認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的應(yīng)用研究

閆復(fù)利

摘要：為了解決當(dāng)前頻譜利用率低和頻譜緊張稀缺的結(jié)構(gòu)性矛盾，提高頻率利用效率滿足人們的使用需求是迫在眉睫的。分析了傳統(tǒng)的時(shí)分復(fù)用、空分復(fù)用、碼分復(fù)用、正交復(fù)用技術(shù)已經(jīng)用于提升頻譜利用率。目前依然頻譜效率低，通過(guò)認(rèn)知無(wú)線電提升頻譜利用率是研究的方向和研究熱點(diǎn)。介紹了認(rèn)知無(wú)線電原理以及工作流程，研究了認(rèn)知無(wú)線電關(guān)鍵技術(shù)以及認(rèn)知無(wú)線電在軍事、應(yīng)急通信、公共安全、工礦企業(yè)、自組織網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域應(yīng)用，給出了認(rèn)知無(wú)線電的困境對(duì)策和建議以及展望了認(rèn)知無(wú)線電的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知無(wú)線電；頻譜感知；認(rèn)知引擎；軟件無(wú)線電；網(wǎng)絡(luò)融合

1概述

隨著電子與信息技術(shù)快速發(fā)展，各種無(wú)線通信新技術(shù)和新產(chǎn)品涌現(xiàn)于生產(chǎn)生活的各個(gè)方面，如藍(lán)牙技術(shù)、RFID技術(shù)、UWB技術(shù)、Zigbee技術(shù)、4G通信技術(shù)、WIFI技術(shù)、數(shù)字廣播電視技術(shù)、無(wú)線門鎖技術(shù)、無(wú)線遙控技術(shù)等，它們都需要固定各自的頻段頻點(diǎn)規(guī)避互相干擾。無(wú)委會(huì)指定的頻段頻點(diǎn)大部分使用效率低造成頻譜資源的浪費(fèi)，而且目前分配是非連續(xù)的，未分配的頻段得不到利用，與頻譜日益緊張稀缺存在結(jié)構(gòu)性矛盾。當(dāng)前全球總體無(wú)線電頻譜利用率低已是最突出的問(wèn)題，頻譜資源是有限和稀缺的，是國(guó)家的重要戰(zhàn)略資源，頻譜資源的稀缺和大量需求的矛盾制約了無(wú)線通信的發(fā)展。為了提升無(wú)線頻譜利用率業(yè)已使用的有時(shí)分復(fù)用技術(shù)、空分復(fù)用技術(shù)、碼分復(fù)用技術(shù)、正交復(fù)用技術(shù)等，根據(jù)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）的數(shù)據(jù)，分配的頻譜利用率僅僅有15～85%，3GHz～5GHz頻段利用率不足1%，固定頻譜指配方式造成了稀缺頻譜資源的浪費(fèi)，我們急需尋求提高頻譜利用率的方法解決利用率低和資源緊張的矛盾，認(rèn)知無(wú)線電（Cognitive radio，CR）用來(lái)提高頻譜利用效率應(yīng)運(yùn)而生。1999年Mitola博士首次提出認(rèn)知無(wú)線電概念，目前受到了各界的廣泛關(guān)注，已有代表性成果在基本理論和關(guān)鍵技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究。本文從技術(shù)和應(yīng)用角度對(duì)認(rèn)知無(wú)線電進(jìn)行了研究，并提出認(rèn)知無(wú)線電的困境對(duì)策和建議以及展望認(rèn)知無(wú)線電的發(fā)展。

2認(rèn)知無(wú)線電原理

認(rèn)知無(wú)線電是基于軟件無(wú)線電平臺(tái)的智能通信技術(shù)，可以自動(dòng)利用空閑頻段頻點(diǎn)和動(dòng)態(tài)檢測(cè)頻譜環(huán)境以提高頻譜利用率。它具有學(xué)習(xí)和系統(tǒng)重構(gòu)能力，可以根據(jù)無(wú)線電頻譜環(huán)境實(shí)時(shí)調(diào)整無(wú)線系統(tǒng)參數(shù)。如圖1所示，認(rèn)知無(wú)線電的實(shí)現(xiàn)通過(guò)三個(gè)步驟完成，一是無(wú)線頻譜環(huán)境的感知，感知無(wú)線環(huán)境的頻率使用和干擾情況。二是對(duì)感知的電磁環(huán)境進(jìn)行分析、學(xué)習(xí)和決策，例如重復(fù)博弈理論決策、拍賣理論的頻譜分配決策等。三是軟件無(wú)線電的系統(tǒng)重構(gòu)，決策的執(zhí)行由系統(tǒng)重構(gòu)完成，例如功率控制、頻譜分配等。完成這個(gè)過(guò)程的模塊，我們稱之為認(rèn)知無(wú)線電模塊，或稱為認(rèn)知用戶。

3認(rèn)知無(wú)線電關(guān)鍵技術(shù)

認(rèn)知無(wú)線電是軟件無(wú)線電與認(rèn)知功能的有機(jī)結(jié)合，認(rèn)知功能的實(shí)現(xiàn)優(yōu)劣和軟件無(wú)線電的重構(gòu)能力決定了認(rèn)知無(wú)線電的性能好壞和實(shí)現(xiàn)。

3.1頻譜感知

頻譜感知是認(rèn)知無(wú)線電實(shí)現(xiàn)過(guò)程的第一步，對(duì)系統(tǒng)性能有決定性影響。頻譜感知的目的是及時(shí)發(fā)現(xiàn)空閑信道，當(dāng)授權(quán)用戶（主用戶）使用信道時(shí)要及時(shí)感知并釋放信道，不能對(duì)主用戶產(chǎn)生干擾，頻譜感知結(jié)果提供給分析決策模塊。頻譜感知技術(shù)是頻譜感知的關(guān)鍵，根據(jù)感知帶寬和感知方式分類如圖2所示。我們對(duì)感知方式進(jìn)行分析：（1）匹配濾波器檢測(cè)快速且增益高，信噪比最優(yōu)，它的缺點(diǎn)是需要準(zhǔn)確的主用戶信息，否則性能就會(huì)很差，獲取主用戶的信號(hào)相關(guān)性需要定時(shí)以及頻率同步，在很多主用戶頻譜開(kāi)放時(shí)就需要許多匹配濾波器，這些不足導(dǎo)致成本高和復(fù)雜性制約了它的應(yīng)用。（2）能量檢測(cè)又稱盲檢測(cè)，是一種重要而又基本的檢測(cè)方法，是對(duì)信道能量進(jìn)行判決而無(wú)需知曉信號(hào)信息，與方式（1）相比實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。（3）循環(huán)平穩(wěn)特征檢測(cè)利用信號(hào)的循環(huán)平穩(wěn)特征相關(guān)性進(jìn)行檢測(cè)。（4）合作頻譜感知可以有效減弱甚至消除單認(rèn)知用戶檢測(cè)的錯(cuò)判誤判，有集中式和分布式，目前用的大部分為集中式。其優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)時(shí)間與單認(rèn)知用戶檢測(cè)相比速度快，缺點(diǎn)是認(rèn)知用戶與融合站之間信息交互會(huì)占用資源，合作的認(rèn)知用戶越多，開(kāi)銷的頻譜資源越多，降低額外資源開(kāi)銷是未來(lái)的研究方向。（5）本振泄漏檢測(cè)的可靠檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、范圍小、使用不方便，需要知道主用戶的接收機(jī)體系結(jié)構(gòu)，接收機(jī)分布范圍廣時(shí)不可行，接收機(jī)本振泄漏會(huì)變化也不易于檢測(cè)，目前接收機(jī)的本振泄漏很微弱，更增加了檢測(cè)的難度，改進(jìn)的監(jiān)測(cè)本振泄漏法復(fù)雜且研究成果也較少，該方法使用不多。（6）干擾溫度檢測(cè)可以發(fā)現(xiàn)更多的可用頻譜，干擾溫度在一定限值內(nèi)認(rèn)知用戶共享頻譜不影響主用戶的正常工作。（7）寬帶頻譜感知可以搜索多個(gè)空閑信道來(lái)提升頻譜利用率，分為兩類：多信道帶寬感知先頻帶細(xì)分再利用窄帶頻譜感知，不能檢測(cè)隨機(jī)信號(hào)；一般帶寬感知不能對(duì)信道逐一檢測(cè)。

3.2分析決策與學(xué)習(xí)推理

分析決策與學(xué)習(xí)推理稱為認(rèn)知引擎，是認(rèn)知無(wú)線電的關(guān)鍵部件與核心部分。人工智能技術(shù)又是認(rèn)知引擎的核心（1）專家系統(tǒng)存儲(chǔ)專家知識(shí)體系并借助專家知識(shí)進(jìn)行推理決策處理專家級(jí)問(wèn)題，能快速適應(yīng)環(huán)境，及時(shí)調(diào)整無(wú)線電參數(shù)。（2）案例推理技術(shù)，類似法律上所說(shuō)的判例法，可以借助歷史記錄以及相似案列去尋求解決方案。通過(guò)案列庫(kù)查找與當(dāng)前問(wèn)題最為匹配的案例并借鑒用于解決當(dāng)前問(wèn)題，當(dāng)前解決的問(wèn)題也會(huì)存儲(chǔ)到案例庫(kù)，無(wú)線電環(huán)境變化以及參數(shù)優(yōu)化都存儲(chǔ)起來(lái)作為經(jīng)驗(yàn)案例，具有學(xué)習(xí)和智能的特征。（3）遺傳算法來(lái)自于遺傳生物學(xué)，該算法把認(rèn)知無(wú)線電作為生物系統(tǒng)對(duì)待，把認(rèn)知無(wú)線電的特征作為染色體對(duì)待，認(rèn)知無(wú)線電的具體指標(biāo)就是基因，遺傳算法就可以優(yōu)化認(rèn)知無(wú)線電的工作參數(shù)。經(jīng)濟(jì)學(xué)的理論也可以應(yīng)用到認(rèn)知無(wú)線電，例如拍賣理論、博弈理論，基于這些理論的頻譜分配決策研究已取得了一些成果，若應(yīng)用到工程還有一些問(wèn)題需要解決，如政策層面是固定頻點(diǎn)指配，法律層面是保護(hù)指配。分析決策的目的是為了頻譜共享和提高頻譜利用率，若從頻譜的機(jī)會(huì)接入方式考慮有Overlay和Underlay兩種接入方式，如圖3所示。假設(shè)頻譜共享技術(shù)在未劃分頻段和已劃分頻段可以共享使用，我們對(duì)Overlay和Underlay進(jìn)行分析：（1）Overlay頻譜共享是動(dòng)態(tài)的共享接入，認(rèn)知用戶在空閑頻段頻點(diǎn)機(jī)會(huì)接入，若有主用戶使用必須即刻釋放信道，對(duì)主用戶的干擾較小。（2）Under—lay頻譜共享是認(rèn)知用戶采用擴(kuò)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)功率譜密度在主用戶噪聲容忍度以內(nèi)，不會(huì)干擾主用戶正常工作。endprint

3.3系統(tǒng)重構(gòu)

軟件無(wú)線電借助FPGA、DSP和ARM可以實(shí)現(xiàn)硬件和軟件的重構(gòu)，F(xiàn)PGA具有靈活動(dòng)態(tài)重構(gòu)的特點(diǎn)，DSP擅長(zhǎng)算法和信號(hào)處理，ARM可以擴(kuò)展存儲(chǔ)空間和接口以及嵌入操作系統(tǒng)，可以控制資源和進(jìn)程管理。軟件無(wú)線電可以靈活擴(kuò)展業(yè)務(wù)、增強(qiáng)功能、切換信道、適應(yīng)調(diào)制方式、測(cè)試分析電磁環(huán)境、共享射頻和AD/DA電路。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)重構(gòu)軟件無(wú)線電的關(guān)鍵技術(shù)有：（1）低噪聲放大器、射頻功率放大器、射頻開(kāi)關(guān)、雙工器、天線等射頻前端的帶寬要寬，技術(shù)指標(biāo)具有重構(gòu)能力，可以通過(guò)程序控制實(shí)現(xiàn)調(diào)整。（2）AD/DA的轉(zhuǎn)換速度要快，需要工作頻率高和性能優(yōu)良。其性能會(huì)影響信噪比、接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍、失真度、頻譜純度、互調(diào)指標(biāo)。（3）高速DSP/FPGA是核心，它負(fù)責(zé)信號(hào)處理、計(jì)算與控制，其性能決定了無(wú)線電的性能和實(shí)現(xiàn)，是系統(tǒng)重構(gòu)的關(guān)鍵與核心。（4）硬件結(jié)構(gòu)具有開(kāi)放擴(kuò)展和重構(gòu)能力，軟件無(wú)線電才能實(shí)現(xiàn)各種體制和適時(shí)增加新功能，例如DSP模塊擴(kuò)展、通信接口擴(kuò)展等。（5）軟件可以在不同硬件平臺(tái)間移植重復(fù)利用。

4認(rèn)知無(wú)線電應(yīng)用

認(rèn)知無(wú)線電可以提高頻譜利用率和通信可靠性以及電子對(duì)抗效率，減小干擾，可以應(yīng)用在軍事、應(yīng)急通信、公共安全、工礦企業(yè)、自組織網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域，該技術(shù)對(duì)于我國(guó)無(wú)線電頻譜動(dòng)態(tài)管理也有一定積極作用。

4.1軍事應(yīng)用

現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)是電子戰(zhàn)、信息戰(zhàn)，電子和信息設(shè)備的良好性能可以大大提高指揮能力、對(duì)子對(duì)抗能力、不同作戰(zhàn)平臺(tái)的融合能力、戰(zhàn)場(chǎng)頻譜利用效率、通信系統(tǒng)容量，也可以用于反干擾對(duì)方的電子設(shè)備與通信。軍事上通信和電磁環(huán)境復(fù)雜惡劣，軍事認(rèn)知無(wú)線電（MCR）不是認(rèn)知無(wú)線電簡(jiǎn)單應(yīng)用，是科學(xué)有效的改進(jìn)。我們應(yīng)當(dāng)建立適應(yīng)軍事通信的綜合策略庫(kù)、研究感知和提取戰(zhàn)場(chǎng)信息、綜合運(yùn)用策略融合的人工智能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。利用感知信息做到頻譜監(jiān)測(cè)和管理的融合，進(jìn)行寬頻段的通信和電子對(duì)抗，保證我軍通信可靠高效的同時(shí)也可以對(duì)敵方通信系統(tǒng)進(jìn)行干擾。寬頻段的感知和軟件無(wú)線電重構(gòu)利于聯(lián)合作戰(zhàn)的水平提高，可以把各種電臺(tái)和衛(wèi)星通信互聯(lián)互通，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)融合實(shí)現(xiàn)信息共享。

4.2公共安全應(yīng)用

人民生活的幸福安康和國(guó)家的繁榮富強(qiáng)需要和平穩(wěn)定有序的社會(huì)環(huán)境，公安機(jī)關(guān)和其他機(jī)關(guān)單位綜合聯(lián)勤聯(lián)動(dòng)打擊犯罪與恐怖組織保障社會(huì)安全、人民生命財(cái)產(chǎn)安全需要通信靈活、可靠、高效、融合。具有認(rèn)知功能的無(wú)線電，可以用于執(zhí)行任務(wù)，自適應(yīng)通信質(zhì)量，優(yōu)化通信性能、避免暴露自己、延長(zhǎng)電池工作時(shí)間，其靈活的特點(diǎn)是執(zhí)行復(fù)雜多樣化任務(wù)的通信保障。

4.3應(yīng)急通信應(yīng)用

目前專網(wǎng)通信制式多、模擬數(shù)字設(shè)備共存、互聯(lián)互通差、頻段頻點(diǎn)不同，導(dǎo)致進(jìn)入救援現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)部門和單位各自內(nèi)部通信、頻譜使用無(wú)序、互相干擾嚴(yán)重，不利于救援的指揮和進(jìn)行。認(rèn)知無(wú)線電可以系統(tǒng)重構(gòu)互聯(lián)互通、智能提高頻譜利用率、規(guī)避干擾降低信息撞車、可以實(shí)現(xiàn)異網(wǎng)異構(gòu)的信息融合，是應(yīng)急通信的理想選擇。

4.4無(wú)線電頻譜管理應(yīng)用

認(rèn)知無(wú)線電不利于無(wú)線電管理，對(duì)認(rèn)知無(wú)線電的監(jiān)測(cè)設(shè)備成本較高、體積過(guò)大，認(rèn)知無(wú)線電對(duì)主用戶識(shí)別具有技術(shù)局限性，管理部門頻率數(shù)據(jù)臺(tái)站庫(kù)對(duì)認(rèn)知無(wú)線電無(wú)效導(dǎo)致監(jiān)測(cè)工作挑戰(zhàn)巨大，在使用的偵測(cè)設(shè)備不能檢測(cè)認(rèn)知無(wú)線電的跳頻和擴(kuò)頻形式的頻譜，原來(lái)的測(cè)向定位也失去意義。如果無(wú)線電管理部門能建立“小型頻率指配站”實(shí)行頻譜動(dòng)態(tài)管理，認(rèn)知用戶申請(qǐng)獲得可用頻率，以這種形式進(jìn)行無(wú)線電管理可以合理規(guī)劃頻譜、減少認(rèn)知用戶成本、無(wú)線電監(jiān)管高效有序，是未來(lái)無(wú)線電管理工作的發(fā)展方向。

5結(jié)束語(yǔ)與展望

本文從技術(shù)和應(yīng)用角度進(jìn)行研究分析，認(rèn)為認(rèn)知無(wú)線電可以動(dòng)態(tài)頻譜機(jī)會(huì)接人、系統(tǒng)重構(gòu)、靈活自組網(wǎng)、抑制干擾、提高系統(tǒng)容量、信息融合，從而提高頻譜利用率。其優(yōu)勢(shì)促使標(biāo)準(zhǔn)化組織、各國(guó)無(wú)線電管理部門、學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界進(jìn)行積極研究，它是新興的技術(shù)和研究熱點(diǎn)。目前，認(rèn)知無(wú)線電的發(fā)展受到無(wú)線電現(xiàn)有管理政策和認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)安全的限制，如果無(wú)線電管理部門能建立“小型頻率指配站”實(shí)行頻譜動(dòng)態(tài)管理，認(rèn)知無(wú)線電可以實(shí)現(xiàn)使用合法化和管理可控化，我們可以針對(duì)認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)安全的模擬主用戶攻擊（PUE）、頻譜感知數(shù)據(jù)篡改（SSDF）、學(xué)習(xí)推理環(huán)節(jié)攻擊進(jìn)行研究和制定解決方案，如研究先進(jìn)和實(shí)用的網(wǎng)絡(luò)安全算法，挖掘攻擊方式以防患未然。應(yīng)積極研究認(rèn)知無(wú)線電新技術(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)制定、無(wú)線電管理法規(guī)配套，解決網(wǎng)絡(luò)安全和政策的限制。endprint