基于認知無線電的通信抗干擾應用研究

余鵬

摘 要：認知無線電（Cognitive Radio，CR）技術的提出，為解決不斷增長的無線通信應用需求與日益緊張的無線頻譜資源之間的矛盾提供了一種有效的解決途徑。介紹了認知無線電的基本概念和關鍵技術，重點分析了認知無線電在通信抗干擾中的應用策略及其優勢，對促進通信對抗裝備的快速發展具有積極意義。

關鍵詞：認知無線電；智能頻譜共享技術；頻譜感知技術；無線通信

中圖分類號：TN92 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.15.012

文章編號：2095-6835（2015）15-0012-02

認知無線電（CR）作為一種智能頻譜共享技術，能依靠人工智能感知無線通信環境，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，動態檢測和有效利用空閑頻譜，理論上允許在時間、頻率和空間上進行多維的頻譜復用。近年來，通過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的解決途徑，還給電子對抗帶來了新的挑戰和機遇，必將促進通信對抗裝備的快速發展。

1 認知無線電的基本概念

自1999年“軟件無線電之父”Joseph Mitola博士首次提出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Sirnon Haykin教授的定義。FCC認為，認知無線電是能基于對其工作環境的交互改變發射機參數的無線電；Simon Haykin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（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、任何地點的高可靠通信和對頻譜資源的有效利用的目的。

2 認知無線電的主要技術特點

認知無線電的關鍵技術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），這些關鍵技術構成了CR技術體系框架，決定了CR的技術特點。認知無線電的無線電通信系統不在固定的頻段上工作，能自動搜索合適的頻段并在該頻段上通信，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，實時改變和調整其內部狀態，以適應外部無線環境的變化，從而實現頻譜共享，動態地增加或減少網絡和個人用戶的可用頻譜總數，為頻譜分配提供可行的解決方案。基于CR的通信網絡，基本的通信運行流程如圖1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；通過認知信息的獲取、傳遞、綜合分析、決策處理確定通信頻率、速率和波形等通信參數即變策略，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 基于CR的通信網絡的基本通信運行流程

3 認知無線電的關鍵技術

根據認知無線電的定義和特點分析，對應于認知無線電的整個工作過程，感知無線電的關鍵技術主要包括3個方面，即頻譜感知檢測技術、自適應傳輸技術和頻譜資源管理技術（包括頻譜分析和決定等），這些關鍵技術構成了認知無線電的核心功能。在基本的感知周期中，認知無線電系統通過對其所處的無線電環境的觀察，將了解的環境情況作為頻譜感知檢測部分的輸入信息，通過頻譜感知檢測功能獲得頻譜空洞信息，它是空域、時域和頻域中出現的可以被利用的頻譜資源，同時，將頻譜空洞信息提供給頻譜分析和頻譜決定部分。認知無線電能感知、適應和學習周圍的電磁環境，發現頻率空洞，熟知無線信號的特征，并合理利用這些結果，即頻譜感知技術，這是認知無線電區別于其他無線電的根本所在。所謂“頻率空洞”，是指被分配給某授權用戶，但在特定時間和具體位置下該用戶并沒有使用的頗帶。

4 基于認知無線電的軍事通信抗干擾策略

從上述對認知無線電基本概念、特征和關鍵技術的分析可知，有希望將認知無線電技術應用到軍事通信抗干擾中。通信干擾方式一般有瞄準式干擾、阻塞式干擾和掃描式干擾三種形式，這些干擾的前提是必須使通信方能接收到信號，且具有足夠的信號強度。雖然認知無線電的頻譜感知檢測能力主要是用來發現頻譜空洞的，但這也是建立在分析目標頻段并檢測其他被占頻譜的基礎上的。通過對工作頻譜區域進行感知和分析，按照頻譜池的思想（如圖2所示），將干擾信號所在的頻點或頻段劃分進黑色區域，將沒有干擾或低干擾的頻段分別劃進白色區域和灰色區域，就可在白色或灰色區域內選擇工作頻率，從而有效避開干擾。

圖2 頻譜池示意圖

此外，由于認知無線電具有位置感知能力，因此，可將位置感知技術與數字波束形成技術相結合，這樣可使認知無線電的輻射模式沿接收方向擴展，不僅能降低發射功率，還可有效降低認知無線電與其他用戶之間的干擾，提高認知無線電的抗截獲能力。最不利的情況是，認知無線電臺工作時受到了敵意的干擾。此時，可通過認知無線電節點對其自身的發射參數（功率、調制方式、編碼方式和頻率等）進行調整，可通過認知無線電的可重構能力實現。通過分析可知，具有頻譜感知能力的認知無線電完全能通過感知無線環境來檢測敵方的干擾，同時，借助于可重構能力自動對認知無線電節點自身的發射參數進行調整。因此，具備感知能力和重構能力的認知無線電用于軍事通信抗干擾具有理論上的可行性。

5 結論

近年來，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，比如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和如何使認知無線電網絡更加智能化、更符合軍事通信的特點和要求。

參考文獻

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〔編輯：張思楠〕