复杂电磁环境下战场频谱动态管理模式分析

杨丽芬，王艳聪

（解放军通信指挥学院一系，湖北武汉 430010）

复杂电磁环境下战场频谱动态管理模式分析

杨丽芬，王艳聪

（解放军通信指挥学院一系，湖北武汉 430010）

频谱动态管理是基于当前频谱静态管理模式提出的，认知无线电技术是实现频谱动态管理的技术基础。本文在认知无线电技术特点的基础上，分析了设备级频谱动态管理和协调式频谱动态管理的内涵和特点，并从不同的角度对几种频谱动态管理模式进行了对比分析。

谱动态管理模式；认知无线电；设备级频谱动态管理；协调式频谱动态管理

未来基于信息系统的体系作战中，敌我双方为争夺战场制电磁权，在有限的作战地域和空间内将大量使用作战指挥、情报侦察、预警探测、通信联络、武器制导和电子对抗等电子信息装备及武器系统，由此导致战场电磁环境更加复杂，用频需求持续增加，频谱供需矛盾日益突出。电磁频谱动态管理，是在战场电磁环境极其复杂，电磁频谱资源相对有限的背景下，适应基于信息系统体系作战频率使用和管理需求，针对当前静态频谱管理模式而提出的一种新型频谱资源管控方法和手段。战场频谱动态管理模式对当前静态频谱管理模式下的用频方式、管理性能及频谱感知提出了新的挑战和要求。

1 认知无线电技术特点

当前频谱管理策略是采用静态划分的方式，将某段频谱资源划分给某个特定应用，这种划分方式是排它性、独占性的，没有考虑到频谱利用率随时间、空间变化的现实情况，导致了新技术、新应用可用频率资源的不足。认知无线电（CR）技术的提出，使人们认识到当前频谱匮乏并不是频谱资源的绝对稀缺，而是当前静态频率使用方式限制了空闲频率的有效接入。从目前来看，无论是Mitola的理想认知无线电还是FCC的频谱认知无线电，都反映出认知系统应具备捷变性、自适应性、智能性的特点。

1．1 捷变性

CR具有重新改变波形和配置的能力，当同一频带实现两种完全不同的业务时，CR能够迅速反映不同业务类型的传播特性，如：调制方式、发送功率、数据速率、无线电射程、丢包率等。

1．2 自适应性

CR能自适应外界环境和自身需求变化，具有自动更换工作频带的能力，认知无线电是自适应传输思想在频谱分配领域的推广应用。频谱自适应与传输自适应使得无线设备媒体接入控制层（MAC）以下都能适应环境与需求的变化。

1．3 智能性

智能性是认知无线电与软件无线电的最显著区别，CR中智能性主要体现在感知、学习及重配置能力上。认知设备能够自动感知外界环境的各种信息（如授权用户和认知用户的工作频率调制方式、链路质量、网络流量等），并具有对这些信息进行分析、学习和判断的能力；当设备由于位置、状态或射频环境变化而需要改变工作状态时，CR通过自适应调整其内部配置，在不干扰授权用户通信的条件下与授权用户共享频谱。

2 设备级频谱动态管理

设备级频谱动态管理是基于认知设备的一种频谱管理方式，它体现了开放式频谱管理理念［1－2］。设备级频谱动态管理建立在用户动态频谱接入（DSA）基础上，是指将整个（或部分）无线电频谱作为可资利用的信道资源，系统通过实时地感知、识别，并有效地加以利用可用频谱，实现不同无线电系统频谱资源的有序共享。设备级频谱动态管理典型工作方式是：当终端需要使用频率时，通过主动或被动感知宽频谱环境下的频谱空穴，然后根据可用频谱空穴情况，调整自身状态，在搜寻到的频谱空穴上工作，以充分利用空闲的频率资源；同时，为避免对授权用户造成的不必要干扰，设备可在空闲频谱间进行无缝的频谱转移，如图1所示。

设备级频谱动态管理不依赖人或系统的参与，用户节点不仅仅是无线电信息的传输载体，同时也是无线电频谱管理的参与者。它通过设备自身具备的频谱感知、频谱分析、频谱决策、频谱共享和频谱转移功能来实现频谱动态管理，也就是说设备在实现动态频谱接入的同时完成了设备的频谱动态管理。

设备级频谱动态管理的典型应用是美国国防部高级技术研究计划署DARPA资助的下一代XG通信计划［3－4］，该计划中的DSA系统自身具备频谱动态管理功能，它不必在时间、位置、信号、传播等方面预先做好避免冲突的准备，就可实现多数时刻有效的频谱接入。2006年8月美军对其研制的6台DSA样机进行了实地试验，在网络节点数较少时，DSA系统可在226～600 MHz频率范围内与授权用户无干扰共存，这也证明了在移动环境中基于认知技术的频谱动态管理是可实现且有效的。

长远来看，基于认知技术的设备级频谱动态管理是未来频谱管理的发展目标。但设备级频谱动态管理是一项复杂的系统工程，相对于传统频谱管理模式，在网络结构、系统模型、系统功能以及管理方式等方面都发生了显著的变化，具体体现在：实现方式上，由传统集中、静态的系统级频谱管理，转变为分布式、动态地用频设备频谱管理；网络管理上，由用户网络与管理网络相互独立，转变为授权网络与认知网络共存的多样化网络；系统构成上，由传统的单一频段、单一体制的无线电平台，转变为通用化、系列化、模块化的软件无线电平台；系统功能上，由原来单一频段上的通信功能，拓展到宽频谱范围内通信和管理于一体的多功能系统。

由此不难看出，设备级频谱动态管理不仅需要发展机会频谱接入的使能技术，如感知环境特征、确定和分发频谱机会信息、根据需求分配和使用频谱机会等，还需要制定可以长期存在的管理框架，并通过灵活的政策来管理无线电设备的关键行为。毋庸置疑，基于认知设备的频谱动态管理对于缓解当前频谱资源不足，提高复杂电磁环境下的频谱管理效能，具有良好的发展前景，但遗憾地是，它并不能代替当前频谱管理样式，因而不能成为现阶段最佳发展模式。

图1 设备级频谱动态管理过程

3 协调式频谱动态管理

协调式频谱动态管理概念源于泛在移动网络动态智能频谱管理［5］（DIMSUMnet）项目，该管理模式引入了中心控制、区域网络以及频谱经纪人（SB）机制。为增强频谱接入的灵活性以及提高频谱使用效率，区域频谱被划分为静态访问频带（SAB）、未许可频带和协调访问频带（CAB），如图2所示。协调式频谱动态管理实现了用户在CAB上的统计多元接入（SMA），CAB频带是SB根据现实频谱状况提前划分好的一段特定频带，用户是则具有一定频谱感知能力的电台。

图2 协调式频谱动态管理中频率等级分类图

协调式频谱动态管理在中心控制实体SB的统一指导下实现，SB负责收集来自频谱认知电台的感知信息，并对这些信息进行综合处理分析，然后根据频谱请求信息，在不对其他系统造成有害干扰的前提下，为动态频谱接入系统指配临时性工作频段。SB可以提供用户对蜂窝网络、固定无线接入网和网格网等多种网络结构的动态频谱接入，服务提供者和用户都不是永久性的拥有频谱资源，而是通过使用SB给出的对某一段频谱利用的时间段。也就是说，频谱认知系统通信结束后，将释放占用频带，并在恰当的时刻供其他用频系统使用。

由于协调访问频带许可证是基于用户而不是针对广阔区域内特定服务分配的大段静态频谱，因此与现行静态频谱管理方式相比，协调式频谱管理能够更加高效、动态地为用户指配频谱。同时，由于动态频谱接入系统使用的频谱是SB通过自动化程序自动实现的，而不是人工指配，因此其分配过程更加灵活。

4 几种管理模式对比

设备级频谱动态管理中动态接入系统智能较高，无论对硬件设备还是技术实现都有很高要求，实现难度大。协调式频谱动态管理接入系统具备一定的频谱感知能力，在系统规划好的频段内可自主接入，实现难度较小。表1从频率分配方法和频管技术角度分析了当前静态频谱管理、协调型和伺机型接入方式下的频谱管理和用频特点［6］。不同的频谱接入方式催生了相应的频谱管理与使用模式。

表1 不同频谱管理方式的技术特性

表2从概念层次、管理方式、管理内容以及管理本质对3种频谱管理方式进行了对比。传统静态、一维的频谱利用和管理观念已不适应当今频谱动态管理的需求，基于认知技术的设备频谱动态管理和协调式频谱动态管理分别以二次利用授权用户频率和多网络共享频率的方式，来增强用户的动态频谱接入能力，它们的频谱管理策略与用户接入方式，对发展我军战场频谱动态管理起到了重要的牵引和指导作用。

表2 不同频谱管理模式性能对比

［1］ MCHENRY M，STEADMAN K．XG DSA Radio system．［EB／OL］．http：／／www．spectrumsharing．com／measurements，2007－05－05．

［2］ XG Working Group．The XG Vision RFCs［EB／OL］．http：／／www．ir．bbn．com／projects／xmac／rfc／rfc－vision．pdf，2006－02－05．

［3］ MCHENRY M，LIVSICS E，NGUYEN T，et al．XG dynamic spectrum sharing field test results［A］．IEEE DySPAN Conference［C］．Dublin：［s．n．］，2007．676－684．

［4］ FREDERICK W．A description of the August 2006 XG demonstrations at Fort A．P．Hill［A］．IEEE DySPAN Conference［C］．Dublin：［s．n．］，2007．1－12．

［5］ MILIND M B，PAUL K，SCOOT M，et al．DIMSUMNet：Directions in wireless networking using coordinated dynamic spectrum access［A］．Proc IEEE WoWMo M［C］．［S．l．］：［s．n．］，2005．78－85．

［6］ 邹 恒，方志英．动态频谱访问技术——推动美军网络中心化频谱管理［J］．外军电信动态，2008（4）：31－37．

TP393．08

A

1008－1542（2011）07－0096－04

2011－06－20；责任编辑：冯 民

杨丽芬（1973－），女，湖南怀化人，讲师，博士研究生，主要从事军事电磁频谱管理和战场电磁环境效应方面的研究。