美軍動態(tài)頻譜接入裝備實現(xiàn)方式及啟示

蔣超智++吳皓

【摘 要】頻譜資源的日益稀缺和低利用率使得各國都在探討新的頻率使用技術(shù)和頻譜管理方式，動態(tài)頻譜接入等新技術(shù)逐漸成為研究熱點，因此主要研究了美軍動態(tài)頻譜接入裝備的各種實現(xiàn)方式，包括對傳統(tǒng)電臺的改造，對軟件定義電臺的軟件升級以及對新型電臺的研制，并分析其發(fā)展特點，為我軍開展動態(tài)頻譜接入裝備研制提供參考。

【關(guān)鍵詞】動態(tài)頻譜接入 電臺 美軍

1 引言

電磁頻譜對無線通信及相關(guān)業(yè)務(wù)及其重要，當(dāng)前的頻率管理以預(yù)規(guī)劃和靜態(tài)頻率分配為主，很難滿足電磁頻譜急劇增長的需求。如果頻譜管理不做重大變革，無論是商用、軍用還是民用的無線業(yè)務(wù)增長都將面臨嚴(yán)重的削弱。尤其在海外，當(dāng)面臨擁擠電磁頻譜時，美軍的用頻設(shè)備、裝備及系統(tǒng)將在作戰(zhàn)性能方面遭遇重大損失，而通過動態(tài)頻譜接入（DSA，Dynamic Spectrum Access），就可以使頻譜管理從當(dāng)前的靜態(tài)頻譜管理轉(zhuǎn)換成動態(tài)的頻譜管理。通過動態(tài)頻譜接入，用頻設(shè)備、裝備及系統(tǒng)就可以根據(jù)相關(guān)政策、頻譜可用性、傳播環(huán)境和應(yīng)用性能參數(shù)等標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)地改變它們的參數(shù)，以適應(yīng)頻譜接入。

因此，對于我軍開展動態(tài)頻譜接入裝備研制來說，動態(tài)頻譜接入裝備如何實現(xiàn)非常重要，本文接下來將對美軍動態(tài)頻譜接入裝備實現(xiàn)方式進(jìn)行探討。

2 美軍動態(tài)頻譜接入裝備的實現(xiàn)方式

美國國防部開展了多個項目來研究動態(tài)頻譜接入技術(shù)，如DARPA neXt Generation（XG）和Wireless Network After Next（WNAN）。通過動態(tài)頻譜接入，單個或多部電臺能夠在任意時刻，根據(jù)信號活動情況，選擇性使用頻率信道。

對于動態(tài)頻譜接入功能的實現(xiàn)，美軍根據(jù)電臺的具體情況，主要采用以下三種方式來實現(xiàn)：1）研制全新的動態(tài)頻譜接入功能軍用電臺；2）對現(xiàn)有的軍用軟件定義電臺通過軟件更改來實現(xiàn)動態(tài)頻譜接入；3）在現(xiàn)有軍用電臺（特別是非軟件定義電臺）的基礎(chǔ)上增加軟/硬件插件來實現(xiàn)動態(tài)頻譜接入。DARPA WNAN[1]計劃采用的是第一種方法，研制新型電臺；DARPA XG[2]計劃采納的是第二種方法，通過修改電臺軟件來增加動態(tài)頻譜接入?yún)f(xié)議和感知能力。對于傳統(tǒng)的電臺，主要采用增加相應(yīng)硬件/軟件感知裝置，通過集成形成具有動態(tài)頻譜接入功能電臺。

2.1 WNAN項目的動態(tài)頻譜接入實現(xiàn)

DARPA的WNAN網(wǎng)絡(luò)是一個能滿足未來作戰(zhàn)無線通信需求，具有高容量、高度可擴(kuò)展性、健壯、自組織的多跳無線網(wǎng)絡(luò)。它采用了基于策略的動態(tài)頻譜接入、分布式動態(tài)頻率指配、容中斷路由等新技術(shù)以滿足當(dāng)前及未來的軍事需求。WNAN采用Raytheon BBN公司的網(wǎng)絡(luò)軟件、Cobham公司的硬件與固件。WNAN電臺具有4個收發(fā)信道，工作在900 MHz—4 GHz的頻率范圍，采用90 kbit/s～2 Mbit/s的自適應(yīng)傳輸速率，每個通道的輸出功率為1 W[3]。

其中的動態(tài)頻譜接入（DSA）模塊大體上將頻譜

劃分為可能使用的（possible）、允許使用的（allowed）

和已使用的（used）。圖1顯示了這些頻率集間的關(guān)系。

可能使用的頻譜集是根據(jù)外部策略，在一個特定的時間和地點可以令人信服地使用的頻率集合；允許使用的頻譜集包括正在感知而且感知后認(rèn)為可用，屬于由非合作者使用的頻率；已使用的頻譜集指實際上被指配使用的信道，不斷地在允許使用的頻譜集和少量的可能使用的頻譜集上實施感知，以便在由于頻譜策略發(fā)生變化或非合作者出現(xiàn)時，從允許使用的頻率表中移除一些頻率，而從可能使用的頻率集中尋找可替代的頻率。

動態(tài)頻譜接入模塊負(fù)責(zé)使用頻譜策略推理，確定哪個頻段可以使用、在這些頻段上所需的感知時間、對感知的結(jié)果進(jìn)行識別、將可用頻率列表提供給媒體接入控制（MAC）模塊進(jìn)行頻率指配。媒體接入控制模塊在現(xiàn)有頻段上不斷尋找非合作者（例如非WNAN節(jié)點、可能的首要/傳統(tǒng)用戶），基于時間和地理的策略進(jìn)行重新評估，當(dāng)頻率發(fā)生變化時，更新可用的頻率表給媒體接入控制模塊。媒體接入控制模塊本身負(fù)責(zé)確定頻率指配、頻率回收以及網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)。

WNAN系統(tǒng)可以在存在非合作者干擾的情況下運(yùn)行，在它們影響到用戶應(yīng)用之前，通過感知避開這些干擾[4]。WNAN的體系結(jié)構(gòu)中包含存儲策略、解釋策略的“策略一致性推理機(jī)”，在選擇和使用頻率時遵從既定的策略，從感知中獲取依據(jù)，確定頻率是否可用。策略推理機(jī)使用網(wǎng)絡(luò)本體語言（OWL）描述它的本體，使得多個策略可以裝載到WNAN。電臺可以對各種策略進(jìn)行自動結(jié)合和排序，從而確定哪些頻率在多個策略下允許使用。

2.2 軟件定義電臺的動態(tài)頻譜接入實現(xiàn)

對于各種采用不同硬件平臺和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的軟件定義電臺，共享頻譜公司（Shared Spectrum Company）實現(xiàn)了一個通用的動態(tài)頻譜接入（DSA）組件，采用基于策略的自主動態(tài)頻譜接入模式，主要流程如圖2所示[5]。

在感知階段，主要獲取節(jié)點的位置、時間和策略等信息，同時根據(jù)需求對所處的電磁環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，對鏈路狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，收集射頻環(huán)境和節(jié)點鏈路的實時動態(tài)信息[6]。

在分析階段，對收集的節(jié)點的位置、時間、策略以及外部電磁干擾感知結(jié)果數(shù)據(jù)和鏈路狀態(tài)信息進(jìn)行綜合分析處理，完成電磁環(huán)境特征和鏈路性能評估，為頻譜決策提供依據(jù)。

在決策階段，根據(jù)用頻策略和電磁環(huán)境實時狀態(tài)以及鏈路性能的評估結(jié)果，進(jìn)行系統(tǒng)用頻的推理決策，決定工作頻率、模式以及發(fā)射功率等參數(shù)，以適應(yīng)電磁環(huán)境的動態(tài)變化，保持用頻設(shè)備的正常工作，同時不對周圍的其他用戶產(chǎn)生干擾。

最后在執(zhí)行階段，根據(jù)用頻推理產(chǎn)生的結(jié)果，進(jìn)行電臺工作頻率、模式以及發(fā)射功率等參數(shù)的設(shè)置，使電臺可以避開電磁干擾，保持正常通信狀態(tài)。

動態(tài)頻譜接入組件的組成包括動態(tài)頻譜接入策略模塊、帶有信號檢測器和識別器的動態(tài)頻譜接入信道模塊以及動態(tài)頻譜接入網(wǎng)絡(luò)模塊，如圖3所示。endprint

動態(tài)頻譜接入（DSA）策略控制模塊主要對頻譜接入控制策略進(jìn)行處理，頻譜接入策略可以是簡單分配的頻率范圍，也可以是由策略語言編寫復(fù)雜的規(guī)則。頻譜接入策略一般由頻譜規(guī)劃產(chǎn)生，可通過授權(quán)網(wǎng)絡(luò)或其他方式下載到電臺中。頻譜策略組件根據(jù)電臺當(dāng)前的地理位置、時間、所處電磁環(huán)境的頻譜知識以及與鄰近節(jié)點信息交互的結(jié)果進(jìn)行推理，從而進(jìn)行頻譜機(jī)會決策[7]。

動態(tài)頻譜接入（DSA）信道模塊進(jìn)行頻譜檢測器管理，執(zhí)行頻譜檢測和頻譜識別，存儲并統(tǒng)計分析處理頻譜感知信息，主要進(jìn)行可用頻率表、DSA頻率表、非DSA信道表以及空閑頻率表的維護(hù)?？捎妙l率表指當(dāng)前允許發(fā)射的頻率范圍；DSA頻率表指當(dāng)前DSA電臺及網(wǎng)絡(luò)使用的頻率；非DSA頻率表指當(dāng)前被其它非DSA電臺使用的頻率；空閑頻率表指當(dāng)前沒有被使用的頻率。

動態(tài)頻譜接入（DSA）網(wǎng)絡(luò)模塊主要負(fù)責(zé)DSA網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的信息交互，發(fā)現(xiàn)所處位置周圍的其他DSA電臺，通過與其他DSA電臺協(xié)商在它們公共空閑的、DSA可用的頻率中選擇工作頻率。另外，DSA網(wǎng)絡(luò)組件也負(fù)責(zé)進(jìn)入或離開一個地理區(qū)域時進(jìn)入和退出DSA網(wǎng)的工作。

動態(tài)頻譜接入（DSA）組件采用模塊化設(shè)計[8]，根據(jù)目標(biāo)電臺已有的功能和硬件平臺的資源，可對以上DSA模塊進(jìn)行任意的靈活組合。對于資源充足的平臺可集成所有的模塊，而對于能力較弱的平臺可減少一些在板模塊或進(jìn)行模塊簡化。

動態(tài)頻譜接入（DSA）包括兩個級別接口，上層的接口是與用戶應(yīng)用的接口，通過接口允許用戶進(jìn)行頻譜接入控制策略的更新和監(jiān)控電臺DSA的性能，包括增加、刪除、激活和解除頻譜接入控制策略功能。下層的接口是與底層軟件無線電（SCA）波形功能組件的接口，包括與物理層、MAC層以及網(wǎng)絡(luò)層波形組件的接口，通過下層接口，DSA組件可以實現(xiàn)與MAC層共享信道進(jìn)行頻譜感知、完成與其它電臺信息交互、更改電臺的相關(guān)工作參數(shù)以及獲取鏈路性能的狀態(tài)信息等功能[9]。

2.3 基于對傳統(tǒng)電臺改造的動態(tài)頻譜接入實現(xiàn)

對傳統(tǒng)電臺通過增加硬件或軟件插件，使之能夠以動態(tài)頻譜接入方式工作，其目的是使廣大軍事用戶既獲得了動態(tài)頻譜接入的優(yōu)勢，同時又能夠使現(xiàn)役電臺繼續(xù)發(fā)揮作用。這種方法能夠花費(fèi)較少開支便提升傳統(tǒng)電臺作戰(zhàn)使用性能。多數(shù)情況下，由于傳感與信道切換方面的速度限制，電臺/插件組合在性能方面不如新型電臺及具備動態(tài)頻譜接入能力的軟件定義電臺，然而相對于傳統(tǒng)工作方式其性能已有顯著提升。

美軍以AN/PRC-117F電臺（如圖4所示）為原型，采用了兩種方式來實現(xiàn)動態(tài)頻譜接入改造。一種方式是增加帶有控制處理器的外部頻譜感知器裝置，另一種方式是增加外部處理器，控制電臺獲取接收信號強(qiáng)度指示（RSSI）取代頻譜傳感器。

（1）傳感器-處理器實現(xiàn)方式

傳感器-處理器實現(xiàn)方式是通過增加帶有控制處理器的外部頻譜感知器裝置來實現(xiàn)AN/PRC-117F電臺[9]的動態(tài)頻譜接入功能，如圖5所示。

頻譜傳感器由天線、預(yù)選濾波器、低噪聲放大器和下變頻器組成，這些器件和處理器構(gòu)成了硬件插件。在采樣過程中，基帶信號被定時數(shù)字化，并且電臺發(fā)射機(jī)被禁用，以保證只存在主用戶的信號。感知的頻譜進(jìn)行了信道劃分，在每個采樣周期，根據(jù)門限值來判斷每個信道中是否存在信號。

檢測完畢后，立即檢查電臺當(dāng)前工作信道是否存在主用戶的信號。如果存在，通過電臺的遙控接口停用其“請求傳送”（RTS）功能，信道被以最快的速度釋放。值得注意的是，第二用戶電臺的傳輸在進(jìn)行頻譜檢測時即被禁用，這種禁用狀態(tài)將持續(xù)到傳感器確認(rèn)信道空閑并重新起用“請求傳送”（RTS）。

感知周期必須足夠短以使所有主用戶的信號盡可能少受干擾。如果主用戶的信號剛好出現(xiàn)在感知周期之后，那么在下一個感知周期之前傳感插件將無法檢測到（假設(shè)主用戶一直處于發(fā)射狀態(tài)）。在原型樣機(jī)中，選擇每秒進(jìn)行一次感知，即使在極端情況下，第二用戶對主用戶的干擾也不會超過1 s。

當(dāng)?shù)诙脩翎尫帕诵诺篮?，需要盡快地選擇一個新的信道并建立通信。信道的選擇主要考慮在最近的頻譜采樣中沒有出現(xiàn)主用戶的信號以及預(yù)計的頻譜空閑持續(xù)時間。如果所有的信道都被占用，電臺將保持“請求傳送”（RTS）的關(guān)閉狀態(tài)直到出現(xiàn)可用信道。

在信道選擇過程中，第二用戶電臺間通過維護(hù)一組共同的信道統(tǒng)計，使兩個電臺可以做出共同的選擇并切換到相同的信道上。選擇準(zhǔn)則是所有節(jié)點間預(yù)計的頻譜空閑持續(xù)時間最大的信道。

AN/PRC-117F電臺通過串口輸出收到的數(shù)據(jù)，供外部處理器搜索并找出來自其他電臺的預(yù)計空閑壽命數(shù)據(jù)包。處理器保存網(wǎng)絡(luò)中每個電臺最新的信道預(yù)計空閑壽命數(shù)據(jù)，脫網(wǎng)電臺的數(shù)據(jù)被認(rèn)為不再精確而予以丟棄。

一旦信道選擇完畢后，處理器即控制電臺切換到指定的頻率或該頻率對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，通信開始，接下來周而復(fù)始地開展感知、釋放、空閑統(tǒng)計生成、信道選擇等活動。

（2）純處理器實現(xiàn)方式

純處理器實現(xiàn)方式是通過增加外部處理器來實現(xiàn)AN/PRC-117F電臺的動態(tài)頻譜接入功能，如圖6所示：

純處理器插件方式通過向電臺發(fā)送指令，獲取信號強(qiáng)度指示（RSSI）。電臺通過對相關(guān)信道進(jìn)行掃描接收獲知其活動情況，處理器再根據(jù)干擾門限判別每個信道是否被占用，接下來進(jìn)行與傳感器-處理器方式相同的空閑持續(xù)時間分析處理。處理器必須支持與AN/PRC-117電臺間的控制和數(shù)據(jù)接口，要求能夠控制、配置電臺，并能夠與其他同樣的電臺傳遞預(yù)計壽命數(shù)據(jù)包。

這種的方式優(yōu)勢在于可以做得更小，便于攜帶，但同時也存在頻譜傳感速度較慢、精度較差等缺點。

3 美軍動態(tài)頻譜接入裝備發(fā)展的啟示

從以上的闡述可以看出，在動態(tài)頻譜接入的實現(xiàn)方式上，美軍根據(jù)各種不同的實際情況采取相應(yīng)的技術(shù)手段與方法。對于傳統(tǒng)的電臺，在不改動其硬件與固件的條件下，通過增加外置的頻譜感知與頻譜管理模塊實現(xiàn)動態(tài)頻譜接入功能；對于軟件定義電臺，設(shè)計了一個模塊化的通用動態(tài)頻譜接入組件，可根據(jù)現(xiàn)有軟件定義電臺的已有功能和計算資源等情況，選擇相應(yīng)的動態(tài)頻譜接入組件模塊集成到軟件電臺中實現(xiàn)動態(tài)頻譜接入功能。在其下一代通信項目（DARPA XG）和WNAN（Wireless Network After Next）中，采用全新的軟硬件統(tǒng)一設(shè)計，以達(dá)到更高性能的DSA能力[11]。endprint

在動態(tài)頻譜接入實現(xiàn)的機(jī)制原理與方法上，也根據(jù)各種不同的情況與條件，采用了不同模式。對于現(xiàn)役的傳統(tǒng)電臺，主要采用基于頻管系統(tǒng)的集中式動態(tài)接入模式。在這種模式中，頻管系統(tǒng)作為系統(tǒng)的管控中心，它收集系統(tǒng)各個節(jié)點的頻譜感知數(shù)據(jù)，監(jiān)視著每條鏈路的狀態(tài)，對頻譜感知、網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)等信息進(jìn)行集中分析處理，并由此決策是否改變系統(tǒng)的工作頻率、帶寬和功率等參數(shù)。

對于軟件定義電臺以及XG通信項目和WNAN網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)頻譜接入電臺，則是采用分布式基于策略的動態(tài)頻譜接入模式。基于策略的分布式動態(tài)頻譜接入將頻譜的決策從頻譜管理中心移至用頻設(shè)備端，頻譜管理者只給出用頻策略，用頻設(shè)備根據(jù)所處的電磁環(huán)境和用頻策略約束進(jìn)行具體的用頻決策和執(zhí)行活動。其頻譜決策過程采用自主的方式，是一種無中心扁平化模式，使頻譜決策更加迅速。

未來動態(tài)頻譜接入必將向著認(rèn)知無線電方向發(fā)展，具有更強(qiáng)的頻譜感知能力，能對積累的大量頻譜信息進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，尋找其中的特征規(guī)律；能具備很強(qiáng)的學(xué)習(xí)和推理能力，能很好地理解所處的外部環(huán)境，實時調(diào)整其內(nèi)部配置，以適應(yīng)外部無線環(huán)境的變化，達(dá)到認(rèn)知地按需頻譜接入。

4 結(jié)束語

本文以美軍動態(tài)頻譜接入裝備實現(xiàn)為切入點，研究了其各種實現(xiàn)方式，包括研制新型動態(tài)頻譜接入電臺，對軟件定義電臺的軟件升級以及對傳統(tǒng)電臺的改造，并分析其各自特點，為我軍進(jìn)一步開展動態(tài)頻譜接入裝備研制提供了思路。

參考文獻(xiàn)：

[1] DARPA. DARPA WNAN Program[EB/OL]. [2017-06-27]. http：//www.darpa.mil/STO/strategic/wireless.html.

[2] DARPA. DARPA XG Program[EB/OL]. [2017-06-27]. http：//www.darpa.mil/sto/smallunitops/xg.html.

[3] REDI J， RAMANATHAN R. The DARPA WNAN network architecture[C]//2011 IEEE Military Communications Conference（MILCOM11）. Baltimore： IEEE Pub， 2011： 2258-2263.

[4] MARSHALL P. DARPA Progress Towards Affordable， Dense， and Content Focused Tactical Edge Networks[C]//Military Communications Conference. IEEE， 2008： 1-7.

[5] OODA. The OODA loop（for observe， orient， decide， and act）[EB/OL]. （2017-06-25）[2017-06-27]. http：//en.wikipedia.org/wiki/OODA_loop.

[6] 高建成，吳玉勛. 復(fù)雜電磁環(huán)境下的水面艦船頻譜管理技術(shù)研究[J]. 移動通信， 2016，40（16）： 42-47.

[7] F Perich， M McHenry. Policy-based Spectrum Access Control for Dynamic Spectrum Access Network Radios[J]. Journal of Web Semantics： Science， Services and Agents on the World Wide Web， 2009，7（1）： 21-27.

[8] F Perich. Policy-based Network Management for NeXt Generation Spectrum Access Control[C]//IEEE DySPAN. 2007.

[9] SONG Q J， HAN Y N. A centre controlled strategy for adaptive spectrum access[C]//Environmental Electromagnetics， The 2006 4th Asia-pacific conference. 2006： 771-774.

[10] Harris Corporation. AN/PRC 117F ASCII Remote Control Port Interface Control Document[Z]. 2005.

[11] 王艷聰，胡中豫，王江浩. 美軍XG動態(tài)頻譜接入系統(tǒng)建設(shè)及對我軍發(fā)展的啟示[J]. 現(xiàn)代軍事通信， 2010，18（2）： 21-25. ★endprint