梁 湲，徐勤建

（海軍指揮學(xué)院信息戰(zhàn)研究系，江蘇南京211800）

認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)在海軍中的應(yīng)用

梁 湲，徐勤建

（海軍指揮學(xué)院信息戰(zhàn)研究系，江蘇南京211800）

首先介紹了認(rèn)知無(wú)線電概念及其主要關(guān)鍵技術(shù)，然后簡(jiǎn)要介紹了認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的研究進(jìn)展及研究熱點(diǎn)，最后探討了認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)在海軍通信、雷達(dá)、聲吶、電子對(duì)抗等方面的應(yīng)用設(shè)想和方法。

認(rèn)知無(wú)線電；頻譜感知；頻譜管理

0 引言

CR也稱為智能無(wú)線電。廣義上來(lái)說(shuō)是指無(wú)線終端具備足夠的智能或者認(rèn)知能力，通過(guò)對(duì)周圍電磁環(huán)境進(jìn)行感知、分析、學(xué)習(xí)、推理和規(guī)劃，檢測(cè)出哪些頻譜資源未被占用以及哪些頻譜資源正在被使用，并利用相應(yīng)結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)整自己的通信傳輸參數(shù)，使用最適合的頻譜資源（包括頻率、調(diào)制方式、發(fā)射功率等）完成無(wú)線傳輸，提高射頻頻譜的利用率。目前，CR得到各界的密切關(guān)注，對(duì)其相關(guān)技術(shù)的研究成為無(wú)線通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，許多針對(duì)CR的重要研究項(xiàng)目已經(jīng)啟動(dòng)。中國(guó)目前也開(kāi)始了CR相關(guān)技術(shù)的研究，但尚屬起步階段。例如，基于CR技術(shù)的抗干擾通信系統(tǒng)能夠自動(dòng)感知所處的電磁環(huán)境，自主選擇可變抗干擾策略，大大提升了電臺(tái)的抗干擾能力［1］。

海軍是一個(gè)高技術(shù)的綜合性軍種，海軍艦艇上有各種無(wú)線通信電子裝備，同時(shí)還有多種雷達(dá)裝備（如預(yù)警雷達(dá)、偵察雷達(dá)、導(dǎo)航雷達(dá)及火控雷達(dá)）、電子對(duì)抗裝備（雷達(dá)對(duì)抗裝備、通信對(duì)抗裝備）等。由于艦艇體積的限制，因此艦艇上布設(shè)的各種電子裝備的電磁兼容，互為干擾、頻譜共享等問(wèn)題尤其突出，CR技術(shù)可為這些問(wèn)題的解決提供一種可行的途徑。本文主要探討海軍通信、電子對(duì)抗、聲吶、雷達(dá)裝備等如何應(yīng)用CR技術(shù)解決這些問(wèn)題的設(shè)想和方法。

1 CR中的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 頻譜感知

借助CR技術(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜接入，首先要解決的問(wèn)題就是如何檢測(cè)頻譜空穴，避免對(duì)授權(quán)用戶的干擾，也就是頻譜感知技術(shù)，感知某個(gè)頻段以判斷該頻段內(nèi)是否有授權(quán)用戶的存在，亦即對(duì)授權(quán)用戶信號(hào)的監(jiān)測(cè)。CR頻譜感知技術(shù)可以分為基于發(fā)射機(jī)的檢測(cè)、合作檢測(cè)、基于干擾溫度的檢測(cè)，如圖1所示。發(fā)射機(jī)檢測(cè)法也稱為非合作檢測(cè)，是基于CR對(duì)授權(quán)用戶發(fā)射機(jī)發(fā)出的微弱信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，包括能量檢測(cè)、匹配濾波器檢測(cè)以及靜態(tài)循環(huán)特征檢測(cè)法。能量檢測(cè)法：準(zhǔn)確度較高、可靠性較好，但干擾溫度較難設(shè)定，不適合弱信號(hào)的檢測(cè)；匹配濾波器法：時(shí)間短、增益大，但是用戶必須知道每一類授權(quán)用戶的各種信息；靜態(tài)循環(huán)特征檢測(cè)法：性能好，能識(shí)別不同調(diào)制方式的信號(hào)，可應(yīng)用于擴(kuò)頻信號(hào)的檢測(cè)，但檢測(cè)量大，檢測(cè)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。

所謂合作檢測(cè)即多個(gè)CR用戶將檢測(cè)到的信息相互合并來(lái)檢測(cè)授權(quán)用戶，可分為中心式和分布式兩種協(xié)同方式。合作檢測(cè)可利用空間分集增益改善感知性能，解決單節(jié)點(diǎn)感知中難以克服的多徑深衰落、陰影衰落和隱終端等難題，同時(shí)也可減輕對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)感知靈敏度的要求，降低實(shí)現(xiàn)成本。但在資源受限制網(wǎng)絡(luò)中，合作檢測(cè)方式會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生負(fù)面影響，而且，此法不能解決由于不知道授權(quán)用戶接收機(jī)位置信息而造成的不確定性這一問(wèn)題。

干擾溫度是美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（（FCC）提出的一個(gè)新概念，它是感知用戶在檢測(cè)出頻帶內(nèi)已有通信的基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)自己的傳輸將對(duì)授權(quán)用戶接收機(jī)產(chǎn)生的干擾。干擾溫度的準(zhǔn)確測(cè)量需要感知用戶對(duì)授權(quán)用戶系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確的定位。只要感知用戶造成的干擾溫度不超過(guò)干擾溫度限，感知用戶通過(guò)調(diào)整自己的參數(shù)（如發(fā)射功率、調(diào)制方式等）就可以使用這個(gè)頻段中的頻譜空洞。但是該方法不能保證對(duì)授權(quán)用戶系統(tǒng)的有力保護(hù)，特別是處于邊緣接收的授權(quán)用戶接收機(jī)就很容易受到感知用戶的干擾。

1.2 頻譜動(dòng)態(tài)分配

CR網(wǎng)絡(luò)中，可用信道的數(shù)量和位置都是隨時(shí)變化的。為提高頻譜利用率，可將一些不規(guī)律和不連續(xù)的頻譜資源進(jìn)行整合，按照一定的公平原則將頻譜資源分配給不同的用戶，實(shí)現(xiàn)資源的合理分配和利用［2］。頻譜分配策略的選擇直接決定系統(tǒng)容量、頻譜利用率以及能否滿足用戶因不同業(yè)務(wù)而不斷變化的需求。頻譜動(dòng)態(tài)分配是認(rèn)識(shí)無(wú)線電的第二個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

CR頻譜分配技術(shù)按性質(zhì)分類如圖2所示。

圖1 頻譜感知技術(shù)的分類

圖2 頻譜分配技術(shù)的分類

特別值得一提的是在集中控制式的頻譜分配研究中，基于圖論的理論研究最具有代表性，而對(duì)于分布協(xié)調(diào)式的頻譜分配，博弈論是運(yùn)用最廣泛的研究手段。研究表明：?jiǎn)渭兊剡M(jìn)行頻譜分配而不考慮其它資源分配或者忽略更多的約束條件，在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中是不太實(shí)際的，且對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能提升也不夠理想。因此，將頻譜分配和其它資源分配相結(jié)合，并從更高的層次來(lái)進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化和設(shè)計(jì)，是認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中頻譜分配研究的新方向，如結(jié)合功率控制的頻譜分配和結(jié)合頻譜感知的頻譜分配等。

1.3 功率控制和頻譜管理

采用CR技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻譜共享的前提是必須保證對(duì)授權(quán)用戶不造成干擾，而每個(gè)分布式操作的認(rèn)知用戶的功率分配是造成干擾的主要原因，認(rèn)知用戶必須控制其發(fā)射功率，避免給其它授權(quán)用戶造成干擾。因此，功率控制和頻譜管理是CR的又一關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)于兩個(gè)用戶（單個(gè)認(rèn)知用戶與授權(quán)用戶）共享頻譜時(shí)，將測(cè)量到的授權(quán)用戶接收機(jī)信號(hào)的本地信噪比近似認(rèn)為認(rèn)知用戶與授權(quán)用戶間的距離，從而相應(yīng)地調(diào)整認(rèn)知用戶的發(fā)射功率和頻譜管理，此方法可實(shí)現(xiàn)在保證授權(quán)用戶不受有害干擾的前提下“貪婪”地增加認(rèn)知用戶的發(fā)送功率。

對(duì)于多址CR系統(tǒng)，一般主要應(yīng)用信息論和對(duì)策論來(lái)解決其功率控制的難題。目前主流的方法是采用Markov對(duì)策進(jìn)行分析解決，另一種方法是基于信息論的迭代注水法，迭代注水法更適用于多用戶環(huán)境。

2 CR技術(shù)研究進(jìn)展及熱點(diǎn)

從1999年Mitola博士首次提出CR的概念以來(lái)，CR技術(shù)得到了迅速發(fā)展，眾多研究機(jī)構(gòu)、項(xiàng)目組織相繼展開(kāi)了這方面的研究。

目前CR的研究熱點(diǎn)主要集中在以下幾個(gè)方面：

1）高靈敏度接收機(jī)，實(shí)際中為了保護(hù)授權(quán)用戶，一般要求認(rèn)知用戶接收機(jī)靈敏度要高于授權(quán)用戶；

2）智能信息處理技術(shù)，CR技術(shù)本身包含了很多智能信息處理的內(nèi)容，包括對(duì)頻譜感知結(jié)果的分析處理、授權(quán)用戶存在與否的有效判決、信道狀態(tài)估計(jì)、發(fā)射功率分配、頻譜資源分配等；

3）可重配置的硬件平臺(tái)；

4）組網(wǎng)應(yīng)用，CR設(shè)備本身己經(jīng)是復(fù)雜的智能通信系統(tǒng)，多個(gè)CR的組網(wǎng)將會(huì)變得更為復(fù)雜。

3 CR技術(shù)在海軍中的應(yīng)用

3.1 CR在海軍通信中的應(yīng)用

在信息化海戰(zhàn)場(chǎng)條件下，各種電子設(shè)備在有限的海域內(nèi)密集開(kāi)設(shè)，使得頻譜資源異常緊張。因此，戰(zhàn)場(chǎng)頻譜的有效管理是一個(gè)非常突出的問(wèn)題，而目前普遍采用的靜態(tài)固定頻譜分配的方式已成為復(fù)雜電磁環(huán)境下頻譜高效使用的瓶頸。這種頻譜分配方法不僅導(dǎo)致頻譜資源利用效率較低，而且也容易產(chǎn)生系統(tǒng)內(nèi)部的互相干擾。

具有認(rèn)知能力的無(wú)線通信系統(tǒng)應(yīng)該是解決上述問(wèn)題的重要途徑。首先，實(shí)時(shí)分析通信覆蓋海域的頻譜環(huán)境，自適應(yīng)地調(diào)整系統(tǒng)的用頻策略，避免與己方的用頻裝備產(chǎn)生自相干擾，從而可以縮短系統(tǒng)部署前的頻譜規(guī)劃與協(xié)調(diào)時(shí)間。其次，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和識(shí)別敵方的干擾信號(hào)，針對(duì)不同的干擾方式，綜合采用時(shí)域、頻域和空域等多種智能抗干擾措施，靈活地調(diào)整通信波形參數(shù)，適應(yīng)戰(zhàn)場(chǎng)惡劣電磁環(huán)境，從而提高通信網(wǎng)絡(luò)的生存能力和通信效能。

CR技術(shù)在海軍戰(zhàn)術(shù)通信中有廣泛的應(yīng)用前景，比如：

1）智能跳頻電臺(tái)［3］。傳統(tǒng)跳頻電臺(tái)的跳頻圖案是固定的，很難根據(jù)電磁環(huán)境的狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，因此傳統(tǒng)的跳頻抗干擾方式是具有一定盲目性的“硬抗”。為進(jìn)一步提高跳頻通信抗干擾性能和頻譜使用效率，跳頻電臺(tái)可以采用基于干擾檢測(cè)和退避的自適應(yīng)跳頻通信技術(shù)，利用空閑信道掃描和通信鏈路質(zhì)量分析等方法，通過(guò)檢測(cè)各個(gè)信道的受干擾情況，控制收發(fā)信機(jī)改變跳頻圖案，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的智能跳頻。

2）動(dòng)態(tài)頻譜資源管理與調(diào)度。為解決頻譜缺乏和系統(tǒng)部署困難的問(wèn)題，美國(guó)DARPA于2003年啟動(dòng)了下一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)（XG）項(xiàng)目，目標(biāo)是開(kāi)發(fā)“機(jī)會(huì)式”頻譜接入技術(shù)和機(jī)器可理解的頻譜政策框架，即實(shí)現(xiàn)頻譜接入的靈活性和用頻政策的靈活性。通過(guò)實(shí)時(shí)感知電磁環(huán)境的狀態(tài)，CR通信系統(tǒng)能夠調(diào)整工作參數(shù)，有效利用頻譜機(jī)會(huì)，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)隨時(shí)隨地的高可靠通信，以及靈活、高效、自動(dòng)化的頻譜協(xié)調(diào)與調(diào)度。

3.2 在雷達(dá)中的應(yīng)用

認(rèn)知這個(gè)概念最早來(lái)源于CR，2006年美國(guó)科學(xué)家Haykins將認(rèn)知引入到了雷達(dá)上，提出了認(rèn)知雷達(dá)的概念，并逐漸發(fā)展為認(rèn)知雷達(dá)網(wǎng)。

認(rèn)知雷達(dá)能不斷地感知周圍的環(huán)境，利用它與環(huán)境不斷交互實(shí)時(shí)得到的知識(shí)，不斷地調(diào)整它的接收機(jī)和發(fā)射機(jī)，自適應(yīng)地探測(cè)遠(yuǎn)程目標(biāo)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，認(rèn)知雷達(dá)就是一種能夠根據(jù)環(huán)境的變化，以豐富的閱歷來(lái)處理從環(huán)境感知到的信號(hào)，相應(yīng)地調(diào)整傳輸波形和傳輸參數(shù)的雷達(dá)，它自適應(yīng)地與其他傳感器融合，以共享偵察信息。

CR的頻譜分配技術(shù)在認(rèn)知雷達(dá)中應(yīng)用時(shí)，相當(dāng)于雷達(dá)是一個(gè)授權(quán)用戶。在CR檢測(cè)出可用信道進(jìn)行頻譜分配時(shí)，能充分考慮到對(duì)雷達(dá)中無(wú)線電波的干擾影響，在不影響雷達(dá)信號(hào)傳輸?shù)幕A(chǔ)上，還能很好地進(jìn)行對(duì)認(rèn)知用戶的頻譜分配。

另外，通過(guò)頻譜感知技術(shù)實(shí)時(shí)探測(cè)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的頻譜分布，檢測(cè)頻譜空穴，利用功率控制和頻譜管理技術(shù)，選取最有利的雷達(dá)發(fā)射信號(hào)頻率，使得目標(biāo)的回波不受或少受干擾，提高認(rèn)知雷達(dá)的探測(cè)距離和目標(biāo)的分辯能力。同時(shí)，通過(guò)實(shí)時(shí)快速感知干擾信號(hào)的頻譜，快速改變認(rèn)知雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的頻率，可以提高雷達(dá)的抗干擾能力，消除或減小敵方電子干擾設(shè)備對(duì)我雷達(dá)的干擾。

3.3 在聲吶中的應(yīng)用

聲吶適用的工作頻率在幾k Hz到幾十k Hz范圍，其工作頻率范圍很窄。由于船舶噪音、海浪、混響、各種魚(yú)類的聲波也主要集中在此頻段，因此，聲吶工作時(shí)的環(huán)境噪聲非常大，聲吶在海況較差尤其是在近海工作時(shí)，其探測(cè)距離非常有限，而且，目標(biāo)回波信號(hào)與噪聲或假目標(biāo)信號(hào)也難以區(qū)分。若能通過(guò)頻譜感知技術(shù)實(shí)時(shí)探測(cè)水下的噪聲頻譜分布，檢測(cè)頻譜空穴，利用功率控制和頻譜管理技術(shù)，選取最有利聲吶探測(cè)的發(fā)射信號(hào)的頻率，使得目標(biāo)的回波受到噪聲的干擾最小，則可以提高聲吶的探測(cè)距離和目標(biāo)的分辯能力。同時(shí)，在聲吶受到水聲對(duì)抗器材的嚴(yán)重干擾時(shí)，可通過(guò)實(shí)時(shí)快速感知干擾信號(hào)的頻譜，快速改變聲吶發(fā)射信號(hào)的頻率，提高聲吶的抗干擾能力，消除或減小敵方水聲對(duì)抗設(shè)備的干擾。

3.4 在電子對(duì)抗中的應(yīng)用

電子對(duì)抗的傳統(tǒng)做法是首先通過(guò)戰(zhàn)場(chǎng)無(wú)線電檢測(cè)，偵察戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境，然后將偵察到的情況通過(guò)戰(zhàn)役通信網(wǎng)傳達(dá)給電子對(duì)抗部隊(duì)，由擔(dān)任電子對(duì)抗任務(wù)的部隊(duì)實(shí)施干擾。這種方式不僅需要大量的人力物力，而且需要擔(dān)任電磁環(huán)境偵察和電子對(duì)抗的部隊(duì)密切配合。因此，從偵察到實(shí)施干擾的周期較長(zhǎng)，容易貽誤戰(zhàn)機(jī)。CR通過(guò)感知戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜特性，能夠快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行敵我識(shí)別?？梢砸贿呥M(jìn)行電磁頻譜偵察，一邊快速釋放或躲避干擾，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)無(wú)線電所不具備的電子對(duì)抗能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

CR在軍事上具有巨大的應(yīng)用價(jià)值，可以極大地提高戰(zhàn)時(shí)頻譜管理能力和通信網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力，同時(shí)賦予通信網(wǎng)絡(luò)全方位的電磁環(huán)境感知能力。隨著CR技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，軍用CR將把戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境感知、通信、指控融于一體，構(gòu)建出未來(lái)的通信、偵察、指揮一體化系統(tǒng)，引導(dǎo)軍事通信裝備的新一輪變革。同時(shí)，采用CR技術(shù)，可以提高聲吶、雷達(dá)的抗干擾能力，提升其發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的距離，還可以提升電子對(duì)抗裝備的偵察能力和電子對(duì)抗能力。CR技術(shù)必將在海軍的無(wú)線通信、雷達(dá)、聲吶及電子對(duì)抗領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景?！?/p>

［1］ 楊保平，陳永光，肖野，等.基于認(rèn)知無(wú)線電的通信抗干擾技術(shù)［J］.火力與指揮控制，2012（8）：137-140.

［2］ 王忠思，黃輝，于爽.認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)及其在軍事通信上的應(yīng)用［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2009（7）：125-126.

［3］ 張建軍，姜艷，馬玲玲.認(rèn)知無(wú)線電對(duì)通信對(duì)抗裝備建設(shè)的啟示［J］.無(wú)線電通信技術(shù)，2009（4）：47-49 .

Research on cognitive radio in naval applications

1iang Yuan，Xu Qinjian
（Dept.of Information Warfare Studies，Naval Command College，Nanjing 211800，Jiangsu，China）

The concept of CR and its primary key technology are introduced，and then the development progress of CR and its research focus are introduced.1astly the predominance of CR application about naval communications，radar，sonar and electron countermine are analyzed.

cognitive radio（CR）；spectrum sensing；spectrum management

TN98

A

2015-03-13；2015-06-02修回。

梁湲（1964-），男，講師，碩士，主要研究方向?yàn)樾畔?duì)抗技術(shù)。