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      認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)在電磁頻譜管理中的應(yīng)用

      2023-07-21 12:24:34王彥
      計(jì)算機(jī)應(yīng)用文摘 2023年14期
      關(guān)鍵詞:管理

      王彥

      摘 要 作為一種重要的戰(zhàn)略資源 無(wú)線(xiàn)電頻譜資源對(duì)保障信息通暢 增強(qiáng)軍事實(shí)力 以及保證國(guó)家長(zhǎng)治久安有著重要意義 因此 必須對(duì)其進(jìn)行規(guī)范有效地管理 同時(shí) 無(wú)線(xiàn)電技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)以及生活的各個(gè)方面 比如 氣象預(yù)測(cè) 軍事以及人們的日常通信 無(wú)線(xiàn)電技術(shù)已成為生活中不可或缺的重要組成部分 但是 隨著電磁頻譜的需求逐漸擴(kuò)大 供需矛盾日益凸顯 高峰期供給不足同時(shí)又存在電磁頻譜閑置的現(xiàn)象 如何解決該問(wèn)題 值得相關(guān)從業(yè)者進(jìn)行深入思考 文章以認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)為突破口 論述認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)在電磁頻譜管理中的應(yīng)用 以期為相關(guān)行業(yè)提供參考

      關(guān)鍵詞 認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù) 電磁頻譜 管理

      中圖法分類(lèi)號(hào)tn925? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼a

      認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電又被稱(chēng)為智能無(wú)線(xiàn)電,它以靈活、智能、可重配置為顯著特征,通過(guò)感知外界環(huán)境,并借助人工智能技術(shù)從環(huán)境中學(xué)習(xí),有目的地實(shí)時(shí)改變某些操作參數(shù)(如傳輸功率、載波頻率和調(diào)制技術(shù)等),使其內(nèi)部狀態(tài)適應(yīng)接收到的無(wú)線(xiàn)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)變化,從而實(shí)現(xiàn)任何時(shí)間、任何地點(diǎn)的高可靠通信以及對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中有限的無(wú)線(xiàn)頻譜資源進(jìn)行高效利用。其具有認(rèn)知性能、決策性能、執(zhí)行性能,能夠有效提高電磁頻譜的利用率,解決了電磁頻譜在高峰期供給不足以及電磁頻譜限制的問(wèn)題。

      1 電磁頻譜管理與認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)

      由于現(xiàn)代信息技術(shù)以及無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的快速發(fā)展,無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的應(yīng)用在人們?nèi)粘I钪械钠占靶砸苍诓粩嘣黾?。在?duì)電磁頻譜進(jìn)行管理的過(guò)程中,由于電磁頻譜資源存在需求增加以及資源有限的特征,使電磁頻譜管理備受行業(yè)專(zhuān)家的重視[1] 。

      傳統(tǒng)的電磁頻譜管理指的是數(shù)據(jù)被頻譜監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)采集后,傳輸?shù)焦芾硐到y(tǒng)中,由頻譜管理系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行決策和分析,然后進(jìn)行下一步的數(shù)據(jù)加工,最后將加工處理后的電磁頻譜分配給指定的用戶(hù)。在傳統(tǒng)的電磁頻譜管理過(guò)程中,執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)與頻譜監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)互相獨(dú)立,未形成良好的協(xié)調(diào)合作關(guān)系。顯然這種作業(yè)模式不能適應(yīng)現(xiàn)代化的信息發(fā)展,無(wú)法對(duì)有效數(shù)據(jù)和有效信息進(jìn)行協(xié)同處理和加工。而新時(shí)代的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)能克服傳統(tǒng)頻譜管理系統(tǒng)中存在的問(wèn)題。當(dāng)前,隨著認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的發(fā)展,認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用,尤其是在通信領(lǐng)域,如在5 GHz 頻段的IEEE·802.11a 則對(duì)TPC以及DFS 機(jī)制進(jìn)行了應(yīng)用,以避免雷達(dá)信號(hào)間的干擾。而在高速情況下接入的EVDO 以及HSDPA 認(rèn)知調(diào)制,則需要通過(guò)對(duì)用戶(hù)服務(wù)的確認(rèn)以及對(duì)用戶(hù)工作的最佳環(huán)境進(jìn)行識(shí)別,并在此基礎(chǔ)上對(duì)更為有效的數(shù)據(jù)速率以及調(diào)制方案進(jìn)行設(shè)定,以滿(mǎn)足用戶(hù)的QoS 需求。對(duì)于這部分技術(shù)來(lái)說(shuō),其僅僅是認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電功能中非常小的一部分,能夠按照漸進(jìn)方式擴(kuò)展到無(wú)線(xiàn)電全部性能。如今,認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)具有廣闊的市場(chǎng)以及發(fā)展?jié)摿Α?/p>

      認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)屬于無(wú)線(xiàn)通信技術(shù),此概念最早在1999 年由瑞典皇家技術(shù)學(xué)院的Joseph Mitola 博士提出,英文全稱(chēng)為Cognitive Radio,簡(jiǎn)稱(chēng)CR。此后,隨著認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的成熟,越來(lái)越多的國(guó)家開(kāi)始致力于研究其應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用途徑。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)在電磁頻譜傳輸作業(yè)中充當(dāng)著“交通警察”的角色,將電磁頻譜傳輸給目標(biāo)用戶(hù)和有需要的用戶(hù),對(duì)頻譜信息進(jìn)行自主收集,并學(xué)習(xí)其分配方式。在具體的操作過(guò)程中,使用認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)能夠節(jié)省人力、物力資源,以及實(shí)現(xiàn)電磁頻譜傳輸?shù)淖畲蠡?梢詫⒄J(rèn)知無(wú)線(xiàn)電應(yīng)用于軍事領(lǐng)域,能夠有效加強(qiáng)信息的保密性以及電子的對(duì)抗能力。相較于傳統(tǒng)的電磁頻譜管理體系而言,認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)擁有更好的協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)性,能對(duì)眾多的終端設(shè)備進(jìn)行整合,最終實(shí)現(xiàn)電磁頻譜的自主分析、決策,以及智能化分配[2] 。

      1.1 認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)物理層特征

      1.1.1 認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)中頻率偵聽(tīng)技術(shù)

      將頻率偵聽(tīng)技術(shù)應(yīng)用至認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)中,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)頻譜的連續(xù)偵聽(tīng)。此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用,能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)閑置的頻譜,從而在不對(duì)授權(quán)用戶(hù)造成影響的情況下,對(duì)其他出現(xiàn)的用戶(hù)實(shí)施快速檢測(cè),為出現(xiàn)的用戶(hù)挪出可用寬帶。將頻譜偵聽(tīng)?wèi)?yīng)用至無(wú)線(xiàn)電技術(shù)中,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)用戶(hù)的不同接受率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。此技術(shù)在靈敏度以及寬帶頻率方面具有更大的優(yōu)勢(shì),主要原因在于對(duì)DF,CF,AF 協(xié)議的有效應(yīng)用,能夠有效提高頻譜偵聽(tīng)能力[3] 。

      1.1.2 動(dòng)態(tài)頻譜分析

      歐洲部分地區(qū)的多個(gè)項(xiàng)目對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻譜進(jìn)行了細(xì)致的分析。對(duì)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)而言,客戶(hù)的需求不斷變化,且客戶(hù)的需求對(duì)于可用信道的數(shù)量、位置存在著不固定性,而該類(lèi)需求也在不斷變化。因此,動(dòng)態(tài)頻譜分析技術(shù)對(duì)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)而言是不具備普適性的。但是,目前動(dòng)態(tài)頻譜的標(biāo)準(zhǔn)往往受?chē)?guó)家政策、企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)、生產(chǎn)設(shè)備以及頻譜統(tǒng)籌的限制,多采用頻譜共享技術(shù)。頻譜共享技術(shù)主要內(nèi)容是將各個(gè)業(yè)務(wù)的頻譜進(jìn)行加工、處理并整合成公共頻譜池,根據(jù)客戶(hù)需求將頻譜池的頻譜處理成不同的信道[4] 。經(jīng)過(guò)上述處理,能夠滿(mǎn)足部分非授權(quán)用戶(hù)對(duì)于信道的使用需求,讓其對(duì)閑置信道進(jìn)行臨時(shí)的使用,在極大程度上解決了信道的分配問(wèn)題。

      1.2 認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)循環(huán)結(jié)構(gòu)框架

      認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)能夠隨著操作環(huán)境的變化對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化的調(diào)節(jié)和分配。其在性能上具有2個(gè)特點(diǎn):一是認(rèn)知性能;二是重配置性能。完善的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電循環(huán)主要由3 個(gè)部分組成:一是頻譜分析;二是頻譜決策;三是頻譜感知。頻譜分析指的是為客戶(hù)提供所需信息,將數(shù)據(jù)提供給信道并進(jìn)行估算,其中信道的好壞決定了最終通信效果的精準(zhǔn)性;頻譜決策指的是對(duì)用戶(hù)的需求和決策進(jìn)行優(yōu)化以及對(duì)最終的通信效果進(jìn)行優(yōu)先選?。活l譜感知指的是認(rèn)知用戶(hù)通過(guò)各種信號(hào)檢測(cè)和處理手段來(lái)獲取無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的頻譜使用信息[5] 。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電循環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

      從圖1 可知,完整的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電循環(huán)結(jié)構(gòu)有3 個(gè)重要組成部分,即頻譜分析、頻譜感知以及頻譜決策。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電循環(huán)結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中能夠感知重復(fù)出現(xiàn)的用戶(hù)信息,進(jìn)而采取規(guī)避性操作行為。其次,認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電循環(huán)結(jié)構(gòu)的重配置性指的是,在對(duì)硬件組件不更改的基礎(chǔ)上,對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整[6] 。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的重配置性使頻譜相較于傳統(tǒng)而言更具有靈活性和智能性。打造無(wú)線(xiàn)電循環(huán)結(jié)構(gòu),能夠?qū)Y源進(jìn)行有效地調(diào)度。

      1.3 電磁頻譜資源調(diào)度

      電磁頻譜資源調(diào)度作業(yè)是為了對(duì)電磁資源以及數(shù)據(jù)的靈活有效應(yīng)用,使作業(yè)更具有針對(duì)性,幫助專(zhuān)業(yè)設(shè)備達(dá)到最優(yōu)的性能狀態(tài)。在具體的操作過(guò)程中要注意以下幾個(gè)方面:一是保證電磁頻譜正常運(yùn)轉(zhuǎn);二是當(dāng)發(fā)起攻擊時(shí),對(duì)設(shè)備不能生成干擾因素。要兼顧好上述2 個(gè)方面內(nèi)容,就需要對(duì)現(xiàn)有的電磁頻譜資源進(jìn)行全面把控,對(duì)相關(guān)需求實(shí)現(xiàn)全方位的分析和處理,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)頻譜的有效調(diào)度。電磁頻譜調(diào)度主要包含以下3 個(gè)方面的內(nèi)容。電磁頻譜資源內(nèi)容如表1所列。

      由表1 可知,及時(shí)獲取電磁頻譜資源,需要在調(diào)度之前對(duì)區(qū)域節(jié)點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)分析和精準(zhǔn)獲取;對(duì)電磁用頻需求進(jìn)行多方位分析指的是,分析用頻裝備的屬性和個(gè)數(shù)、評(píng)定需求量以及電磁兼容程度;對(duì)頻譜資源實(shí)施科學(xué)調(diào)度指的是,根據(jù)環(huán)境和具體需求對(duì)頻譜資源進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度,避免各設(shè)備之間出現(xiàn)互相干擾的狀況以及確保頻譜的使用率。

      由于在實(shí)際操作過(guò)程中,電磁態(tài)勢(shì)往往易呈現(xiàn)出速變性和復(fù)雜性等特點(diǎn),因此在進(jìn)行頻譜資源調(diào)度時(shí)要注意以下幾個(gè)方面。(1)遵循統(tǒng)籌規(guī)劃原則。避免各個(gè)設(shè)備之間以及鄰頻之間出現(xiàn)互相干擾、相互影響的現(xiàn)象,保證設(shè)備運(yùn)行最優(yōu)化,發(fā)揮設(shè)備的最大效能。(2)調(diào)度統(tǒng)一性。根據(jù)不同的需求對(duì)電磁頻譜進(jìn)行統(tǒng)

      一、供需平等的調(diào)度。

      總體來(lái)說(shuō),認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)相較于傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)電技術(shù)而言,已經(jīng)具有認(rèn)知技能?,F(xiàn)代化的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)主要包括2 個(gè)技術(shù)內(nèi)容:一是認(rèn)知技術(shù);二是技術(shù)重構(gòu)。其中,認(rèn)知技術(shù)又包含了以下3 個(gè)方面的內(nèi)容:決策技術(shù)、分析技術(shù)、感知技術(shù)。通過(guò)感知技術(shù)覺(jué)察電磁環(huán)境中頻譜用戶(hù)和頻譜空洞,利用分析技術(shù)對(duì)頻譜需求和信道需求進(jìn)行分析,最后利用決策技術(shù)經(jīng)過(guò)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)和對(duì)比分析后做出傳輸決策,以保障傳輸?shù)耐〞?。重?gòu)技術(shù)指的是,在硬件設(shè)備不做出整改的前提下,對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。比如,發(fā)射功率參數(shù)、發(fā)射頻率參數(shù)。同時(shí),對(duì)寬帶發(fā)射機(jī)進(jìn)行重建,為客戶(hù)隨時(shí)隨地提供高效高質(zhì)的通信[7] 。

      2 認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)在電磁頻譜管理中的應(yīng)用

      2.1 實(shí)現(xiàn)電磁頻譜的動(dòng)態(tài)分配

      在具體的操作過(guò)程中,電磁頻譜的分配往往是固定的,大部分被分配給固定的授權(quán)用戶(hù),而少部分分配給非授權(quán)用戶(hù)。這就容易出現(xiàn)閑置問(wèn)題,因?yàn)榇蟛糠值氖跈?quán)用戶(hù)并沒(méi)有對(duì)電磁頻譜實(shí)現(xiàn)有效利用,易出現(xiàn)頻譜資源閑置和浪費(fèi)現(xiàn)象。另外,伴隨著電磁頻譜非授權(quán)用戶(hù)需求量的不斷增加,頻譜資源的利用率難以滿(mǎn)足現(xiàn)有的需求量,導(dǎo)致市場(chǎng)出現(xiàn)供給小于需求的現(xiàn)象。

      此時(shí),利用無(wú)線(xiàn)電技術(shù)對(duì)電磁頻譜進(jìn)行管理能夠在極大程度上消除傳統(tǒng)運(yùn)行方式中出現(xiàn)的供需不對(duì)等現(xiàn)象。無(wú)線(xiàn)電技術(shù)能夠感知自身的電磁環(huán)境以及周?chē)碾姶怒h(huán)境,并對(duì)有需求的用戶(hù)的實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)感知到需求用戶(hù)需要頻譜資源時(shí),認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)就將頻譜資源的相關(guān)信息提交給有需求的用戶(hù)。提升需求用戶(hù)資源使用率,降低資源閑置和浪費(fèi)。當(dāng)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)感知到閑置的頻譜資源時(shí),能夠?qū)︻l譜資源實(shí)行有效分配。比如,在不影響授權(quán)用戶(hù)的正常使用情況下,允許非授權(quán)用戶(hù)使用資源。這種分配方式相較于傳統(tǒng)的靜態(tài)頻譜分配方式而言,能夠?qū)︻l譜資源實(shí)行更高效高質(zhì)的使用和分配。這充分展現(xiàn)了認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)在頻譜分析技術(shù)、頻譜共享技術(shù)以及頻譜感知技術(shù)等方面的優(yōu)越性。

      2.2 增強(qiáng)電磁頻譜的抗干擾性

      電磁環(huán)境由于其自身的物理特性,在具體的操作過(guò)程中往往容易受到干擾。所以,在對(duì)電磁頻譜管理的過(guò)程中就要求對(duì)電磁頻譜做到及時(shí)修改、及時(shí)調(diào)整等。比如,對(duì)參數(shù)、頻率、功率等進(jìn)行及時(shí)修改,以期增強(qiáng)電磁頻譜的環(huán)境抗干擾性。但這項(xiàng)操作在具體的作業(yè)過(guò)程中往往難以實(shí)施,因?yàn)殡姶蓬l率的相關(guān)參數(shù)一旦被設(shè)定,就不能由工作人員任意更改。這也導(dǎo)致當(dāng)遇到突發(fā)狀況時(shí)靜態(tài)頻譜的管理網(wǎng)難以及時(shí)做出應(yīng)對(duì),并且極易受突發(fā)情況的影響,進(jìn)而導(dǎo)致接下來(lái)的通信工作受到干擾。在具體的運(yùn)行過(guò)程中,傳統(tǒng)的靜態(tài)頻譜管理網(wǎng)往往會(huì)出現(xiàn)抗干擾性較差的問(wèn)題。在頻譜管理中引入認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù),能夠有效解決上述問(wèn)題。其中,認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)所特有的干擾估測(cè)技術(shù),能夠智能地識(shí)別各個(gè)評(píng)估用戶(hù)之間的干擾性,實(shí)現(xiàn)各個(gè)用戶(hù)之間的協(xié)調(diào),從而減少干擾現(xiàn)象發(fā)生的可能性。

      若出現(xiàn)了上述無(wú)法避免的干擾現(xiàn)象,則認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)會(huì)啟動(dòng)頻譜移動(dòng)管理技術(shù),在突發(fā)事件發(fā)生的第一時(shí)間將頻率切換,以保障通信工作的順利進(jìn)行。

      2.3 促進(jìn)電磁頻譜智能化管理

      傳統(tǒng)的電磁頻譜管理工作流程如下。首先,通過(guò)頻譜監(jiān)測(cè)網(wǎng)對(duì)電磁環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè),在將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的加工處理后,將數(shù)據(jù)傳送至頻譜管理網(wǎng)。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)客戶(hù)的具體需求制定出相應(yīng)的方案。最后,對(duì)該方案進(jìn)行執(zhí)行落地。在傳統(tǒng)的電磁頻譜管理工作中,各網(wǎng)之間相互獨(dú)立,缺少協(xié)同性、合作性,是一種自上而下的集中式管理。在具體的操作過(guò)程中以及應(yīng)對(duì)突發(fā)事件時(shí)往往需要人工對(duì)事件進(jìn)行處理、分析和決策。這些不足,大幅降低了頻譜管理的綜合效率。采用認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)能夠有效地彌補(bǔ)傳統(tǒng)電磁管理中的不足[8] 。

      認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)有著特有的感知能力,能夠?qū)χ車(chē)碾姶怒h(huán)境進(jìn)行智能化分析,并對(duì)閑置的頻譜進(jìn)行再次按需分配,從而提高頻譜的利用率,在一定程度上解決了頻譜供需不對(duì)等的問(wèn)題,協(xié)調(diào)好授權(quán)用戶(hù)和非授權(quán)用戶(hù)的需求以及頻譜供給。并且,使用認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)對(duì)電磁頻譜進(jìn)行管理,在整個(gè)通信建立的過(guò)程中,極大地減少了人力成本,減輕了電磁頻譜相關(guān)工作人員的作業(yè)負(fù)擔(dān),從真正意義上實(shí)現(xiàn)了對(duì)頻譜的自動(dòng)化管理。

      3 結(jié)束語(yǔ)

      隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及自動(dòng)化技術(shù)的更新迭代,傳統(tǒng)的電磁頻譜管理技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的弊端已經(jīng)日益凸顯,這嚴(yán)重制約了我國(guó)通信技術(shù)的發(fā)展。采用認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)對(duì)電磁頻譜進(jìn)行管理,能夠有效地彌補(bǔ)傳統(tǒng)管理方式所帶來(lái)的不足。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)具有優(yōu)異的重構(gòu)能力和認(rèn)知能力,能夠?qū)﹄姶蓬l譜的異常反應(yīng)做出快速準(zhǔn)確的分析和判斷,并及時(shí)實(shí)施解決對(duì)策,保障通信的正常運(yùn)轉(zhuǎn)與進(jìn)行,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)頻譜資源智能化管理。這節(jié)省了人力、財(cái)力、物力,避免了頻譜資源的限制,提高了頻譜資源的使用效率。

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