认知无线电技术在地空数据链系统中的应用浅析

高 猛，蒋 圆，邹 健，吕宪凡

（1.中国电子科技集团公司第二十八研究所，南京 210007；2.中国人民解放军93534部队，天津 301700；3.中国人民解放军92919部队，浙江宁波 315020；4.中国人民解放军78020部队，昆明 650000）

认知无线电技术在地空数据链系统中的应用浅析

高 猛1，2，蒋 圆3，邹 健1，吕宪凡4

（1.中国电子科技集团公司第二十八研究所，南京 210007；2.中国人民解放军93534部队，天津 301700；3.中国人民解放军92919部队，浙江宁波 315020；4.中国人民解放军78020部队，昆明 650000）

将认知无线电思想引入到地空数据链组网系统中，提出了地空认知无线通信系统的概念，并重点探讨了地空认知无线通信系统的自适应功率控制应用。在自适应功率控制需求分析的基础上，明确了功率控制的典型应用场景，提出了自适应功率控制的总体实现方法，并以JTIDS数据链为对象分析了其关键技术的解决方案。

地空数据链；认知无线电；功率控制

0 引 言

随着武器技术与信息技术的飞速发展，现代军事领域正面临着一场从“平台中心战”到“网络中心战”的深刻变革［1］。地空数据链作为实现网络中心战的重要信息手段之一，具有很强的战术优势。而地空链路大容量、高可靠性、网络化通信和抗干扰传输则是地空数据链战术效能充分发挥的前提和基础［2］。然而，无线频谱资源“匮乏”与无效占用并存的现状，以及通信电台发射功率自动控制、相控阵天线波束成形控制等问题与需求，已严重阻碍了地空数据链的发展。认知无线电作为一种智能无线通信技术［3］，为解决未来地空无线通信如何更加合理的使用各种无线资源问题提供了新的思路，可有效推动地空数据链的快速发展。

针对这一问题，将认知无线电思想引入到地空数据链组网系统之中，提出了地空认知无线通信系统的概念，并重点对地空认知无线通信系统的自适应功率控制应用问题进行了分析和研究。首先从保证通信链路的用户服务质量（QoS）、降低同址干扰、增强抗干扰能力、节约终端能耗等方面分析了自适应功率控制应用需求；其次明确了功率控制的典型应用场景；最后提出了自适应功率控制的总体实现方法，并以联合战术信息分发系统JTIDS数据链为对象分析了功率控制算法、链路信噪比感知和切换门限设置等关键技术。

1 地空认知无线通信系统模型

1.1 基本概念

（1）认知无线电

认知无线电的概念最早由Joseph Mitola博士于1999年发表的论文［4］中提出，认为认知无线电是智能计算和无线通信这两个学科交叉融合的产物［5］，它以软件无线电为平台，能够感知周围的环境，使用累积理解的方法从周围环境中逐步学习，通过无线电知识描述语言（RKRL）与通信网络进行智能交流，根据射频输入激励的变化实时改变传输参数，使系统的通信规则与输入的射频激励相适应，确保无论何时何地都可以进行高度可靠的通信和无线频谱的有效利用。现今，认知无线电的概念也被进一步扩展到认知无线网络，泛指利用认知原理来提高各种资源（如频谱、功率等）使用效率的无线网络［6］。

（2）地空认知无线通信系统

研究的目的旨在探讨利用认知无线电技术解决地空数据链组网系统中的地空无线通信频谱资源“匮乏”与无效占用并存，通信电台发射功率自动控制，相控阵天线波束成形控制等问题与需求。因此，参照文献［6］中认知无线电的扩展概念，这里定义地空认知无线通信系统为采用认知原理来提高频谱、功率等资源使用效率的地空数据链组网系统。

1.2 系统模型

地空认知无线通信系统组成如图1所示，由图可知，该系统依托通信组网组成地面传输网络，使用IP及计算网络技术将网络控制中心、地面指挥系统、地面站、空中平台等组织起来，形成空地一体的指挥控制网络。

图1 地空认知无线通信系统组成示意图

2 自适应功率控制应用分析

2.1 需求分析

认知无线电已成为未来无线通信的重要发展方向［7］，由于现有频谱分配与管理策略制约，以及通信终端等相关硬件技术限制，实际应用特别是军事应用仍多在现有装备技术状态基础上，根据具体需求，针对认知无线电的某一项关键技术进行突破。功率控制作为认知无线电系统中的资源分配技术之一，在地空数据链系统中的重要性尤为突出，主要体现在保证通信链路的用户服务质量（QoS）、降低同址干扰、增强抗干扰能力、节约终端能耗等方面，如：

（1）保证通信链路的用户服务质量（QoS）。地空数据链终端节点的高速移动性造成传输链路的快速时变，恒定的发射功率在近场时易造成通信设备功放的过饱和，远场时则存在通信效能问题，因此需要对发射功率进行实时、自适应控制。

（2）抑制同频、互调，以及邻频干扰。地空数据链具有更加复杂的电磁环境，在执行多批次出击、返航任务时，地面台站和各机载电台之间的通信不可避免地存在同频、邻频干扰，以及由非线性电路产生的互调干扰，严重影响了地空通信系统性能，在保证通信效能的基础上对发射功率进行控制既可有效抑制上述干扰的产生。

（3）增强抗干扰能力。在复杂战场电磁环境下，利用自适应功率控制技术，根据敌方干扰电平的高低自适应调节发射功率的大小，敌方干扰信号强则增大发射功率，敌方干扰信号弱则减小发射功率，从而保持足够的信干比，实现敌方干扰有效抑制。

（4）节约终端设备能耗。从节约能耗角度来讲，在保证链路服务质量的前提下，尽量减小发射功率，可延长发射机电池的使用寿命。

2.2 典型应用场景

将以地面站发射功率控制为例对自适应功率控制的应用场景进行分析，飞机进场飞行场景示意图如图2所示。飞机进场飞行时，地空通信信道由直达路径、地面反射及周围建筑物、山脉等地物地貌引起的散射路径组成，综合考虑空中平台的快速移动性则地空信道可建模为快时变莱斯信道，且直达分量功率与散射分量功率之比κ≈15 dB［8］。因此，可近似认为机载电台接收信号功率由直达信号功率决定，即在发射功率一定时，直达分量路径损耗为影响接收信号功率大小的主要因素，可表示为［9］

式中，λ为波长；d是发射机和接收机之间的距离，单位为km；f是频率，单位为MHz。

由上式可知，路径损耗仅与信号的传播距离有关，其与距离的平方成正比，与波长的平方成反比。因此，飞机进场飞行时，若系统误码率指标一定，则随着距离减小，所需发射功率随之递减；类似地，近场起飞时，随距离的增大，所需发射功率随之递增。为避免进场飞行时出现电台功放过饱和，以及保证近场起飞时通信链路服务质量，需根据功率需求实时、自适应地控制发射机功率，以实现功率输出与需求同步。

图2 飞机进场飞行场景示意图

3 自适应功率控制实现

3.1 总体实现

地空认知无线通信系统的自适应功率控制总体实现示意图如图3所示。由图可知，地面站接收机载电台的发送信号，经射频前端处理为中频信号输出至感知模块，感知模块利用中频信号感知链路信噪比；分析模块根据接收信号频谱特性及系统误码率指标设置信噪比门限；决策模块综合链路信噪比与切换门限功率控制决策，生成功率控制指令，并通过电台AGC接口调整发送功率。

图3 地空通信系统自适应功率控制总体实现示意图

3.2 关键技术

以JTIDS数据链系统为对象，简要分析地空认知无线通信系统的自适应功率控制应用需解决的关键技术。

（1）功率控制算法

由2.2节的分析可知，地空认知无线通信系统飞机起降场景下地空信道为快衰落信道，这就要求功率控制算法可实时、准确地跟踪信道的变化，主要影响因素有：功率调整的步长、功率控制比特传输误码率和功率控制时延等［10］。此外，功率控制准则是指功率控制的基本依据，从系统稳定性方面考虑，可采用信噪比平衡与误码率混合准则，即功率控制准则选用信噪比平衡准则，而信噪比切换门限则由系统误码率决定。

（2）链路信噪比感知算法

地空通信链路为快时变多径信道，因此链路信噪比感知需满足实时性、准确性，且JTIDS信号为基于TDMA通信结构的软扩频最小频移键控（MSK）调制信号［11］，因此需解决的问题可归结为软扩频MSK调制信号在快时变环境下的接收信噪比估计问题。对于该问题研究，可利用MSK接收信号的周期平稳特性，基于有用信号与噪声不相关的假设，分离噪声与信号功率谱，并利用噪声功率谱集中于零频的特点，实现有用信号功率估计，从而有效感知链路信噪比，并采用数据辅助或叠加训练序列辅助保证感知算法的收敛速度和精度。

（3）切换门限设置

地空数据链组网系统具有语音和数据两种通信业务类型，研究中应依据系统业务类型、用户需求确定误码率指标；并根据衰落信道下MSK调制方式的最佳接收机性能［11］，建立“最佳信噪比－误码率”映射关系，同时增加一定干扰容限（如：2～3 dB），综合考虑最佳信噪比和干扰容限设置功率控制切换门限。

4 结 语

研究了地空认知无线通信系统自适应功率控制应用问题，在应用需求和典型场景分析的基础上，提出了自适应功率控制的总体实现方法，并对功率控制算法、链路信噪比感知和切换门限设置等关键技术进行了初步分析。本研究仅限于从系统总体实现角度提出了初步方案，有关地空认知无线通信系统的自适应功率控制具体实现问题有待后续研究。

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［5］MITOLA J，Cognitive Radio：An Integrated Agent Archi+ tecture for Software Defined Radio［D］.Ph.D.Disserta+ tion，Stockholm：Royal Inst.Technology，2000.

［6］FITZEK F H P，KATZ M D，Cognitive Wireless Net+ works［M］.Springer，2007.

［7］杨小牛.从软件无线电到认知无线电，走向终极无线电——无线通信发展展望［J］.中国电子科学研究院学报，2008，3（1）：1+7.

［8］ERIC HASS.Aeronautical Channel Modeling［J］.IEEE Trans.on Vehicular Technology，2002，51（2）：254+ 264.

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［11］张宏欣，王永斌，刘宏波.衰落信道下JTIDS系统的误码性能研究及仿真［J］.火力与指挥控制，2013，38（10）：145+148.

高 猛（1981—），辽宁海城人，博士／工程师，主要研究方向为多载波系统信道估计、认知无线电、地空数据链；

E+mail：gaomeng0323＠163.com

蒋 圆（1985—），江苏无锡人，硕士／助理工程师，主要研究方向为通信系统工程；

邹 健（1974—），江苏南京人，工程师，主要研究方向为通信系统工程；

吕宪凡（1982—），云南曲靖人，工程师，主要研究方向为信号分析处理及装备应用研发。

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