美军动态频谱接入装备实现方式及启示

蒋超智++吴皓

【摘 要】频谱资源的日益稀缺和低利用率使得各国都在探讨新的频率使用技术和频谱管理方式，动态频谱接入等新技术逐渐成为研究热点，因此主要研究了美军动态频谱接入装备的各种实现方式，包括对传统电台的改造，对软件定义电台的软件升级以及对新型电台的研制，并分析其发展特点，为我军开展动态频谱接入装备研制提供参考。

【关键词】动态频谱接入 电台 美军

1 引言

电磁频谱对无线通信及相关业务及其重要，当前的频率管理以预规划和静态频率分配为主，很难满足电磁频谱急剧增长的需求。如果频谱管理不做重大变革，无论是商用、军用还是民用的无线业务增长都将面临严重的削弱。尤其在海外，当面临拥挤电磁频谱时，美军的用频设备、装备及系统将在作战性能方面遭遇重大损失，而通过动态频谱接入（DSA，Dynamic Spectrum Access），就可以使频谱管理从当前的静态频谱管理转换成动态的频谱管理。通过动态频谱接入，用频设备、装备及系统就可以根据相关政策、频谱可用性、传播环境和应用性能参数等标准动态地改变它们的参数，以适应频谱接入。

因此，对于我军开展动态频谱接入装备研制来说，动态频谱接入装备如何实现非常重要，本文接下来将对美军动态频谱接入装备实现方式进行探讨。

2 美军动态频谱接入装备的实现方式

美国国防部开展了多个项目来研究动态频谱接入技术，如DARPA neXt Generation（XG）和Wireless Network After Next（WNAN）。通过动态频谱接入，单个或多部电台能够在任意时刻，根据信号活动情况，选择性使用频率信道。

对于动态频谱接入功能的实现，美军根据电台的具体情况，主要采用以下三种方式来实现：1）研制全新的动态频谱接入功能军用电台；2）对现有的军用软件定义电台通过软件更改来实现动态频谱接入；3）在现有军用电台（特别是非软件定义电台）的基础上增加软/硬件插件来实现动态频谱接入。DARPA WNAN[1]计划采用的是第一种方法，研制新型电台；DARPA XG[2]计划采纳的是第二种方法，通过修改电台软件来增加动态频谱接入协议和感知能力。对于传统的电台，主要采用增加相应硬件/软件感知装置，通过集成形成具有动态频谱接入功能电台。

2.1 WNAN项目的动态频谱接入实现

DARPA的WNAN网络是一个能满足未来作战无线通信需求，具有高容量、高度可扩展性、健壮、自组织的多跳无线网络。它采用了基于策略的动态频谱接入、分布式动态频率指配、容中断路由等新技术以满足当前及未来的军事需求。WNAN采用Raytheon BBN公司的网络软件、Cobham公司的硬件与固件。WNAN电台具有4个收发信道，工作在900 MHz—4 GHz的频率范围，采用90 kbit/s～2 Mbit/s的自适应传输速率，每个通道的输出功率为1 W[3]。

其中的动态频谱接入（DSA）模块大体上将频谱

划分为可能使用的（possible）、允许使用的（allowed）

和已使用的（used）。图1显示了这些频率集间的关系。

可能使用的频谱集是根据外部策略，在一个特定的时间和地点可以令人信服地使用的频率集合；允许使用的频谱集包括正在感知而且感知后认为可用，属于由非合作者使用的频率；已使用的频谱集指实际上被指配使用的信道，不断地在允许使用的频谱集和少量的可能使用的频谱集上实施感知，以便在由于频谱策略发生变化或非合作者出现时，从允许使用的频率表中移除一些频率，而从可能使用的频率集中寻找可替代的频率。

动态频谱接入模块负责使用频谱策略推理，确定哪个频段可以使用、在这些频段上所需的感知时间、对感知的结果进行识别、将可用频率列表提供给媒体接入控制（MAC）模块进行频率指配。媒体接入控制模块在现有频段上不断寻找非合作者（例如非WNAN节点、可能的首要/传统用户），基于时间和地理的策略进行重新评估，当频率发生变化时，更新可用的频率表给媒体接入控制模块。媒体接入控制模块本身负责确定频率指配、频率回收以及网络重构。

WNAN系统可以在存在非合作者干扰的情况下运行，在它们影响到用户应用之前，通过感知避开这些干扰[4]。WNAN的体系结构中包含存储策略、解释策略的“策略一致性推理机”，在选择和使用频率时遵从既定的策略，从感知中获取依据，确定频率是否可用。策略推理机使用网络本体语言（OWL）描述它的本体，使得多个策略可以装载到WNAN。电台可以对各种策略进行自动结合和排序，从而确定哪些频率在多个策略下允许使用。

2.2 软件定义电台的动态频谱接入实现

对于各种采用不同硬件平台和网络协议的软件定义电台，共享频谱公司（Shared Spectrum Company）实现了一个通用的动态频谱接入（DSA）组件，采用基于策略的自主动态频谱接入模式，主要流程如图2所示[5]。

在感知阶段，主要获取节点的位置、时间和策略等信息，同时根据需求对所处的电磁环境进行监测，对链路状态进行监控，收集射频环境和节点链路的实时动态信息[6]。

在分析阶段，对收集的节点的位置、时间、策略以及外部电磁干扰感知结果数据和链路状态信息进行综合分析处理，完成电磁环境特征和链路性能评估，为频谱决策提供依据。

在决策阶段，根据用频策略和电磁环境实时状态以及链路性能的评估结果，进行系统用频的推理决策，决定工作频率、模式以及发射功率等參数，以适应电磁环境的动态变化，保持用频设备的正常工作，同时不对周围的其他用户产生干扰。

最后在执行阶段，根据用频推理产生的结果，进行电台工作频率、模式以及发射功率等参数的设置，使电台可以避开电磁干扰，保持正常通信状态。

动态频谱接入组件的组成包括动态频谱接入策略模块、带有信号检测器和识别器的动态频谱接入信道模块以及动态频谱接入网络模块，如图3所示。endprint

动态频谱接入（DSA）策略控制模块主要对频谱接入控制策略进行处理，频谱接入策略可以是简单分配的频率范围，也可以是由策略语言编写复杂的规则。频谱接入策略一般由频谱规划产生，可通过授权网络或其他方式下载到电台中。频谱策略组件根据电台当前的地理位置、时间、所处电磁环境的频谱知识以及与邻近节点信息交互的结果进行推理，从而进行频谱机会决策[7]。

动态频谱接入（DSA）信道模块进行频谱检测器管理，执行频谱检测和频谱识别，存储并统计分析处理频谱感知信息，主要进行可用频率表、DSA频率表、非DSA信道表以及空闲频率表的维护。可用频率表指当前允许发射的频率范围；DSA频率表指当前DSA电台及网络使用的频率；非DSA频率表指当前被其它非DSA电台使用的频率；空闲频率表指当前没有被使用的频率。

动态频谱接入（DSA）网络模块主要负责DSA网络节点间的信息交互，发现所处位置周围的其他DSA电台，通过与其他DSA电台协商在它们公共空闲的、DSA可用的频率中选择工作频率。另外，DSA网络组件也负责进入或离开一个地理区域时进入和退出DSA网的工作。

动态频谱接入（DSA）组件采用模块化设计[8]，根据目标电台已有的功能和硬件平台的资源，可对以上DSA模块进行任意的灵活组合。对于资源充足的平台可集成所有的模块，而对于能力较弱的平台可减少一些在板模块或进行模块简化。

动态频谱接入（DSA）包括两个级别接口，上层的接口是与用户应用的接口，通过接口允许用户进行频谱接入控制策略的更新和监控电台DSA的性能，包括增加、删除、激活和解除频谱接入控制策略功能。下层的接口是与底层软件无线电（SCA）波形功能组件的接口，包括与物理层、MAC层以及网络层波形组件的接口，通过下层接口，DSA组件可以实现与MAC层共享信道进行频谱感知、完成与其它电台信息交互、更改电台的相关工作参数以及获取链路性能的状态信息等功能[9]。

2.3 基于对传统电台改造的动态频谱接入实现

对传统电台通过增加硬件或软件插件，使之能够以动态频谱接入方式工作，其目的是使广大军事用户既获得了动态频谱接入的优势，同时又能够使现役电台继续发挥作用。这种方法能够花费较少开支便提升传统电台作战使用性能。多数情况下，由于传感与信道切换方面的速度限制，电台/插件组合在性能方面不如新型电台及具备动态频谱接入能力的软件定义电台，然而相对于传统工作方式其性能已有显著提升。

美军以AN/PRC-117F电台（如图4所示）为原型，采用了两种方式来实现动态频谱接入改造。一种方式是增加带有控制处理器的外部频谱感知器装置，另一种方式是增加外部处理器，控制电台获取接收信号强度指示（RSSI）取代频谱传感器。

（1）传感器-处理器实现方式

传感器-处理器实现方式是通过增加带有控制处理器的外部频谱感知器装置来实现AN/PRC-117F电台[9]的动态频谱接入功能，如图5所示。

频谱传感器由天线、预选滤波器、低噪声放大器和下变频器组成，这些器件和处理器构成了硬件插件。在采样过程中，基带信号被定时数字化，并且电台发射机被禁用，以保证只存在主用户的信号。感知的频谱进行了信道划分，在每个采样周期，根据门限值来判断每个信道中是否存在信号。

检测完毕后，立即检查电台当前工作信道是否存在主用户的信号。如果存在，通过电台的遥控接口停用其“请求传送”（RTS）功能，信道被以最快的速度释放。值得注意的是，第二用户电台的传输在进行频谱检测时即被禁用，这种禁用状态将持续到传感器确认信道空闲并重新起用“请求传送”（RTS）。

感知周期必须足够短以使所有主用户的信号尽可能少受干扰。如果主用户的信号刚好出现在感知周期之后，那么在下一个感知周期之前传感插件将无法检测到（假设主用户一直处于发射状态）。在原型样机中，选择每秒进行一次感知，即使在极端情况下，第二用户对主用户的干扰也不会超过1 s。

当第二用户释放了信道后，需要尽快地选择一个新的信道并建立通信。信道的选择主要考虑在最近的频谱采样中没有出现主用户的信号以及预计的频谱空闲持续时间。如果所有的信道都被占用，电台将保持“请求传送”（RTS）的关闭状态直到出现可用信道。

在信道选择过程中，第二用户电台间通过维护一组共同的信道统计，使两个电台可以做出共同的选择并切换到相同的信道上。选择准则是所有节点间预计的频谱空闲持续时间最大的信道。

AN/PRC-117F电台通过串口输出收到的数据，供外部处理器搜索并找出来自其他电台的预计空闲寿命数据包。处理器保存网络中每个电台最新的信道预计空闲寿命数据，脱网电台的数据被认为不再精确而予以丢弃。

一旦信道选择完毕后，处理器即控制电台切换到指定的频率或该频率对应的网络，通信开始，接下來周而复始地开展感知、释放、空闲统计生成、信道选择等活动。

（2）纯处理器实现方式

纯处理器实现方式是通过增加外部处理器来实现AN/PRC-117F电台的动态频谱接入功能，如图6所示：

纯处理器插件方式通过向电台发送指令，获取信号强度指示（RSSI）。电台通过对相关信道进行扫描接收获知其活动情况，处理器再根据干扰门限判别每个信道是否被占用，接下来进行与传感器-处理器方式相同的空闲持续时间分析处理。处理器必须支持与AN/PRC-117电台间的控制和数据接口，要求能够控制、配置电台，并能够与其他同样的电台传递预计寿命数据包。

这种的方式优势在于可以做得更小，便于携带，但同时也存在频谱传感速度较慢、精度较差等缺点。

3 美军动态频谱接入装备发展的启示

从以上的阐述可以看出，在动态频谱接入的实现方式上，美军根据各种不同的实际情况采取相应的技术手段与方法。对于传统的电台，在不改动其硬件与固件的条件下，通过增加外置的频谱感知与频谱管理模块实现动态频谱接入功能；对于软件定义电台，设计了一个模块化的通用动态频谱接入组件，可根据现有软件定义电台的已有功能和计算资源等情况，选择相应的动态频谱接入组件模块集成到软件电台中实现动态频谱接入功能。在其下一代通信项目（DARPA XG）和WNAN（Wireless Network After Next）中，采用全新的软硬件统一设计，以达到更高性能的DSA能力[11]。endprint

在动态频谱接入实现的机制原理与方法上，也根据各种不同的情况与条件，采用了不同模式。对于现役的传统电台，主要采用基于频管系统的集中式动态接入模式。在这种模式中，频管系统作为系统的管控中心，它收集系统各个节点的频谱感知数据，监视着每条链路的状态，对频谱感知、网络链路状态等信息进行集中分析处理，并由此决策是否改变系统的工作频率、带宽和功率等参数。

对于软件定义电台以及XG通信项目和WNAN网络的动态频谱接入电台，则是采用分布式基于策略的动态频谱接入模式。基于策略的分布式动態频谱接入将频谱的决策从频谱管理中心移至用频设备端，频谱管理者只给出用频策略，用频设备根据所处的电磁环境和用频策略约束进行具体的用频决策和执行活动。其频谱决策过程采用自主的方式，是一种无中心扁平化模式，使频谱决策更加迅速。

未来动态频谱接入必将向着认知无线电方向发展，具有更强的频谱感知能力，能对积累的大量频谱信息进行数据挖掘，寻找其中的特征规律；能具备很强的学习和推理能力，能很好地理解所处的外部环境，实时调整其内部配置，以适应外部无线环境的变化，达到认知地按需频谱接入。

4 结束语

本文以美军动态频谱接入装备实现为切入点，研究了其各种实现方式，包括研制新型动态频谱接入电台，对软件定义电台的软件升级以及对传统电台的改造，并分析其各自特点，为我军进一步开展动态频谱接入装备研制提供了思路。

参考文献：

[1] DARPA. DARPA WNAN Program[EB/OL]. [2017-06-27]. http：//www.darpa.mil/STO/strategic/wireless.html.

[2] DARPA. DARPA XG Program[EB/OL]. [2017-06-27]. http：//www.darpa.mil/sto/smallunitops/xg.html.

[3] REDI J， RAMANATHAN R. The DARPA WNAN network architecture[C]//2011 IEEE Military Communications Conference（MILCOM11）. Baltimore： IEEE Pub， 2011： 2258-2263.

[4] MARSHALL P. DARPA Progress Towards Affordable， Dense， and Content Focused Tactical Edge Networks[C]//Military Communications Conference. IEEE， 2008： 1-7.

[5] OODA. The OODA loop（for observe， orient， decide， and act）[EB/OL]. （2017-06-25）[2017-06-27]. http：//en.wikipedia.org/wiki/OODA_loop.

[6] 高建成，吴玉勋. 复杂电磁环境下的水面舰船频谱管理技术研究[J]. 移动通信， 2016，40（16）： 42-47.

[7] F Perich， M McHenry. Policy-based Spectrum Access Control for Dynamic Spectrum Access Network Radios[J]. Journal of Web Semantics： Science， Services and Agents on the World Wide Web， 2009，7（1）： 21-27.

[8] F Perich. Policy-based Network Management for NeXt Generation Spectrum Access Control[C]//IEEE DySPAN. 2007.

[9] SONG Q J， HAN Y N. A centre controlled strategy for adaptive spectrum access[C]//Environmental Electromagnetics， The 2006 4th Asia-pacific conference. 2006： 771-774.

[10] Harris Corporation. AN/PRC 117F ASCII Remote Control Port Interface Control Document[Z]. 2005.

[11] 王艳聪，胡中豫，王江浩. 美军XG动态频谱接入系统建设及对我军发展的启示[J]. 现代军事通信， 2010，18（2）： 21-25. ★endprint