認(rèn)知軟件無線電在軍用電臺(tái)和頻譜管理中的應(yīng)用

李利 紀(jì)凱 韓東 張振媛

摘? 要：針對(duì)認(rèn)知軟件無線電技術(shù)在軍用電臺(tái)和軍事電磁頻譜管理中的應(yīng)用問題，介紹了軟件無線電的概念、特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)。探討了軟件無線電在軍事通信中的應(yīng)用前景，給出了其在軍用多功能多模式短波電臺(tái)中的應(yīng)用實(shí)例。針對(duì)軟件無線電的新發(fā)展-認(rèn)知無線電技術(shù)，分析了其在軍事動(dòng)態(tài)電磁頻譜管理中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：軟件無線電;認(rèn)知無線電;短波通信;頻譜管理

Abstract： Aiming at the application of cognitive software radio in military radio and spectrum management， this paper introduces the concept， characteristics and key technologies of software radio， and discusses its application prospect in military communication. The application of software radio in military multi-function and multi-mode short-wave radio is given， and its application in military dynamic electromagnetic spectrum management is analyzed for the new development of software radio-cognitive radio technology.

目前，陸、海、空等各軍兵種均裝備了大量的小型戰(zhàn)術(shù)無線通信裝備，這些小型戰(zhàn)術(shù)無線通信裝備種類繁多，如艦艇通常配置短波、超短波及微波等通信電臺(tái)。不同頻段的無線電臺(tái)在不同的作戰(zhàn)環(huán)境中會(huì)用于滿足不同的作戰(zhàn)任務(wù)需求，能夠?qū)崿F(xiàn)艦艇、戰(zhàn)斗機(jī)、航母等平臺(tái)之間既定的指揮、報(bào)知、協(xié)同通信。然而不同的通信頻段卻使得電臺(tái)之間很難做到隨時(shí)互通，而且同樣對(duì)艦艇、飛機(jī)等不同的通信作戰(zhàn)平臺(tái)來講，即便是在同一頻段內(nèi)的電臺(tái)也存在著互不兼容的情況。信息有可能需要經(jīng)過多條通信通路才能完成傳遞，大大降低了信息傳遞的時(shí)效性，也就更加難以達(dá)到現(xiàn)代海上作戰(zhàn)對(duì)戰(zhàn)術(shù)平臺(tái)越來越高的互聯(lián)互通要求。

現(xiàn)代的戰(zhàn)爭(zhēng)隨著科技化信息化的發(fā)展已經(jīng)不再僅僅由單一軍種就能夠完成任何一場(chǎng)作戰(zhàn)，而是陸海空天電五個(gè)領(lǐng)域的全面集成綜合。但是僅僅在陸?？杖娭?，電臺(tái)的工作頻段各不相同、調(diào)制方式和抗干擾性能差異較大的問題就難以適應(yīng)三軍協(xié)同作戰(zhàn)的通信需求。軟件無線電的可編程硬件模塊的標(biāo)準(zhǔn)化，改變了軍用電臺(tái)專一用途的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路。軍用電臺(tái)系統(tǒng)通過搭載相應(yīng)的軟硬件模塊就可以構(gòu)成一種能夠重新構(gòu)建通信功能的具有擴(kuò)展能力的無線通信系統(tǒng)，降低了通信系統(tǒng)對(duì)不同硬件的依賴。

1 軟件無線電的概念和特點(diǎn)

軟件無線電[1-2]是一種不同于傳統(tǒng)體系架構(gòu)的通信系統(tǒng)，為了能夠?qū)崿F(xiàn)功能的多樣化統(tǒng)一化，它采用具有開放式和標(biāo)準(zhǔn)化硬件的模塊，突破以往以硬件為核心的設(shè)計(jì)思想，以軟件為核心大大降低了硬件的局限性。一方面，軟件無線電采用了能夠進(jìn)行自主編程的標(biāo)準(zhǔn)硬件模塊，同時(shí)為了能夠滿足在不同平臺(tái)之間的聯(lián)通需求，采用了標(biāo)準(zhǔn)化的接口設(shè)置，把大部分接口進(jìn)行了統(tǒng)一。另一方面，軟件無線電采用了開放式軟件架構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)搭載相同軟件的平臺(tái)不被不同的硬件束縛而進(jìn)行信息交換，使得系統(tǒng)計(jì)算機(jī)化。美國軍方首先開展了軍用軟件無線電臺(tái)-Speakeasy多頻段、多功能電臺(tái)的研制工作，其目的是采用標(biāo)準(zhǔn)化可編程模塊復(fù)用技術(shù)來研制一種能夠模擬15種以上現(xiàn)有電臺(tái)的海、陸、空通用的無線電臺(tái)。這種電臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)頻段、多種波形以及多種抗干擾方式的覆蓋和使用的多業(yè)務(wù)能力。

1994年美軍對(duì)其設(shè)想和研究進(jìn)行了第一階段模擬推演，推演的結(jié)果體現(xiàn)出了軟件無線電不僅僅在現(xiàn)實(shí)技術(shù)上的可行性，更在未來電臺(tái)的發(fā)展中具有舉足輕重的發(fā)展優(yōu)勢(shì)?；谲浖o線電技術(shù)的新型軍用電臺(tái)普遍具有綜合性、靈活性和可擴(kuò)展性的明顯優(yōu)勢(shì)：

（1）綜合性。軟件無線電技術(shù)使得不同平臺(tái)、不同功能的電臺(tái)能夠兼?zhèn)渫瑫r(shí)處理多個(gè)通信頻段、多制式信號(hào)的能力，又能夠通過跳頻、自適應(yīng)、直接序列擴(kuò)頻等多種抗干擾模式和技術(shù)進(jìn)行抗干擾通信，也同時(shí)具有圖像、數(shù)據(jù)、話音等多種業(yè)務(wù)能力。

（2）靈活性。采用能夠進(jìn)行自主編程的模塊和統(tǒng)一的接口設(shè)置，所有的相關(guān)接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)置。這一措施使得軟件平臺(tái)可自由地實(shí)現(xiàn)各種直接數(shù)字頻率合成、寬帶數(shù)字濾波、數(shù)字上下變頻、信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)、信道編碼包括差錯(cuò)控制、信令控制、信道均衡、信源編碼及加密解密等重要結(jié)構(gòu)功能。

（3）可擴(kuò)充性。采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，按照開放的標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)成各種電臺(tái)，通過軟件的升級(jí)和模塊的替換保證電臺(tái)較強(qiáng)的生命周期。同時(shí)，可以通過電臺(tái)裝載新的軟件升級(jí)模塊或替換單功能的硬件模塊來滿足新業(yè)務(wù)技術(shù)的不斷引入。

2 軟件無線電關(guān)鍵技術(shù)

與傳統(tǒng)電臺(tái)相比，基于軟件無線電技術(shù)設(shè)計(jì)的新型多功能電臺(tái)需要著重解決以下關(guān)鍵技術(shù)：

（1）寬帶天線和寬帶射頻技術(shù)。為了能夠滿足不同通信業(yè)務(wù)、方式、對(duì)象和多個(gè)通信數(shù)量的要求，軟件無線電天線包括射頻模塊的發(fā)射單元必須要做到能夠覆蓋多個(gè)通信頻段。

（2）寬帶A/D變換技術(shù)。軟件無線電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)要求模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換貼近發(fā)射端，這也需要A/D變換器能夠與射頻相適應(yīng)，具有適當(dāng)?shù)牟蓸铀俾屎妥銐驅(qū)挼墓ぷ鲙挕?/p>

（3）高速數(shù)字信號(hào)處理。數(shù)字信號(hào)處理作為核心技術(shù)必須能夠?qū)崿F(xiàn)基帶處理、調(diào)制解調(diào)、編碼解碼、直接序列擴(kuò)頻和跳頻處理等多項(xiàng)功能，應(yīng)滿足高速處理和軟件重構(gòu)雙重要求。

（4）通用信令處理。當(dāng)軟件無線電嘗試進(jìn)行多種平臺(tái)的互聯(lián)互通時(shí)，為了能夠提高各種系統(tǒng)之間的通信有效性，就需要使用統(tǒng)一的“語言”，因此通用的信令處理就有著舉足輕重的意義。

3 軟件無線電的軍事應(yīng)用

3.1 軟件無線電的軍事應(yīng)用前景

從軍事應(yīng)用角度來說，未來聯(lián)合作戰(zhàn)對(duì)戰(zhàn)術(shù)通信裝備無論從通用性和協(xié)同性上都有著更高的要求，同時(shí)戰(zhàn)術(shù)通信裝備必須具有高度的靈活性和良好的互操作性。而軟件無線電技術(shù)的出現(xiàn)，為達(dá)成上述要求提供了有效的技術(shù)途徑。軟件無線電在軍事通信中的深入實(shí)現(xiàn)可達(dá)到以下目的：

（1）實(shí)現(xiàn)裝備體制的統(tǒng)一化。通過模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化以及通用化的設(shè)計(jì)，兼容三軍通信裝備，增強(qiáng)協(xié)同及互聯(lián)互通能力，真正實(shí)現(xiàn)三軍協(xié)同聯(lián)合作戰(zhàn)。

（2）通過業(yè)務(wù)綜合集成和性能提升降低裝備數(shù)量和種類。以多頻段、多功能電臺(tái)取代數(shù)量龐大、種類繁多的傳統(tǒng)電臺(tái)，可在兼容原有電臺(tái)的基礎(chǔ)上，減少電臺(tái)種類，從而降低裝備維護(hù)難度和維護(hù)費(fèi)用。

（3）延長裝備服役期限。軟件無線電無需更換硬件模塊，通過軟件的升級(jí)更新就可以實(shí)現(xiàn)裝備升級(jí)及功能拓展，延長了裝備可用性和服役周期。

（4）構(gòu)建戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)。利用軟件無線電可在各頻段、各網(wǎng)絡(luò)間實(shí)現(xiàn)通信模式、通信鏈路的自動(dòng)選擇、探測(cè)和切換，使得可靠的戰(zhàn)術(shù)通信更具實(shí)時(shí)性和頑存性。

3.2 軟件無線電在軍用多功能多模式短波電臺(tái)中的應(yīng)用

短波通信隨著信息網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)步不斷發(fā)展壯大，但短波網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展卻始終離不開對(duì)互操性及標(biāo)準(zhǔn)化的要求。為了更好地促進(jìn)短波的互聯(lián)互通，短波臺(tái)站可以進(jìn)行有線互連。這樣的連接使得為機(jī)動(dòng)用戶提供接入服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化組織運(yùn)用模式受到了廣泛重視。

與上一代短波通信相比，新一代短波通信在通信同步、頻譜協(xié)調(diào)、快速數(shù)據(jù)傳輸、物理層中的調(diào)制解調(diào)四個(gè)方面取得了長足的進(jìn)步。同時(shí)，新一代短波通信也呈現(xiàn)出短波自適應(yīng)通信技術(shù)、高速調(diào)制解調(diào)技術(shù)、短波網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和短波軟件無線電等方面不斷發(fā)展的趨勢(shì)。

一些具有代表性的新型軟件無線電短波電臺(tái)的推出，例如德國R&S公司的M3SR以及美軍HARRIS公司的RF-7800H等，不僅僅超越了以往傳統(tǒng)短波通信設(shè)備一度依靠硬件實(shí)現(xiàn)功能的舊體制束縛，更是逐步實(shí)現(xiàn)了多功能、多模式及可編程功能，并且成為了短波電臺(tái)發(fā)展的新方向。通過導(dǎo)入動(dòng)態(tài)波形，使得通過軟件無線電技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)不同軍種或者不同裝備參數(shù)的電臺(tái)之間的互操作。

如圖1和圖2，分別為德軍和美軍的典型軟件無線電短波電臺(tái)。

3.3 認(rèn)知軟件無線電在軍事電磁頻譜管理中的新發(fā)展

在當(dāng)今現(xiàn)代化、信息化的戰(zhàn)爭(zhēng)中，對(duì)電磁頻譜的管控已經(jīng)成為了不可或缺的重要環(huán)節(jié)。制電磁頻譜權(quán)的爭(zhēng)奪就成了新戰(zhàn)場(chǎng)的一大重要環(huán)節(jié)。作為一種稀缺的資源，電磁頻譜的管控也一直是有專門的無線電部門負(fù)責(zé)。隨著信息化戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的日益復(fù)雜和多樣化。無線電通信也逐漸向?qū)拵Щ悄芑姆较蚋咚侔l(fā)展。這一變化使得新型無線業(yè)務(wù)對(duì)頻譜資源的需求越來越突出[3]。當(dāng)前環(huán)境下，頻譜資源的有限性限制了電臺(tái)對(duì)頻譜的應(yīng)用，當(dāng)前靜態(tài)的管理體制會(huì)加重這一影響。為了徹底改變頻譜稀缺的現(xiàn)狀，采用動(dòng)態(tài)的頻譜管理體制[4]是最好的辦法。

以軟件無線電為擴(kuò)展平臺(tái)的認(rèn)知無線電[5-6]是一種新的智能無線通信技術(shù)，作為動(dòng)態(tài)頻譜管理體制的核心技術(shù)[7]，它能通過對(duì)周圍環(huán)境的感知對(duì)各個(gè)頻段的使用情況進(jìn)行探測(cè)。也能夠同步對(duì)使用的參數(shù)進(jìn)行修改，不斷將其工作模式規(guī)則與輸入激勵(lì)和周圍的環(huán)境進(jìn)行適應(yīng)，從而隨時(shí)隨地提高通信系統(tǒng)的可靠性和有效性。認(rèn)知無線電通過軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)重構(gòu)能力，進(jìn)一步與通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行溝通。一個(gè)基本的認(rèn)知無線電實(shí)現(xiàn)周期要經(jīng)歷對(duì)無線電信道環(huán)境的分析估計(jì)、信道狀態(tài)估計(jì)和預(yù)測(cè)建模以及發(fā)射功率控制和頻譜資源管理三個(gè)基本過程。如圖3所示。

4 結(jié)束語

軟件無線電的硬件特點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化，軟件特點(diǎn)是可升級(jí)重構(gòu)，便于適應(yīng)不同的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、接口協(xié)議和信號(hào)類型，這些特點(diǎn)以及未來聯(lián)合作戰(zhàn)對(duì)協(xié)同通信的迫切需求決定了采用軟件無線電技術(shù)的軍用多頻段多功能電臺(tái)必將成為下一代陸、海、空等各軍兵種通用的戰(zhàn)術(shù)無線電通信裝備。而在軟件無線電基礎(chǔ)上建立起來的認(rèn)知無線電同時(shí)能夠滿足通信和頻譜探測(cè)功能以及多功能特征，是實(shí)現(xiàn)當(dāng)前軍用電磁頻譜管理由靜態(tài)向動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變的理想技術(shù)途徑。

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