻譜技術的原理

CR是未來軍事通信發展的方向，DSA技術和多波形設計是CR的基礎。CR技術由Mitola博士于1999年8月在IEEE Personal Communications雜志上明確提出。CR能夠感知頻譜環境和網絡狀態，實時改變功率、載頻、調制方式、傳輸速率等工作參數，伺機接入當前空閑頻譜，從而實現DSA。

圖1為Mitola提出的認知循環[3]，該圖給出了CR實體的工作流程、CR技術所涉及到的關鍵技術。

圖1　Mitola提出的認知循環

與傳統無線電相比，CR具備兩大基本功能：認知功能和重配置功能。認知功能指獲取或感知無線環境信息的能力；重配置功能是指根據無線環境的變化，在不改變硬件情況下調整工作參數的能力。非授權用戶(SU)可以感知空閑頻段，并在不影響該頻段PU的情況下，實現頻譜資源的動態利用，其關鍵技術[4]主要包括：

1)頻譜感知：通過分析感興趣的頻段，找出可以被利用的頻譜資源。單節點頻譜感知由于陰影、多徑等不利影響，性能難以滿足要求且開銷較大，目前主要研究方向為多節點協作感知[5-8]。

2)頻譜決策：在獲得可用頻譜信息的基礎上分析頻譜特征，決策選取合適的頻段，滿足SU傳輸的QoS需求。頻譜決策的研究主要優化公平性、通信開銷以及切換次數等指標[9-10]。

3)頻譜共享：主要解決多個用戶之間不沖突地選擇頻譜以最大化頻譜利用率的問題。頻譜共享需要同時考慮公平性和高效性，采用動態頻譜分配算法。

4)頻譜切換：SU在當前使用的信道感知到PU出現或者信道質量嚴重下降時，切換到其他可用信道上繼續通信．切換時要求快速、平穩執行，保證PU不受干擾，并且對SU的性能影響最小。

以CR為代表的DSA技術的出現，推動了頻譜接入方式的變革。DSA技術是一種頻譜應用策略，也就是在當前越來越復雜的背景頻譜中，通過感知周邊頻譜資源，尋找可用頻譜帶寬來實現可靠通信的一種方法。由于可用頻譜帶寬不同，在信息帶寬一定時，則要求設備具有靈活多變的波形進行實時匹配，以適應頻譜帶寬、信息帶寬和信噪比等通信參數。DSA策略包括三種模型：動態排他使用模型、開放共享模型、分層接入模型，如圖2所示。

1)動態排他使用模型

圖2　DSA的分類[11]

動態專用模型維持當前的頻譜授權專用政策，但引入分配靈活性來提高頻譜效率。它包括兩種方案：頻譜產權和動態頻譜分配。頻譜所有權方案允許PU自由地交易或者出租其頻段，利用經濟和市場因素推動頻譜資源的合理利用。動態頻譜分配由歐洲DRiVE計劃提出，主要應用在商業領域，是在特定時間和特定位置分配一段頻段給某個無線網絡專用，與靜態頻譜分配政策不同的是頻譜分配周期大大加快。動態排他使用模型主要缺點在于它并不能完全消除和充分利用由于通信業務的突發性而產生的頻譜空洞。

2)開放共享模型

開放共享模型亦稱為頻譜商品，它通過在對等用戶間開放共享頻譜來有效利用無線頻譜資源，如工業、科學和醫用頻段的開放共享方式。開放共享模型的很多技術問題更接近傳統的媒質接入控制問題，目前已有集中式頻譜共享、分布式開放頻譜共享等多種方案提出。集中式頻譜共享利用集中控制單元控制頻譜分配和接入過程[12]。網絡中的每個分布式節點都把自己感知到的頻譜信息匯聚到集中控制單元，由控制單元繪制出頻譜分配映射圖。而分布式頻譜共享主要用于不能構建集中式基礎設施的場合[13]。在這種情況下，每個分布式節點都參與頻譜分配和競爭的過程。同時，頻譜接入是由節點自身的策略決定的。博弈論是研究開放頻譜共享模型的重要方法，在解決用戶自私性和非合作性方面具有較大優勢。

3)分層接入模型

分層接入模型的主要思想是在保證SU不會對PU造成干擾的前提下，PU對SU開放其頻譜。這種模型一般包括兩種實現機制：頻譜襯墊和頻譜填充。

頻譜襯墊允許次用戶與主用戶共存于同一頻段，但規定SU對PU接收機的干擾功率必須低于某一限值[14]。低功率的CR設備與高功率的無線廣播共存于同一頻段是一種典型的頻譜襯墊應用實例。功率受限決定了襯墊系統多用于近距離傳輸，但襯墊方案具有不依賴于頻譜感知的優點。

頻譜填充早期以“頻譜池”[3]概念提出，后被定義為機會頻譜接入(OSA)。在OSA技術中，當PU不使用自己的頻譜時，SU通過頻譜檢測手段發現時域和空域上出現的頻譜空洞，SU在不干擾PU的前提下，動態的“借用”這些頻譜空洞進行通信，從而和頻譜PU共享頻譜資源，提高頻譜利用率。與頻譜襯墊不同的是，填充方案對次用戶的發射功率沒有嚴格限制，但限制次用戶的傳輸時間和傳輸空間。

1.2　動態頻譜技術的挑戰

SU要發掘可用的頻譜機會，實現DSA，主要面臨的挑戰如下：①如何準確獲得可用的頻譜機會，使得SU利用這些頻譜機會進行通信時不會對相應的PU造成有害干擾；②不同的非授權系統如何協調使用共同的可用空閑頻譜；③如何高效的利用頻譜機會，并且保證SU通信的QoS性能。

1)確定空閑頻譜

為了保證SU不對PU造成有害干擾，SU需要準確確定可用的頻譜機會，這是非常具有挑戰性的問題。不同類型的PU具有不同的感知靈敏度和感知速度要求。通常，SU發射機的感知靈敏度必須高于PU的接收機，以便降低DSA中的隱藏終端問題所帶來的負面影響。FCC提出了三種感知電視頻段的方案，包括：①通過被動頻譜感知確定電視信號是否存在，如匹配濾波檢測、循環平穩特征檢測和能量檢測，也稱為“先感知后通信”原則；②通過GPS或其他技術(例如數據庫)的協助，基于地理信息確定SU附近是否存在PU信號；③采用PU的傳輸幀標明附近的可用空閑頻譜。

2)系統共存

在DSA系統中，SU必須和PU以及其它SU很好地共存，從而使得SU和PU之間，以及不同的SU之間避免有害干擾。通常將SU和PU的共存稱為縱向共存，將不同的SU的共存稱為橫向共存。這兩種共存都要求SU能夠確定可用的空閑頻譜。

縱向共存不但避免了耗時長、花費大的頻譜授權過程，而且避免了給新的無線業務重新分配頻譜。盡管SU可以通過DSA與PU共享頻譜，同時不對PU造成有害干擾，而且PU原有的系統結構也不需要進行任何改動，但是，PU可以協助SU獲得可用的空閑頻譜。具體的協助方法包括：①PU主動發送數據幀，通知非授權頻譜是否可以進行頻譜接入；②SU通過授權頻譜利用數據庫預測PU對頻譜的使用模式。

在橫向共存模式下，SU之間通過協調共享可用的空閑頻譜。為了實現可持續地利用頻譜，SU需要一系列相互兼容的頻譜接入規則和協議，減少SU之間的有害干擾，提高空閑頻譜的利用率，并保證SU共享頻譜的公平性。

3)確保SU的QoS性能

DSA系統面臨兩個相互矛盾的需求：確保SU的QoS性能，以及確保對PU有足夠的保護。為了保證感知結果可靠，SU必須周期的進行頻譜感知，在頻譜感知時，所有SU都不能發送信息，這樣就中斷了SU的正常通信，影響SU的QoS性能。

2國外動態頻譜技術研究現狀

1)美國下一代(XG)無線通信計劃

美國國防高級研究計劃局(DARPA)資助的下一代(XG)無線通信計劃主要對DSA網絡進行研究。XG網絡利用DSA技術給移動的用戶提供寬頻帶接入，通過OSA以提高頻譜利用效率，并且不對已有PU帶來有害干擾。因此，XG網中的無線電電臺應具備頻譜感知、頻譜管理、頻譜轉移和頻譜共享的功能。

2006年8月SSC公司和DARPA在弗吉尼亞州的堡馬士基山進行了XG網絡實測，測試結果表明XG系統在對PU干擾限制、DSA范圍、網絡接入時間等關鍵指標上達到了設計要求[15]。XG網絡可在225～600MHz的頻段上檢測PU無線電信號，并在未被占用的信道上運行。這次實驗是DSA技術的一次成功實證，它表明XG系統沒有給其他用戶造成有害干擾，還能有效地使用頻譜資源，并且可以有效地組網。2007年，在都柏林DySPAN國際會議上，SSC演示了該公司研發的XG無線電系統。演示突出地顯示出該系統檢測頻譜機會，遵從政策要求以及與其他XG節點組網的能力。目前，XG計劃已進入到第三階段，SSC和Harris公司進行合作，將前者的DSA技術應用于后者研發的Falcon III軍用電臺，目的在于戰勝日益增長的無線通信帶寬需求和干擾帶給軍事通信的挑戰。這標志著XG技術即將進入實用階段。

2)IEEE 802.22標準

2004年11月，基于CR的無線標準IEEE802.22工作組成立，該工作組旨在開發一種基于CR的點到多點的無線區域接入網(WRAN)空中接口標準。該標準應用于54～862MHz的廣播電視頻段，支持18～24Mb/s的比特速率，并規定IEEE 802.22系統在4W的CPE有效輻射功率下的覆蓋范圍為33km。一個IEEE 802.22系統必須由一個基站(BS)和至少一個CPE構成，由BS管理CPE，并通過空中接口進行通信。目前，IEEE 802.22草案標準處于第二版本草案的制定階段。

IEEE 802.22是第一個商用的CR標準，該標準定義的通信設備擁有DSA、動態頻譜共享和動態頻譜多信道接入三個方面的功能。其中，DSA采用是典型的OSA方式，通信設備需要靈活、自適應地對PU進行感知，并機會式地利用頻譜空洞進行接入；動態頻譜共享屬于開放共享模型，其通信設備必須能感知到其它具有相似接入權利的CR網絡，并與之共存；動態頻譜多信道接入要求通信設備必須具有靈活性，能利用多個并行信道進行無縫運行。IEEE802.22標準支持兩種動態頻譜多信道接入方案，分別是動態信道綁定和動態信道集合。

3)歐洲E3(端到端效率)項目

2006年12月歐盟議會正式批準啟動歐共體研究與技術發展第七框架計劃(FP7)，FP7計劃中的E3(端到端效率)項目將動態頻譜分配策略納入了該項目的研究范圍。該項目旨在將CR技術整合到B3G體系結構中，使目前的異構無線通信系統基礎設施演進到一個整合的、可伸縮的和管理高效的B3G認知系統框架。

為了克服未來通信環境的復雜性，E3項目制定的主要目標之一是設計一種CR系統，它具備探測并重新配置網絡的能力以及對動態環境的自適應能力。該項目已著手研究基于自動分布式決策的無線電資源管理(RRM)和動態頻譜分配策略。其分布式決策功能需要相應的網絡環境信息以及優化約束條件(在合作情況下)。為此，定義了一種攜帶各種信息的認知導頻信道(CPC)，從而能使網絡終端和用戶設備獲得上述信息，當CPC不可得時，系統就必須依賴檢測手段。在這些信息的基礎上，通過RRM和動態頻譜分配可以進行基于分布式的鏈路優化，達到改善鏈路可靠性和收斂特性的目的。

3動態頻譜技術對抗措施

類似于CR，認知電子戰采用基于動態知識庫的“感知→識別→決策→行動→感知”的閉環處理過程，具有感知環境、適應新威脅、避免自擾、波形多變、協同工作、多層攻擊(包括物理層、控制層、用戶層)、自主學習等能力。CR技術可以用認知循環來描述CR體系結構，主要包括頻譜認知、頻譜決策和頻譜重構三個環節，因此，認知電子戰可以分別對CR的三個環節實施干擾，即認知干擾、決策干擾和重構干擾。

1)認知環節干擾。對認知環節實施攔阻式干擾，在某一給定頻段上同時施放干擾信號，對該頻段上的所有信道進行全面壓制，給敵方認知系統造成一種頻譜空洞稀缺或不存在的認識，從而無法實施頻譜決策與重構，阻斷SU通信。攔阻式干擾根據其頻譜形式可以分為寬帶噪聲攔阻式干擾、寬帶掃頻攔阻式干擾和離散梳狀譜攔阻式干擾。

2)決策環節干擾。在敵方系統工作的頻帶范圍內劃出一大部分并對該范圍內的頻譜空洞采取寬帶攔阻式干擾，縮小敵方頻譜空洞的分布范圍。這時，敵方頻譜空洞只可能存在于剩余較小的頻帶范圍內，這些頻譜空洞被敵方認知系統發現并用于通信的概率很大，稱為頻譜陷阱。在頻譜陷阱內偵收敵方通信信號，獲取決策機制、信號參數等，對通信系統實施產生式欺騙干擾，構造虛假環境，使得敵方認知系統學習虛假環境后做出錯誤的決策導致無法正常通信。

3)重構環節干擾。重構的關鍵在于通信雙方信息的交互，只要能夠通過干擾使得交互失敗或錯誤交互都可以使認知系統的端到端重配置功能失效，達到攻擊目的。對重構環節實施轉發式干擾，該干擾利用信號在空間傳播的特性，將收到的通信信號進行人為延遲，再將信號發射出去，從而使對碼同步要求嚴格的接收機收到兩個完全相同的信號后產生誤判，或者使接收機判斷信號的真實性而耗費時間、運算量、存儲量大等。

4結束語

動態頻譜技術為提高頻譜利用率、解決頻譜資源稀缺提供了一種有效途徑。本文介紹了動態頻譜技術原理及發展現狀，針對CR認知循環中的頻譜認知、頻譜決策和頻譜重構三個環節，提出了動態頻譜技術對抗措施。■

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Foreign development status of dynamic spectrum technique

and its countermeasures

Yang Huijun， Wang Qi

(No. 8511 Research Institute of CASIC，Nanjing 210007，Jiangsu，China)

Abstract：The principle and challenge of dynamic spectrum technique are analyzed. The foreign development status of dynamic spectrum is introduced. The countermeasures of dynamic spectrum are put forward.

Key words：dynamic spectrum;cognitive radio;countermeasure

中圖分類號：TN97

文獻標識碼：A

作者簡介：楊會軍(1979-)，男，高工，博士，主要從事電子對抗技術研究。

收稿日期：2015-05-19；2015-11-11修回。