復(fù)雜電磁環(huán)境下戰(zhàn)場頻譜動態(tài)管理模式分析

楊麗芬，王艷聰

（解放軍通信指揮學(xué)院一系，湖北武漢 430010）

復(fù)雜電磁環(huán)境下戰(zhàn)場頻譜動態(tài)管理模式分析

楊麗芬，王艷聰

（解放軍通信指揮學(xué)院一系，湖北武漢 430010）

頻譜動態(tài)管理是基于當(dāng)前頻譜靜態(tài)管理模式提出的，認(rèn)知無線電技術(shù)是實現(xiàn)頻譜動態(tài)管理的技術(shù)基礎(chǔ)。本文在認(rèn)知無線電技術(shù)特點的基礎(chǔ)上，分析了設(shè)備級頻譜動態(tài)管理和協(xié)調(diào)式頻譜動態(tài)管理的內(nèi)涵和特點，并從不同的角度對幾種頻譜動態(tài)管理模式進(jìn)行了對比分析。

譜動態(tài)管理模式；認(rèn)知無線電；設(shè)備級頻譜動態(tài)管理；協(xié)調(diào)式頻譜動態(tài)管理

未來基于信息系統(tǒng)的體系作戰(zhàn)中，敵我雙方為爭奪戰(zhàn)場制電磁權(quán)，在有限的作戰(zhàn)地域和空間內(nèi)將大量使用作戰(zhàn)指揮、情報偵察、預(yù)警探測、通信聯(lián)絡(luò)、武器制導(dǎo)和電子對抗等電子信息裝備及武器系統(tǒng)，由此導(dǎo)致戰(zhàn)場電磁環(huán)境更加復(fù)雜，用頻需求持續(xù)增加，頻譜供需矛盾日益突出。電磁頻譜動態(tài)管理，是在戰(zhàn)場電磁環(huán)境極其復(fù)雜，電磁頻譜資源相對有限的背景下，適應(yīng)基于信息系統(tǒng)體系作戰(zhàn)頻率使用和管理需求，針對當(dāng)前靜態(tài)頻譜管理模式而提出的一種新型頻譜資源管控方法和手段。戰(zhàn)場頻譜動態(tài)管理模式對當(dāng)前靜態(tài)頻譜管理模式下的用頻方式、管理性能及頻譜感知提出了新的挑戰(zhàn)和要求。

1 認(rèn)知無線電技術(shù)特點

當(dāng)前頻譜管理策略是采用靜態(tài)劃分的方式，將某段頻譜資源劃分給某個特定應(yīng)用，這種劃分方式是排它性、獨占性的，沒有考慮到頻譜利用率隨時間、空間變化的現(xiàn)實情況，導(dǎo)致了新技術(shù)、新應(yīng)用可用頻率資源的不足。認(rèn)知無線電（CR）技術(shù)的提出，使人們認(rèn)識到當(dāng)前頻譜匱乏并不是頻譜資源的絕對稀缺，而是當(dāng)前靜態(tài)頻率使用方式限制了空閑頻率的有效接入。從目前來看，無論是Mitola的理想認(rèn)知無線電還是FCC的頻譜認(rèn)知無線電，都反映出認(rèn)知系統(tǒng)應(yīng)具備捷變性、自適應(yīng)性、智能性的特點。

1．1 捷變性

CR具有重新改變波形和配置的能力，當(dāng)同一頻帶實現(xiàn)兩種完全不同的業(yè)務(wù)時，CR能夠迅速反映不同業(yè)務(wù)類型的傳播特性，如：調(diào)制方式、發(fā)送功率、數(shù)據(jù)速率、無線電射程、丟包率等。

1．2 自適應(yīng)性

CR能自適應(yīng)外界環(huán)境和自身需求變化，具有自動更換工作頻帶的能力，認(rèn)知無線電是自適應(yīng)傳輸思想在頻譜分配領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。頻譜自適應(yīng)與傳輸自適應(yīng)使得無線設(shè)備媒體接入控制層（MAC）以下都能適應(yīng)環(huán)境與需求的變化。

1．3 智能性

智能性是認(rèn)知無線電與軟件無線電的最顯著區(qū)別，CR中智能性主要體現(xiàn)在感知、學(xué)習(xí)及重配置能力上。認(rèn)知設(shè)備能夠自動感知外界環(huán)境的各種信息（如授權(quán)用戶和認(rèn)知用戶的工作頻率調(diào)制方式、鏈路質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)流量等），并具有對這些信息進(jìn)行分析、學(xué)習(xí)和判斷的能力；當(dāng)設(shè)備由于位置、狀態(tài)或射頻環(huán)境變化而需要改變工作狀態(tài)時，CR通過自適應(yīng)調(diào)整其內(nèi)部配置，在不干擾授權(quán)用戶通信的條件下與授權(quán)用戶共享頻譜。

2 設(shè)備級頻譜動態(tài)管理

設(shè)備級頻譜動態(tài)管理是基于認(rèn)知設(shè)備的一種頻譜管理方式，它體現(xiàn)了開放式頻譜管理理念［1－2］。設(shè)備級頻譜動態(tài)管理建立在用戶動態(tài)頻譜接入（DSA）基礎(chǔ)上，是指將整個（或部分）無線電頻譜作為可資利用的信道資源，系統(tǒng)通過實時地感知、識別，并有效地加以利用可用頻譜，實現(xiàn)不同無線電系統(tǒng)頻譜資源的有序共享。設(shè)備級頻譜動態(tài)管理典型工作方式是：當(dāng)終端需要使用頻率時，通過主動或被動感知寬頻譜環(huán)境下的頻譜空穴，然后根據(jù)可用頻譜空穴情況，調(diào)整自身狀態(tài)，在搜尋到的頻譜空穴上工作，以充分利用空閑的頻率資源；同時，為避免對授權(quán)用戶造成的不必要干擾，設(shè)備可在空閑頻譜間進(jìn)行無縫的頻譜轉(zhuǎn)移，如圖1所示。

設(shè)備級頻譜動態(tài)管理不依賴人或系統(tǒng)的參與，用戶節(jié)點不僅僅是無線電信息的傳輸載體，同時也是無線電頻譜管理的參與者。它通過設(shè)備自身具備的頻譜感知、頻譜分析、頻譜決策、頻譜共享和頻譜轉(zhuǎn)移功能來實現(xiàn)頻譜動態(tài)管理，也就是說設(shè)備在實現(xiàn)動態(tài)頻譜接入的同時完成了設(shè)備的頻譜動態(tài)管理。

設(shè)備級頻譜動態(tài)管理的典型應(yīng)用是美國國防部高級技術(shù)研究計劃署DARPA資助的下一代XG通信計劃［3－4］，該計劃中的DSA系統(tǒng)自身具備頻譜動態(tài)管理功能，它不必在時間、位置、信號、傳播等方面預(yù)先做好避免沖突的準(zhǔn)備，就可實現(xiàn)多數(shù)時刻有效的頻譜接入。2006年8月美軍對其研制的6臺DSA樣機(jī)進(jìn)行了實地試驗，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)較少時，DSA系統(tǒng)可在226～600 MHz頻率范圍內(nèi)與授權(quán)用戶無干擾共存，這也證明了在移動環(huán)境中基于認(rèn)知技術(shù)的頻譜動態(tài)管理是可實現(xiàn)且有效的。

長遠(yuǎn)來看，基于認(rèn)知技術(shù)的設(shè)備級頻譜動態(tài)管理是未來頻譜管理的發(fā)展目標(biāo)。但設(shè)備級頻譜動態(tài)管理是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，相對于傳統(tǒng)頻譜管理模式，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)模型、系統(tǒng)功能以及管理方式等方面都發(fā)生了顯著的變化，具體體現(xiàn)在：實現(xiàn)方式上，由傳統(tǒng)集中、靜態(tài)的系統(tǒng)級頻譜管理，轉(zhuǎn)變?yōu)榉植际?、動態(tài)地用頻設(shè)備頻譜管理；網(wǎng)絡(luò)管理上，由用戶網(wǎng)絡(luò)與管理網(wǎng)絡(luò)相互獨立，轉(zhuǎn)變?yōu)槭跈?quán)網(wǎng)絡(luò)與認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)共存的多樣化網(wǎng)絡(luò)；系統(tǒng)構(gòu)成上，由傳統(tǒng)的單一頻段、單一體制的無線電平臺，轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄓ没?、系列化、模塊化的軟件無線電平臺；系統(tǒng)功能上，由原來單一頻段上的通信功能，拓展到寬頻譜范圍內(nèi)通信和管理于一體的多功能系統(tǒng)。

由此不難看出，設(shè)備級頻譜動態(tài)管理不僅需要發(fā)展機(jī)會頻譜接入的使能技術(shù)，如感知環(huán)境特征、確定和分發(fā)頻譜機(jī)會信息、根據(jù)需求分配和使用頻譜機(jī)會等，還需要制定可以長期存在的管理框架，并通過靈活的政策來管理無線電設(shè)備的關(guān)鍵行為。毋庸置疑，基于認(rèn)知設(shè)備的頻譜動態(tài)管理對于緩解當(dāng)前頻譜資源不足，提高復(fù)雜電磁環(huán)境下的頻譜管理效能，具有良好的發(fā)展前景，但遺憾地是，它并不能代替當(dāng)前頻譜管理樣式，因而不能成為現(xiàn)階段最佳發(fā)展模式。

圖1 設(shè)備級頻譜動態(tài)管理過程

3 協(xié)調(diào)式頻譜動態(tài)管理

協(xié)調(diào)式頻譜動態(tài)管理概念源于泛在移動網(wǎng)絡(luò)動態(tài)智能頻譜管理［5］（DIMSUMnet）項目，該管理模式引入了中心控制、區(qū)域網(wǎng)絡(luò)以及頻譜經(jīng)紀(jì)人（SB）機(jī)制。為增強(qiáng)頻譜接入的靈活性以及提高頻譜使用效率，區(qū)域頻譜被劃分為靜態(tài)訪問頻帶（SAB）、未許可頻帶和協(xié)調(diào)訪問頻帶（CAB），如圖2所示。協(xié)調(diào)式頻譜動態(tài)管理實現(xiàn)了用戶在CAB上的統(tǒng)計多元接入（SMA），CAB頻帶是SB根據(jù)現(xiàn)實頻譜狀況提前劃分好的一段特定頻帶，用戶是則具有一定頻譜感知能力的電臺。

圖2 協(xié)調(diào)式頻譜動態(tài)管理中頻率等級分類圖

協(xié)調(diào)式頻譜動態(tài)管理在中心控制實體SB的統(tǒng)一指導(dǎo)下實現(xiàn)，SB負(fù)責(zé)收集來自頻譜認(rèn)知電臺的感知信息，并對這些信息進(jìn)行綜合處理分析，然后根據(jù)頻譜請求信息，在不對其他系統(tǒng)造成有害干擾的前提下，為動態(tài)頻譜接入系統(tǒng)指配臨時性工作頻段。SB可以提供用戶對蜂窩網(wǎng)絡(luò)、固定無線接入網(wǎng)和網(wǎng)格網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的動態(tài)頻譜接入，服務(wù)提供者和用戶都不是永久性的擁有頻譜資源，而是通過使用SB給出的對某一段頻譜利用的時間段。也就是說，頻譜認(rèn)知系統(tǒng)通信結(jié)束后，將釋放占用頻帶，并在恰當(dāng)?shù)臅r刻供其他用頻系統(tǒng)使用。

由于協(xié)調(diào)訪問頻帶許可證是基于用戶而不是針對廣闊區(qū)域內(nèi)特定服務(wù)分配的大段靜態(tài)頻譜，因此與現(xiàn)行靜態(tài)頻譜管理方式相比，協(xié)調(diào)式頻譜管理能夠更加高效、動態(tài)地為用戶指配頻譜。同時，由于動態(tài)頻譜接入系統(tǒng)使用的頻譜是SB通過自動化程序自動實現(xiàn)的，而不是人工指配，因此其分配過程更加靈活。

4 幾種管理模式對比

設(shè)備級頻譜動態(tài)管理中動態(tài)接入系統(tǒng)智能較高，無論對硬件設(shè)備還是技術(shù)實現(xiàn)都有很高要求，實現(xiàn)難度大。協(xié)調(diào)式頻譜動態(tài)管理接入系統(tǒng)具備一定的頻譜感知能力，在系統(tǒng)規(guī)劃好的頻段內(nèi)可自主接入，實現(xiàn)難度較小。表1從頻率分配方法和頻管技術(shù)角度分析了當(dāng)前靜態(tài)頻譜管理、協(xié)調(diào)型和伺機(jī)型接入方式下的頻譜管理和用頻特點［6］。不同的頻譜接入方式催生了相應(yīng)的頻譜管理與使用模式。

表1 不同頻譜管理方式的技術(shù)特性

表2從概念層次、管理方式、管理內(nèi)容以及管理本質(zhì)對3種頻譜管理方式進(jìn)行了對比。傳統(tǒng)靜態(tài)、一維的頻譜利用和管理觀念已不適應(yīng)當(dāng)今頻譜動態(tài)管理的需求，基于認(rèn)知技術(shù)的設(shè)備頻譜動態(tài)管理和協(xié)調(diào)式頻譜動態(tài)管理分別以二次利用授權(quán)用戶頻率和多網(wǎng)絡(luò)共享頻率的方式，來增強(qiáng)用戶的動態(tài)頻譜接入能力，它們的頻譜管理策略與用戶接入方式，對發(fā)展我軍戰(zhàn)場頻譜動態(tài)管理起到了重要的牽引和指導(dǎo)作用。

表2 不同頻譜管理模式性能對比

［1］ MCHENRY M，STEADMAN K．XG DSA Radio system．［EB／OL］．http：／／www．spectrumsharing．com／measurements，2007－05－05．

［2］ XG Working Group．The XG Vision RFCs［EB／OL］．http：／／www．ir．bbn．com／projects／xmac／rfc／rfc－vision．pdf，2006－02－05．

［3］ MCHENRY M，LIVSICS E，NGUYEN T，et al．XG dynamic spectrum sharing field test results［A］．IEEE DySPAN Conference［C］．Dublin：［s．n．］，2007．676－684．

［4］ FREDERICK W．A description of the August 2006 XG demonstrations at Fort A．P．Hill［A］．IEEE DySPAN Conference［C］．Dublin：［s．n．］，2007．1－12．

［5］ MILIND M B，PAUL K，SCOOT M，et al．DIMSUMNet：Directions in wireless networking using coordinated dynamic spectrum access［A］．Proc IEEE WoWMo M［C］．［S．l．］：［s．n．］，2005．78－85．

［6］ 鄒 恒，方志英．動態(tài)頻譜訪問技術(shù)——推動美軍網(wǎng)絡(luò)中心化頻譜管理［J］．外軍電信動態(tài)，2008（4）：31－37．

TP393．08

A

1008－1542（2011）07－0096－04

2011－06－20；責(zé)任編輯：馮 民

楊麗芬（1973－），女，湖南懷化人，講師，博士研究生，主要從事軍事電磁頻譜管理和戰(zhàn)場電磁環(huán)境效應(yīng)方面的研究。