认知无线电技术在电磁频谱管理中的应用研究

刘传伟，郝威，刘利江

（1. 海军工程大学，武汉，430033；2.中国人民解放军91604部队，烟台，264000）

0 引言

随着无线电技术的飞速发展和广泛应用，使得有限频谱资源和猛增的需求间的矛盾日益突出。目前传统的频谱分配制度为静态频谱分配，无线频谱资源被划分为授权频段（LFB）与非授权频段(UFB)2类。美国联邦通信委员会（FCC）的研究表明，授权频段的平均利用率范围在15%～85%[1]。而非授权频段只占频谱资源很少一部分，并且竞争激烈，用户很多，业务量拥挤。传统静态的频谱分配方式使得没有得到授权的用户不能利用授权频段，资源浪费严重。这种静态的频谱管理方式，大大限制了频谱的使用效率，使得无线资源本身的匮乏以及对它使用不合理的问题越来越突出。

认知无线电[2-4](CR， Cognitive Radio)是一种能够对它所处的电磁环境进行实时监测，寻找到空闲频谱，并根据需求实时调整传输参数的智能无线电。它以某种“伺机方式”接入已授权的频谱，通过动态频谱共享[5](DSS， Dynamic Spectrum Sharing)来提高无线频谱的利用效率，而不影响拥有授权频段授权用户（Primary User）的工作。CR技术为频谱管理提供了一条崭新的思路，突破传统频谱授权指配的方式。具有CR功能的网络单元，不需要频谱管理部门预先分配频谱，它通过各单元的频谱感知，在复杂时变的电磁环境中寻找适宜的频谱，并通过认知推理，学习网络标准和规则，动态共享频谱，建立通信。既有效避免干扰的发生，又提高了频谱利用率，达到频谱管理的智能化与自适应性。

1 认知无线电技术

认知无线电的概念最初是由Joseph Mitola博士在1999年发表的一篇学术论文[6]中首先提出的。美国联邦通信委员会（Federal Communications Committee， FCC）对它的定义是一种能够根据与它的操作环境进行交互而改变传输参数的无线电。

认知无线电的两个显著特点：认知能力和重配置能力。一个完整的认知循环包含频谱感知、频谱分析与频谱决策3方面内容，如图1所示。

频谱感知是CR进行频谱管理的前提，通过频谱感知CR发现时域、频域与空域的频谱空穴信息，并且感知授权用户的再次出现，实现主动规避。

图1 认知循环示意图

频谱分析的目的是为了进一步描述频谱空穴的主要特征，为信道估计提供依据，以获得满足用户需求的频带。频谱分析的主要参数有干扰、路径损耗、无线链路误码率、链路层延时和信道占用时间等。信道估计是对信道的质量予以评估，以方便选择质量好的信道提高通信的质量和准确性。

频谱决策在频谱感知与频谱分析的基础上，根据用户的质量需求和决策准则进行最优化，选取用户的工作参数及通信标准，以确定最佳的信号传输方式（包括：信息传输速率、调制解调方式及协议等）和最佳发射功率水平与发射时间。

重配置能力是指在传输过程中不改变任何硬件组件的情况下调整操作参数的能力。可重配置的参数主要有工作频谱、调制方法、发射功率及通信技术等等。通过重配置能力实现了频谱利用的灵活性。

2 目前频谱管理的几种方式

目前，频谱管理基本上是一个自下而上逐级申请，然后再自上而下逐级分配的过程。频谱管理首先由底层的用频单位提出申请和需求，再由频谱管理机构为特定环境下的用户签发频谱使用许可证。以此保障频谱管控的权威性、科学性和可行性，从整体上预防和减少相互间的干扰。总的来说，目前频谱管理模式概括起来主要有以下2种：

（1）静态集中式频谱管理模式

在这种模式下，频谱管理是一种集中式、非实时、静态的管理模式。具有频谱分配权的频谱管理机构为每一有用频需求的用户指定一些频谱资源，并规定使用的时间与场合。这种频谱管理模式降低了频谱资源使用的灵活性和有效性，并且需要较长时间的准备工作，但是这对于保护特殊部门的频谱使用权（例如：公共安全、科研以及政府部门等）是必要的。

（2）有限的自适应管理模式

这种模式是在预先分配的频率集自适应地选取通信质量好的频率。并且目前通信网络的自适应能力非常有限，仅限于单网级的频率功率自适应。其中频率自适应主要有2种形式：一种是采用空闲信道搜索，由通信双方根据在指配的频率集上探测的结果进行交互，选取通信质量好的频率建立通信；另一种是自适应跳频，按照预先设定的顺序在指定的有限频点上进行跳变，并且对自动探测到的干扰频点进行替换。这2种自适应方式在一定程度上提高了系统的抗干扰能力，比普通的跳频通信抗干扰能力强，在理论上即使只剩下一个可用频点，通信双方仍可在该频点上正常通信。在单网通信时，这2种频率自适应方式基本上能够满足抗干扰通信的需求，但在网系应用条件下，需要多网系间协同频谱资源的使用，进行信息和资源共享，是这2种方式无法满足的。

3 CR网络的电磁频谱管理

3.1 CR网络电磁频谱管理的基本过程

CR网络是由CR用户组成的网络，区别于传统的授权网络。传统的静态频率分配方式不适用具有CR功能的网络。这是因为由于电磁环境不断变化，CR节点检测到的空闲频谱也不断在变化；另外由于形势、任务的变化，用户的需求也在变化，对空闲频谱的使用需求也就不相同。而且要实现完全自适应动态频谱分配还要打破传统政策、标准及接入协议的束缚。

基于CR技术的动态频谱管理Simon Haykin在文献[8]中给出其定义：频谱管理也叫频谱分配，在发射端实现，实时探测当前工作区域内的无线环境，根据探测的结果，对频谱资源进行分析和评价，确定时间和空间上可用频谱资源，并根据一定的规则对频谱资源进行共享和分配。

（1）每一个CR用户通过频谱感知技术对所处的电磁环境进行大动态范围的频谱检测，以此发现时域、频域以及空域上的空闲频谱。

（2）通过频谱分析和信道容量预测对空闲频谱的主要特征参数进行分析，以获得满足使用需求的频谱，并在一定的范围内共享频谱信息。

（3）在所有空闲频谱被检测和分析完成之后，再结合用户的服务质量需求情况，进行频谱决策。为当前用户选择适合的频谱，并确定信息传输的数据速率、信号调制方式、可接受的误码率、传输模式、传输延迟限度以及传输带宽等技术指标。接着依据一定的频谱分配策略（例如：吞吐量、公平性、通信费用等方面），给一定范围内的CR用户分配适合的频谱。

（4）在用户的发射端进行发射功率控制，并建立通信。当授权用户再次出现或正在使用的空闲频谱受到干扰不再满足使用需求时，迅速进行频谱切换，保障通信的顺畅进行。

3.2 CR网络的频谱管理与传统频谱管理网系

3.2.1 传统频谱管理网系

传统的电磁频谱管理网系一般包含频谱监测网、频谱探测网、用频装备检测系统、频谱管理数据库系统和电磁频谱管理指挥控制系统几个部分。

频谱监测网是军事电磁频谱管理网系的支撑网络。主要完成对无线环境中电磁信号频谱特征参数（包括信号频率、频率误差、发射带宽、场强、调制度等参数）的测量、分析，并对非法电台和干扰源进行测向定位。频谱监测为频率指配、频率动态调整和制定无线电管制方案提供依据。准确、详实、及时的频谱监测数据是科学频谱管理的依据。电磁频谱监测网的数据信息通过综合信息网传输到电磁频谱管理指挥控制系统，供频谱管理机构分析与决策使用。

用频装备是频谱管理控制的对象，频谱管理网是频管方案的制定者，而用频装备网络是频管方案的执行网络，两者相互分离。因而频谱监测信息并不能完全准确地反映出用频装备所处的电磁环境情况；而且监测信息先要经过处理，再由频谱管理网提供频谱管理方案送到用频装备网执行，有一定的传输时延，实时性不强，所以所做的频率调整并不是最优的。

3.2.2 CR网络的频谱管理

对用频电子装备进行技术改造，使之集成CR功能，通过一定的组网方式，构成CR网络。各个节点通过CR的频谱感知技术监测本地电磁环境的变化，完成本地电磁环境感知，在本地网络中分发共享频谱感知信息，作为频谱管理的依据；并且能够通过CR干扰估测技术估计CR用户与授权用户之间的干扰，通过用户间的相互协商来避免它们之间干扰的发生；且根据一定的规则进行频谱管理，并通过学习与推理选择适宜的网络标准和运行机制，实现频谱管理的自适应性和智能化。各个具有CR功能的用频装备不再只是频谱分配、控制的对象，而且成为频谱监测网、频谱管理网的一部分，是完成电磁环境监测、频谱管理的最主要装备。用频装备网实现了频谱监测网和频谱管理网的功能，完成实时频谱监测、动态频谱管理和频谱使用的多重任务。

基于CR技术的频谱管理模式与传统频谱管理模式相比具有以下几种优点：

（1）改变传统频谱管理网系中频谱管理网与用频装备网分离的现象，实现频谱管理网、频谱监测网与用频装备网三网合一，频谱分配能够适应任务与环境的变化。

由于CR具有频谱感知功能，能够通过CR装备组成的认知频谱管理网完成对本地电磁环境的监测与分析，代替传统频谱监测网。实时、准确的频谱感知数据完全反映出用频装备所处的电磁环境情况，是传统频谱管理网络无法比拟的。因而频谱管理能够适应环境的快速变化进行动态调整，最大限度地发挥用频电子装备的效能，电磁频谱不再是制约电子装备性能发挥的因素。

（2）实现频谱管理方式的大变革。

由传统的集中式静态或有限自适应频谱管理方式转变为动态、自适应的频谱管理方式。频谱管理不再是一项繁琐的系统工程，很少需要人的参与，实现完全的机器分配，自动化程度高。

（3）频谱分配的可靠性、适应性大幅增强。

传统的静态频谱管理方式指配的频率不容随意更改，遇到突发事件难以处置，适应性差、抗干扰能力差。应用了CR技术的频谱管理网，用频装备单元通过干扰估计、功率控制等方式预防干扰的发生，并在受到干扰时能够通过频谱移动性管理迅速切换频率，保障通信的顺畅进行。

（4）频谱管理实现了网络化、智能化管理。

传统的集中式静态频谱管理方式是一种自上而下的双向频谱管理过程，需要人的干预。事先需要对电子装备的技术参数进行统计，还要对电子装备所处的电磁环境信息进行统计分析，然后再结合需求情况进行集中的频谱规划与分配，自动化、智能化程度不高。而具备CR技术的频谱管理网络各个节点能够对所处电磁环境进行学习与推理，择机使用空闲频谱，通过共享环境感知信息，运行分配算法实现频谱的分配，并智能选择合适的网络标准，建立通信，整个过程不需要事先准备。从频谱感知到通信的建立，无不实现了网络化管理和智能化操作。

4 结束语

由于目前CR技术尚不成熟，组建具有CR功能的电磁频谱管理网络尚需重点解决几个技术难题，包括研究适合CR技术的频谱管理网络、频谱感知技术以及频谱分配规则等。

[1] FCC. Notice of Proposed Rule Making and Order [R].ET Docket No. 03-322. 2003.

[2] Haykin S．Cognitive radio: Brain-empowered wireless communications,IEEE Journal on Selected Areas in Co mmunications,2005,23(2):201-220．

[3] 周小飞，张宏刚． 认知无线电原理及应用． 北京：北京邮电大学出版社[M]，2006：1-25．

[4] 谢显中. 感知无线电技术及其应用[M]. 北京：北京电子工业出版社，2008：1-45.

[5] 周贤伟，王建萍，王春江． 认知无线电[M]． 北京：国防工业出版社，2008：62-146．

[6] Mitola J．Cognitive radio:making software radios more personal. IEEE Pers Commun , 1999 ,6(4)．

[7] Haykin S．Cognitive radio: Brain-empowered wireless communications,IEEE Journal on Selected Areas in Co mmunications,2005,23(2):201-220．

[8] Simon Haykin Cognitive radio：Brain-empowered wireless communications[J] ．IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2005, 23(2):201-220．