认知无线电技术在电磁频谱管理中的应用探讨

杨春、潘兆平

（同方电子科技有限公司,江西九江,332000）

随着我国通信行业的持续发展，无线电技术逐渐被应用到军事通信、航空航天、移动通信、交通运输、医疗卫生等多个领域，在促进我国社会经济发展，保障国家安全等各方面起到了较大的积极影响作用。然而在我国人民享受无线电所带来的便利同时，无线电频谱资源的稀缺及其污染问题对我国无线电的发展起到了较大的阻碍，甚至出现了较明显的频谱需求矛盾问题，给电磁频谱管理工作带来了较大挑战。为实现电磁频谱管理的目标，使频谱资源的利用率得到有效提高，有必要对认知无线电及其在电磁频谱管理中的应用进行分析，进而找出更好的办法使电磁频谱管理水平得到有效提高，使频谱利用率得到有效提升，为我国电磁频谱管理的进步和发展奠定良好基础。

1 认知无线电技术

认知无线电也被称之为CR，在认知无线电技术的应用过程中，该技术体现出认知能力和重配置能力等两个特点。

■1.1 认知无线电技术的认知能力

一个完整的认知循环包括了频谱感知、频谱分析及频谱决策等几个方面。就频谱感知方面来说，这是CR进行频谱管理工作的重要前提，主要就是通过感知CR找到空域、时域及频域的频谱空穴信息，对授权用户的再次出现进行感知，进而完成主动规避。就频谱分析方面来说，其主要目的就是频谱空穴特征进行仔细描述，为信道的选择提供更加可靠的依据，进而使用户的频带需求得到充分满足。就频谱决策方面来说，主要就是结合频谱感知和频谱分析的结果，根据用户的需求及决策准则进行优化，确定用户的通信标准及工作参数，进而选择最适合的信号传输方式，以及最优的发射时间及发射功率[1]。

■1.2 认知无线电技术的重配置能力

在信号传输过程中，通过认知无线电技术所具备的重配置能力，能够在硬件组件不变的情况下，对操作参数进行有效调整，使频谱资源的利用更具有合理性及科学性。就目前来看，信号传输过程中可重新配置的参数包括了发射功率、工作频谱、调制方法及通信技术等等，充分发挥认知无线电技术的重配置能力，能够有效提高频谱资源的利用率，为用户选择更加可靠的信道，对保障信号传输质量有着较好的积极影响作用[2]。总之，将认知无线电技术应用到电磁频谱管理中，是提高频谱资源利用率，解决频谱资源供需冲突问题的重要措施，需要结合系统建设情况对其进行合理运用，使电磁频谱管理水平得到有效提高。

2 认知无线电在电磁频谱管理中的应用

■2.1 电磁频谱管理的基本过程

在采用认知无线电进行电磁频谱管理的时候，首先就要认识到CR网络都是由CR用户所组成的，与传统的授权网络存在较大区别，不能将传统的静态频率分配方式应用到CR网络的电磁频谱管理中[3]。由于电磁环境的变化较频繁，CR节点监测到的空闲频谱也存在较大变化，当用户使用需求出现变化时，对空闲频谱的使用需求也就随之改变。同时，想要实现自适应动态频谱的分配，就必须要打破传统标准、接入协议及政策的约束，使电磁频谱管理更加灵活。此外，基于认知无线电技术的电磁频谱管理，也可以称之为频谱分配，能够在发射端实现对无线环境的实时探测，并根据探测结果对频谱资源进行评价，确定可用的频谱资源，进而按照相关规定对频谱资源进行合理分配和共享，使频谱资源的利用率得到有效提高[4]。

(1)在应用认知无线电进行电磁频谱管理的时候，各个CR用户都可以利用频谱感知技术对电磁环境进行检测，便于找出时域、空域和频域上的空闲频谱，根据相关要求和规定对其进行合理利用，使空闲频谱得到充分利用，有效提高频谱资源的利用率。

(2)在应用认知无线电进行电磁频谱管理的时候，可以利用信道容量及频谱分析对空闲频谱的特征进行分析，便于找到能够充分满足用户使用需求的空闲频谱，进而在特定范围内对频谱信息进行共享[5]。

(3)在空闲频谱的检测和分析工作结束之后，就需要根据服务质量的需求，制定科学的频谱决策。首先，需要为用户选择良好的频谱，确定信息传输模式、信号调制方式、可接受的误码率、传输延迟限度、传输数据速率及传输带宽等等。其次，需要根据频谱分配策略，为CR用户提供最优的频谱。

(4)通过用户发射端对发射功率进行控制，并在此基础上，建立完整的通信。一旦出现使用中的空闲频谱被干扰，无法满足用户使用需求的时候，或是授权用户再次出现的时候，就需要及时切换频谱，以此确保通信的正常进行。

■2.2 传统频谱管理网系与CR网络频谱管理

2.2.1 传统频谱管理网系

根据传统频谱管理网系的建设情况来看，其中包括了频谱探测网、频谱监测网、频谱管理数据库、用频装备监测系统及频谱管理指挥控制系统等多个部分。其中频谱监测网作为我国军事频谱管理网系的重要支撑网，其主要任务就是负责测量和分析无线环境中电磁信号的频谱特征参数，比如发射带宽、频率误差、信号频率、调制度等等，并针对干扰源和非法电台进行测向定位[6]。而用频装备作为电磁频谱管理中的主要控制对象，也是执行频谱管理方案的重要基础，但是这两者是独立存在的，无法利用频谱监测信息充分反映用频装备所处位置的电磁环境情况。同时，在制定频谱管理方案之前，需要对频谱监测信息进行分析和处理，通过频谱管理网将频谱管理方案传递给用频装备网，使其能够按照方案执行，但是整个过程存在传输时延情况，难以保证其实时性，无法实现最优的频率调整。

2.2.2 CR网络频谱管理

通过CR网络能够实现对电磁环境的实时监测，并利用本地网络进行频谱感知信息的共享，使频谱感知信息能够真正服务于电磁频谱管理，有效提升电磁频谱管理的合理性及科学性。同时，充分发挥CR网络中所具备的干扰估测技术，能对授权用户和CR用户之间的干扰进行估测，进而对两者进行协商，使两者的干扰发生率得到有效降低。同时，还可以发挥CR网络具备的学习和推理功能，进而选择更好的运行机制和网络标准，使电磁频谱管理能够逐渐趋向于智能化，实现自适应的频谱管理。在CR网络的应用条件下，用频装备不仅是频谱管理中的控制对象，也是频谱管理网和频谱监测网的一部分，能够利用这些装备完成频谱使用、动态频谱管理和频谱实时监测的多重任务，使电磁频谱管理的目标得以顺利完成。相比较传统频谱管理模式，CR网络频谱管理模式体现出以下几个优势：

(1)有利于解决用频装备网和频谱管理网之间的分离问题，使用频装备网、频谱监测网和频谱管理网成为一体，进而根据任务和环境的变化进行智能化的频谱分配。

(2)有利于改变频谱管理方式，使集中式的静态频谱管理转变向自适应的动态频谱管理方式，整个过程对人力资源的消耗显著降低，实现了自动化的频谱分配。

(3)有利于提高频谱分配的可靠性。能够有效解决传统频谱管理方式中无法随意更改指配频率的问题，通过功率控制、干扰估测等方式增强了频谱管理网的抗干扰性能，使通信的正常进行得到有效保障。

(4)有利于实现智能化、网络化的频谱管理。在CR网络频谱管理中，各个节点能够根据电磁环境进行学习和推理，对空闲频谱进行合理使用，实现对环境感知信息的共享，通过科学算法对频谱进行分配，并完成网络标准的智能化选择，完成通信的建立，整个过程不需要提前做好准备工作，实现了智能化的电磁频谱管理。

3 加强CR网络电磁频谱管理的具体建议

想要充分发挥认知无线电在电磁频谱管理中的作用，就必须要及时改变频谱管理思想，实施互补式、开放式和动态灵活的频谱管理方式，将频谱划分为不可干扰、可存在一定干扰和无限制的非授权使用等三个等级。其中第二等级和第三等级的频谱是认知无线电能够利用的频谱，比如ISM频段的开放共享方式等等。同时，需要严格控制第三等级频谱所占的范围，尽可能增加第二等级和第三等级频谱的范围，进而使频谱资源的利用率得到有效提高。其次，在进行CR网络频谱管理工作的时候，要做好数据库管理工作，及时对数据库内容进行更新和完善，便于为电磁频谱管理提供更加完整、可靠的依据。最后，为保证CR网络频谱管理工作的顺利开展，应积极加强对频谱管理人员的综合培训，不断完善频谱管理人员的知识结构和技能结构， 使其能够正确判断和处理工作问题，避免在频谱管理工作中出现不当操作，使电磁频谱管理工作的效率及质量得到有效提高。

4 结语

综上所述，为充分发挥认知无线电技术在电磁频谱管理中的应用价值，需要深入分析认知无线电技术，准确把握认知无线电技术的特点及应用优势，进而将其合理运用到电磁频谱管理中，使电磁频谱管理水平得到有效提高。同时，为确保电磁频谱管理能够适应社会发展要求，应积极加强对电磁频谱管理的优化和创新，为电磁频谱管理的持续发展提供有利支持。