認知無線電技術(shù)在海軍中的應用

梁 湲，徐勤建

（海軍指揮學院信息戰(zhàn)研究系，江蘇南京211800）

認知無線電技術(shù)在海軍中的應用

梁 湲，徐勤建

（海軍指揮學院信息戰(zhàn)研究系，江蘇南京211800）

首先介紹了認知無線電概念及其主要關(guān)鍵技術(shù)，然后簡要介紹了認知無線電技術(shù)的研究進展及研究熱點，最后探討了認知無線電技術(shù)在海軍通信、雷達、聲吶、電子對抗等方面的應用設想和方法。

認知無線電；頻譜感知；頻譜管理

0 引言

CR也稱為智能無線電。廣義上來說是指無線終端具備足夠的智能或者認知能力，通過對周圍電磁環(huán)境進行感知、分析、學習、推理和規(guī)劃，檢測出哪些頻譜資源未被占用以及哪些頻譜資源正在被使用，并利用相應結(jié)果動態(tài)調(diào)整自己的通信傳輸參數(shù)，使用最適合的頻譜資源（包括頻率、調(diào)制方式、發(fā)射功率等）完成無線傳輸，提高射頻頻譜的利用率。目前，CR得到各界的密切關(guān)注，對其相關(guān)技術(shù)的研究成為無線通信領(lǐng)域研究的熱點，許多針對CR的重要研究項目已經(jīng)啟動。中國目前也開始了CR相關(guān)技術(shù)的研究，但尚屬起步階段。例如，基于CR技術(shù)的抗干擾通信系統(tǒng)能夠自動感知所處的電磁環(huán)境，自主選擇可變抗干擾策略，大大提升了電臺的抗干擾能力［1］。

海軍是一個高技術(shù)的綜合性軍種，海軍艦艇上有各種無線通信電子裝備，同時還有多種雷達裝備（如預警雷達、偵察雷達、導航雷達及火控雷達）、電子對抗裝備（雷達對抗裝備、通信對抗裝備）等。由于艦艇體積的限制，因此艦艇上布設的各種電子裝備的電磁兼容，互為干擾、頻譜共享等問題尤其突出，CR技術(shù)可為這些問題的解決提供一種可行的途徑。本文主要探討海軍通信、電子對抗、聲吶、雷達裝備等如何應用CR技術(shù)解決這些問題的設想和方法。

1 CR中的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 頻譜感知

借助CR技術(shù)實現(xiàn)動態(tài)頻譜接入，首先要解決的問題就是如何檢測頻譜空穴，避免對授權(quán)用戶的干擾，也就是頻譜感知技術(shù)，感知某個頻段以判斷該頻段內(nèi)是否有授權(quán)用戶的存在，亦即對授權(quán)用戶信號的監(jiān)測。CR頻譜感知技術(shù)可以分為基于發(fā)射機的檢測、合作檢測、基于干擾溫度的檢測，如圖1所示。發(fā)射機檢測法也稱為非合作檢測，是基于CR對授權(quán)用戶發(fā)射機發(fā)出的微弱信號進行檢測，包括能量檢測、匹配濾波器檢測以及靜態(tài)循環(huán)特征檢測法。能量檢測法：準確度較高、可靠性較好，但干擾溫度較難設定，不適合弱信號的檢測；匹配濾波器法：時間短、增益大，但是用戶必須知道每一類授權(quán)用戶的各種信息；靜態(tài)循環(huán)特征檢測法：性能好，能識別不同調(diào)制方式的信號，可應用于擴頻信號的檢測，但檢測量大，檢測時間相對較長。

所謂合作檢測即多個CR用戶將檢測到的信息相互合并來檢測授權(quán)用戶，可分為中心式和分布式兩種協(xié)同方式。合作檢測可利用空間分集增益改善感知性能，解決單節(jié)點感知中難以克服的多徑深衰落、陰影衰落和隱終端等難題，同時也可減輕對單個節(jié)點感知靈敏度的要求，降低實現(xiàn)成本。但在資源受限制網(wǎng)絡中，合作檢測方式會對網(wǎng)絡產(chǎn)生負面影響，而且，此法不能解決由于不知道授權(quán)用戶接收機位置信息而造成的不確定性這一問題。

干擾溫度是美國聯(lián)邦通信委員會（（FCC）提出的一個新概念，它是感知用戶在檢測出頻帶內(nèi)已有通信的基礎上預測自己的傳輸將對授權(quán)用戶接收機產(chǎn)生的干擾。干擾溫度的準確測量需要感知用戶對授權(quán)用戶系統(tǒng)進行準確的定位。只要感知用戶造成的干擾溫度不超過干擾溫度限，感知用戶通過調(diào)整自己的參數(shù)（如發(fā)射功率、調(diào)制方式等）就可以使用這個頻段中的頻譜空洞。但是該方法不能保證對授權(quán)用戶系統(tǒng)的有力保護，特別是處于邊緣接收的授權(quán)用戶接收機就很容易受到感知用戶的干擾。

1.2 頻譜動態(tài)分配

CR網(wǎng)絡中，可用信道的數(shù)量和位置都是隨時變化的。為提高頻譜利用率，可將一些不規(guī)律和不連續(xù)的頻譜資源進行整合，按照一定的公平原則將頻譜資源分配給不同的用戶，實現(xiàn)資源的合理分配和利用［2］。頻譜分配策略的選擇直接決定系統(tǒng)容量、頻譜利用率以及能否滿足用戶因不同業(yè)務而不斷變化的需求。頻譜動態(tài)分配是認識無線電的第二個關(guān)鍵技術(shù)。

CR頻譜分配技術(shù)按性質(zhì)分類如圖2所示。

圖1 頻譜感知技術(shù)的分類

圖2 頻譜分配技術(shù)的分類

特別值得一提的是在集中控制式的頻譜分配研究中，基于圖論的理論研究最具有代表性，而對于分布協(xié)調(diào)式的頻譜分配，博弈論是運用最廣泛的研究手段。研究表明：單純地進行頻譜分配而不考慮其它資源分配或者忽略更多的約束條件，在認知網(wǎng)絡中是不太實際的，且對整個網(wǎng)絡的性能提升也不夠理想。因此，將頻譜分配和其它資源分配相結(jié)合，并從更高的層次來進行聯(lián)合優(yōu)化和設計，是認知網(wǎng)絡中頻譜分配研究的新方向，如結(jié)合功率控制的頻譜分配和結(jié)合頻譜感知的頻譜分配等。

1.3 功率控制和頻譜管理

采用CR技術(shù)實現(xiàn)頻譜共享的前提是必須保證對授權(quán)用戶不造成干擾，而每個分布式操作的認知用戶的功率分配是造成干擾的主要原因，認知用戶必須控制其發(fā)射功率，避免給其它授權(quán)用戶造成干擾。因此，功率控制和頻譜管理是CR的又一關(guān)鍵技術(shù)。對于兩個用戶（單個認知用戶與授權(quán)用戶）共享頻譜時，將測量到的授權(quán)用戶接收機信號的本地信噪比近似認為認知用戶與授權(quán)用戶間的距離，從而相應地調(diào)整認知用戶的發(fā)射功率和頻譜管理，此方法可實現(xiàn)在保證授權(quán)用戶不受有害干擾的前提下“貪婪”地增加認知用戶的發(fā)送功率。

對于多址CR系統(tǒng)，一般主要應用信息論和對策論來解決其功率控制的難題。目前主流的方法是采用Markov對策進行分析解決，另一種方法是基于信息論的迭代注水法，迭代注水法更適用于多用戶環(huán)境。

2 CR技術(shù)研究進展及熱點

從1999年Mitola博士首次提出CR的概念以來，CR技術(shù)得到了迅速發(fā)展，眾多研究機構(gòu)、項目組織相繼展開了這方面的研究。

目前CR的研究熱點主要集中在以下幾個方面：

1）高靈敏度接收機，實際中為了保護授權(quán)用戶，一般要求認知用戶接收機靈敏度要高于授權(quán)用戶；

2）智能信息處理技術(shù)，CR技術(shù)本身包含了很多智能信息處理的內(nèi)容，包括對頻譜感知結(jié)果的分析處理、授權(quán)用戶存在與否的有效判決、信道狀態(tài)估計、發(fā)射功率分配、頻譜資源分配等；

3）可重配置的硬件平臺；

4）組網(wǎng)應用，CR設備本身己經(jīng)是復雜的智能通信系統(tǒng)，多個CR的組網(wǎng)將會變得更為復雜。

3 CR技術(shù)在海軍中的應用

3.1 CR在海軍通信中的應用

在信息化海戰(zhàn)場條件下，各種電子設備在有限的海域內(nèi)密集開設，使得頻譜資源異常緊張。因此，戰(zhàn)場頻譜的有效管理是一個非常突出的問題，而目前普遍采用的靜態(tài)固定頻譜分配的方式已成為復雜電磁環(huán)境下頻譜高效使用的瓶頸。這種頻譜分配方法不僅導致頻譜資源利用效率較低，而且也容易產(chǎn)生系統(tǒng)內(nèi)部的互相干擾。

具有認知能力的無線通信系統(tǒng)應該是解決上述問題的重要途徑。首先，實時分析通信覆蓋海域的頻譜環(huán)境，自適應地調(diào)整系統(tǒng)的用頻策略，避免與己方的用頻裝備產(chǎn)生自相干擾，從而可以縮短系統(tǒng)部署前的頻譜規(guī)劃與協(xié)調(diào)時間。其次，實時監(jiān)測和識別敵方的干擾信號，針對不同的干擾方式，綜合采用時域、頻域和空域等多種智能抗干擾措施，靈活地調(diào)整通信波形參數(shù)，適應戰(zhàn)場惡劣電磁環(huán)境，從而提高通信網(wǎng)絡的生存能力和通信效能。

CR技術(shù)在海軍戰(zhàn)術(shù)通信中有廣泛的應用前景，比如：

1）智能跳頻電臺［3］。傳統(tǒng)跳頻電臺的跳頻圖案是固定的，很難根據(jù)電磁環(huán)境的狀態(tài)進行調(diào)整，因此傳統(tǒng)的跳頻抗干擾方式是具有一定盲目性的“硬抗”。為進一步提高跳頻通信抗干擾性能和頻譜使用效率，跳頻電臺可以采用基于干擾檢測和退避的自適應跳頻通信技術(shù)，利用空閑信道掃描和通信鏈路質(zhì)量分析等方法，通過檢測各個信道的受干擾情況，控制收發(fā)信機改變跳頻圖案，實現(xiàn)自適應的智能跳頻。

2）動態(tài)頻譜資源管理與調(diào)度。為解決頻譜缺乏和系統(tǒng)部署困難的問題，美國DARPA于2003年啟動了下一代無線網(wǎng)絡（XG）項目，目標是開發(fā)“機會式”頻譜接入技術(shù)和機器可理解的頻譜政策框架，即實現(xiàn)頻譜接入的靈活性和用頻政策的靈活性。通過實時感知電磁環(huán)境的狀態(tài)，CR通信系統(tǒng)能夠調(diào)整工作參數(shù)，有效利用頻譜機會，實現(xiàn)戰(zhàn)場隨時隨地的高可靠通信，以及靈活、高效、自動化的頻譜協(xié)調(diào)與調(diào)度。

3.2 在雷達中的應用

認知這個概念最早來源于CR，2006年美國科學家Haykins將認知引入到了雷達上，提出了認知雷達的概念，并逐漸發(fā)展為認知雷達網(wǎng)。

認知雷達能不斷地感知周圍的環(huán)境，利用它與環(huán)境不斷交互實時得到的知識，不斷地調(diào)整它的接收機和發(fā)射機，自適應地探測遠程目標。簡單地說，認知雷達就是一種能夠根據(jù)環(huán)境的變化，以豐富的閱歷來處理從環(huán)境感知到的信號，相應地調(diào)整傳輸波形和傳輸參數(shù)的雷達，它自適應地與其他傳感器融合，以共享偵察信息。

CR的頻譜分配技術(shù)在認知雷達中應用時，相當于雷達是一個授權(quán)用戶。在CR檢測出可用信道進行頻譜分配時，能充分考慮到對雷達中無線電波的干擾影響，在不影響雷達信號傳輸?shù)幕A上，還能很好地進行對認知用戶的頻譜分配。

另外，通過頻譜感知技術(shù)實時探測戰(zhàn)場電磁環(huán)境的頻譜分布，檢測頻譜空穴，利用功率控制和頻譜管理技術(shù)，選取最有利的雷達發(fā)射信號頻率，使得目標的回波不受或少受干擾，提高認知雷達的探測距離和目標的分辯能力。同時，通過實時快速感知干擾信號的頻譜，快速改變認知雷達發(fā)射信號的頻率，可以提高雷達的抗干擾能力，消除或減小敵方電子干擾設備對我雷達的干擾。

3.3 在聲吶中的應用

聲吶適用的工作頻率在幾k Hz到幾十k Hz范圍，其工作頻率范圍很窄。由于船舶噪音、海浪、混響、各種魚類的聲波也主要集中在此頻段，因此，聲吶工作時的環(huán)境噪聲非常大，聲吶在海況較差尤其是在近海工作時，其探測距離非常有限，而且，目標回波信號與噪聲或假目標信號也難以區(qū)分。若能通過頻譜感知技術(shù)實時探測水下的噪聲頻譜分布，檢測頻譜空穴，利用功率控制和頻譜管理技術(shù)，選取最有利聲吶探測的發(fā)射信號的頻率，使得目標的回波受到噪聲的干擾最小，則可以提高聲吶的探測距離和目標的分辯能力。同時，在聲吶受到水聲對抗器材的嚴重干擾時，可通過實時快速感知干擾信號的頻譜，快速改變聲吶發(fā)射信號的頻率，提高聲吶的抗干擾能力，消除或減小敵方水聲對抗設備的干擾。

3.4 在電子對抗中的應用

電子對抗的傳統(tǒng)做法是首先通過戰(zhàn)場無線電檢測，偵察戰(zhàn)場電磁環(huán)境，然后將偵察到的情況通過戰(zhàn)役通信網(wǎng)傳達給電子對抗部隊，由擔任電子對抗任務的部隊實施干擾。這種方式不僅需要大量的人力物力，而且需要擔任電磁環(huán)境偵察和電子對抗的部隊密切配合。因此，從偵察到實施干擾的周期較長，容易貽誤戰(zhàn)機。CR通過感知戰(zhàn)場電磁頻譜特性，能夠快速、準確地進行敵我識別。可以一邊進行電磁頻譜偵察，一邊快速釋放或躲避干擾，實現(xiàn)傳統(tǒng)無線電所不具備的電子對抗能力。

4 結(jié)束語

CR在軍事上具有巨大的應用價值，可以極大地提高戰(zhàn)時頻譜管理能力和通信網(wǎng)絡的抗干擾能力，同時賦予通信網(wǎng)絡全方位的電磁環(huán)境感知能力。隨著CR技術(shù)的進一步發(fā)展，軍用CR將把戰(zhàn)場環(huán)境感知、通信、指控融于一體，構(gòu)建出未來的通信、偵察、指揮一體化系統(tǒng)，引導軍事通信裝備的新一輪變革。同時，采用CR技術(shù)，可以提高聲吶、雷達的抗干擾能力，提升其發(fā)現(xiàn)目標的距離，還可以提升電子對抗裝備的偵察能力和電子對抗能力。CR技術(shù)必將在海軍的無線通信、雷達、聲吶及電子對抗領(lǐng)域有著廣闊的應用前景?！?/p>

［1］ 楊保平，陳永光，肖野，等.基于認知無線電的通信抗干擾技術(shù)［J］.火力與指揮控制，2012（8）：137-140.

［2］ 王忠思，黃輝，于爽.認知無線電技術(shù)及其在軍事通信上的應用［J］.四川兵工學報，2009（7）：125-126.

［3］ 張建軍，姜艷，馬玲玲.認知無線電對通信對抗裝備建設的啟示［J］.無線電通信技術(shù)，2009（4）：47-49 .

Research on cognitive radio in naval applications

1iang Yuan，Xu Qinjian
（Dept.of Information Warfare Studies，Naval Command College，Nanjing 211800，Jiangsu，China）

The concept of CR and its primary key technology are introduced，and then the development progress of CR and its research focus are introduced.1astly the predominance of CR application about naval communications，radar，sonar and electron countermine are analyzed.

cognitive radio（CR）；spectrum sensing；spectrum management

TN98

A

2015-03-13；2015-06-02修回。

梁湲（1964-），男，講師，碩士，主要研究方向為信息對抗技術(shù)。