关于认知无线电技术在卫星通信中应用的探讨

张 珣，刘 燕

（1.国家无线电监测中心哈尔滨监测站，哈尔滨 150010；2.国家无线电监测中心乌鲁木齐监测站，乌鲁木齐 830000）

0 引言

随着卫星通信技术的不断发展，持续涌现的新型业务与设备应用正迅速消耗着有限的可用无线电频谱资源。卫星通信系统目前采取固定式频谱分配策略，即针对特定无线电业务划分相应无线电频段。这种频谱分配方法在一定程度上导致了较低的频谱利用效率，如在某些时间和地区内授权频谱并未被占用，即产生了未被任何用户使用的“频谱空穴”。现有的提高单位频谱利用率的技术（如多载波频率复用、多天线传输技术等）仍以固定式频谱分配策略为出发点，无法从根源上解决频谱资源紧张问题[1]。

认知无线电（Cognitive Radio，CR）技术作为解决频谱供需矛盾的有效手段，允许认知用户在不干扰授权用户通信的前提下，机会性地接入授权频段，提高空闲频谱资源的利用率，为频谱共享提供了技术上的可行性[2]。通过在卫星通信系统中引入CR相关技术，有助于解决目前卫星通信目前面临的可用频谱资源紧缺问题。

经过多年发展，CR技术已在地面通信系统中的设计和实施得到了深入研究，但对于其在卫星通信中的应用场景与技术的研究仍处于初级阶段。欧洲在“DAE”（Digital Agenda for Europe）计划中开展了卫星通信动态使用Ka频段频率资源的研究[3]，并 于 2013 年 启 动 了“CoRaSat”（Cognitive Radio for Satellite Communications）项目[4]，旨在研究可应用于卫星通信系统的CR技术并制定相关规范及标准。同时，国内也展开了对卫星通信中CR技术的探索性研究。中科院微系统研究所针对CR在卫星通信系统中应用的可行性开展了相关研究，认为CR技术有助于提高卫星通信中的频谱利用率和抗干扰能力，并详细分析了CR在低轨卫星通信系统中的发展现状与应用前景[5]。中国空间技术研究院构建了卫星认知无线电的接入模型并优化了频谱共享与功率分配技术，其研究结果显示CR技术可以为卫星通信网络的吞吐量带来增益[6]。

本文首先针对CR技术在卫星通信中应用的典型场景进行阐述；其次重点对可能在卫星通信中应用的CR关键技术进行介绍；最后对认知卫星通信的发展前景做出展望。

1 典型场景

目前针对认知卫星通信应用场景的研究大致分为以下三种[7-9]：卫星通信系统接入地面通信系统的空闲频谱（场景A）、地面通信系统接入卫星通信系统的空闲频谱（场景B）以及卫星通信系统接入其他卫星通信系统的空闲频谱（场景C）。

1.1 场景A

在场景A中，地面通信系统与卫星通信系统分别为授权用户与认知用户。如图1所示，该场景包含认知链路与授权链路，卫星通信系统中的认知模块对授权用户的频段占用情况进行感知。当需建立上行通信链路时，认知地面终端根据认知模块频谱感知的结果来决定是否接入授权频谱；当需要建立下行通信链路时，若授权频段未被占用，则认知卫星用户利用空闲频谱进行通信传输。

图1 场景A示意图

1.2 场景B

场景B中的地面通信系统为认知用户，卫星通信系统为授权用户，如图2所示。在不对授权卫星用户通信产生干扰的前提下，地面通信系统中配有认知模块的地面认知用户检测授权频段的占用情况，发现可用频谱空穴并动态接入，通过对卫星通信系统中空闲频谱的二次利用，实现频谱利用率的提升。

该场景下，在地面部署认知系统的建设成本较低，对系统进行优化和维护更加方便，且对于认知用户的计算能力与能耗要求不高。但考虑到授权卫星用户的波束覆盖区域较为广阔，可能包含多个次级地面网络，地面通信系统中认知用户数目较多，系统结构复杂性也大幅提升。

图2 场景B示意图

1.3 场景C

场景C中，认知用户与授权用户均为卫星通信系统，认知卫星系统对授权卫星系统中的频谱空穴进行检测，并基于频谱检测结果做出是否接入授权卫星用户频谱的决策。

该种场景的优势在于，少数认知用户能够分享较为丰富的授权频谱资源，然而，作为认知节点的卫星需具有较强的计算能力，即强大的星上处理技术是实现场景C的先决条件。此外，认知模块在星地链路中检测频谱空穴与传输感知结果的行为将导致额外的功耗开销和感知时延，这极大地提升了频谱感知环节的难度。

图3 场景C示意图

2 关键技术

目前，多数CR技术是针对地面通信场景进行设计的，由于卫星通信具有如低信号接收功率、广覆盖范围、长传输时延等特性，在将CR技术向卫星通信场景迁移应用的过程中，应充分考虑卫星通信场景的特征及其与地面通信场景的差异，对现有CR技术进行修正甚至是重新设计。

本节对可能应用于卫星通信的CR技术进行介绍。这些技术可大致分为频谱认知技术与频谱利用技术两类[9]：前者主要用于获取周围无线电环境的相关信息和知识，寻找并确定可接入的频谱资源；后者旨在对发现的频谱资源进行充分利用，实现授权系统和认知系统之间的共存。

再生细骨料是使用破碎机械设备对建筑废弃物进行破碎的，由于外力的作用，会导致再生细骨料与天然细骨料在各项性能指标上均有较大程度的差异。通过对再生细骨料进行强化或颗粒整形，可以改善其粒形，减小再生细骨料的孔隙率、表面棱角等，以提高再生细骨料的性能。李秋义等[13]利用骨料整形机对经简单破碎的再生骨料进行整形处理，再生骨料经过在整形机内的反复撞击、剪切和磨擦，使附着在再生骨料表面的硬化水泥浆剥落，从而改善骨料粒形，提高骨料的性能。

2.1 频谱认知技术

2.1.1 频谱感知

频谱感知的目的在于获知指定区域内的频谱使用情况，该技术是实现动态频谱分配和频率共享目标的前提。在频谱感知中，认知用户对所处无线环境中授权频谱的使用情况进行检测，并对所选频段中授权用户的活动状态做出判断，旨在发现可被利用的“频谱空穴”，实现对空闲频谱资源的二次利用。

该技术面临的挑战之一是如何确保感知结果的准确性。认知用户在对授权用户信号状态的判决过程中会不可避免地产生偏差。具体来讲，若虚警概率过高将造成对授权用户通信的干扰，而漏检概率过高则会降低频谱利用效率。由于卫星传输能力受限，且云、雨等大气效应造成信号强度大幅衰减，认知节点处的信号接收质量严重恶化，导致上述挑战在卫星通信中表现得更为严峻。在单用户检测场景中，基于能量检测方法的感知设备可能需要使用指向卫星的定向天线，其他检测方法如匹配滤波器检测和循环平稳特征检测能够实现更优的检测性能，但其前提是需已知待检测授权信号的相关先验信息。多认知用户通过合作进行检测的协作频谱感知可有效提高全局检测性能，并降低对单用户的感知性能要求。但由于卫星覆盖范围广阔，认知用户可能需在数百公里外寻找信道条件良好的合作用户，且分布在广阔地理区域中的多个用户如何高效进行信息交互的问题也同样需要考虑。

除上述挑战外，卫星通信中的频谱感知可能需要在远大于地面通信场景的信道带宽中进行检测，已有学者提出采用稀疏功率谱估计或宽带压缩感知技术用于解决该问题[10-11]。此外，在低轨卫星通信场景中进行频谱感知还面临着移动性和可用频率短缺的问题[12]。

2.1.2 地理数据库

除频谱感知外，认知系统还可通过地理数据库[13]获取频谱认知信息。认知节点将自身的地理位置信息发送至地理数据库，数据库根据认知节点的请求生成该位置的相关频谱认知信息报告。地理数据库通常包含地理特征信息、设备信息及无线电环境信息。其中，地理特征信息存储着卫星覆盖范围、业务类型、空间无线电台和地球站相关信息；设备信息指目标区域内存在的授权和认知设备相关信息，如位置、海拔、仰角和方位角、设备类型、天线类型及方向等；无线电环境信息包含可用频率、极化、功率大小等信息。地理数据库的优势在于，可以利用上述丰富的数据组来生成单个认知节点难以获取的频谱认知信息报告。

频谱感知与地理数据库有着各自的适用场景。地理数据库通常适用于发射机特性稳定或变化不频繁的场景，不适用于频谱占用模式快速变化的场景。原因在于，认知节点确定位置、向地理数据库发送请求及生成可用频谱报告的过程较为耗时，在高动态频带场景下，上述延时将导致认知节点获取的信息滞后严重，无法真实反映当前频谱使用状态。相反，频段占用状态快速变化、存在移动终端或地理数据库不可接入的情况，则适合采用频谱感知技术获取频谱认知信息。理想情况下，通过联合使用频谱感知与地理数据库，确保认知系统对周围无线电环境变化的敏捷性，获取准确的可用频谱认知信息，为后续频谱接入与利用提供较为可靠的信息。

2.2 频谱利用技术

2.2.1 认知区域

频谱利用是认知系统为认知用户有效合理分配可用资源的重要能力，在充分获取有关授权系统的频谱认知信息后，认知系统可以通过采用合适的频谱利用技术以无有害干扰模式接入空闲频谱。认知区域[8]是一种干扰保护技术，在认知区域内，通过采用适当的认知干扰抑制技术将干扰降至特定阈值以下，以获取频谱接入机会。认知区域外的干扰低于可接受的干扰阈值，能够以非认知方式（不采用CR技术）进行传输。在地面通信场景中，干扰多出现于由认知用户至授权用户的方向上，认知区域通常围绕授权接收机来定义。而卫星场景中可能发生双向干扰，认知区域可能需要围绕授权用户或认知用户进行定义。例如，认知区域可以围绕一个或多个地球站进行定义，也可围绕卫星的点波束或覆盖区域来定义。

认知区域的计算通常基于地理数据库中的信息与干扰建模技术[14]。干扰建模主要是针对认知用户可能对授权用户产生的干扰进行分析建模，以保护授权用户的正常通信。干扰建模技术中考虑的因素通常包括：干扰传输功率、传播信道（包括视距、绕射、对流层散射等传播机制）特性，以及如气候、距离和路径地形等环境因素。若无法获取准确和完整的数据库信息，则需要基于频谱感知测量值进行计算。认知区域技术已被证明有利于卫星通信中的干扰保护[14]。

2.2.2 载波分配

认知系统在进行资源分配时应尽量优化利用可得资源，同时将干扰保持在可接受的水平上。载波分配技术的目标是在满足用户通信质量的前提下，实现认知系统总吞吐量或公平性的最大化。具体地，前者指为用户尽可能多地分配载波，以使整个系统吞吐量的总和最大化；后者表示根据用户数据速率请求，将可用载波分配给尽可能多的认知用户，实现可获取载波的充分利用。考虑到速率约束，只能在满足特定速率请求的前提下将单个载波分配给用户，上述请求与特定载波上的接收信干噪比相关。此外，载波分配还可与波束赋形技术结合使用，以优化空间无线资源的利用率。

2.2.3 功率控制

在载波分配的基础上，认知系统结合信道状态、接收机信噪比和干扰等信息，对各载波的发射功率进行灵活调整，以避免干扰同频段的授权用户。该技术可大致分为两种：一是在保证通信容量的前提下，将发射功率最小化，以实现节能目标；二是确保在不超过干扰阈值的前提下，最大化系统的通信容量。前者适用于能量受限的卫星和移动终端，后者则适合能量充足的地面基站。在星地混合场景中，利用功率控制等资源分配策略，可在一定程度上提升地面链路的通信容量。

2.2.4 波束赋形

波束赋形是一种多天线信号处理技术，通过对各天线阵元接收信号的加权处理形成所需的组合波束，使目标信号沿特定期望方向进行传输，同时可减少或消除非期望方向的信号分量。该技术允许多个用户在同一地理区域内同时使用相同的频率资源，使部署密集网络成为可能，且在非期望方向上产生的干扰更少。波束赋形可用于实现授权系统与认知系统在角域的频谱共存，而将其与资源分配方法相结合，有利于实现对频谱的有效利用。

波束赋形可作为一种干扰消除技术应用于认知卫星的发射机或接收机中，然而该技术的引入可能需要对目前的卫星通信系统进行包括卫星侧和地面终端设备做出重大升级，设备复杂度和成本将大幅提升。此外，除发射机处的信道状态信息外，实现该技术还需已知授权系统的位置信息。

3 结束语

目前，CR技术在卫星通信系统中的应用研究仍处于初期，尚无完整的技术应用方案。随着相关研究的展开，CR的发展正由具备频谱认知的基本功能向智能化方向演进，为解决当前动态频谱环境及较低的频谱利用率等问题提供了技术手段。