GNUradio的認(rèn)知無線電在移動通信中的應(yīng)用

李 婷

(福州理工學(xué)院 信息工程系，福州 350500)

1 認(rèn)知無線電關(guān)鍵技術(shù)

Mitola提出的概念模型主要包括軟件和硬件兩部分。軟件主要包括基礎(chǔ)軟件和智能軟件；硬件包括天線、用戶接口、射頻前端、調(diào)制解調(diào)器等，如圖1所示。天線滿足了無線電信號接收和發(fā)射需求，射頻前端實現(xiàn)了無線電信號的放大、必要轉(zhuǎn)換需求，調(diào)制解調(diào)器滿足了收發(fā)信號調(diào)制解調(diào)、信號均衡需求，基帶處理模塊滿足了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)控制、網(wǎng)絡(luò)兼容需求，用戶接口滿足了接口服務(wù)需求，實現(xiàn)自動推理目的，滿足用戶需求，提高個人通訊服務(wù)質(zhì)量。通過分析可知，射頻信號探測、接收過程主要包括三個流程：第一，利用頻譜感知檢測技術(shù)對空間內(nèi)的環(huán)境、無線電占用情況進行檢測；第二，基于目標(biāo)任務(wù)和周圍環(huán)境，采用動態(tài)頻譜管理對最佳使用頻率、輸出信號等進行計算，確定最佳頻率；第三，基于周圍環(huán)境，在最佳使用頻率基礎(chǔ)上控制好傳輸功率，實現(xiàn)信息傳輸。在三個流程中，前兩個流程主要是實現(xiàn)接收單元的控制，最后一個流程則是發(fā)射單元控制的實現(xiàn)。

圖1 概念模型結(jié)構(gòu)圖

在認(rèn)知無線電中，包括了多種關(guān)鍵技術(shù)，這些關(guān)鍵技術(shù)是區(qū)別認(rèn)知無線電和傳統(tǒng)無線電的重要特征。

1.1 無線頻譜感知技術(shù)

頻譜感知是認(rèn)知用戶獲取頻譜使用信息的過程，該過程實現(xiàn)時采取了多種信號檢測方法和手段。根據(jù)檢測策略，無線頻譜感知技術(shù)主要包括三個部分，如圖2所示。

圖2 無線頻譜感知技術(shù)構(gòu)成圖

(1)PHY層檢測。PHY是物理層的英文縮寫，物理層位于OSI最底層，主要對授權(quán)頻段是否被占用進行檢測判斷。一般通過時域、頻域、空域檢測授權(quán)用戶信號頻道是否存在。物理層監(jiān)測包括三個部分，即發(fā)射機檢測、接收機檢測和干擾溫度檢測。發(fā)射機檢測方法較多，循環(huán)平穩(wěn)特性監(jiān)測和能量監(jiān)測等都是發(fā)射機檢測中的重要方法。接收機檢測是指運用低功耗檢測傳感器，對授權(quán)用戶信號進行檢測，判斷授權(quán)用戶接收機是否如期工作，該檢測方法一般應(yīng)用在授權(quán)用戶信號能量泄露的情況下。干擾溫度檢測是指通過對環(huán)境溫度進行干擾，實現(xiàn)授權(quán)用戶接收機端干擾源的量化檢測。

(2)MAC層檢測，即媒體接入控制層檢測。MAC層檢測實現(xiàn)了多信道環(huán)境下頻譜利用率的檢測，優(yōu)化了信貸檢測次序、周期，將信貸搜索時間縮短到最短或?qū)⒖臻e信道數(shù)量達到最多。MAC層包括主動式檢測、被動式檢測兩種方法。其中，主動式檢測是按照一定周期主動對授權(quán)用戶信號進行檢測和統(tǒng)計，無論認(rèn)知用戶是否有通信需求都會進行檢測。被動式檢測是指根據(jù)認(rèn)知用戶通信需求，對授權(quán)用戶信號進行檢測。

(3)協(xié)作檢測層。在進行授權(quán)用戶信號檢測時，由于環(huán)境復(fù)雜，依靠單個認(rèn)知用戶很難實現(xiàn)檢測目的。在這種情況下，可以將多個認(rèn)知用戶捆綁在一起，共同對授權(quán)用戶信號進行檢測，提高檢測準(zhǔn)確度，減少檢測所用時間。協(xié)作檢測層技術(shù)結(jié)合了PHY層檢測、MAC層檢測兩種技術(shù)，除發(fā)揮物理層檢測技術(shù)的高性能外，還應(yīng)發(fā)揮MAC層檢測的協(xié)調(diào)作用。

在頻率感知技術(shù)中使用了二元假設(shè)檢驗?zāi)Ｐ?，該模型為?/p>

公式中：y[n]表示非主用戶的感知信號；s[n]表示主用戶感知信號；w[n]表示高斯白噪聲；h表示信道增益。H1表示非主用戶感知信息被主用戶使用。

1.2 自適應(yīng)傳輸技術(shù)

自適應(yīng)傳輸技術(shù)包括兩種，一是業(yè)務(wù)自適應(yīng)傳輸，二是信道質(zhì)量自適應(yīng)傳輸。業(yè)務(wù)自適應(yīng)傳輸技術(shù)滿足了不同業(yè)務(wù)傳輸?shù)男枰?，該方法基于上層?yīng)用，對物理層傳輸性能要求不高，一般在有線網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用較多。認(rèn)知無線電能夠?qū)χ車h(huán)境參數(shù)、信道質(zhì)量情況進行感知，根據(jù)感知到的相關(guān)信息數(shù)據(jù)對無線電參數(shù)進行優(yōu)化，進而實現(xiàn)傳輸策略的調(diào)整目的。

無線通信系統(tǒng)除了滿足用戶性能需求外，還應(yīng)盡可能地降低資源消耗。PHY層或MAC層中，可調(diào)整參數(shù)較多，如調(diào)制方式、發(fā)射功率、接入控制方法等，都屬于可調(diào)整參數(shù)。通過這些參數(shù)調(diào)整，實現(xiàn)非線性多參數(shù)的優(yōu)化。

1.3 跨層設(shè)計技術(shù)

設(shè)計分層協(xié)議棧，只將通信條件差這一條件納入到考慮的因素中。頻譜資源、功率資源無法有效利用。針對這一現(xiàn)狀，可利用跨層設(shè)計技術(shù)進行優(yōu)化。跨層設(shè)計技術(shù)主要在分層協(xié)議棧各層次間運用，實現(xiàn)特定信息的傳輸，適應(yīng)各層次環(huán)境的運行，滿足用戶個性化需求?；诜謱訁f(xié)議棧各層環(huán)境變化、用戶需求變化情況，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)化是跨層設(shè)計技術(shù)應(yīng)用的核心?？鐚釉O(shè)計技術(shù)主要包括頻譜管理跨層設(shè)計、頻譜移動性跨層設(shè)計、頻譜共享跨層設(shè)計、高層協(xié)議跨層設(shè)計等四種方式。

2 GNUradio的認(rèn)知無線電在移動通信中的應(yīng)用

認(rèn)知無線電技術(shù)為通信行業(yè)的發(fā)展作出了突出貢獻。移動通信是目前通信行業(yè)發(fā)展的主流趨勢，認(rèn)知無線電也開始在移動通信中發(fā)揮巨大作用。高鐵、軍事等領(lǐng)域大量運用了認(rèn)知無線電技術(shù)。

2.1 移動通信技術(shù)在高鐵領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著移動技術(shù)的不斷發(fā)展，對移動網(wǎng)絡(luò)的需求也顯著增加[1]。其中，高鐵移動通信是很重要的技術(shù)。高鐵運行速度快、環(huán)境復(fù)雜，通信設(shè)備要固定在高鐵上，這些不利因素增加了高鐵移動通信的難度。認(rèn)知無線技術(shù)比較適合復(fù)雜環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)通信，傳統(tǒng)鐵路通信和認(rèn)知無線通信對比如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)鐵路通信和認(rèn)知無線通信對比

在無線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，衛(wèi)星為乘客提供了通信服務(wù)，GSM_R網(wǎng)絡(luò)為鐵路業(yè)務(wù)提供了通信服務(wù)。在新構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框架中，乘客和列車業(yè)務(wù)通信被IEEE WiFi、3GPP LTE所取代。在新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中增加了核心網(wǎng)，為鐵路業(yè)務(wù)通信、乘客通信提供了網(wǎng)絡(luò)接入接口，滿足了鐵路無線通信的需要。

2.2 移動通信技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

認(rèn)知無線電技術(shù)經(jīng)過不斷實踐，信道搜索、信息偵查、信號分析、功率控制等功能不斷優(yōu)化，在通信領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。認(rèn)知無線電是基于軟件無線電發(fā)展而來的，實現(xiàn)了軟件無線電和電子偵查、信息對抗的有機融合。認(rèn)知無線電在通信領(lǐng)域中的作用日益突出，軍事領(lǐng)域中開始認(rèn)知無線電，并將認(rèn)知無線電應(yīng)用到軍事領(lǐng)域中。20世紀(jì)初，美國國防部確認(rèn)了無線電作為下一代無線通信項目開發(fā)的基本思想。XG項目為認(rèn)知無線電應(yīng)用提供了完善的設(shè)備設(shè)施。在實現(xiàn)頻譜資源動態(tài)應(yīng)用的同時，不會和現(xiàn)有的用戶出現(xiàn)矛盾。

2.2.1 目前軍事通信現(xiàn)狀

軍事通信和民用通信相比，在通信方法上雖然有一定相似之處，但也有許多不同。軍事通信更加特殊。軍事通信應(yīng)具備良好的抗干擾能力。軍事通信中涉及較多軍事核心機密。這些機密對戰(zhàn)爭勝負、軍事發(fā)展有直接影響，需要有良好的抗干擾能力，排除一切干擾因素，保證軍事信息傳遞的準(zhǔn)確性、及時性。在衡量軍事通信系統(tǒng)性能時，是否具備良好的抗干擾能力是一項重要的衡量指標(biāo)。解決抗干擾的技術(shù)主要包括優(yōu)化信道環(huán)境、加強信號處理等，以擴頻、跳頻形式實現(xiàn)信道的抗干擾能力。另外，軍事通信中，戰(zhàn)場頻譜管理是一項重要內(nèi)容。在聯(lián)合作戰(zhàn)中，通信設(shè)備、雷達、導(dǎo)航等設(shè)備較多，如何加強不同設(shè)備之間的頻率規(guī)劃問題是一項重要內(nèi)容，也是實現(xiàn)聯(lián)合作戰(zhàn)通信的基礎(chǔ)。目前各軍方采用的頻率規(guī)劃方法不同，大多是通過分配固定頻率實現(xiàn)頻譜管理。在使用這一方法時，需要在作戰(zhàn)前花費較多的時間進行頻率規(guī)劃。作戰(zhàn)時，形勢變化多端，一旦通信頻率出現(xiàn)問題再進行重新規(guī)劃，很可能無法滿足即時通信的需要，影響戰(zhàn)機，導(dǎo)致戰(zhàn)爭失敗。這是傳統(tǒng)頻率規(guī)劃方法在軍事領(lǐng)域中應(yīng)用的一個最大弊端。

2.2.2 認(rèn)知無線電在軍事中的應(yīng)用

在認(rèn)知無線電中，實現(xiàn)了頻譜資源的動態(tài)利用。將認(rèn)知無線電應(yīng)用到軍事領(lǐng)域中，可以有效改進傳統(tǒng)頻率規(guī)劃方法的弊端、提高頻譜利用水平、提高通信系統(tǒng)容量、滿足軍事領(lǐng)域作戰(zhàn)通信需要。認(rèn)知無線電系統(tǒng)經(jīng)歷頻譜感知、分配等一系列流程，避開了各類干擾因素，實現(xiàn)了抗干擾目的。應(yīng)用認(rèn)知無線電技術(shù)，引入位置感知技術(shù)，實現(xiàn)通信雙方位置的確定。確定出雙方位置后，可對通信波束方向進行調(diào)整、規(guī)劃，排除其他干擾因素。認(rèn)知無線電技術(shù)的應(yīng)用，可以顯著提高軍事通信系統(tǒng)的抗干擾水平，降低發(fā)射功率，提高信息傳輸抗截獲水平。認(rèn)知無線電系統(tǒng)具備自學(xué)能力，應(yīng)用時可以對干擾信號進行采集、分析，根據(jù)干擾信號，選擇合理的抗干擾策略進行干擾規(guī)避。經(jīng)常應(yīng)用的抗干擾策略主要包括改變信道特性、功率控制等，針對不同的干擾因素，選擇不同的抗干擾策略。隨著認(rèn)知無線電應(yīng)用日益廣泛，未來頻譜感知技術(shù)的應(yīng)用將更加廣泛。通過頻譜感知技術(shù)，實現(xiàn)戰(zhàn)場環(huán)境內(nèi)對電磁環(huán)境、各系統(tǒng)頻譜帶寬等進行檢測，實現(xiàn)頻譜資源的自動化分配，提高資源利用率，達到最佳通信效果。圖4為能量收集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作模型。

圖4 能量收集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作模型

3 結(jié)語

認(rèn)知無線電技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，在許多行業(yè)中發(fā)揮了巨大作用。隨著認(rèn)知無線電技術(shù)的開發(fā)，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏訌V泛。在很長一段時間內(nèi)，移動通信是通信行業(yè)發(fā)展的主流趨勢，如何擴大認(rèn)知無線電在移動通信行業(yè)中的應(yīng)用范圍，是認(rèn)知無線電應(yīng)用方面面臨的重要課題。本文對認(rèn)知無線電在高鐵和軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用進行了分析，為其他領(lǐng)域和行業(yè)應(yīng)用認(rèn)知無線電技術(shù)提供了參考建議。認(rèn)知無線電具有靈活性和高智能的特征，應(yīng)用時，如何提高頻譜利用率，實現(xiàn)周圍環(huán)境信息的采集、分析和應(yīng)對是實踐中的重要問題。各領(lǐng)域和各行業(yè)在利用認(rèn)知無線電時，要根據(jù)行業(yè)特點，合理利用認(rèn)知無線電，通過認(rèn)知無線電實現(xiàn)對周圍環(huán)境的智能感知和動態(tài)資源管理。