認知無線電技術在電磁頻譜管理中的應用探討

楊春、潘兆平

（同方電子科技有限公司,江西九江,332000）

隨著我國通信行業的持續發展，無線電技術逐漸被應用到軍事通信、航空航天、移動通信、交通運輸、醫療衛生等多個領域，在促進我國社會經濟發展，保障國家安全等各方面起到了較大的積極影響作用。然而在我國人民享受無線電所帶來的便利同時，無線電頻譜資源的稀缺及其污染問題對我國無線電的發展起到了較大的阻礙，甚至出現了較明顯的頻譜需求矛盾問題，給電磁頻譜管理工作帶來了較大挑戰。為實現電磁頻譜管理的目標，使頻譜資源的利用率得到有效提高，有必要對認知無線電及其在電磁頻譜管理中的應用進行分析，進而找出更好的辦法使電磁頻譜管理水平得到有效提高，使頻譜利用率得到有效提升，為我國電磁頻譜管理的進步和發展奠定良好基礎。

1 認知無線電技術

認知無線電也被稱之為CR，在認知無線電技術的應用過程中，該技術體現出認知能力和重配置能力等兩個特點。

■1.1 認知無線電技術的認知能力

一個完整的認知循環包括了頻譜感知、頻譜分析及頻譜決策等幾個方面。就頻譜感知方面來說，這是CR進行頻譜管理工作的重要前提，主要就是通過感知CR找到空域、時域及頻域的頻譜空穴信息，對授權用戶的再次出現進行感知，進而完成主動規避。就頻譜分析方面來說，其主要目的就是頻譜空穴特征進行仔細描述，為信道的選擇提供更加可靠的依據，進而使用戶的頻帶需求得到充分滿足。就頻譜決策方面來說，主要就是結合頻譜感知和頻譜分析的結果，根據用戶的需求及決策準則進行優化，確定用戶的通信標準及工作參數，進而選擇最適合的信號傳輸方式，以及最優的發射時間及發射功率[1]。

■1.2 認知無線電技術的重配置能力

在信號傳輸過程中，通過認知無線電技術所具備的重配置能力，能夠在硬件組件不變的情況下，對操作參數進行有效調整，使頻譜資源的利用更具有合理性及科學性。就目前來看，信號傳輸過程中可重新配置的參數包括了發射功率、工作頻譜、調制方法及通信技術等等，充分發揮認知無線電技術的重配置能力，能夠有效提高頻譜資源的利用率，為用戶選擇更加可靠的信道，對保障信號傳輸質量有著較好的積極影響作用[2]?？傊?，將認知無線電技術應用到電磁頻譜管理中，是提高頻譜資源利用率，解決頻譜資源供需沖突問題的重要措施，需要結合系統建設情況對其進行合理運用，使電磁頻譜管理水平得到有效提高。

2 認知無線電在電磁頻譜管理中的應用

■2.1 電磁頻譜管理的基本過程

在采用認知無線電進行電磁頻譜管理的時候，首先就要認識到CR網絡都是由CR用戶所組成的，與傳統的授權網絡存在較大區別，不能將傳統的靜態頻率分配方式應用到CR網絡的電磁頻譜管理中[3]。由于電磁環境的變化較頻繁，CR節點監測到的空閑頻譜也存在較大變化，當用戶使用需求出現變化時，對空閑頻譜的使用需求也就隨之改變。同時，想要實現自適應動態頻譜的分配，就必須要打破傳統標準、接入協議及政策的約束，使電磁頻譜管理更加靈活。此外，基于認知無線電技術的電磁頻譜管理，也可以稱之為頻譜分配，能夠在發射端實現對無線環境的實時探測，并根據探測結果對頻譜資源進行評價，確定可用的頻譜資源，進而按照相關規定對頻譜資源進行合理分配和共享，使頻譜資源的利用率得到有效提高[4]。

(1)在應用認知無線電進行電磁頻譜管理的時候，各個CR用戶都可以利用頻譜感知技術對電磁環境進行檢測，便于找出時域、空域和頻域上的空閑頻譜，根據相關要求和規定對其進行合理利用，使空閑頻譜得到充分利用，有效提高頻譜資源的利用率。

(2)在應用認知無線電進行電磁頻譜管理的時候，可以利用信道容量及頻譜分析對空閑頻譜的特征進行分析，便于找到能夠充分滿足用戶使用需求的空閑頻譜，進而在特定范圍內對頻譜信息進行共享[5]。

(3)在空閑頻譜的檢測和分析工作結束之后，就需要根據服務質量的需求，制定科學的頻譜決策。首先，需要為用戶選擇良好的頻譜，確定信息傳輸模式、信號調制方式、可接受的誤碼率、傳輸延遲限度、傳輸數據速率及傳輸帶寬等等。其次，需要根據頻譜分配策略，為CR用戶提供最優的頻譜。

(4)通過用戶發射端對發射功率進行控制，并在此基礎上，建立完整的通信。一旦出現使用中的空閑頻譜被干擾，無法滿足用戶使用需求的時候，或是授權用戶再次出現的時候，就需要及時切換頻譜，以此確保通信的正常進行。

■2.2 傳統頻譜管理網系與CR網絡頻譜管理

2.2.1 傳統頻譜管理網系

根據傳統頻譜管理網系的建設情況來看，其中包括了頻譜探測網、頻譜監測網、頻譜管理數據庫、用頻裝備監測系統及頻譜管理指揮控制系統等多個部分。其中頻譜監測網作為我國軍事頻譜管理網系的重要支撐網，其主要任務就是負責測量和分析無線環境中電磁信號的頻譜特征參數，比如發射帶寬、頻率誤差、信號頻率、調制度等等，并針對干擾源和非法電臺進行測向定位[6]。而用頻裝備作為電磁頻譜管理中的主要控制對象，也是執行頻譜管理方案的重要基礎，但是這兩者是獨立存在的，無法利用頻譜監測信息充分反映用頻裝備所處位置的電磁環境情況。同時，在制定頻譜管理方案之前，需要對頻譜監測信息進行分析和處理，通過頻譜管理網將頻譜管理方案傳遞給用頻裝備網，使其能夠按照方案執行，但是整個過程存在傳輸時延情況，難以保證其實時性，無法實現最優的頻率調整。

2.2.2 CR網絡頻譜管理

通過CR網絡能夠實現對電磁環境的實時監測，并利用本地網絡進行頻譜感知信息的共享，使頻譜感知信息能夠真正服務于電磁頻譜管理，有效提升電磁頻譜管理的合理性及科學性。同時，充分發揮CR網絡中所具備的干擾估測技術，能對授權用戶和CR用戶之間的干擾進行估測，進而對兩者進行協商，使兩者的干擾發生率得到有效降低。同時，還可以發揮CR網絡具備的學習和推理功能，進而選擇更好的運行機制和網絡標準，使電磁頻譜管理能夠逐漸趨向于智能化，實現自適應的頻譜管理。在CR網絡的應用條件下，用頻裝備不僅是頻譜管理中的控制對象，也是頻譜管理網和頻譜監測網的一部分，能夠利用這些裝備完成頻譜使用、動態頻譜管理和頻譜實時監測的多重任務，使電磁頻譜管理的目標得以順利完成。相比較傳統頻譜管理模式，CR網絡頻譜管理模式體現出以下幾個優勢：

(1)有利于解決用頻裝備網和頻譜管理網之間的分離問題，使用頻裝備網、頻譜監測網和頻譜管理網成為一體，進而根據任務和環境的變化進行智能化的頻譜分配。

(2)有利于改變頻譜管理方式，使集中式的靜態頻譜管理轉變向自適應的動態頻譜管理方式，整個過程對人力資源的消耗顯著降低，實現了自動化的頻譜分配。

(3)有利于提高頻譜分配的可靠性。能夠有效解決傳統頻譜管理方式中無法隨意更改指配頻率的問題，通過功率控制、干擾估測等方式增強了頻譜管理網的抗干擾性能，使通信的正常進行得到有效保障。

(4)有利于實現智能化、網絡化的頻譜管理。在CR網絡頻譜管理中，各個節點能夠根據電磁環境進行學習和推理，對空閑頻譜進行合理使用，實現對環境感知信息的共享，通過科學算法對頻譜進行分配，并完成網絡標準的智能化選擇，完成通信的建立，整個過程不需要提前做好準備工作，實現了智能化的電磁頻譜管理。

3 加強CR網絡電磁頻譜管理的具體建議

想要充分發揮認知無線電在電磁頻譜管理中的作用，就必須要及時改變頻譜管理思想，實施互補式、開放式和動態靈活的頻譜管理方式，將頻譜劃分為不可干擾、可存在一定干擾和無限制的非授權使用等三個等級。其中第二等級和第三等級的頻譜是認知無線電能夠利用的頻譜，比如ISM頻段的開放共享方式等等。同時，需要嚴格控制第三等級頻譜所占的范圍，盡可能增加第二等級和第三等級頻譜的范圍，進而使頻譜資源的利用率得到有效提高。其次，在進行CR網絡頻譜管理工作的時候，要做好數據庫管理工作，及時對數據庫內容進行更新和完善，便于為電磁頻譜管理提供更加完整、可靠的依據。最后，為保證CR網絡頻譜管理工作的順利開展，應積極加強對頻譜管理人員的綜合培訓，不斷完善頻譜管理人員的知識結構和技能結構， 使其能夠正確判斷和處理工作問題，避免在頻譜管理工作中出現不當操作，使電磁頻譜管理工作的效率及質量得到有效提高。

4 結語

綜上所述，為充分發揮認知無線電技術在電磁頻譜管理中的應用價值，需要深入分析認知無線電技術，準確把握認知無線電技術的特點及應用優勢，進而將其合理運用到電磁頻譜管理中，使電磁頻譜管理水平得到有效提高。同時，為確保電磁頻譜管理能夠適應社會發展要求，應積極加強對電磁頻譜管理的優化和創新，為電磁頻譜管理的持續發展提供有利支持。