高 猛，蔣 圓，鄒 健，呂憲凡

（1.中國電子科技集團公司第二十八研究所，南京 210007；2.中國人民解放軍93534部隊，天津 301700；3.中國人民解放軍92919部隊，浙江寧波 315020；4.中國人民解放軍78020部隊，昆明 650000）

認(rèn)知無線電技術(shù)在地空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中的應(yīng)用淺析

高 猛1，2，蔣 圓3，鄒 健1，呂憲凡4

（1.中國電子科技集團公司第二十八研究所，南京 210007；2.中國人民解放軍93534部隊，天津 301700；3.中國人民解放軍92919部隊，浙江寧波 315020；4.中國人民解放軍78020部隊，昆明 650000）

將認(rèn)知無線電思想引入到地空數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)系統(tǒng)中，提出了地空認(rèn)知無線通信系統(tǒng)的概念，并重點探討了地空認(rèn)知無線通信系統(tǒng)的自適應(yīng)功率控制應(yīng)用。在自適應(yīng)功率控制需求分析的基礎(chǔ)上，明確了功率控制的典型應(yīng)用場景，提出了自適應(yīng)功率控制的總體實現(xiàn)方法，并以JTIDS數(shù)據(jù)鏈為對象分析了其關(guān)鍵技術(shù)的解決方案。

地空數(shù)據(jù)鏈；認(rèn)知無線電；功率控制

0 引 言

隨著武器技術(shù)與信息技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代軍事領(lǐng)域正面臨著一場從“平臺中心戰(zhàn)”到“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”的深刻變革［1］。地空數(shù)據(jù)鏈作為實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的重要信息手段之一，具有很強的戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢。而地空鏈路大容量、高可靠性、網(wǎng)絡(luò)化通信和抗干擾傳輸則是地空數(shù)據(jù)鏈戰(zhàn)術(shù)效能充分發(fā)揮的前提和基礎(chǔ)［2］。然而，無線頻譜資源“匱乏”與無效占用并存的現(xiàn)狀，以及通信電臺發(fā)射功率自動控制、相控陣天線波束成形控制等問題與需求，已嚴(yán)重阻礙了地空數(shù)據(jù)鏈的發(fā)展。認(rèn)知無線電作為一種智能無線通信技術(shù)［3］，為解決未來地空無線通信如何更加合理的使用各種無線資源問題提供了新的思路，可有效推動地空數(shù)據(jù)鏈的快速發(fā)展。

針對這一問題，將認(rèn)知無線電思想引入到地空數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)系統(tǒng)之中，提出了地空認(rèn)知無線通信系統(tǒng)的概念，并重點對地空認(rèn)知無線通信系統(tǒng)的自適應(yīng)功率控制應(yīng)用問題進行了分析和研究。首先從保證通信鏈路的用戶服務(wù)質(zhì)量（QoS）、降低同址干擾、增強抗干擾能力、節(jié)約終端能耗等方面分析了自適應(yīng)功率控制應(yīng)用需求；其次明確了功率控制的典型應(yīng)用場景；最后提出了自適應(yīng)功率控制的總體實現(xiàn)方法，并以聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)JTIDS數(shù)據(jù)鏈為對象分析了功率控制算法、鏈路信噪比感知和切換門限設(shè)置等關(guān)鍵技術(shù)。

1 地空認(rèn)知無線通信系統(tǒng)模型

1.1 基本概念

（1）認(rèn)知無線電

認(rèn)知無線電的概念最早由Joseph Mitola博士于1999年發(fā)表的論文［4］中提出，認(rèn)為認(rèn)知無線電是智能計算和無線通信這兩個學(xué)科交叉融合的產(chǎn)物［5］，它以軟件無線電為平臺，能夠感知周圍的環(huán)境，使用累積理解的方法從周圍環(huán)境中逐步學(xué)習(xí)，通過無線電知識描述語言（RKRL）與通信網(wǎng)絡(luò)進行智能交流，根據(jù)射頻輸入激勵的變化實時改變傳輸參數(shù)，使系統(tǒng)的通信規(guī)則與輸入的射頻激勵相適應(yīng)，確保無論何時何地都可以進行高度可靠的通信和無線頻譜的有效利用?，F(xiàn)今，認(rèn)知無線電的概念也被進一步擴展到認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)，泛指利用認(rèn)知原理來提高各種資源（如頻譜、功率等）使用效率的無線網(wǎng)絡(luò)［6］。

（2）地空認(rèn)知無線通信系統(tǒng)

研究的目的旨在探討利用認(rèn)知無線電技術(shù)解決地空數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)系統(tǒng)中的地空無線通信頻譜資源“匱乏”與無效占用并存，通信電臺發(fā)射功率自動控制，相控陣天線波束成形控制等問題與需求。因此，參照文獻［6］中認(rèn)知無線電的擴展概念，這里定義地空認(rèn)知無線通信系統(tǒng)為采用認(rèn)知原理來提高頻譜、功率等資源使用效率的地空數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)系統(tǒng)。

1.2 系統(tǒng)模型

地空認(rèn)知無線通信系統(tǒng)組成如圖1所示，由圖可知，該系統(tǒng)依托通信組網(wǎng)組成地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡(luò)，使用IP及計算網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)控制中心、地面指揮系統(tǒng)、地面站、空中平臺等組織起來，形成空地一體的指揮控制網(wǎng)絡(luò)。

圖1 地空認(rèn)知無線通信系統(tǒng)組成示意圖

2 自適應(yīng)功率控制應(yīng)用分析

2.1 需求分析

認(rèn)知無線電已成為未來無線通信的重要發(fā)展方向［7］，由于現(xiàn)有頻譜分配與管理策略制約，以及通信終端等相關(guān)硬件技術(shù)限制，實際應(yīng)用特別是軍事應(yīng)用仍多在現(xiàn)有裝備技術(shù)狀態(tài)基礎(chǔ)上，根據(jù)具體需求，針對認(rèn)知無線電的某一項關(guān)鍵技術(shù)進行突破。功率控制作為認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的資源分配技術(shù)之一，在地空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中的重要性尤為突出，主要體現(xiàn)在保證通信鏈路的用戶服務(wù)質(zhì)量（QoS）、降低同址干擾、增強抗干擾能力、節(jié)約終端能耗等方面，如：

（1）保證通信鏈路的用戶服務(wù)質(zhì)量（QoS）。地空數(shù)據(jù)鏈終端節(jié)點的高速移動性造成傳輸鏈路的快速時變，恒定的發(fā)射功率在近場時易造成通信設(shè)備功放的過飽和，遠場時則存在通信效能問題，因此需要對發(fā)射功率進行實時、自適應(yīng)控制。

（2）抑制同頻、互調(diào)，以及鄰頻干擾。地空數(shù)據(jù)鏈具有更加復(fù)雜的電磁環(huán)境，在執(zhí)行多批次出擊、返航任務(wù)時，地面臺站和各機載電臺之間的通信不可避免地存在同頻、鄰頻干擾，以及由非線性電路產(chǎn)生的互調(diào)干擾，嚴(yán)重影響了地空通信系統(tǒng)性能，在保證通信效能的基礎(chǔ)上對發(fā)射功率進行控制既可有效抑制上述干擾的產(chǎn)生。

（3）增強抗干擾能力。在復(fù)雜戰(zhàn)場電磁環(huán)境下，利用自適應(yīng)功率控制技術(shù)，根據(jù)敵方干擾電平的高低自適應(yīng)調(diào)節(jié)發(fā)射功率的大小，敵方干擾信號強則增大發(fā)射功率，敵方干擾信號弱則減小發(fā)射功率，從而保持足夠的信干比，實現(xiàn)敵方干擾有效抑制。

（4）節(jié)約終端設(shè)備能耗。從節(jié)約能耗角度來講，在保證鏈路服務(wù)質(zhì)量的前提下，盡量減小發(fā)射功率，可延長發(fā)射機電池的使用壽命。

2.2 典型應(yīng)用場景

將以地面站發(fā)射功率控制為例對自適應(yīng)功率控制的應(yīng)用場景進行分析，飛機進場飛行場景示意圖如圖2所示。飛機進場飛行時，地空通信信道由直達路徑、地面反射及周圍建筑物、山脈等地物地貌引起的散射路徑組成，綜合考慮空中平臺的快速移動性則地空信道可建模為快時變?nèi)R斯信道，且直達分量功率與散射分量功率之比κ≈15 dB［8］。因此，可近似認(rèn)為機載電臺接收信號功率由直達信號功率決定，即在發(fā)射功率一定時，直達分量路徑損耗為影響接收信號功率大小的主要因素，可表示為［9］

式中，λ為波長；d是發(fā)射機和接收機之間的距離，單位為km；f是頻率，單位為MHz。

由上式可知，路徑損耗僅與信號的傳播距離有關(guān)，其與距離的平方成正比，與波長的平方成反比。因此，飛機進場飛行時，若系統(tǒng)誤碼率指標(biāo)一定，則隨著距離減小，所需發(fā)射功率隨之遞減；類似地，近場起飛時，隨距離的增大，所需發(fā)射功率隨之遞增。為避免進場飛行時出現(xiàn)電臺功放過飽和，以及保證近場起飛時通信鏈路服務(wù)質(zhì)量，需根據(jù)功率需求實時、自適應(yīng)地控制發(fā)射機功率，以實現(xiàn)功率輸出與需求同步。

圖2 飛機進場飛行場景示意圖

3 自適應(yīng)功率控制實現(xiàn)

3.1 總體實現(xiàn)

地空認(rèn)知無線通信系統(tǒng)的自適應(yīng)功率控制總體實現(xiàn)示意圖如圖3所示。由圖可知，地面站接收機載電臺的發(fā)送信號，經(jīng)射頻前端處理為中頻信號輸出至感知模塊，感知模塊利用中頻信號感知鏈路信噪比；分析模塊根據(jù)接收信號頻譜特性及系統(tǒng)誤碼率指標(biāo)設(shè)置信噪比門限；決策模塊綜合鏈路信噪比與切換門限功率控制決策，生成功率控制指令，并通過電臺AGC接口調(diào)整發(fā)送功率。

圖3 地空通信系統(tǒng)自適應(yīng)功率控制總體實現(xiàn)示意圖

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

以JTIDS數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)為對象，簡要分析地空認(rèn)知無線通信系統(tǒng)的自適應(yīng)功率控制應(yīng)用需解決的關(guān)鍵技術(shù)。

（1）功率控制算法

由2.2節(jié)的分析可知，地空認(rèn)知無線通信系統(tǒng)飛機起降場景下地空信道為快衰落信道，這就要求功率控制算法可實時、準(zhǔn)確地跟蹤信道的變化，主要影響因素有：功率調(diào)整的步長、功率控制比特傳輸誤碼率和功率控制時延等［10］。此外，功率控制準(zhǔn)則是指功率控制的基本依據(jù)，從系統(tǒng)穩(wěn)定性方面考慮，可采用信噪比平衡與誤碼率混合準(zhǔn)則，即功率控制準(zhǔn)則選用信噪比平衡準(zhǔn)則，而信噪比切換門限則由系統(tǒng)誤碼率決定。

（2）鏈路信噪比感知算法

地空通信鏈路為快時變多徑信道，因此鏈路信噪比感知需滿足實時性、準(zhǔn)確性，且JTIDS信號為基于TDMA通信結(jié)構(gòu)的軟擴頻最小頻移鍵控（MSK）調(diào)制信號［11］，因此需解決的問題可歸結(jié)為軟擴頻MSK調(diào)制信號在快時變環(huán)境下的接收信噪比估計問題。對于該問題研究，可利用MSK接收信號的周期平穩(wěn)特性，基于有用信號與噪聲不相關(guān)的假設(shè)，分離噪聲與信號功率譜，并利用噪聲功率譜集中于零頻的特點，實現(xiàn)有用信號功率估計，從而有效感知鏈路信噪比，并采用數(shù)據(jù)輔助或疊加訓(xùn)練序列輔助保證感知算法的收斂速度和精度。

（3）切換門限設(shè)置

地空數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)系統(tǒng)具有語音和數(shù)據(jù)兩種通信業(yè)務(wù)類型，研究中應(yīng)依據(jù)系統(tǒng)業(yè)務(wù)類型、用戶需求確定誤碼率指標(biāo)；并根據(jù)衰落信道下MSK調(diào)制方式的最佳接收機性能［11］，建立“最佳信噪比－誤碼率”映射關(guān)系，同時增加一定干擾容限（如：2～3 dB），綜合考慮最佳信噪比和干擾容限設(shè)置功率控制切換門限。

4 結(jié) 語

研究了地空認(rèn)知無線通信系統(tǒng)自適應(yīng)功率控制應(yīng)用問題，在應(yīng)用需求和典型場景分析的基礎(chǔ)上，提出了自適應(yīng)功率控制的總體實現(xiàn)方法，并對功率控制算法、鏈路信噪比感知和切換門限設(shè)置等關(guān)鍵技術(shù)進行了初步分析。本研究僅限于從系統(tǒng)總體實現(xiàn)角度提出了初步方案，有關(guān)地空認(rèn)知無線通信系統(tǒng)的自適應(yīng)功率控制具體實現(xiàn)問題有待后續(xù)研究。

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高 猛（1981—），遼寧海城人，博士／工程師，主要研究方向為多載波系統(tǒng)信道估計、認(rèn)知無線電、地空數(shù)據(jù)鏈；

E+mail：gaomeng0323＠163.com

蔣 圓（1985—），江蘇無錫人，碩士／助理工程師，主要研究方向為通信系統(tǒng)工程；

鄒 ?。?974—），江蘇南京人，工程師，主要研究方向為通信系統(tǒng)工程；

呂憲凡（1982—），云南曲靖人，工程師，主要研究方向為信號分析處理及裝備應(yīng)用研發(fā)。

Analysis on the App lication of Cognitive Radio in Air-ground Data Link System s

GAO Meng1，2，JIANG Yuan3，ZOU Jian1，LV Xian+fan4
（1.The 28th Research Institute of CETC，Nanjing 210007，China；2.Unit93534 of PLA，Tianjin 301700，China；3.Unit92919 of PLA，Zhejiang Ningbo 315020，China；4.Unit78020 of PLA，Kunming 650000，China）

Cognitive Radio is introduced to networking system of air+ground data link，and the air+ground cognitive radio system is defined.Consequently，adaptive power control for air+ground cognitive radio sys+ tems ismainly researched.Firstly，on the base of requirements analysis of adaptive power control，its typ+ ical scenarios are presented.Secondly，conceptual design and implementation of adaptive power control are proposed.Finally，with JTIDS as the research object，the related key technologies are analyzed.

air+ground link；cognitive radio；power control

TN92

：A

：1673+5692（2014）06+571+04

10.3969／j.issn.1673+5692.2014.06.004

2014+10+26

2014+12+12