認知無線電技術(shù)在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用研究

王小雄

摘要：文章詳細介紹了衛(wèi)星通信技術(shù)特點，認知無線電技術(shù)應(yīng)用情況、系統(tǒng)資源分配技術(shù)模型等；基于OFDMA多址接入方式；分析了認知無線電技術(shù)在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的應(yīng)用狀況；對認知無線電衛(wèi)星通信系統(tǒng)模型算法進行了設(shè)計。

關(guān)鍵詞：認知無線電；衛(wèi)星通信；OFDMA多址接入；模型算法

隨著超大規(guī)模集成電路研發(fā)成功以及模塊化可編程技術(shù)的成熟應(yīng)用，認知無線電平臺廣泛采用超大規(guī)模集成元件、數(shù)字電路、模塊化可編程等技術(shù)，通信能力也向多頻帶、多模式、多功能等方面延伸。

1認知無線電衛(wèi)星通信體系結(jié)構(gòu)原理

衛(wèi)星認知無線電技術(shù)原理在于能夠?qū)崿F(xiàn)特定頻段的探測，一旦探測到空閑頻譜，可以不干擾主用戶通信狀態(tài)下利用主用戶使用的頻段，只要主用戶在該頻段恢復(fù)通信，認知無線電設(shè)備會及時跳轉(zhuǎn)頻段，或者對傳輸功率進行調(diào)整，改變通信調(diào)制方式等等方法，消除對頻段主用戶的通信干擾。認知無線電衛(wèi)星通信利用認知循環(huán)技術(shù)可以通過感知獲取的信息進行分析，合理選擇接入子信道，實時調(diào)整自身通信參數(shù)來滿足通信要求。無線電認知循環(huán)的原理如圖1所示。認知無線電衛(wèi)星通信的認知循環(huán)原理是通過頻譜感知獲取認知用戶對自身周邊的無線通信環(huán)境的感知信息，綜合分析可用信道的特征參數(shù)，結(jié)合一些約束條件（如用戶需求）等，及時篩選最佳的接入通信的空閑信道，實現(xiàn)頻譜決策，接入最佳空閑信道，并選擇有效功率實現(xiàn)通信，從而實現(xiàn)知無線電在無線通信環(huán)境下的交互。

2認知無線電技術(shù)在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1應(yīng)用狀況分析

動態(tài)頻譜環(huán)境下，衛(wèi)星通信頻段多集中在4 GHz以上。而衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)作為一種典型的通信系統(tǒng)，依然存在頻譜資源實際利用率低等困難。基于此，認知無線電系統(tǒng)可以利用很多“閑置”頻譜，通過循環(huán)感知和動態(tài)頻譜接入技術(shù)充分利用這些“空閑”信道重新構(gòu)建新的業(yè)務(wù)信道，在該頻段實現(xiàn)免授權(quán)接入；而且無線電衛(wèi)星系統(tǒng)可利用位置感知技術(shù)，檢測地面站的工作狀態(tài)，節(jié)省地球站地面站發(fā)射功率，減少干擾。

經(jīng)過半個多世紀的研究發(fā)展，衛(wèi)星通信成為社會經(jīng)濟發(fā)展不可缺少的技術(shù)裝備，人們對于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的功能及可靠性要求也日益提高。衛(wèi)星通信系統(tǒng)在歐美國家以及中國、俄羅斯等國家應(yīng)用極為廣泛，應(yīng)用在軍事、航海、民航、通信、海事搜索等很多領(lǐng)域。衛(wèi)星通信系統(tǒng)通常包括地面控制中心、在軌通信衛(wèi)星、用戶終端系統(tǒng)。地面控制中心對通信衛(wèi)星工作狀態(tài)進行監(jiān)測，對通信信號質(zhì)量進行分析，根據(jù)分析情況對相應(yīng)衛(wèi)星的工作狀態(tài)進行必要的調(diào)整；實現(xiàn)對在軌通信衛(wèi)星進行管理、控制和在軌維護，保證在軌衛(wèi)星按指令正確運行并提供通信服務(wù)信息。用戶通過接收端的各種裝置接收通信衛(wèi)星提供的各種信息功能服務(wù)。地面控制中心可以實現(xiàn)衛(wèi)星的發(fā)射功率調(diào)整、覆蓋區(qū)范圍調(diào)整、星上軟件的加載、卸載、參數(shù)重置、服務(wù)功能選擇、通信及時控制等，有效地保證了衛(wèi)星通信的安全性、靈活性、可靠性、針對性。

近年來，隨著認知無線電技術(shù)以及智能化組網(wǎng)技術(shù)和電子技術(shù)的快速發(fā)展，衛(wèi)星通信系統(tǒng)可靠性、智能性得到進一步提升。未來，認知無線電技術(shù)在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中頻譜利用，自適應(yīng)調(diào)整、星上信號重構(gòu)、星座自主運行等方面技術(shù)將逐步運用。

2.2認知無線電系統(tǒng)資源分配技術(shù)模型

認知無線電最基本需求是在較大頻率范圍內(nèi)，為用戶提供滿足需求的容限能力范圍內(nèi)的通信網(wǎng)絡(luò)能力，提前感知用戶需求網(wǎng)絡(luò)范圍的環(huán)境。同時，認知無線電所有設(shè)置可以在某一個時間段，某一個需求地點對通信頻域進行有效判別，感知通信空閑頻段，為次要用戶提供有效頻段利用空間：在有效頻段內(nèi)的感知過程，還可以有效監(jiān)控監(jiān)測時段內(nèi)的其他合法有效用戶的通信介入需求，協(xié)調(diào)次要用戶合理退出占用的頻段資源，減少或者有效解決對通信主要用戶的干擾。因此，認知無線電感知技術(shù)通過對頻段的監(jiān)測，有效解決一級用戶干擾問題，合理有效利用頻譜資源具有重要的地位作用，應(yīng)用前景比較廣闊。

現(xiàn)有的頻譜感知技術(shù)分類如圖2所示，單認知用戶頻譜感知是指單個認知無線電節(jié)點根據(jù)本地的無線射頻環(huán)境進行頻譜檢測；協(xié)作感知則是通過數(shù)據(jù)融合，將基于多個節(jié)點的感知結(jié)果進行綜合判決。

2.3功率頻譜協(xié)同分配

在認知無線電系統(tǒng)中，需要充分考慮設(shè)定的主用戶干擾門限，并通過一定算法提高從用戶最有效的傳輸功率。本文提出了功率頻譜協(xié)同分配算法，對功率和頻譜分配方案進行優(yōu)化求解，在粒子群迭代過程中不斷優(yōu)化頻譜和功率的分配方式。本文中，認知無線電系統(tǒng)采用基于OFDMA多址接入方式，系統(tǒng)由主用戶網(wǎng)絡(luò)和從用戶網(wǎng)絡(luò)組成，從用戶網(wǎng)絡(luò)包括一個認知基站和M個從用戶。

2.4通信衛(wèi)星發(fā)射功率聯(lián)合控制

衛(wèi)星通信過程，用戶發(fā)射的入站信號功率和出站信號功率容易受到波射吸收、星地距離、天氣狀況、天線角度等影響。利用地面衛(wèi)星基站對入站和出站信號功率進行聯(lián)合檢測和控制，對于地面出站信號的發(fā)射功率，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的增益進行及時調(diào)整，有助于消除影響，保證用戶在最佳狀態(tài)接收信息服務(wù)。

另外，衛(wèi)星通過地面聯(lián)合功率檢測控制，可以自主改變衛(wèi)星系統(tǒng)內(nèi)的各設(shè)備單機功耗，實時控制通信信號發(fā)射功率，降低衛(wèi)星自身耗電，保證衛(wèi)星自身供電安全，提高衛(wèi)星系統(tǒng)工作的可靠性及效率。

3結(jié)語

經(jīng)過半個多世紀的研究發(fā)展，衛(wèi)星通信成為社會經(jīng)濟發(fā)展不可缺少的技術(shù)裝備，人們對于認知衛(wèi)星通信系統(tǒng)的功能及可靠性要求也日益提高。衛(wèi)星通信系統(tǒng)在軍事、航海、民航、通信、海事搜索等領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛。未來隨著無線電認知技術(shù)以及智能技術(shù)不斷成熟，衛(wèi)星通信功能更加齊全、便捷高效、安全。