分析認(rèn)知無線電技術(shù)在電磁頻譜管理中的運(yùn)用

李 猛

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分析認(rèn)知無線電技術(shù)在電磁頻譜管理中的運(yùn)用

李 猛

海華電子企業(yè)（中國）有限公司，廣東 廣州 510656

現(xiàn)有的靜態(tài)電磁頻譜管理模式已經(jīng)無法適應(yīng)無線技術(shù)和無線服務(wù)的飛速發(fā)展，而且導(dǎo)致了已分配頻譜使用率不高，頻譜管理模式亟待改革。而認(rèn)知無線電技術(shù)可以感知周圍無線頻譜環(huán)境，并且改變操作參數(shù)以更好地使用感知到的可用頻譜。這種思想給未來的頻譜管理帶來了希望，基于認(rèn)知無線電技術(shù)的頻譜管理模式成為頻譜管理部門的研究熱點(diǎn)。

無線服務(wù)；無線技術(shù)；頻譜管理模式

隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，頻譜資源變得越來越緊張。在目前的頻譜管理政策下，由于已授權(quán)頻段被分配的用戶給特定的業(yè)務(wù)，即使在某些時(shí)間該頻段空閑，其他的用戶也無權(quán)使用該頻段，這造成頻譜資源的巨大浪費(fèi)。另一方面，采用固定頻譜分配方式，也對(duì)不同區(qū)域、不同通信設(shè)備之間的互聯(lián)互通造成障礙。因此，增強(qiáng)通信設(shè)備的靈活性、兼容性和互通性，提高頻譜利用率成為國內(nèi)外通信專家學(xué)者追求的目標(biāo)[1]。

1 認(rèn)知無線電的關(guān)鍵技術(shù)

認(rèn)知無線電技術(shù)利用空閑的授權(quán)頻段進(jìn)行通信，必須保證不對(duì)主用戶造成干擾，需要一系列技術(shù)的支持，主要包括頻譜感知與探測(cè)、干擾評(píng)估與功率控制等關(guān)鍵技術(shù)。

1.1 頻譜感知

頻譜感知技術(shù)是實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無線電的基礎(chǔ)和前提，為了不對(duì)主用戶造成干擾，認(rèn)知用戶必須能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測(cè)無線環(huán)境中頻譜的利用狀況，搜尋和判定“頻譜空洞”（Spectrum Hole），分析估計(jì)其特性，予以利用，同時(shí)將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的結(jié)果反饋到發(fā)送端，為高層頻譜管理和功率控制提供參數(shù)支持。

1.2 干擾評(píng)估與功率控制

2003年FCC提出干擾溫度的概念用于量化和衡量干擾的程度，在認(rèn)知無線電中，認(rèn)知用戶被當(dāng)成是對(duì)主用戶的干擾，當(dāng)認(rèn)知用戶和噪聲累積的干擾未超過主用戶的干擾溫度門限時(shí)，主用戶可以正常通信，否則主用戶的通信無法進(jìn)行。對(duì)干擾溫度的測(cè)量采用兩種辦法，一種是由接收端進(jìn)行估計(jì)，反饋給發(fā)射端，以使發(fā)射端根據(jù)干擾的狀態(tài)對(duì)功率做出調(diào)整；另一種辦法就是在無線環(huán)境中部署大量的無線傳感器，感知環(huán)境中通信設(shè)備的干擾溫度。

2 CR網(wǎng)絡(luò)的電磁頻譜管理

2.1 CR網(wǎng)絡(luò)電磁頻譜管理的基本過程

CR網(wǎng)絡(luò)是由CR用戶組成的網(wǎng)絡(luò)，區(qū)別于傳統(tǒng)的授權(quán)網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)的靜態(tài)頻率分配方式不適用具有CR功能的網(wǎng)絡(luò)。這是因?yàn)橛捎陔姶怒h(huán)境不斷變化，CR節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到的空閑頻譜也不斷在變化；另外由于形勢(shì)、任務(wù)的變化，用戶的需求也在變化，對(duì)空閑頻譜的使用需求也就不相同。而且要實(shí)現(xiàn)完全自適應(yīng)動(dòng)態(tài)頻譜分配還要打破傳統(tǒng)政策、標(biāo)準(zhǔn)及接入?yún)f(xié)議的束縛。

基于CR技術(shù)的動(dòng)態(tài)頻譜管理Simon Haykin在給出其定義：頻譜管理也叫頻譜分配，在發(fā)射端實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)探測(cè)當(dāng)前工作區(qū)域內(nèi)的無線環(huán)境，根據(jù)探測(cè)的結(jié)果，對(duì)頻譜資源進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，確定時(shí)間和空間上可用頻譜資源，并根據(jù)一定的規(guī)則對(duì)頻譜資源進(jìn)行共享和分配[2]。

2.2 CR網(wǎng)絡(luò)的頻譜管理與傳統(tǒng)頻譜管理網(wǎng)系

2.2.1 傳統(tǒng)頻譜管理網(wǎng)系

傳統(tǒng)的電磁頻譜管理網(wǎng)系一般包含頻譜監(jiān)測(cè)網(wǎng)、頻譜探測(cè)網(wǎng)、用頻裝備檢測(cè)系統(tǒng)、頻譜管理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和電磁頻譜管理指揮控制系統(tǒng)幾個(gè)部分。頻譜監(jiān)測(cè)網(wǎng)是軍事電磁頻譜管理網(wǎng)系的支撐網(wǎng)絡(luò)。主要完成對(duì)無線環(huán)境中電磁信號(hào)頻譜特征參數(shù)（包括信號(hào)頻率、頻率誤差、發(fā)射帶寬、場(chǎng)強(qiáng)、調(diào)制度等參數(shù)）的測(cè)量、分析，并對(duì)非法電臺(tái)和干擾源進(jìn)行測(cè)向定位。頻譜監(jiān)測(cè)為頻率指配、頻率動(dòng)態(tài)調(diào)整和制定無線電管制方案提供依據(jù)。準(zhǔn)確、詳實(shí)、及時(shí)的頻譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是科學(xué)頻譜管理的依據(jù)。電磁頻譜監(jiān)測(cè)網(wǎng)的數(shù)據(jù)信息通過綜合信息網(wǎng)傳輸?shù)诫姶蓬l譜管理指揮控制系統(tǒng)，供頻譜管理機(jī)構(gòu)分析與決策使用。

2.2.2 CR網(wǎng)絡(luò)的頻譜管理

對(duì)用頻電子裝備進(jìn)行技術(shù)改造，使之集成CR功能，通過一定的組網(wǎng)方式，構(gòu)成CR網(wǎng)絡(luò)。各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過CR的頻譜感知技術(shù)監(jiān)測(cè)本地電磁環(huán)境的變化，完成本地電磁環(huán)境感知，在本地網(wǎng)絡(luò)中分發(fā)共享頻譜感知信息，作為頻譜管理的依據(jù)；并且能夠通過CR干擾估測(cè)技術(shù)估計(jì)CR用戶與授權(quán)用戶之間的干擾，通過用戶間的相互協(xié)商來避免它們之間干擾的發(fā)生；且根據(jù)一定的規(guī)則進(jìn)行頻譜管理，并通過學(xué)習(xí)與推理選擇適宜的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)行機(jī)制，實(shí)現(xiàn)頻譜管理的自適應(yīng)性和智能化。各個(gè)具有CR功能的用頻裝備不再只是頻譜分配、控制的對(duì)象，而且成為頻譜監(jiān)測(cè)網(wǎng)、頻譜管理網(wǎng)的一部分，是完成電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)、頻譜管理的最主要裝備。用頻裝備網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了頻譜監(jiān)測(cè)網(wǎng)和頻譜管理網(wǎng)的功能，完成實(shí)時(shí)頻譜監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)頻譜管理和頻譜使用的多重任務(wù)?；贑R技術(shù)的頻譜管理模式與傳統(tǒng)頻譜管理模式相比具有以下幾種優(yōu)點(diǎn)：

（1）改變傳統(tǒng)頻譜管理網(wǎng)系中頻譜管理網(wǎng)與用頻裝備網(wǎng)分離的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)頻譜管理網(wǎng)、頻譜監(jiān)測(cè)網(wǎng)與用頻裝備網(wǎng)三網(wǎng)合一，頻譜分配能夠適應(yīng)任務(wù)與環(huán)境的變化。

（2）實(shí)現(xiàn)頻譜管理方式的大變革。由傳統(tǒng)的集中式靜態(tài)或有限自適應(yīng)頻譜管理方式轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)、自適應(yīng)的頻譜管理方式。頻譜管理不再是一項(xiàng)繁瑣的系統(tǒng)工程，很少需要人的參與，實(shí)現(xiàn)完全的機(jī)器分配，自動(dòng)化程度高。

（3）頻譜分配的可靠性、適應(yīng)性大幅增強(qiáng)。傳統(tǒng)的靜態(tài)頻譜管理方式指配的頻率不容隨意更改，遇到突發(fā)事件難以處置，適應(yīng)性差、抗干擾能力差。應(yīng)用了CR技術(shù)的頻譜管理網(wǎng)，用頻裝備單元通過干擾估計(jì)、功率控制等方式預(yù)防干擾的發(fā)生，并在受到干擾時(shí)能夠通過頻譜移動(dòng)性管理迅速切換頻率，保障通信的順暢進(jìn)行。

（4）頻譜管理實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化、智能化管理。傳統(tǒng)的集中式靜態(tài)頻譜管理方式是一種自上而下的雙向頻譜管理過程，需要人的干預(yù)。事先需要對(duì)電子裝備的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，還要對(duì)電子裝備所處的電磁環(huán)境信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，然后再結(jié)合需求情況進(jìn)行集中的頻譜規(guī)劃與分配，自動(dòng)化、智能化程度不高。而具備CR技術(shù)的頻譜管理網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠?qū)λ庪姶怒h(huán)境進(jìn)行學(xué)習(xí)與推理，擇機(jī)使用空閑頻譜，通過共享環(huán)境感知信息，運(yùn)行分配算法實(shí)現(xiàn)頻譜的分配，并智能選擇合適的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，建立通信，整個(gè)過程不需要事先準(zhǔn)備。從頻譜感知到通信的建立，無不實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化管理和智能化操作。

3 結(jié)語

認(rèn)知無線電技術(shù)的提出，為解決日益增長(zhǎng)的無線業(yè)務(wù)與有限的頻譜之間的矛盾提供了解決的辦法，為進(jìn)一步提高通信設(shè)備的靈活性、增強(qiáng)無線設(shè)備的互通性開拓了思路。然而認(rèn)知無線電技術(shù)正面臨許多挑戰(zhàn)，提出的頻譜感知、頻譜管理等許多關(guān)鍵性難題極需突破，認(rèn)知無線電技術(shù)將會(huì)是未來通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

[1]席志紅，晉野，李婭.認(rèn)知無線電的頻譜分配算法[J].應(yīng)用科技，2010（2）:63.

[2]蔣永磊，胡宏林，易輝躍，芮赟.數(shù)字電視信號(hào)的頻譜感知實(shí)測(cè)方案研究[J].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（1）:14.

Analysis of the Application of Cognitive Radio Technology in Electromagnetic Spectrum Management

Li Meng

HaiHua Electronics Enterprise（China）Corporation, Guangdong Guangzhou 510656

The existing static electromagnetic spectrum management model has been unable to adapt to the rapid development of wireless technology and wireless services, but also led to the allocation of spectrum is not high, the spectrum management model needs to be reformed.Cognitive radio technology can sense the surrounding radio spectrum environment and change the operating parameters to better use the perceived available spectrum.This idea brings hope to the future spectrum management, and the spectrum management mode based on cognitive radio technology becomes the research hotspot of spectrum management department.

wireless service; wireless technology; spectrum management mode

TN925

A

1009-6434（2017）04-0151-02