认知无线电技术在卫星通信中的应用研究

王小雄

摘要：文章详细介绍了卫星通信技术特点，认知无线电技术应用情况、系统资源分配技术模型等；基于OFDMA多址接入方式；分析了认知无线电技术在卫星通信系统中的应用状况；对认知无线电卫星通信系统模型算法进行了设计。

关键词：认知无线电；卫星通信；OFDMA多址接入；模型算法

随着超大规模集成电路研发成功以及模块化可编程技术的成熟应用，认知无线电平台广泛采用超大规模集成元件、数字电路、模块化可编程等技术，通信能力也向多频带、多模式、多功能等方面延伸。

1认知无线电卫星通信体系结构原理

卫星认知无线电技术原理在于能够实现特定频段的探测，一旦探测到空闲频谱，可以不干扰主用户通信状态下利用主用户使用的频段，只要主用户在该频段恢复通信，认知无线电设备会及时跳转频段，或者对传输功率进行调整，改变通信调制方式等等方法，消除对频段主用户的通信干扰。认知无线电卫星通信利用认知循环技术可以通过感知获取的信息进行分析，合理选择接入子信道，实时调整自身通信参数来满足通信要求。无线电认知循环的原理如图1所示。认知无线电卫星通信的认知循环原理是通过频谱感知获取认知用户对自身周边的无线通信环境的感知信息，综合分析可用信道的特征参数，结合一些约束条件（如用户需求）等，及时筛选最佳的接入通信的空闲信道，实现频谱决策，接入最佳空闲信道，并选择有效功率实现通信，从而实现知无线电在无线通信环境下的交互。

2认知无线电技术在卫星通信系统中的应用

2.1应用状况分析

动态频谱环境下，卫星通信频段多集中在4 GHz以上。而卫星移动通信系统作为一种典型的通信系统，依然存在频谱资源实际利用率低等困难。基于此，认知无线电系统可以利用很多“闲置”频谱，通过循环感知和动态频谱接入技术充分利用这些“空闲”信道重新构建新的业务信道，在该频段实现免授权接入；而且无线电卫星系统可利用位置感知技术，检测地面站的工作状态，节省地球站地面站发射功率，减少干扰。

经过半个多世纪的研究发展，卫星通信成为社会经济发展不可缺少的技术装备，人们对于卫星通信系统的功能及可靠性要求也日益提高。卫星通信系统在欧美国家以及中国、俄罗斯等国家应用极为广泛，应用在军事、航海、民航、通信、海事搜索等很多领域。卫星通信系统通常包括地面控制中心、在轨通信卫星、用户终端系统。地面控制中心对通信卫星工作状态进行监测，对通信信号质量进行分析，根据分析情况对相应卫星的工作状态进行必要的调整；实现对在轨通信卫星进行管理、控制和在轨维护，保证在轨卫星按指令正确运行并提供通信服务信息。用户通过接收端的各种装置接收通信卫星提供的各种信息功能服务。地面控制中心可以实现卫星的发射功率调整、覆盖区范围调整、星上软件的加载、卸载、参数重置、服务功能选择、通信及时控制等，有效地保证了卫星通信的安全性、灵活性、可靠性、针对性。

近年来，随着认知无线电技术以及智能化组网技术和电子技术的快速发展，卫星通信系统可靠性、智能性得到进一步提升。未来，认知无线电技术在卫星通信系统中频谱利用，自适应调整、星上信號重构、星座自主运行等方面技术将逐步运用。

2.2认知无线电系统资源分配技术模型

认知无线电最基本需求是在较大频率范围内，为用户提供满足需求的容限能力范围内的通信网络能力，提前感知用户需求网络范围的环境。同时，认知无线电所有设置可以在某一个时间段，某一个需求地点对通信频域进行有效判别，感知通信空闲频段，为次要用户提供有效频段利用空间：在有效频段内的感知过程，还可以有效监控监测时段内的其他合法有效用户的通信介入需求，协调次要用户合理退出占用的频段资源，减少或者有效解决对通信主要用户的干扰。因此，认知无线电感知技术通过对频段的监测，有效解决一级用户干扰问题，合理有效利用频谱资源具有重要的地位作用，应用前景比较广阔。

现有的频谱感知技术分类如图2所示，单认知用户频谱感知是指单个认知无线电节点根据本地的无线射频环境进行频谱检测；协作感知则是通过数据融合，将基于多个节点的感知结果进行综合判决。

2.3功率频谱协同分配

在认知无线电系统中，需要充分考虑设定的主用户干扰门限，并通过一定算法提高从用户最有效的传输功率。本文提出了功率频谱协同分配算法，对功率和频谱分配方案进行优化求解，在粒子群迭代过程中不断优化频谱和功率的分配方式。本文中，认知无线电系统采用基于OFDMA多址接入方式，系统由主用户网络和从用户网络组成，从用户网络包括一个认知基站和M个从用户。

2.4通信卫星发射功率联合控制

卫星通信过程，用户发射的入站信号功率和出站信号功率容易受到波射吸收、星地距离、天气状况、天线角度等影响。利用地面卫星基站对入站和出站信号功率进行联合检测和控制，对于地面出站信号的发射功率，卫星转发器的增益进行及时调整，有助于消除影响，保证用户在最佳状态接收信息服务。

另外，卫星通过地面联合功率检测控制，可以自主改变卫星系统内的各设备单机功耗，实时控制通信信号发射功率，降低卫星自身耗电，保证卫星自身供电安全，提高卫星系统工作的可靠性及效率。

3结语

经过半个多世纪的研究发展，卫星通信成为社会经济发展不可缺少的技术装备，人们对于认知卫星通信系统的功能及可靠性要求也日益提高。卫星通信系统在军事、航海、民航、通信、海事搜索等领域应用日益广泛。未来随着无线电认知技术以及智能技术不断成熟，卫星通信功能更加齐全、便捷高效、安全。