認(rèn)知無線電技術(shù)在電磁頻譜管理中的應(yīng)用研究

劉傳偉，郝威，劉利江

（1. 海軍工程大學(xué)，武漢，430033；2.中國人民解放軍91604部隊，煙臺，264000）

0 引言

隨著無線電技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，使得有限頻譜資源和猛增的需求間的矛盾日益突出。目前傳統(tǒng)的頻譜分配制度為靜態(tài)頻譜分配，無線頻譜資源被劃分為授權(quán)頻段（LFB）與非授權(quán)頻段(UFB)2類。美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）的研究表明，授權(quán)頻段的平均利用率范圍在15%～85%[1]。而非授權(quán)頻段只占頻譜資源很少一部分，并且競爭激烈，用戶很多，業(yè)務(wù)量擁擠。傳統(tǒng)靜態(tài)的頻譜分配方式使得沒有得到授權(quán)的用戶不能利用授權(quán)頻段，資源浪費嚴(yán)重。這種靜態(tài)的頻譜管理方式，大大限制了頻譜的使用效率，使得無線資源本身的匱乏以及對它使用不合理的問題越來越突出。

認(rèn)知無線電[2-4](CR， Cognitive Radio)是一種能夠?qū)λ幍碾姶怒h(huán)境進(jìn)行實時監(jiān)測，尋找到空閑頻譜，并根據(jù)需求實時調(diào)整傳輸參數(shù)的智能無線電。它以某種“伺機方式”接入已授權(quán)的頻譜，通過動態(tài)頻譜共享[5](DSS， Dynamic Spectrum Sharing)來提高無線頻譜的利用效率，而不影響擁有授權(quán)頻段授權(quán)用戶（Primary User）的工作。CR技術(shù)為頻譜管理提供了一條嶄新的思路，突破傳統(tǒng)頻譜授權(quán)指配的方式。具有CR功能的網(wǎng)絡(luò)單元，不需要頻譜管理部門預(yù)先分配頻譜，它通過各單元的頻譜感知，在復(fù)雜時變的電磁環(huán)境中尋找適宜的頻譜，并通過認(rèn)知推理，學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則，動態(tài)共享頻譜，建立通信。既有效避免干擾的發(fā)生，又提高了頻譜利用率，達(dá)到頻譜管理的智能化與自適應(yīng)性。

1 認(rèn)知無線電技術(shù)

認(rèn)知無線電的概念最初是由Joseph Mitola博士在1999年發(fā)表的一篇學(xué)術(shù)論文[6]中首先提出的。美國聯(lián)邦通信委員會（Federal Communications Committee， FCC）對它的定義是一種能夠根據(jù)與它的操作環(huán)境進(jìn)行交互而改變傳輸參數(shù)的無線電。

認(rèn)知無線電的兩個顯著特點：認(rèn)知能力和重配置能力。一個完整的認(rèn)知循環(huán)包含頻譜感知、頻譜分析與頻譜決策3方面內(nèi)容，如圖1所示。

頻譜感知是CR進(jìn)行頻譜管理的前提，通過頻譜感知CR發(fā)現(xiàn)時域、頻域與空域的頻譜空穴信息，并且感知授權(quán)用戶的再次出現(xiàn)，實現(xiàn)主動規(guī)避。

圖1 認(rèn)知循環(huán)示意圖

頻譜分析的目的是為了進(jìn)一步描述頻譜空穴的主要特征，為信道估計提供依據(jù)，以獲得滿足用戶需求的頻帶。頻譜分析的主要參數(shù)有干擾、路徑損耗、無線鏈路誤碼率、鏈路層延時和信道占用時間等。信道估計是對信道的質(zhì)量予以評估，以方便選擇質(zhì)量好的信道提高通信的質(zhì)量和準(zhǔn)確性。

頻譜決策在頻譜感知與頻譜分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)用戶的質(zhì)量需求和決策準(zhǔn)則進(jìn)行最優(yōu)化，選取用戶的工作參數(shù)及通信標(biāo)準(zhǔn)，以確定最佳的信號傳輸方式（包括：信息傳輸速率、調(diào)制解調(diào)方式及協(xié)議等）和最佳發(fā)射功率水平與發(fā)射時間。

重配置能力是指在傳輸過程中不改變?nèi)魏斡布M件的情況下調(diào)整操作參數(shù)的能力?？芍嘏渲玫膮?shù)主要有工作頻譜、調(diào)制方法、發(fā)射功率及通信技術(shù)等等。通過重配置能力實現(xiàn)了頻譜利用的靈活性。

2 目前頻譜管理的幾種方式

目前，頻譜管理基本上是一個自下而上逐級申請，然后再自上而下逐級分配的過程。頻譜管理首先由底層的用頻單位提出申請和需求，再由頻譜管理機構(gòu)為特定環(huán)境下的用戶簽發(fā)頻譜使用許可證。以此保障頻譜管控的權(quán)威性、科學(xué)性和可行性，從整體上預(yù)防和減少相互間的干擾?？偟膩碚f，目前頻譜管理模式概括起來主要有以下2種：

（1）靜態(tài)集中式頻譜管理模式

在這種模式下，頻譜管理是一種集中式、非實時、靜態(tài)的管理模式。具有頻譜分配權(quán)的頻譜管理機構(gòu)為每一有用頻需求的用戶指定一些頻譜資源，并規(guī)定使用的時間與場合。這種頻譜管理模式降低了頻譜資源使用的靈活性和有效性，并且需要較長時間的準(zhǔn)備工作，但是這對于保護(hù)特殊部門的頻譜使用權(quán)（例如：公共安全、科研以及政府部門等）是必要的。

（2）有限的自適應(yīng)管理模式

這種模式是在預(yù)先分配的頻率集自適應(yīng)地選取通信質(zhì)量好的頻率。并且目前通信網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)能力非常有限，僅限于單網(wǎng)級的頻率功率自適應(yīng)。其中頻率自適應(yīng)主要有2種形式：一種是采用空閑信道搜索，由通信雙方根據(jù)在指配的頻率集上探測的結(jié)果進(jìn)行交互，選取通信質(zhì)量好的頻率建立通信；另一種是自適應(yīng)跳頻，按照預(yù)先設(shè)定的順序在指定的有限頻點上進(jìn)行跳變，并且對自動探測到的干擾頻點進(jìn)行替換。這2種自適應(yīng)方式在一定程度上提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，比普通的跳頻通信抗干擾能力強，在理論上即使只剩下一個可用頻點，通信雙方仍可在該頻點上正常通信。在單網(wǎng)通信時，這2種頻率自適應(yīng)方式基本上能夠滿足抗干擾通信的需求，但在網(wǎng)系應(yīng)用條件下，需要多網(wǎng)系間協(xié)同頻譜資源的使用，進(jìn)行信息和資源共享，是這2種方式無法滿足的。

3 CR網(wǎng)絡(luò)的電磁頻譜管理

3.1 CR網(wǎng)絡(luò)電磁頻譜管理的基本過程

CR網(wǎng)絡(luò)是由CR用戶組成的網(wǎng)絡(luò)，區(qū)別于傳統(tǒng)的授權(quán)網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)的靜態(tài)頻率分配方式不適用具有CR功能的網(wǎng)絡(luò)。這是因為由于電磁環(huán)境不斷變化，CR節(jié)點檢測到的空閑頻譜也不斷在變化；另外由于形勢、任務(wù)的變化，用戶的需求也在變化，對空閑頻譜的使用需求也就不相同。而且要實現(xiàn)完全自適應(yīng)動態(tài)頻譜分配還要打破傳統(tǒng)政策、標(biāo)準(zhǔn)及接入?yún)f(xié)議的束縛。

基于CR技術(shù)的動態(tài)頻譜管理Simon Haykin在文獻(xiàn)[8]中給出其定義：頻譜管理也叫頻譜分配，在發(fā)射端實現(xiàn)，實時探測當(dāng)前工作區(qū)域內(nèi)的無線環(huán)境，根據(jù)探測的結(jié)果，對頻譜資源進(jìn)行分析和評價，確定時間和空間上可用頻譜資源，并根據(jù)一定的規(guī)則對頻譜資源進(jìn)行共享和分配。

（1）每一個CR用戶通過頻譜感知技術(shù)對所處的電磁環(huán)境進(jìn)行大動態(tài)范圍的頻譜檢測，以此發(fā)現(xiàn)時域、頻域以及空域上的空閑頻譜。

（2）通過頻譜分析和信道容量預(yù)測對空閑頻譜的主要特征參數(shù)進(jìn)行分析，以獲得滿足使用需求的頻譜，并在一定的范圍內(nèi)共享頻譜信息。

（3）在所有空閑頻譜被檢測和分析完成之后，再結(jié)合用戶的服務(wù)質(zhì)量需求情況，進(jìn)行頻譜決策。為當(dāng)前用戶選擇適合的頻譜，并確定信息傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率、信號調(diào)制方式、可接受的誤碼率、傳輸模式、傳輸延遲限度以及傳輸帶寬等技術(shù)指標(biāo)。接著依據(jù)一定的頻譜分配策略（例如：吞吐量、公平性、通信費用等方面），給一定范圍內(nèi)的CR用戶分配適合的頻譜。

（4）在用戶的發(fā)射端進(jìn)行發(fā)射功率控制，并建立通信。當(dāng)授權(quán)用戶再次出現(xiàn)或正在使用的空閑頻譜受到干擾不再滿足使用需求時，迅速進(jìn)行頻譜切換，保障通信的順暢進(jìn)行。

3.2 CR網(wǎng)絡(luò)的頻譜管理與傳統(tǒng)頻譜管理網(wǎng)系

3.2.1 傳統(tǒng)頻譜管理網(wǎng)系

傳統(tǒng)的電磁頻譜管理網(wǎng)系一般包含頻譜監(jiān)測網(wǎng)、頻譜探測網(wǎng)、用頻裝備檢測系統(tǒng)、頻譜管理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和電磁頻譜管理指揮控制系統(tǒng)幾個部分。

頻譜監(jiān)測網(wǎng)是軍事電磁頻譜管理網(wǎng)系的支撐網(wǎng)絡(luò)。主要完成對無線環(huán)境中電磁信號頻譜特征參數(shù)（包括信號頻率、頻率誤差、發(fā)射帶寬、場強、調(diào)制度等參數(shù)）的測量、分析，并對非法電臺和干擾源進(jìn)行測向定位。頻譜監(jiān)測為頻率指配、頻率動態(tài)調(diào)整和制定無線電管制方案提供依據(jù)。準(zhǔn)確、詳實、及時的頻譜監(jiān)測數(shù)據(jù)是科學(xué)頻譜管理的依據(jù)。電磁頻譜監(jiān)測網(wǎng)的數(shù)據(jù)信息通過綜合信息網(wǎng)傳輸?shù)诫姶蓬l譜管理指揮控制系統(tǒng)，供頻譜管理機構(gòu)分析與決策使用。

用頻裝備是頻譜管理控制的對象，頻譜管理網(wǎng)是頻管方案的制定者，而用頻裝備網(wǎng)絡(luò)是頻管方案的執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)，兩者相互分離。因而頻譜監(jiān)測信息并不能完全準(zhǔn)確地反映出用頻裝備所處的電磁環(huán)境情況；而且監(jiān)測信息先要經(jīng)過處理，再由頻譜管理網(wǎng)提供頻譜管理方案送到用頻裝備網(wǎng)執(zhí)行，有一定的傳輸時延，實時性不強，所以所做的頻率調(diào)整并不是最優(yōu)的。

3.2.2 CR網(wǎng)絡(luò)的頻譜管理

對用頻電子裝備進(jìn)行技術(shù)改造，使之集成CR功能，通過一定的組網(wǎng)方式，構(gòu)成CR網(wǎng)絡(luò)。各個節(jié)點通過CR的頻譜感知技術(shù)監(jiān)測本地電磁環(huán)境的變化，完成本地電磁環(huán)境感知，在本地網(wǎng)絡(luò)中分發(fā)共享頻譜感知信息，作為頻譜管理的依據(jù)；并且能夠通過CR干擾估測技術(shù)估計CR用戶與授權(quán)用戶之間的干擾，通過用戶間的相互協(xié)商來避免它們之間干擾的發(fā)生；且根據(jù)一定的規(guī)則進(jìn)行頻譜管理，并通過學(xué)習(xí)與推理選擇適宜的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)和運行機制，實現(xiàn)頻譜管理的自適應(yīng)性和智能化。各個具有CR功能的用頻裝備不再只是頻譜分配、控制的對象，而且成為頻譜監(jiān)測網(wǎng)、頻譜管理網(wǎng)的一部分，是完成電磁環(huán)境監(jiān)測、頻譜管理的最主要裝備。用頻裝備網(wǎng)實現(xiàn)了頻譜監(jiān)測網(wǎng)和頻譜管理網(wǎng)的功能，完成實時頻譜監(jiān)測、動態(tài)頻譜管理和頻譜使用的多重任務(wù)。

基于CR技術(shù)的頻譜管理模式與傳統(tǒng)頻譜管理模式相比具有以下幾種優(yōu)點：

（1）改變傳統(tǒng)頻譜管理網(wǎng)系中頻譜管理網(wǎng)與用頻裝備網(wǎng)分離的現(xiàn)象，實現(xiàn)頻譜管理網(wǎng)、頻譜監(jiān)測網(wǎng)與用頻裝備網(wǎng)三網(wǎng)合一，頻譜分配能夠適應(yīng)任務(wù)與環(huán)境的變化。

由于CR具有頻譜感知功能，能夠通過CR裝備組成的認(rèn)知頻譜管理網(wǎng)完成對本地電磁環(huán)境的監(jiān)測與分析，代替?zhèn)鹘y(tǒng)頻譜監(jiān)測網(wǎng)。實時、準(zhǔn)確的頻譜感知數(shù)據(jù)完全反映出用頻裝備所處的電磁環(huán)境情況，是傳統(tǒng)頻譜管理網(wǎng)絡(luò)無法比擬的。因而頻譜管理能夠適應(yīng)環(huán)境的快速變化進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，最大限度地發(fā)揮用頻電子裝備的效能，電磁頻譜不再是制約電子裝備性能發(fā)揮的因素。

（2）實現(xiàn)頻譜管理方式的大變革。

由傳統(tǒng)的集中式靜態(tài)或有限自適應(yīng)頻譜管理方式轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)、自適應(yīng)的頻譜管理方式。頻譜管理不再是一項繁瑣的系統(tǒng)工程，很少需要人的參與，實現(xiàn)完全的機器分配，自動化程度高。

（3）頻譜分配的可靠性、適應(yīng)性大幅增強。

傳統(tǒng)的靜態(tài)頻譜管理方式指配的頻率不容隨意更改，遇到突發(fā)事件難以處置，適應(yīng)性差、抗干擾能力差。應(yīng)用了CR技術(shù)的頻譜管理網(wǎng)，用頻裝備單元通過干擾估計、功率控制等方式預(yù)防干擾的發(fā)生，并在受到干擾時能夠通過頻譜移動性管理迅速切換頻率，保障通信的順暢進(jìn)行。

（4）頻譜管理實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化、智能化管理。

傳統(tǒng)的集中式靜態(tài)頻譜管理方式是一種自上而下的雙向頻譜管理過程，需要人的干預(yù)。事先需要對電子裝備的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，還要對電子裝備所處的電磁環(huán)境信息進(jìn)行統(tǒng)計分析，然后再結(jié)合需求情況進(jìn)行集中的頻譜規(guī)劃與分配，自動化、智能化程度不高。而具備CR技術(shù)的頻譜管理網(wǎng)絡(luò)各個節(jié)點能夠?qū)λ庪姶怒h(huán)境進(jìn)行學(xué)習(xí)與推理，擇機使用空閑頻譜，通過共享環(huán)境感知信息，運行分配算法實現(xiàn)頻譜的分配，并智能選擇合適的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，建立通信，整個過程不需要事先準(zhǔn)備。從頻譜感知到通信的建立，無不實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化管理和智能化操作。

4 結(jié)束語

由于目前CR技術(shù)尚不成熟，組建具有CR功能的電磁頻譜管理網(wǎng)絡(luò)尚需重點解決幾個技術(shù)難題，包括研究適合CR技術(shù)的頻譜管理網(wǎng)絡(luò)、頻譜感知技術(shù)以及頻譜分配規(guī)則等。

[1] FCC. Notice of Proposed Rule Making and Order [R].ET Docket No. 03-322. 2003.

[2] Haykin S．Cognitive radio: Brain-empowered wireless communications,IEEE Journal on Selected Areas in Co mmunications,2005,23(2):201-220．

[3] 周小飛，張宏剛． 認(rèn)知無線電原理及應(yīng)用． 北京：北京郵電大學(xué)出版社[M]，2006：1-25．

[4] 謝顯中. 感知無線電技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 北京：北京電子工業(yè)出版社，2008：1-45.

[5] 周賢偉，王建萍，王春江． 認(rèn)知無線電[M]． 北京：國防工業(yè)出版社，2008：62-146．

[6] Mitola J．Cognitive radio:making software radios more personal. IEEE Pers Commun , 1999 ,6(4)．

[7] Haykin S．Cognitive radio: Brain-empowered wireless communications,IEEE Journal on Selected Areas in Co mmunications,2005,23(2):201-220．

[8] Simon Haykin Cognitive radio：Brain-empowered wireless communications[J] ．IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2005, 23(2):201-220．