认知无线电在军事中的应用

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3000GHz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9kHz到400GHz的使用频段。实际上，军用的频段集中在40GHz以下，而民用频段主要集中在3GHz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、链路自适应等新技术。这些技术从不同的角度提高了信道容量，取得了较好的效果。然而，由于受到香农极限的限制，人们不可能无限制地提高信道容量。虽然无线电频谱可以重复使用，但就某个频点或频段来说，在一定的时域、空域是有限的，是不能够重复使用的。与频谱资源短缺形成鲜明对比的却是现有频谱利用率的极其低下。

图l为加利福尼亚大学伯克利分校测试的0—6GHz频谱利用率。实测结果表明，在全球授权频段，即便是信号传播特性较好、需求非常紧张的300MHz到3GHz频段内，频谱利用率也不到6％；在3—4GHz频段，频谱利用率降低为0.5％；在4GHz以上，频率利用率更低。因此，如何对频谱资源进行有效共享，充分提高频谱利用率成为亟待解决的问题。在这样的背景下，认知无线电(CR，Cognitive Radio)技术提出了一种新的解决思路一通过动态频谱共享(DSS，DynamicSpectrum Sharing)来提高无线频谱的利用效率。

2 认知无线电技术

1999年，软件无线电奠基人、瑞典皇家理工学院J．Mitola博士在软件无线电(SR，Software Radio)的基础上提出了认知无线电的概念。J.Mitola在其博士论文和随后的一系列论述中，对CR进行了较为系统的阐述。

CR的概念一经提出就引起了世界各国众多学者的密切关注。IEEE、FCC、SDR论坛等机构都从不同的角度对CR进行了描述和定义。这些定义实质上大同小异，概括来说：认知无线电能够不断感知周围电磁环境和地理环境的变化，通过机器学习的方法，实现环境和自我的认知，采用无线电知识描述语言，与通信网络进行智能交流，在不干扰授权用户的条件下，自适应地调整其自身的通信机理(通信频率、调制方式、发送功率等参数)来达到对环境变化的适应。这样的自适应调整不仅提高了无线频谱的利用效率，同时也提高了系统的吞吐量、信噪比、稳定性等性能。

CR的最大优势在于它可以不用专门授权就工作在授权用户的工作频段上，对所谓的"闲置"频谱进行二次利用。所谓授权用户(AU，Authorized User)也叫主用户(PU，Primary User)，是指经过频率管理部门授权，合法使用某一频段的传统无线电用户；与授权用户对应的称为感知用户(SU，Sense User)也叫次用户(SU，Second User)，是指不经过频率管理部门专门授权，就可以使用已授权于主用户的频段的认知无线电用户。CR主要包括以下关键技术：

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(Frequency Hole)，熟知无线信号的特征，并合理利用这些结果，这就是所谓的频谱感知(Spectrum Awareness)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，并广播目前的频谱使用状态信息，进而使得该区域内分布的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的灵敏度和很宽的工作带宽，同时具备高速的信号处理能力。因此，主动感知不可避免地导致CR终端造价高昂且软硬件结构复杂。

被动感知方式显然可以减小CR终端的复杂度和成本，但频谱使用信息是由基站进行广播的，若基站检测到授权用户要接人某一个正在被感知用户使用的频率，感知用户只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，进而对授权用户造成一定的干扰。

不管是被动还是主动感知方式，对弱信号的检测都是一个比较困难的问题。采用联合频谱检测的技术的仿真结果表明，联合频谱感知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 Pooling)策略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。