认知无线电技术在海军中的应用

梁 湲，徐勤建

（海军指挥学院信息战研究系，江苏南京211800）

认知无线电技术在海军中的应用

梁 湲，徐勤建

（海军指挥学院信息战研究系，江苏南京211800）

首先介绍了认知无线电概念及其主要关键技术，然后简要介绍了认知无线电技术的研究进展及研究热点，最后探讨了认知无线电技术在海军通信、雷达、声呐、电子对抗等方面的应用设想和方法。

认知无线电；频谱感知；频谱管理

0 引言

CR也称为智能无线电。广义上来说是指无线终端具备足够的智能或者认知能力，通过对周围电磁环境进行感知、分析、学习、推理和规划，检测出哪些频谱资源未被占用以及哪些频谱资源正在被使用，并利用相应结果动态调整自己的通信传输参数，使用最适合的频谱资源（包括频率、调制方式、发射功率等）完成无线传输，提高射频频谱的利用率。目前，CR得到各界的密切关注，对其相关技术的研究成为无线通信领域研究的热点，许多针对CR的重要研究项目已经启动。中国目前也开始了CR相关技术的研究，但尚属起步阶段。例如，基于CR技术的抗干扰通信系统能够自动感知所处的电磁环境，自主选择可变抗干扰策略，大大提升了电台的抗干扰能力［1］。

海军是一个高技术的综合性军种，海军舰艇上有各种无线通信电子装备，同时还有多种雷达装备（如预警雷达、侦察雷达、导航雷达及火控雷达）、电子对抗装备（雷达对抗装备、通信对抗装备）等。由于舰艇体积的限制，因此舰艇上布设的各种电子装备的电磁兼容，互为干扰、频谱共享等问题尤其突出，CR技术可为这些问题的解决提供一种可行的途径。本文主要探讨海军通信、电子对抗、声呐、雷达装备等如何应用CR技术解决这些问题的设想和方法。

1 CR中的关键技术

1.1 频谱感知

借助CR技术实现动态频谱接入，首先要解决的问题就是如何检测频谱空穴，避免对授权用户的干扰，也就是频谱感知技术，感知某个频段以判断该频段内是否有授权用户的存在，亦即对授权用户信号的监测。CR频谱感知技术可以分为基于发射机的检测、合作检测、基于干扰温度的检测，如图1所示。发射机检测法也称为非合作检测，是基于CR对授权用户发射机发出的微弱信号进行检测，包括能量检测、匹配滤波器检测以及静态循环特征检测法。能量检测法：准确度较高、可靠性较好，但干扰温度较难设定，不适合弱信号的检测；匹配滤波器法：时间短、增益大，但是用户必须知道每一类授权用户的各种信息；静态循环特征检测法：性能好，能识别不同调制方式的信号，可应用于扩频信号的检测，但检测量大，检测时间相对较长。

所谓合作检测即多个CR用户将检测到的信息相互合并来检测授权用户，可分为中心式和分布式两种协同方式。合作检测可利用空间分集增益改善感知性能，解决单节点感知中难以克服的多径深衰落、阴影衰落和隐终端等难题，同时也可减轻对单个节点感知灵敏度的要求，降低实现成本。但在资源受限制网络中，合作检测方式会对网络产生负面影响，而且，此法不能解决由于不知道授权用户接收机位置信息而造成的不确定性这一问题。

干扰温度是美国联邦通信委员会（（FCC）提出的一个新概念，它是感知用户在检测出频带内已有通信的基础上预测自己的传输将对授权用户接收机产生的干扰。干扰温度的准确测量需要感知用户对授权用户系统进行准确的定位。只要感知用户造成的干扰温度不超过干扰温度限，感知用户通过调整自己的参数（如发射功率、调制方式等）就可以使用这个频段中的频谱空洞。但是该方法不能保证对授权用户系统的有力保护，特别是处于边缘接收的授权用户接收机就很容易受到感知用户的干扰。

1.2 频谱动态分配

CR网络中，可用信道的数量和位置都是随时变化的。为提高频谱利用率，可将一些不规律和不连续的频谱资源进行整合，按照一定的公平原则将频谱资源分配给不同的用户，实现资源的合理分配和利用［2］。频谱分配策略的选择直接决定系统容量、频谱利用率以及能否满足用户因不同业务而不断变化的需求。频谱动态分配是认识无线电的第二个关键技术。

CR频谱分配技术按性质分类如图2所示。

图1 频谱感知技术的分类

图2 频谱分配技术的分类

特别值得一提的是在集中控制式的频谱分配研究中，基于图论的理论研究最具有代表性，而对于分布协调式的频谱分配，博弈论是运用最广泛的研究手段。研究表明：单纯地进行频谱分配而不考虑其它资源分配或者忽略更多的约束条件，在认知网络中是不太实际的，且对整个网络的性能提升也不够理想。因此，将频谱分配和其它资源分配相结合，并从更高的层次来进行联合优化和设计，是认知网络中频谱分配研究的新方向，如结合功率控制的频谱分配和结合频谱感知的频谱分配等。

1.3 功率控制和频谱管理

采用CR技术实现频谱共享的前提是必须保证对授权用户不造成干扰，而每个分布式操作的认知用户的功率分配是造成干扰的主要原因，认知用户必须控制其发射功率，避免给其它授权用户造成干扰。因此，功率控制和频谱管理是CR的又一关键技术。对于两个用户（单个认知用户与授权用户）共享频谱时，将测量到的授权用户接收机信号的本地信噪比近似认为认知用户与授权用户间的距离，从而相应地调整认知用户的发射功率和频谱管理，此方法可实现在保证授权用户不受有害干扰的前提下“贪婪”地增加认知用户的发送功率。

对于多址CR系统，一般主要应用信息论和对策论来解决其功率控制的难题。目前主流的方法是采用Markov对策进行分析解决，另一种方法是基于信息论的迭代注水法，迭代注水法更适用于多用户环境。

2 CR技术研究进展及热点

从1999年Mitola博士首次提出CR的概念以来，CR技术得到了迅速发展，众多研究机构、项目组织相继展开了这方面的研究。

目前CR的研究热点主要集中在以下几个方面：

1）高灵敏度接收机，实际中为了保护授权用户，一般要求认知用户接收机灵敏度要高于授权用户；

2）智能信息处理技术，CR技术本身包含了很多智能信息处理的内容，包括对频谱感知结果的分析处理、授权用户存在与否的有效判决、信道状态估计、发射功率分配、频谱资源分配等；

3）可重配置的硬件平台；

4）组网应用，CR设备本身己经是复杂的智能通信系统，多个CR的组网将会变得更为复杂。

3 CR技术在海军中的应用

3.1 CR在海军通信中的应用

在信息化海战场条件下，各种电子设备在有限的海域内密集开设，使得频谱资源异常紧张。因此，战场频谱的有效管理是一个非常突出的问题，而目前普遍采用的静态固定频谱分配的方式已成为复杂电磁环境下频谱高效使用的瓶颈。这种频谱分配方法不仅导致频谱资源利用效率较低，而且也容易产生系统内部的互相干扰。

具有认知能力的无线通信系统应该是解决上述问题的重要途径。首先，实时分析通信覆盖海域的频谱环境，自适应地调整系统的用频策略，避免与己方的用频装备产生自相干扰，从而可以缩短系统部署前的频谱规划与协调时间。其次，实时监测和识别敌方的干扰信号，针对不同的干扰方式，综合采用时域、频域和空域等多种智能抗干扰措施，灵活地调整通信波形参数，适应战场恶劣电磁环境，从而提高通信网络的生存能力和通信效能。

CR技术在海军战术通信中有广泛的应用前景，比如：

1）智能跳频电台［3］。传统跳频电台的跳频图案是固定的，很难根据电磁环境的状态进行调整，因此传统的跳频抗干扰方式是具有一定盲目性的“硬抗”。为进一步提高跳频通信抗干扰性能和频谱使用效率，跳频电台可以采用基于干扰检测和退避的自适应跳频通信技术，利用空闲信道扫描和通信链路质量分析等方法，通过检测各个信道的受干扰情况，控制收发信机改变跳频图案，实现自适应的智能跳频。

2）动态频谱资源管理与调度。为解决频谱缺乏和系统部署困难的问题，美国DARPA于2003年启动了下一代无线网络（XG）项目，目标是开发“机会式”频谱接入技术和机器可理解的频谱政策框架，即实现频谱接入的灵活性和用频政策的灵活性。通过实时感知电磁环境的状态，CR通信系统能够调整工作参数，有效利用频谱机会，实现战场随时随地的高可靠通信，以及灵活、高效、自动化的频谱协调与调度。

3.2 在雷达中的应用

认知这个概念最早来源于CR，2006年美国科学家Haykins将认知引入到了雷达上，提出了认知雷达的概念，并逐渐发展为认知雷达网。

认知雷达能不断地感知周围的环境，利用它与环境不断交互实时得到的知识，不断地调整它的接收机和发射机，自适应地探测远程目标。简单地说，认知雷达就是一种能够根据环境的变化，以丰富的阅历来处理从环境感知到的信号，相应地调整传输波形和传输参数的雷达，它自适应地与其他传感器融合，以共享侦察信息。

CR的频谱分配技术在认知雷达中应用时，相当于雷达是一个授权用户。在CR检测出可用信道进行频谱分配时，能充分考虑到对雷达中无线电波的干扰影响，在不影响雷达信号传输的基础上，还能很好地进行对认知用户的频谱分配。

另外，通过频谱感知技术实时探测战场电磁环境的频谱分布，检测频谱空穴，利用功率控制和频谱管理技术，选取最有利的雷达发射信号频率，使得目标的回波不受或少受干扰，提高认知雷达的探测距离和目标的分辩能力。同时，通过实时快速感知干扰信号的频谱，快速改变认知雷达发射信号的频率，可以提高雷达的抗干扰能力，消除或减小敌方电子干扰设备对我雷达的干扰。

3.3 在声呐中的应用

声呐适用的工作频率在几k Hz到几十k Hz范围，其工作频率范围很窄。由于船舶噪音、海浪、混响、各种鱼类的声波也主要集中在此频段，因此，声呐工作时的环境噪声非常大，声呐在海况较差尤其是在近海工作时，其探测距离非常有限，而且，目标回波信号与噪声或假目标信号也难以区分。若能通过频谱感知技术实时探测水下的噪声频谱分布，检测频谱空穴，利用功率控制和频谱管理技术，选取最有利声呐探测的发射信号的频率，使得目标的回波受到噪声的干扰最小，则可以提高声呐的探测距离和目标的分辩能力。同时，在声呐受到水声对抗器材的严重干扰时，可通过实时快速感知干扰信号的频谱，快速改变声呐发射信号的频率，提高声呐的抗干扰能力，消除或减小敌方水声对抗设备的干扰。

3.4 在电子对抗中的应用

电子对抗的传统做法是首先通过战场无线电检测，侦察战场电磁环境，然后将侦察到的情况通过战役通信网传达给电子对抗部队，由担任电子对抗任务的部队实施干扰。这种方式不仅需要大量的人力物力，而且需要担任电磁环境侦察和电子对抗的部队密切配合。因此，从侦察到实施干扰的周期较长，容易贻误战机。CR通过感知战场电磁频谱特性，能够快速、准确地进行敌我识别。可以一边进行电磁频谱侦察，一边快速释放或躲避干扰，实现传统无线电所不具备的电子对抗能力。

4 结束语

CR在军事上具有巨大的应用价值，可以极大地提高战时频谱管理能力和通信网络的抗干扰能力，同时赋予通信网络全方位的电磁环境感知能力。随着CR技术的进一步发展，军用CR将把战场环境感知、通信、指控融于一体，构建出未来的通信、侦察、指挥一体化系统，引导军事通信装备的新一轮变革。同时，采用CR技术，可以提高声呐、雷达的抗干扰能力，提升其发现目标的距离，还可以提升电子对抗装备的侦察能力和电子对抗能力。CR技术必将在海军的无线通信、雷达、声呐及电子对抗领域有着广阔的应用前景。■

［1］ 杨保平，陈永光，肖野，等.基于认知无线电的通信抗干扰技术［J］.火力与指挥控制，2012（8）：137-140.

［2］ 王忠思，黄辉，于爽.认知无线电技术及其在军事通信上的应用［J］.四川兵工学报，2009（7）：125-126.

［3］ 张建军，姜艳，马玲玲.认知无线电对通信对抗装备建设的启示［J］.无线电通信技术，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，讲师，硕士，主要研究方向为信息对抗技术。