基于认知无线电的军用抗干扰电台的设计

何春虎 郭 强 孟 宓

（1.重庆通驰科技有限公司，中国 重庆 400039；2.重庆通信学院，中国 重庆 400035；3.重庆电讯职业学院，中国 重庆 402247）

0 引言

在信息化条件下的战争中，获取信息优势是战争胜负的关键。由于战争的突发性和战场的移动性，无线通信无疑成为最主要的通信方式。但随着军用无线通信网络规模的不断扩大，可用频谱资源变得越来越稀缺。美国联邦通信委员会 (FCC，Federal Communications Commission)的大量研究发现：当前频谱的利用情况极不平衡，一些非授权频段占用拥挤，而有些授权频段则经常空闲[1]。来自美国国家无线电网络研究实验床(NRNRT，National Radio Network Research Testbed)项目的一份测量报告表明：3GHz以下频段的平均频谱利用率仅有5.2%[2]。因而，频谱利用率低的问题日益成为制约军用无线通信性能提高的瓶颈。

认知无线电(CR，Cognitive Radio)[3]作为一种智能频谱共享技术，能够依靠人工智能的支持，感知无线通信环境，根据一定的学习和决策算法，实时自适应地改变系统工作参数，动态的检测和有效地利用空闲频谱，理论上允许在时间、频率以及空间上进行多维的频谱复用。近些年，国内外认知无线电的军事应用情况表明，该技术不仅为解决频谱利用率低的问题提供了有效途径，而且对电子对抗带来了新的挑战和机遇，比将促进通信对抗装备的快速发展。

1 认知无线电基础理论

1.1 认知无线电的定义

自1999年“软件无线电之父”Joseph Mitola博士首次提出了认知无线电的概念并系统地阐述了其基本原理以来，不同的机构和学者从不同的角度给出了认知无线电的定义，其中比较有代表性的包括FCC和著名学者Simon Haykin教授的定义。FCC认为“认知无线电是能够基于对其工作环境的交互改变发射机参数的无线电”[4]。Simon Haykin则从信号处理的角度出发，认为“认知无线电是一个智能无线通信系统，它能够感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，通过实时改变某些操作参数(比如传输功率、载波频率和调制技术等)，使其内部状态适应接收到的无线信号的统计性变化，以达到任何时间、任何地点的高度可靠通信和对频谱资源的有效利用的目的”[5]。该定义较好地兼顾了数字信号处理、网络、人工智能和计算机软硬件实现，在该定义基础上提出的认知环模型（如图1）也能较好地反映认知无线电的概念和内涵。

其中，“策略决策”将特征提取数据作为依据，综合了频谱管理中心分配的频谱资源、业务需求等信息，在决策库中选出最佳通信方案并予以“实施”。

1.2 认知无线电的主要技术特点

认知无线电的关键技术主要包括：频谱感知检测技术、自适应传输技术、频谱资源管理技术(包括频谱分析和决定等)[6]，这些关键技术构成了CR技术体系框架，决定了CR具有以下技术特点，见表1。

1.3 认知无线电的基本原理

基于认知无线电的无线电通信系统不是工作在一个固定的频段上，而是能自动搜索一个合适的频段并在该频段上进行通信，并具有环境感知和传输参数自适应修改的功能。通过对环境的理解实时改变和调整它的内部状态，适应外部无线环境的变化，从而实现频谱共享，动态的增加网络和个人用户的可用频谱总数，为频谱分配提供了一个可行的解决方案。基于CR的通信网络中基本通信运行流程如图2所示。通信节点通过环境感知模块感知周围环境的频谱信息、通过误码监测获得通信质量信息；通过认知信息获取、传递与综合分析和决策处理，确定通信频率、速率和波形等通信参数捷变策略，并形成信令传递到各节点，实现通信网络的自适应调整。

图1 环境认知环模型

表1 认知无线电的技术特点

图2 基于CR的通信网络基本通信运行流程

2 认知无线电在军事通信领域的应用优势

2.1 增加通信系统容量

无线频谱短缺的问题，不仅在民用领域比较突出，在军用领域也是如此。尤其是在现代战争条件下，多种电子设备在有限的地域内密集开设，使得频谱资源异常紧张。近些年，随着民用无线电设备的更新换代和用户数量的急剧增加，对频谱的需求也越来越多。一些国家的技术组织已经申请将部分军用频谱划归民用。这一动向无疑将进一步加剧军用无线电频谱资源短缺的问题。而CR能够动态利用频谱资源，理论上可使频谱利用率提高数十倍。因此，即便是部分采用CR，也能较大幅度增加整个通信系统的容量。

2.2 提高频谱管理效率

目前，战场频谱管理基本都采用固定频率分配的形式进行战场频谱分配。然而，从实战情况来看这种方案是不完全成功的。一方面，这种分配方案不但导致频谱资源利用率较低，而且容易导致系统内部或者友军之间互相产生电磁干扰；另一方面，这种分配方案需要在战斗开始前花费大量的时间进行频谱规划；此外，通信频率一旦确定，在战斗状态下，无论发生什么情况都无法更改。因此，固定频谱分配方案难以适应瞬息万变的战场形势。CR能够对所处区域的战场电磁环境进行感知，对所需带宽和频谱的有效性进行自动检测。因此借助CR可以快速完成频谱资源的分配，在通信过程中还可以自动调整通信频率。不仅提高了组网的速度，而且提高了整个通信系统的电磁兼容能力。

2.3 提升系统抗干扰能力

抗干扰能力是现代战争条件下衡量通信设备的一项重要指标，也是取得战争胜利的重要保障。传统的信道抗干扰技术主要包括扩频、跳频、跳时以及由此衍生出的相关技术。CR不但具有以上抗干扰能力，还具有位置感知技术，与数字波束形成技术结合，通过调整波束方向，来抑制干扰，并能够降低发射功率，提高抗截获能力。CR具有先进的机器学习能力，能够对干扰进行学习和分析，使其能够选择合适的抗干扰策略(选择合适的通信信道、调制方式、发送功率、跳频图案等)对干扰进行主动规避。此外，由于CR的工作频段很宽，也加大了干扰的难度。

3 基于认知无线电的军用抗干扰电台的设计

3.1 基于认知无线电的通信抗干扰设备实现的可行性分析

由于认知无线电赋予电台对周围环境的感知能力，因此能够提取出干扰信号的特征，进而可以根据电磁环境感知信息、干扰信号特征以及通信业务的需求选取合适的抗干扰通信策略，大大提升电台的抗干扰水平。例如：进行短报文通信业务，可采用在安静（空闲）频率上进行猝发通信的策略；当敌方采用扫频式干扰时，可采用更换通信频率集进行抗干扰的策略；当敌方采用跟踪式干扰时，可采用变速跳频的抗干扰策略；如果敌方采用分布式干扰，可将不同通信节点对干扰信号的感知结果进行分析汇总，进而重构出敌方的干扰分布，采取转发、协同通信等抗干扰策略。

通过分析可知，具有频谱感知能力的认知无线电完全能够通过感知无线环境来检测敌方的干扰，同时自动对认知无线电节点自身的发射参数进行调整，所以将认知无线电应用于通信设备实现抗干扰通信功能具有理论上的可行性。

3.2 基于认知无线电的军用抗干扰电台系统架构设计

基于认知无线电技术的军用抗干扰电台系统架构如图3所示，主要由通信设备和认知设备组成。

图3 军用抗干扰电台架构示意图

军用抗干扰电台架构中通信设备包括编解码、调制解调、上下变频和功放滤波等处理功能，认知设备包括频谱感知、认知决策、人工智能机器学习、频谱动态分配和自适应参数调整等功能。认知设备是该架构的核心，通过对环境信息的分析、学习、判决和决策，自适应地调整系统的通信参数（如工作频率、传输速率、编码方式和调制体制等），以适应外部战场环境的变化。

3.3 基于认知无线电的军用抗干扰电台的模块化结构设计

基于认知无线电技术的军用抗干扰电台将通信与电磁环境感知综合在一起，每一部电台即是感知节点也是通信节点。电台内部的策略管理模块可根据策略管理中心分配的资源来确定通信策略，同时军用抗干扰电台利用先进的机器学习能力，对干扰进行学习和分析，从而获得各地区的电磁环境信息，不仅为策略决策中心提供更实时准确的战场环境信息，也有助于策略管理模块选择最合适的抗干扰策略。与传统的无线电台相比，军用抗干扰电台的根本区别就是策略管理、电磁环境感知模块以及机器学习模块包含在每部电台中，因而可以及时地评估战场电磁环境态势，由电台本身或策略决策中心决定最佳通信策略。军用抗干扰电台的模块化结构设计如图4所示。

图4 军用抗干扰电台的模块化结构

其中，电磁环境感知模块能够探测侦察电台周围的电磁环境并进行信号特征提取；机器学习模块实现了对周围环境和自我工作状态（当前通信信道、调制方式、发送功率、跳频图案等）的认知；策略管理模块将根据提取的信号特征、策略管理中心分配的资源及通信业务需求实施灵活的策略管理。

由于军用抗干扰电台同时具备电磁环境感知能力和通信能力，实现了电磁环境感知和通信的一体化，不仅有效解决了频率资源利用率低的问题，还提升了通信的抗干扰性能，同时赋予通信网络以全方位的电磁环境感知能力。

4 结论

近几年来，认知无线电技术的军事应用得到了快速发展。然而，它还面临诸多挑战，还需要解决许多问题。

4.1 目前对认知无线电的军用应用研究仍处于初级阶段，大部分停留在物理层，如何设计并实现符合军用标准适用于战场电磁环境的认知无线电台还有待进一步解决。

4.2 在现代战争条件下，战场环境比较复杂，多种电子设备在有限的地域内密集开设，如何使认知无线电网络更加智能化，更加符合军事通信的特点和要求，还需要进一步研究。

4.3 军用认知无线电台的经济化、小型化。认知无线电台生产成本高昂，无法在短时间内大规模装备部队。未来战场瞬息万变，在数字化的背景下更加要求认知无线电台的小型化、低功耗设计，从而更好地推广到单兵。

由于认知无线电技术的军事应用尚不成熟，需要解决的问题远非局限于上述几种情况。相信随着对认知无线电技术研究的不断深入，认知无线电将把战场环境感知、通信、指挥控制综合在一起，构建出未来的通信、侦察、指挥一体化系统，引导军事通信装备实现新一轮变革。

［1］P.Kolodzy.Spectrum Policy Task Force：Findings and Recommendations[C]//International Symposium on Advanced Radio Technologies(ISART).2003,3.

［2］M.McHenry.Report on Spectrum Occupancy Measurements.Shared Spectrum Company[OL].Available：http：//www.sharedspectrum.com/?section=nsf_summary.

［3］S.Haykin.Cognitive Radio：Brain-Empowered Wireless Communications[J].IEEE JSAC,2005,2,23(2).

［4］FCC,Facilitating Opportunities for Flexible,Efficient and Reliable Spectrum Use Employing Cognitive Radio Technologies[Z].ET Docket No.2003：322.

［5］Simon Haykin.Cognitive Radio：Brain-Empowered Wireless Communications [J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2005,23(2)：201-220.

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