認(rèn)知無線電技術(shù)在短波綜合通信系統(tǒng)中的應(yīng)用展望

張劍鋒　王崢

摘要：認(rèn)知無線電是軟件無線電向更高階段的發(fā)展，對(duì)保證復(fù)雜電磁環(huán)境下的通信效能具有重要作用。本文首先介紹了認(rèn)知無線電的基本概念和發(fā)展情況，分析了認(rèn)知通信系統(tǒng)的組成架構(gòu)，對(duì)認(rèn)知無線電的關(guān)鍵部件認(rèn)知引擎進(jìn)行了闡述。然后，結(jié)合短波綜合通信系統(tǒng)的設(shè)備現(xiàn)狀及使用情況，對(duì)認(rèn)知無線電技術(shù)在短波綜合通信系統(tǒng)上的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知無線電；頻譜感知；認(rèn)知引擎；短波綜合通信系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）23-0043-03

在信息化戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)代，電磁信號(hào)源的急劇增多以及作戰(zhàn)雙方干擾、抗干擾的對(duì)抗，對(duì)整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)通信環(huán)境帶來了兩個(gè)不利影響：1）常用頻段的極端擁擠，可用頻率資源減少。2）電磁環(huán)境的急劇惡化，包括干擾在內(nèi)的各種無用頻率信號(hào)使通信變得更加困難。這就和信息化戰(zhàn)爭(zhēng)條件下大容量、可靠的通信需求產(chǎn)生了尖銳的矛盾。

因此，如何解決因頻率資源緊張和頻譜環(huán)境惡化而帶來的通信效能下降的問題，已經(jīng)成為一種迫在眉睫的需求。認(rèn)知無線電技術(shù)（Cognitive Radio，CR）[1]是解決上述問題的有效方法。認(rèn)知無線電可以感知周圍的頻率、時(shí)間和空間等特征，對(duì)環(huán)境、位置、信道、網(wǎng)絡(luò)、協(xié)議、用戶以及設(shè)備本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行推理，實(shí)時(shí)調(diào)整傳輸參數(shù)，實(shí)現(xiàn)信息的高效可靠傳輸，是一種智能化的無線通信技術(shù)。

1 認(rèn)知無線電的概念和發(fā)展

1999年“軟件無線電之父”J.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CR的基本原理。此后，經(jīng)過多年的研究，目前普遍認(rèn)為CR應(yīng)該具備以下3個(gè)主要特征：

1）感知能力.感知能力使CR能夠感知其外部頻譜環(huán)境信息，發(fā)現(xiàn)空閑的頻譜資源或干擾信號(hào)，尋找合適的信道，這是CR工作的前提。

2）推理和學(xué)習(xí)能力.推理和學(xué)習(xí)能力使CR能夠根據(jù)感知到的外界電磁環(huán)境和自身的狀況，同時(shí)結(jié)合過往的工作數(shù)據(jù)，得出當(dāng)前的最佳通信參數(shù)的能力，這是CR工作的核心。

3）重構(gòu)能力.重構(gòu)能力使得CR設(shè)備可以根據(jù)推理結(jié)果對(duì)設(shè)備的各種參數(shù)進(jìn)行重設(shè)置的能力?？梢灾貥?gòu)的參數(shù)包括：頻率、發(fā)射功率、調(diào)制和編碼方式、通信協(xié)議等。一個(gè)常見的CR設(shè)備工作流程如圖 1所示：

如圖1所示，CR設(shè)備的工作過程一般分為以下三個(gè)階段：1）認(rèn)知階段：系統(tǒng)感知外界的電磁頻譜環(huán)境；2）決策階段：根據(jù)感知到的外界電磁環(huán)境和已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過運(yùn)算推理，得出最適合當(dāng)前環(huán)境的通信參數(shù)；3）重構(gòu)階段：根據(jù)決策結(jié)果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)加載或配置，繼續(xù)通信。

感知、決策、重構(gòu)這三個(gè)階段不斷的循環(huán)，構(gòu)成了CR設(shè)備工作的全過程。

此外，由于認(rèn)知無線電的特點(diǎn)，人們迅速發(fā)現(xiàn)認(rèn)知無線電技術(shù)具有重要的軍事意義，越來越多的國(guó)家將此作為研究的焦點(diǎn)，其中以美國(guó)的DARPA（Defense Advance Research Products Agency，國(guó)防高級(jí)計(jì)劃研究局）的XG項(xiàng)目最為典型。從2003年開始，XG以CR技術(shù)為核心，著眼于開發(fā)認(rèn)知無線電的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)頻譜管理標(biāo)準(zhǔn)，采用軟件無線電技術(shù)來實(shí)現(xiàn)最大限度的時(shí)域、頻域和空間等信息的利用，并稱其論證的頻譜效率可使目前的頻譜利用率提高10～20倍。此外，由于認(rèn)知無線電能夠主動(dòng)感知戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境并對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，因此可以一邊進(jìn)行電磁頻譜偵察，一邊快速釋放或躲避干擾，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)無線通信設(shè)備所不具備的電子對(duì)抗功能【2】。

2 認(rèn)知無線電的體系架構(gòu)

2.1 認(rèn)知無線電和軟件無線電的關(guān)系

上世紀(jì)90年代早期，J.Mitola提出了軟件無線電（Software DefinedRadios，SDR）的概念。軟件無線電的核心思想是將A/D和D/A盡可能靠近天線，使盡可能多的通信功能用軟件定義，以達(dá)到根據(jù)用戶需求隨時(shí)調(diào)整通信參數(shù)和進(jìn)行系統(tǒng)重構(gòu)的目的。在1999年的論文中，Mitola又提出了認(rèn)知無線電的概念，認(rèn)知無線電使得軟件無線電中的參數(shù)調(diào)整和重構(gòu)不再是單純以用戶需求為輸入，而是結(jié)合了用戶需求和電磁環(huán)境，智能化的做出調(diào)整，使通信參數(shù)不僅與需求相適應(yīng)，而且能夠與環(huán)境相匹配。因此，認(rèn)知無線電是軟件無線電向更高階段的發(fā)展，不僅包括信號(hào)處理和系統(tǒng)重構(gòu)，還包括根據(jù)相應(yīng)的任務(wù)、規(guī)則和環(huán)境進(jìn)行推理得出系統(tǒng)重構(gòu)依據(jù)的高級(jí)活動(dòng)。所以，從這個(gè)層面上看，認(rèn)知無線電是智能化的軟件無線電【3】。

2.2 基于軟件無線電的認(rèn)知無線電架構(gòu)

認(rèn)知無線電作為智能化的軟件無線電，具有軟件無線電的所有特征。但是，認(rèn)知無線電和單純的軟件無線電又有所不同，認(rèn)知無線電必須具備感知周圍電磁頻譜環(huán)境的能力，必須具備學(xué)習(xí)和推理的能力。因此，認(rèn)知無線電的架構(gòu)應(yīng)該比軟件無線電更復(fù)雜。

按照對(duì)認(rèn)知無線電特征的理解，通常情況下，認(rèn)知無線電系統(tǒng)應(yīng)該由軟件無線電系統(tǒng)、頻譜感知單元、認(rèn)知引擎【4】3部分組成，架構(gòu)如圖 2所示。

圖2中，頻譜感知單元是一般軟件無線電系統(tǒng)所不具備的部分，它的主要功能就是感知外界電磁環(huán)境，經(jīng)過特征提取后將感知結(jié)果反饋到認(rèn)知引擎。

軟件無線電系統(tǒng)是完成系統(tǒng)通信功能的部分，它接受認(rèn)知引擎的控制，按照認(rèn)知引擎的要求進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整和系統(tǒng)的重構(gòu)。

認(rèn)知引擎是在軟件無線電平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)基于人工智能技術(shù)的推理與學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)并驅(qū)動(dòng)整個(gè)認(rèn)知環(huán)路，實(shí)現(xiàn)認(rèn)知功能的核心部件?？梢哉f，認(rèn)知引擎是CR的“大腦”。

2.3 認(rèn)知引擎

認(rèn)知引擎是認(rèn)知無線電的核心部件，通常情況下，認(rèn)知引擎由學(xué)習(xí)機(jī)、推理機(jī)、知識(shí)庫(kù)、認(rèn)知控制器等幾部分組成，其架構(gòu)如圖3所示。

由圖3可以看出，認(rèn)知引擎包含認(rèn)知控制器、知識(shí)庫(kù)、學(xué)習(xí)機(jī)、推理機(jī)以及三個(gè)主要的對(duì)外接口。1）認(rèn)知控制器：認(rèn)知控制器協(xié)調(diào)控制認(rèn)知的全過程，接口的輸入輸出也由認(rèn)知控制器控制。2）知識(shí)庫(kù)：知識(shí)庫(kù)存儲(chǔ)各種先驗(yàn)知識(shí)、認(rèn)知結(jié)果和規(guī)則。3）學(xué)習(xí)機(jī)：學(xué)習(xí)機(jī)對(duì)用戶輸入的規(guī)則、頻譜感知得到的環(huán)境參數(shù)、知識(shí)庫(kù)中的先驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行分析、融合，對(duì)推理機(jī)的推理結(jié)果進(jìn)行比較優(yōu)化。4）推理機(jī)：推理機(jī)根據(jù)學(xué)習(xí)機(jī)的學(xué)習(xí)結(jié)果和知識(shí)庫(kù)中的先驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行推理，得到的推理結(jié)果通過無線控制接口控制無線通信波形的重構(gòu)。5）三個(gè)對(duì)外接口分別是：認(rèn)知用戶接口：用戶通過該接口輸入需求及規(guī)則；無線感知接口：接收感知信號(hào)處理的結(jié)果；無線波形控制接口：認(rèn)知引擎通過該接口控制無線通信波形的重構(gòu)。

3 短波綜合通信系統(tǒng)現(xiàn)狀

短波綜合通信系統(tǒng)主要裝備地面固定通信臺(tái)站或者大型水面船只，完成多方通信保障任務(wù)。因此短波綜合通信系統(tǒng)需要具備同時(shí)開通多路短波信道的能力，多路收信道可以使用多路耦合器實(shí)現(xiàn)天線復(fù)用。短波綜合通信系統(tǒng)的配置如圖4所示。

由圖4可以看出，短波綜合通信系統(tǒng)是由一個(gè)個(gè)獨(dú)立的收信和發(fā)信通道組成，收發(fā)通道數(shù)量可以根據(jù)用戶需求配置。收信和發(fā)信通道都接受控制管理系統(tǒng)的統(tǒng)一控制，協(xié)同工作。

在通信參數(shù)的選擇上，主要依據(jù)先驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)先規(guī)劃或通過頻管系統(tǒng)，選擇相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行通信。而由于短波信道的時(shí)變性，這種預(yù)先規(guī)劃通信帶有較大的不可靠性，在激烈對(duì)抗的情況下，電磁環(huán)境更為復(fù)雜不可靠的情況則更為明顯，這就給用戶普遍造成了“短波通信不好用”的印象。因此，如何改變這一現(xiàn)象，降低短波通信對(duì)人工干預(yù)的依賴，提高通信的可靠性，就成為當(dāng)前短波通信系統(tǒng)應(yīng)用中的一個(gè)焦點(diǎn)問題，而認(rèn)知無線電給我們提供了一個(gè)很好的思路。

4 在短波綜合通信系統(tǒng)應(yīng)用認(rèn)知無線電技術(shù)的構(gòu)想

由短波通信的特點(diǎn)可知，影響短波通信的因素主要有兩個(gè)：1）本地的電磁環(huán)境，直接影響接收效果；2）通信時(shí)的電離層特性，影響天波通信信號(hào)，是造成天波通信時(shí)衰落、多徑等現(xiàn)象的主要原因。這兩個(gè)因素都隨時(shí)間及外界環(huán)境變化（包括敵方干擾）而變化，沒有客觀規(guī)律可循，因此，對(duì)短波通信產(chǎn)生了較大的影響。

短波綜合通信系統(tǒng)是一個(gè)多發(fā)多收的系統(tǒng)，具有數(shù)量眾多的收發(fā)信道。而通常情況下，除了少數(shù)信道一直處于工作狀態(tài)，執(zhí)行值守任務(wù)外，其余的信道，都處于空閑或值守狀態(tài)。因此，這部分信道完全可以被利用起來，用來實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無線電功能，提高短波通信效能。

在具體措施上，空閑收信道可以被當(dāng)做頻譜感知單元使用，對(duì)本地頻譜進(jìn)行實(shí)時(shí)感知，多個(gè)收信道聯(lián)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)全頻段的快速掃描感知，尋找本地接收效果較好的頻點(diǎn)。也可以和通信對(duì)端配合，在情況允許的條件下通過主動(dòng)發(fā)射探測(cè)信號(hào)并接收分析，對(duì)電離層情況進(jìn)行判斷，尋找較好的天波通信頻點(diǎn)。兩者結(jié)合，可以得到本地接收條件較好的地波通信頻點(diǎn)以及電離層條件較好的天波通信頻點(diǎn)，共同組成一個(gè)實(shí)時(shí)更新的頻率池，供短波綜合通信系統(tǒng)備用。如短波綜合通信系統(tǒng)的通信情況發(fā)生惡化至必須更改通信頻點(diǎn)，就可以從頻率池中選擇合適頻點(diǎn)恢復(fù)通信。整個(gè)過程如圖5所示：

5 在短波綜合通信系統(tǒng)應(yīng)用認(rèn)知無線電技術(shù)的展望

在短波綜合通信系統(tǒng)中應(yīng)用認(rèn)知無線電技術(shù)，可以在很大程度上提高短波通信的可通率和抗干擾能力，在理論上和技術(shù)上都是可行的，有較大的應(yīng)用價(jià)值。但是，要想付諸實(shí)際，還存在一些問題需要解決。

1）在現(xiàn)有系統(tǒng)中加裝認(rèn)知引擎。可以依托于現(xiàn)有的控制管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，也可以外掛在現(xiàn)有的控制管理系統(tǒng)上，通過控制管理系統(tǒng)和收發(fā)信機(jī)間的控制接口實(shí)現(xiàn)對(duì)感知信息的傳遞及對(duì)收發(fā)信道的控制。2）全頻段的快速頻譜感知。全頻段的感知速度受限于射頻前段的帶寬、收信機(jī)換頻速度以及數(shù)字信號(hào)處理的能力?，F(xiàn)階段可以多個(gè)收信機(jī)合并分段掃描處理的方法提高速度。后續(xù)也可以研制更大帶寬、換頻更快的收信機(jī)。并且，對(duì)短波頻段來說，實(shí)現(xiàn)對(duì)2MHz～30MHz全頻段的直接數(shù)字化是完全可能的，而數(shù)字信號(hào)處理的能力可以采用硬件資源堆疊的方法實(shí)現(xiàn)。3）通信波形的升級(jí)，增加與認(rèn)知引擎接口，針對(duì)認(rèn)知通信流程做適應(yīng)性改造。4）設(shè)計(jì)高可靠波形用作勤務(wù)波形，保證通信雙方的基本溝通，勤務(wù)波形要求在信道條件極差的情況保證最低限度的通信。

當(dāng)然，想在現(xiàn)有短波綜合通信系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無線電的技術(shù)，需要解決的問題還有很多，以上只是部分問題和初步的解決思路。從技術(shù)上看來，這些問題都是可以得到解決的，認(rèn)知無線電技術(shù)在現(xiàn)有的短波綜合通信系統(tǒng)上的應(yīng)用完全可以成為現(xiàn)實(shí)。

6 結(jié)束語(yǔ)

短波通信作為保障遠(yuǎn)程通信的主要手段之一，在通信領(lǐng)域有著極其重要的地位。但是，長(zhǎng)期以來，由于短波通信所固有的選頻難的特點(diǎn)，短波通不上、通不好的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。并且，隨著電子信息裝備數(shù)量的增多，共址電磁環(huán)境急劇惡化，也使得短波通信的效能進(jìn)一步下降。為了改善短波通信的現(xiàn)狀，人們進(jìn)行了種種努力，但都不夠理想。因?yàn)檫@些手段都缺乏實(shí)時(shí)感知當(dāng)前頻譜情況的手段，也沒有根據(jù)當(dāng)前情況和歷史經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行學(xué)習(xí)和推理的能力。

認(rèn)知無線電技術(shù)作為一種全新的通信技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)感知周邊電磁頻譜環(huán)境，經(jīng)過學(xué)習(xí)和推理，實(shí)時(shí)調(diào)整通信參數(shù)，并不斷改進(jìn)系統(tǒng)性能，有效提高通信設(shè)備的通信效能及抗干擾能力，恰恰彌補(bǔ)了短波通信的缺點(diǎn)。因此，在短波綜合通信系統(tǒng)中應(yīng)用認(rèn)知無線電技術(shù)，必將能夠大幅提升短波通信的效果，使短波這一古老的通信手段煥發(fā)新的青春和活力。

參考文獻(xiàn)：

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