浅析认知无线电在军事通信中的应用

子信道。 通过频谱感知和机器学习技术, 将这些子 信道分别纳入黑色、灰色和白色的“频谱池”, 频谱 池中的频谱可以是不连续的, 如图 2 所示。 感知用 户尽可能利用白色频谱池内的子信道建立链路。当 白色频谱池中的子信道容量不够时, 感知用户可以 随时占用灰色频谱池中的空闲信道。但是一旦主用 户要再次使用被感知用户占用的子信道时, 感知用 户必须切换到其他信道上, 为授权用户腾出这个信 道。
Abstract: W ithou t special au tho rized, cogn itive rad io can dynam ically share the w ireless spec2
trum resou rce th rough accessing the au tho rized frequency band by virtue of spectrum sen sing and
广播目前的频谱使用状态信息, 进而使得该区域内
2 认知无线电技术
分布的 CR 终端能够从中心基站“被动”地知道无限 频谱的使用状况。 主动感知方式要求 CR 终端的射频前端有极高
1999 年, 软件无线电奠基人、瑞典皇家理工学 的灵敏度和很宽的工作带宽, 同时具备高速的信号
院 J. M ito la 博士在软件无线电 (SR , Softw are R a2 处理能力。因此, 主动感知不可避免地导致 CR 终端
found ly, especially m ilitary comm un ication. In th is paper, the background of the cogn itive rad io
is in troduced firstly. T hen, som e key techn iques of the cogn itive rad io are sim p ly described, such
此, 如何对频谱资源进行有效共享, 充分提高频谱利 户的频段的认知无线电用户。CR 主要包括以下关
用率成为亟待解决的问题。在这样的背景下, 认知无 键技术。
线电 (CR , Cogn itive R ad io) 技术提出了一种新的解 决 思 路—— 通 过 动 态 频 谱 共 享 (D SS, D ynam ic Spectrum Sharing) 来提高无线频谱的利用效率。
认知无线电能够不断感知周围电磁环境和地理环境 户造成一定的干扰。
的变化, 通过机器学习的方法, 实现环境和自我的认 不管是被动还是主动感知方式, 对弱信号的检
知, 采用无线电知识描述语言[3], [5] 与通信网络进行 测都是一个比较困难的问题。 文献[ 9 ]、[ 10 ]采用了
智能交流, 在不干扰授权用户的条件下, 自适应地调 联合频谱检测的技术。仿真结果表明, 联合频谱感知
图 2 频谱池示意图
频谱池共享技术的关键问题是如何对特定的频 束形成技术结合, 可以使 CR 辐射模式沿着接收端 谱或者是子信道进行准确归类。一般情况下, CR 是 方向, 不仅能够降低传输能量, 而且可以有效降低 通 过多抽头奇异值分解 (M TM 2SVD , M u lti2T aper CR 和其他用户之间的干扰, 此外还可以提高 CR 的 M ethod SVD ) 算法[11], 对特定时间、具体位置的频 抗截获能力。 谱使用情况进行分析并归类。实际上, 频谱池中的频 率成份是动态变化的。因此, 一旦有授权用户正在使 用的子信道被 CR 纳入空闲的灰色区域, 甚至是白 色区域时, 感知用户就有可能干扰授权用户的正常 通信。 因此, 不论何时何地, 都应保证检测过程的灵 敏性和可靠性。
Ξ 作者简介: 赵陆文 (1977- ) , 男, 博士生, 解放军理工大学通信工程学院, 主要研究方向为信号与信息处理。
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路自适应等新技术。 这些技术从不同的角度提高了 整其自身的通信机理 (通信频率、调制方式、发送功
信道容量, 取得了较好的效果。 然而, 由于受到香农 率等参数) 来达到对环境变化的适应。这样的自适应
授权用户, 但在特定时间和具体位置该用户并没有
使用的频带。CR 频谱感知技术主要有两种类型: 主
动感知和被动感知。 主动感知是指 CR 终端利用自
身灵敏的射频前端, 采集电磁信息, 借助先进的信号
处理技术, 进而识别出所处环境的无线电频谱使用
状况; 被动感知由系统中的基站来进行频谱分析, 并
图 1 伯克利分校测量的频谱利用率图
极限的限制, 人们不可能无限制地提高信道容量。虽 调整不仅提高了无线频谱的利用效率, 同时也提高
然无线电频谱可以重复使用, 但就某个频点或频段 了系统的吞吐量、信噪比、稳定性等性能。
来说, 在一定的时域、空域是有限的, 是不能够重复 CR 的最大优势在于它可以不用专门授权就工
使用的。 与频谱资源短缺形成鲜明对比的却是现有 作在授权用户的工作频段上, 对所谓的“闲置”频谱
cu ssed. F inally, som e challenges and trend s of the m ilitary cogn itive rad io in the fu tu re are p re2
sen ted.
Key words: cogn itive rad io; dynam ic spectrum sharing; spectrum sen sing
as spectrum sen sing, location aw areness, link m ain tenance and spectrum poo ling. T he app lica2
tion and advan tages of the cogn itive rad io u sed in m ilitary comm un ication are em phases d is2
2. 1 频谱感知技术
CR 能够感知、适应和学习周围的电磁环境, 发 现频率空穴 (F requency果, 这就是所谓的频谱感知
(Spectrum Aw areness) 技术, 也是 CR 区别与其他无
线电的根本之所在。 所谓频率空穴是指被分配给某
A n In troduction to A pp lication of the Cogn itive R adio in M ilitary Comm un ication
ZHAO L u2w en1, ZHOU Zh i2jie1, M IAO Zh i2m in2, HU I Y i1 (1. In stitu te of Comm un ication Engineering, PLAU ST , N an jing 210007, Ch ina; 2. In stitu te of Comm and A u tom ation, PLAU ST , N an jing, 210007, Ch ina)
浅析认知无线电在军事通信中的应用Ξ
赵陆文1, 周志杰1, 缪志敏2, 惠毅1
(1. 解放军理工大学通信工程学院, 南京 210007; 2. 解放军理工大学指挥自动化学院, 南京 210007)
摘要: 认知无线电在无需专门授权的情况下, 能够借助频谱感知等技术接入已授权频段, 实现对无线频谱资源的动态共享, 极大地提高频谱利用效率和通信系统性能, 必将对无线通 信, 尤其是军事通信产生深远的影响。 文中首先简要叙述了认知无线电产生的背景, 尔后对频 谱感知、位置感知、链路保持、频谱池共享等关键技术进行了简要叙述。重点分析了认知无线电 在军事通信中的应用及其优势。 最后对军用认知无线电面临的机遇和挑战做了简要展望。 关键词: 认知无线电; 动态频谱共享; 频谱感知 中图分类号: TN 92 文献标识码: B 文章编号: 100328329 (2007) 0420031205
d io) 的基础上提出了认知无线电的概念[2]。J. M ito la 造价高昂且软硬件结构复杂。 被动感知方式显然可
在其博士论文[3] 和随后的一系列论述[4, 5] 中, 对 CR 以减小 CR 终端的复杂度和成本, 但频谱使用信息
进行了较为系统的阐述。CR 的概念一经提出就引 是由基站进行广播的, 若基站检测到授权用户要接
2. 3 位置感知技术
不同的地理环境对无线电信号的传输会产生不
同的影响。比如, 室内与室外、市区与乡村、山区与平 原相比, 后者就更适合无线电信号的传输。CR 与全
图 3 位置感知技术与 DB F 技术结合
球定位系统 (GPS) 以及地理信息系统 (G IS, Geogra2 2. 4 链路保持技术
起了世界各国众多学者的密切关注。 IEEE、FCC、 入某一个正在被感知用户使用的频率, 感知用户只
SDR 论坛等机构都从不同的角度对 CR 进行了描述 和定义[6～ 8]。 这些定义实质上大同小异, 概括来说:
有在收到基站信息后才能为授权用户“腾出”这个频 率。这样势必会加大链路切换的时延, 进而对授权用
好、需求非常紧张的 300M H z 到 3GH z 频段内, 频谱 用户; 与授权用户对应的称为感知用户 (SU , Sen se
利用率也不到 6% ; 在 3～ 4GH z 频段, 频谱利用率 U ser) 也叫次用户 (SU , Second U ser) , 是指不经过
降低为 0. 5% ; 在 4GH z 以上, 频率利用率更低。 因 频率管理部门专门授权, 就可以使用已授权于主用
1 引 言
众所周知, 无线电频谱是一种宝贵的自然资源。 虽然在理论上 3000GH z 以下的电磁频谱均被称为 无线电频谱, 但由于技术的限制, 目前人类仅仅划分
出 9kH z 到 400GH z 的使用频段。实际上, 军用的频 段 集 中 在 40GH z 以 下, 而 民 用 频 段 主 要 集 中 在 3GH z 以下。随着移动通信技术的迅速发展, 新的无 线通信业务层出不穷, 用户数量不断增加, 频谱资源 变得日益紧缺。为了解决这一问题, 人们先后发明了 多种先进的调制技术、编码技术以及多天线技术、链
phy Info rm ation System ) 结合, 通过自我学习的方 一旦授权用户要再次通信, CR 必须要在最短
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不仅能够降低弱信号的漏检概率, 而且能缩短检测 时间, 提高整个网络的灵活性。
2. 2 频谱池共享技术
频谱池 (Spectrum Poo ling) 策略[4] 共享的基本 思想是首先将频谱区域分成 3 种类型: (1) 黑色区 域, 常被高能量的局部干扰占用; (2) 灰色区域, 在 部分时间被低能量干扰占用; (3) 白色区域, 只有环 境噪声而几乎没有射频干扰占用。 一般情况下, 白 色区域和有限度的灰色区域都可以被感知用户使 用。在特定地理位置, CR 将一定的频段分为若干个
频谱利用率的极其低下。图 1 为加利福尼亚大学伯 进 行 二 次 利 用。 所 谓 授 权 用 户 (AU , A utho rized
克利分校测试的 0～ 6GH z 频谱利用率[1]。 实测结 U ser) 也叫主用户 (PU , P rim ary U ser) , 是指经过频
果表明, 在全球授权频段, 即便是信号传播特性较 率管理部门授权, 合法使用某一频段的传统无线电
o ther techn iques. It can ex trem ely im p rove the efficiency of the w ireless spectrum u sage and the
capab ilities of the comm un ication system. It m u st be im pact the w ireless comm un ication p ro2