基于認(rèn)知無線電的軍用抗干擾電臺(tái)的設(shè)計(jì)

何春虎 郭 強(qiáng) 孟 宓

（1.重慶通馳科技有限公司，中國(guó) 重慶 400039；2.重慶通信學(xué)院，中國(guó) 重慶 400035；3.重慶電訊職業(yè)學(xué)院，中國(guó) 重慶 402247）

0 引言

在信息化條件下的戰(zhàn)爭(zhēng)中，獲取信息優(yōu)勢(shì)是戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)的關(guān)鍵。由于戰(zhàn)爭(zhēng)的突發(fā)性和戰(zhàn)場(chǎng)的移動(dòng)性，無線通信無疑成為最主要的通信方式。但隨著軍用無線通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，可用頻譜資源變得越來越稀缺。美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì) (FCC，F(xiàn)ederal Communications Commission)的大量研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)前頻譜的利用情況極不平衡，一些非授權(quán)頻段占用擁擠，而有些授權(quán)頻段則經(jīng)常空閑[1]。來自美國(guó)國(guó)家無線電網(wǎng)絡(luò)研究實(shí)驗(yàn)床(NRNRT，National Radio Network Research Testbed)項(xiàng)目的一份測(cè)量報(bào)告表明：3GHz以下頻段的平均頻譜利用率僅有5.2%[2]。因而，頻譜利用率低的問題日益成為制約軍用無線通信性能提高的瓶頸。

認(rèn)知無線電(CR，Cognitive Radio)[3]作為一種智能頻譜共享技術(shù)，能夠依靠人工智能的支持，感知無線通信環(huán)境，根據(jù)一定的學(xué)習(xí)和決策算法，實(shí)時(shí)自適應(yīng)地改變系統(tǒng)工作參數(shù)，動(dòng)態(tài)的檢測(cè)和有效地利用空閑頻譜，理論上允許在時(shí)間、頻率以及空間上進(jìn)行多維的頻譜復(fù)用。近些年，國(guó)內(nèi)外認(rèn)知無線電的軍事應(yīng)用情況表明，該技術(shù)不僅為解決頻譜利用率低的問題提供了有效途徑，而且對(duì)電子對(duì)抗帶來了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，比將促進(jìn)通信對(duì)抗裝備的快速發(fā)展。

1 認(rèn)知無線電基礎(chǔ)理論

1.1 認(rèn)知無線電的定義

自1999年“軟件無線電之父”Joseph Mitola博士首次提出了認(rèn)知無線電的概念并系統(tǒng)地闡述了其基本原理以來，不同的機(jī)構(gòu)和學(xué)者從不同的角度給出了認(rèn)知無線電的定義，其中比較有代表性的包括FCC和著名學(xué)者Simon Haykin教授的定義。FCC認(rèn)為“認(rèn)知無線電是能夠基于對(duì)其工作環(huán)境的交互改變發(fā)射機(jī)參數(shù)的無線電”[4]。Simon Haykin則從信號(hào)處理的角度出發(fā)，認(rèn)為“認(rèn)知無線電是一個(gè)智能無線通信系統(tǒng)，它能夠感知外界環(huán)境，并使用人工智能技術(shù)從環(huán)境中學(xué)習(xí)，通過實(shí)時(shí)改變某些操作參數(shù)(比如傳輸功率、載波頻率和調(diào)制技術(shù)等)，使其內(nèi)部狀態(tài)適應(yīng)接收到的無線信號(hào)的統(tǒng)計(jì)性變化，以達(dá)到任何時(shí)間、任何地點(diǎn)的高度可靠通信和對(duì)頻譜資源的有效利用的目的”[5]。該定義較好地兼顧了數(shù)字信號(hào)處理、網(wǎng)絡(luò)、人工智能和計(jì)算機(jī)軟硬件實(shí)現(xiàn)，在該定義基礎(chǔ)上提出的認(rèn)知環(huán)模型（如圖1）也能較好地反映認(rèn)知無線電的概念和內(nèi)涵。

其中，“策略決策”將特征提取數(shù)據(jù)作為依據(jù)，綜合了頻譜管理中心分配的頻譜資源、業(yè)務(wù)需求等信息，在決策庫中選出最佳通信方案并予以“實(shí)施”。

1.2 認(rèn)知無線電的主要技術(shù)特點(diǎn)

認(rèn)知無線電的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：頻譜感知檢測(cè)技術(shù)、自適應(yīng)傳輸技術(shù)、頻譜資源管理技術(shù)(包括頻譜分析和決定等)[6]，這些關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)成了CR技術(shù)體系框架，決定了CR具有以下技術(shù)特點(diǎn)，見表1。

1.3 認(rèn)知無線電的基本原理

基于認(rèn)知無線電的無線電通信系統(tǒng)不是工作在一個(gè)固定的頻段上，而是能自動(dòng)搜索一個(gè)合適的頻段并在該頻段上進(jìn)行通信，并具有環(huán)境感知和傳輸參數(shù)自適應(yīng)修改的功能。通過對(duì)環(huán)境的理解實(shí)時(shí)改變和調(diào)整它的內(nèi)部狀態(tài)，適應(yīng)外部無線環(huán)境的變化，從而實(shí)現(xiàn)頻譜共享，動(dòng)態(tài)的增加網(wǎng)絡(luò)和個(gè)人用戶的可用頻譜總數(shù)，為頻譜分配提供了一個(gè)可行的解決方案?；贑R的通信網(wǎng)絡(luò)中基本通信運(yùn)行流程如圖2所示。通信節(jié)點(diǎn)通過環(huán)境感知模塊感知周圍環(huán)境的頻譜信息、通過誤碼監(jiān)測(cè)獲得通信質(zhì)量信息；通過認(rèn)知信息獲取、傳遞與綜合分析和決策處理，確定通信頻率、速率和波形等通信參數(shù)捷變策略，并形成信令傳遞到各節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)調(diào)整。

圖1 環(huán)境認(rèn)知環(huán)模型

表1 認(rèn)知無線電的技術(shù)特點(diǎn)

圖2 基于CR的通信網(wǎng)絡(luò)基本通信運(yùn)行流程

2 認(rèn)知無線電在軍事通信領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 增加通信系統(tǒng)容量

無線頻譜短缺的問題，不僅在民用領(lǐng)域比較突出，在軍用領(lǐng)域也是如此。尤其是在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)條件下，多種電子設(shè)備在有限的地域內(nèi)密集開設(shè)，使得頻譜資源異常緊張。近些年，隨著民用無線電設(shè)備的更新?lián)Q代和用戶數(shù)量的急劇增加，對(duì)頻譜的需求也越來越多。一些國(guó)家的技術(shù)組織已經(jīng)申請(qǐng)將部分軍用頻譜劃歸民用。這一動(dòng)向無疑將進(jìn)一步加劇軍用無線電頻譜資源短缺的問題。而CR能夠動(dòng)態(tài)利用頻譜資源，理論上可使頻譜利用率提高數(shù)十倍。因此，即便是部分采用CR，也能較大幅度增加整個(gè)通信系統(tǒng)的容量。

2.2 提高頻譜管理效率

目前，戰(zhàn)場(chǎng)頻譜管理基本都采用固定頻率分配的形式進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)頻譜分配。然而，從實(shí)戰(zhàn)情況來看這種方案是不完全成功的。一方面，這種分配方案不但導(dǎo)致頻譜資源利用率較低，而且容易導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部或者友軍之間互相產(chǎn)生電磁干擾；另一方面，這種分配方案需要在戰(zhàn)斗開始前花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行頻譜規(guī)劃；此外，通信頻率一旦確定，在戰(zhàn)斗狀態(tài)下，無論發(fā)生什么情況都無法更改。因此，固定頻譜分配方案難以適應(yīng)瞬息萬變的戰(zhàn)場(chǎng)形勢(shì)。CR能夠?qū)λ巺^(qū)域的戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境進(jìn)行感知，對(duì)所需帶寬和頻譜的有效性進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。因此借助CR可以快速完成頻譜資源的分配，在通信過程中還可以自動(dòng)調(diào)整通信頻率。不僅提高了組網(wǎng)的速度，而且提高了整個(gè)通信系統(tǒng)的電磁兼容能力。

2.3 提升系統(tǒng)抗干擾能力

抗干擾能力是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)條件下衡量通信設(shè)備的一項(xiàng)重要指標(biāo)，也是取得戰(zhàn)爭(zhēng)勝利的重要保障。傳統(tǒng)的信道抗干擾技術(shù)主要包括擴(kuò)頻、跳頻、跳時(shí)以及由此衍生出的相關(guān)技術(shù)。CR不但具有以上抗干擾能力，還具有位置感知技術(shù)，與數(shù)字波束形成技術(shù)結(jié)合，通過調(diào)整波束方向，來抑制干擾，并能夠降低發(fā)射功率，提高抗截獲能力。CR具有先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)能力，能夠?qū)Ω蓴_進(jìn)行學(xué)習(xí)和分析，使其能夠選擇合適的抗干擾策略(選擇合適的通信信道、調(diào)制方式、發(fā)送功率、跳頻圖案等)對(duì)干擾進(jìn)行主動(dòng)規(guī)避。此外，由于CR的工作頻段很寬，也加大了干擾的難度。

3 基于認(rèn)知無線電的軍用抗干擾電臺(tái)的設(shè)計(jì)

3.1 基于認(rèn)知無線電的通信抗干擾設(shè)備實(shí)現(xiàn)的可行性分析

由于認(rèn)知無線電賦予電臺(tái)對(duì)周圍環(huán)境的感知能力，因此能夠提取出干擾信號(hào)的特征，進(jìn)而可以根據(jù)電磁環(huán)境感知信息、干擾信號(hào)特征以及通信業(yè)務(wù)的需求選取合適的抗干擾通信策略，大大提升電臺(tái)的抗干擾水平。例如：進(jìn)行短報(bào)文通信業(yè)務(wù)，可采用在安靜（空閑）頻率上進(jìn)行猝發(fā)通信的策略；當(dāng)敵方采用掃頻式干擾時(shí)，可采用更換通信頻率集進(jìn)行抗干擾的策略；當(dāng)敵方采用跟蹤式干擾時(shí)，可采用變速跳頻的抗干擾策略；如果敵方采用分布式干擾，可將不同通信節(jié)點(diǎn)對(duì)干擾信號(hào)的感知結(jié)果進(jìn)行分析匯總，進(jìn)而重構(gòu)出敵方的干擾分布，采取轉(zhuǎn)發(fā)、協(xié)同通信等抗干擾策略。

通過分析可知，具有頻譜感知能力的認(rèn)知無線電完全能夠通過感知無線環(huán)境來檢測(cè)敵方的干擾，同時(shí)自動(dòng)對(duì)認(rèn)知無線電節(jié)點(diǎn)自身的發(fā)射參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，所以將認(rèn)知無線電應(yīng)用于通信設(shè)備實(shí)現(xiàn)抗干擾通信功能具有理論上的可行性。

3.2 基于認(rèn)知無線電的軍用抗干擾電臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于認(rèn)知無線電技術(shù)的軍用抗干擾電臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示，主要由通信設(shè)備和認(rèn)知設(shè)備組成。

圖3 軍用抗干擾電臺(tái)架構(gòu)示意圖

軍用抗干擾電臺(tái)架構(gòu)中通信設(shè)備包括編解碼、調(diào)制解調(diào)、上下變頻和功放濾波等處理功能，認(rèn)知設(shè)備包括頻譜感知、認(rèn)知決策、人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)、頻譜動(dòng)態(tài)分配和自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整等功能。認(rèn)知設(shè)備是該架構(gòu)的核心，通過對(duì)環(huán)境信息的分析、學(xué)習(xí)、判決和決策，自適應(yīng)地調(diào)整系統(tǒng)的通信參數(shù)（如工作頻率、傳輸速率、編碼方式和調(diào)制體制等），以適應(yīng)外部戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的變化。

3.3 基于認(rèn)知無線電的軍用抗干擾電臺(tái)的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于認(rèn)知無線電技術(shù)的軍用抗干擾電臺(tái)將通信與電磁環(huán)境感知綜合在一起，每一部電臺(tái)即是感知節(jié)點(diǎn)也是通信節(jié)點(diǎn)。電臺(tái)內(nèi)部的策略管理模塊可根據(jù)策略管理中心分配的資源來確定通信策略，同時(shí)軍用抗干擾電臺(tái)利用先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)能力，對(duì)干擾進(jìn)行學(xué)習(xí)和分析，從而獲得各地區(qū)的電磁環(huán)境信息，不僅為策略決策中心提供更實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息，也有助于策略管理模塊選擇最合適的抗干擾策略。與傳統(tǒng)的無線電臺(tái)相比，軍用抗干擾電臺(tái)的根本區(qū)別就是策略管理、電磁環(huán)境感知模塊以及機(jī)器學(xué)習(xí)模塊包含在每部電臺(tái)中，因而可以及時(shí)地評(píng)估戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境態(tài)勢(shì)，由電臺(tái)本身或策略決策中心決定最佳通信策略。軍用抗干擾電臺(tái)的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 軍用抗干擾電臺(tái)的模塊化結(jié)構(gòu)

其中，電磁環(huán)境感知模塊能夠探測(cè)偵察電臺(tái)周圍的電磁環(huán)境并進(jìn)行信號(hào)特征提取；機(jī)器學(xué)習(xí)模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)周圍環(huán)境和自我工作狀態(tài)（當(dāng)前通信信道、調(diào)制方式、發(fā)送功率、跳頻圖案等）的認(rèn)知；策略管理模塊將根據(jù)提取的信號(hào)特征、策略管理中心分配的資源及通信業(yè)務(wù)需求實(shí)施靈活的策略管理。

由于軍用抗干擾電臺(tái)同時(shí)具備電磁環(huán)境感知能力和通信能力，實(shí)現(xiàn)了電磁環(huán)境感知和通信的一體化，不僅有效解決了頻率資源利用率低的問題，還提升了通信的抗干擾性能，同時(shí)賦予通信網(wǎng)絡(luò)以全方位的電磁環(huán)境感知能力。

4 結(jié)論

近幾年來，認(rèn)知無線電技術(shù)的軍事應(yīng)用得到了快速發(fā)展。然而，它還面臨諸多挑戰(zhàn)，還需要解決許多問題。

4.1 目前對(duì)認(rèn)知無線電的軍用應(yīng)用研究仍處于初級(jí)階段，大部分停留在物理層，如何設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)符合軍用標(biāo)準(zhǔn)適用于戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的認(rèn)知無線電臺(tái)還有待進(jìn)一步解決。

4.2 在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)條件下，戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境比較復(fù)雜，多種電子設(shè)備在有限的地域內(nèi)密集開設(shè)，如何使認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)更加智能化，更加符合軍事通信的特點(diǎn)和要求，還需要進(jìn)一步研究。

4.3 軍用認(rèn)知無線電臺(tái)的經(jīng)濟(jì)化、小型化。認(rèn)知無線電臺(tái)生產(chǎn)成本高昂，無法在短時(shí)間內(nèi)大規(guī)模裝備部隊(duì)。未來戰(zhàn)場(chǎng)瞬息萬變，在數(shù)字化的背景下更加要求認(rèn)知無線電臺(tái)的小型化、低功耗設(shè)計(jì)，從而更好地推廣到單兵。

由于認(rèn)知無線電技術(shù)的軍事應(yīng)用尚不成熟，需要解決的問題遠(yuǎn)非局限于上述幾種情況。相信隨著對(duì)認(rèn)知無線電技術(shù)研究的不斷深入，認(rèn)知無線電將把戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境感知、通信、指揮控制綜合在一起，構(gòu)建出未來的通信、偵察、指揮一體化系統(tǒng)，引導(dǎo)軍事通信裝備實(shí)現(xiàn)新一輪變革。

［1］P.Kolodzy.Spectrum Policy Task Force：Findings and Recommendations[C]//International Symposium on Advanced Radio Technologies(ISART).2003,3.

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［3］S.Haykin.Cognitive Radio：Brain-Empowered Wireless Communications[J].IEEE JSAC,2005,2,23(2).

［4］FCC,Facilitating Opportunities for Flexible,Efficient and Reliable Spectrum Use Employing Cognitive Radio Technologies[Z].ET Docket No.2003：322.

［5］Simon Haykin.Cognitive Radio：Brain-Empowered Wireless Communications [J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2005,23(2)：201-220.

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