认知软件无线电在军用电台和频谱管理中的应用

李利 纪凯 韩东 张振媛

摘  要：针对认知软件无线电技术在军用电台和军事电磁频谱管理中的应用问题，介绍了软件无线电的概念、特点及关键技术。探讨了软件无线电在军事通信中的应用前景，给出了其在军用多功能多模式短波电台中的应用实例。针对软件无线电的新发展-认知无线电技术，分析了其在军事动态电磁频谱管理中的应用。

关键词：软件无线电;认知无线电;短波通信;频谱管理

Abstract： Aiming at the application of cognitive software radio in military radio and spectrum management， this paper introduces the concept， characteristics and key technologies of software radio， and discusses its application prospect in military communication. The application of software radio in military multi-function and multi-mode short-wave radio is given， and its application in military dynamic electromagnetic spectrum management is analyzed for the new development of software radio-cognitive radio technology.

目前，陆、海、空等各军兵种均装备了大量的小型战术无线通信装备，这些小型战术无线通信装备种类繁多，如舰艇通常配置短波、超短波及微波等通信电台。不同频段的无线电台在不同的作战环境中会用于满足不同的作战任务需求，能够实现舰艇、战斗机、航母等平台之间既定的指挥、报知、协同通信。然而不同的通信频段却使得电台之间很难做到随时互通，而且同样对舰艇、飞机等不同的通信作战平台来讲，即便是在同一频段内的电台也存在着互不兼容的情况。信息有可能需要经过多条通信通路才能完成传递，大大降低了信息传递的时效性，也就更加难以达到现代海上作战对战术平台越来越高的互联互通要求。

現代的战争随着科技化信息化的发展已经不再仅仅由单一军种就能够完成任何一场作战，而是陆海空天电五个领域的全面集成综合。但是仅仅在陆海空三军中，电台的工作频段各不相同、调制方式和抗干扰性能差异较大的问题就难以适应三军协同作战的通信需求。软件无线电的可编程硬件模块的标准化，改变了军用电台专一用途的传统设计思路。军用电台系统通过搭载相应的软硬件模块就可以构成一种能够重新构建通信功能的具有扩展能力的无线通信系统，降低了通信系统对不同硬件的依赖。

1 软件无线电的概念和特点

软件无线电[1-2]是一种不同于传统体系架构的通信系统，为了能够实现功能的多样化统一化，它采用具有开放式和标准化硬件的模块，突破以往以硬件为核心的设计思想，以软件为核心大大降低了硬件的局限性。一方面，软件无线电采用了能够进行自主编程的标准硬件模块，同时为了能够满足在不同平台之间的联通需求，采用了标准化的接口设置，把大部分接口进行了统一。另一方面，软件无线电采用了开放式软件架构，能够实现搭载相同软件的平台不被不同的硬件束缚而进行信息交换，使得系统计算机化。美国军方首先开展了军用软件无线电台-Speakeasy多频段、多功能电台的研制工作，其目的是采用标准化可编程模块复用技术来研制一种能够模拟15种以上现有电台的海、陆、空通用的无线电台。这种电台能够实现多个频段、多种波形以及多种抗干扰方式的覆盖和使用的多业务能力。

1994年美军对其设想和研究进行了第一阶段模拟推演，推演的结果体现出了软件无线电不仅仅在现实技术上的可行性，更在未来电台的发展中具有举足轻重的发展优势。基于软件无线电技术的新型军用电台普遍具有综合性、灵活性和可扩展性的明显优势：

（1）综合性。软件无线电技术使得不同平台、不同功能的电台能够兼备同时处理多个通信频段、多制式信号的能力，又能够通过跳频、自适应、直接序列扩频等多种抗干扰模式和技术进行抗干扰通信，也同时具有图像、数据、话音等多种业务能力。

（2）灵活性。采用能够进行自主编程的模块和统一的接口设置，所有的相关接口进行标准化设置。这一措施使得软件平台可自由地实现各种直接数字频率合成、宽带数字滤波、数字上下变频、信号的调制和解调、信道编码包括差错控制、信令控制、信道均衡、信源编码及加密解密等重要结构功能。

（3）可扩充性。采用标准化、模块化的结构设计，按照开放的标准，构成各种电台，通过软件的升级和模块的替换保证电台较强的生命周期。同时，可以通过电台装载新的软件升级模块或替换单功能的硬件模块来满足新业务技术的不断引入。

2 软件无线电关键技术

与传统电台相比，基于软件无线电技术设计的新型多功能电台需要着重解决以下关键技术：

（1）宽带天线和宽带射频技术。为了能够满足不同通信业务、方式、对象和多个通信数量的要求，软件无线电天线包括射频模块的发射单元必须要做到能够覆盖多个通信频段。

（2）宽带A/D变换技术。软件无线电系统结构的实现要求模数转换、数模转换贴近发射端，这也需要A/D变换器能够与射频相适应，具有适当的采样速率和足够宽的工作带宽。

（3）高速数字信号处理。数字信号处理作为核心技术必须能够实现基带处理、调制解调、编码解码、直接序列扩频和跳频处理等多项功能，应满足高速处理和软件重构双重要求。

（4）通用信令处理。当软件无线电尝试进行多种平台的互联互通时，为了能够提高各种系统之间的通信有效性，就需要使用统一的“语言”，因此通用的信令处理就有着举足轻重的意义。

3 软件无线电的军事应用

3.1 软件无线电的军事应用前景

从军事应用角度来说，未来联合作战对战术通信装备无论从通用性和协同性上都有着更高的要求，同时战术通信装备必须具有高度的灵活性和良好的互操作性。而软件无线电技术的出现，为达成上述要求提供了有效的技术途径。软件无线电在军事通信中的深入实现可达到以下目的：

（1）实现装备体制的统一化。通过模块化、标准化、系列化以及通用化的设计，兼容三军通信装备，增强协同及互联互通能力，真正实现三军协同联合作战。

（2）通过业务综合集成和性能提升降低装备数量和种类。以多频段、多功能电台取代数量庞大、种类繁多的传统电台，可在兼容原有电台的基础上，减少电台种类，从而降低装备维护难度和维护费用。

（3）延长装备服役期限。软件无线电无需更换硬件模块，通过软件的升级更新就可以实现装备升级及功能拓展，延长了装备可用性和服役周期。

（4）构建战术互联网。利用软件无线电可在各频段、各网络间实现通信模式、通信链路的自动选择、探测和切换，使得可靠的战术通信更具实时性和顽存性。

3.2 软件无线电在军用多功能多模式短波电台中的应用

短波通信随着信息网络的进步不断发展壮大，但短波网络的发展却始终离不开对互操性及标准化的要求。为了更好地促进短波的互联互通，短波台站可以进行有线互连。这样的连接使得为机动用户提供接入服务的网络化组织运用模式受到了广泛重视。

与上一代短波通信相比，新一代短波通信在通信同步、频谱协调、快速数据传输、物理层中的调制解调四个方面取得了长足的进步。同时，新一代短波通信也呈现出短波自适应通信技术、高速调制解调技术、短波网络技术和短波软件无线电等方面不断发展的趋势。

一些具有代表性的新型软件无线电短波电台的推出，例如德国R&S公司的M3SR以及美军HARRIS公司的RF-7800H等，不仅仅超越了以往传统短波通信设备一度依靠硬件实现功能的旧体制束缚，更是逐步实现了多功能、多模式及可编程功能，并且成為了短波电台发展的新方向。通过导入动态波形，使得通过软件无线电技术得以实现不同军种或者不同装备参数的电台之间的互操作。

如图1和图2，分别为德军和美军的典型软件无线电短波电台。

3.3 认知软件无线电在军事电磁频谱管理中的新发展

在当今现代化、信息化的战争中，对电磁频谱的管控已经成为了不可或缺的重要环节。制电磁频谱权的争夺就成了新战场的一大重要环节。作为一种稀缺的资源，电磁频谱的管控也一直是有专门的无线电部门负责。随着信息化战场电磁环境的日益复杂和多样化。无线电通信也逐渐向宽带化智能化的方向高速发展。这一变化使得新型无线业务对频谱资源的需求越来越突出[3]。当前环境下，频谱资源的有限性限制了电台对频谱的应用，当前静态的管理体制会加重这一影响。为了彻底改变频谱稀缺的现状，采用动态的频谱管理体制[4]是最好的办法。

以软件无线电为扩展平台的认知无线电[5-6]是一种新的智能无线通信技术，作为动态频谱管理体制的核心技术[7]，它能通过对周围环境的感知对各个频段的使用情况进行探测。也能够同步对使用的参数进行修改，不断将其工作模式规则与输入激励和周围的环境进行适应，从而随时随地提高通信系统的可靠性和有效性。认知无线电通过软件平台实现重构能力，进一步与通信网络进行沟通。一个基本的认知无线电实现周期要经历对无线电信道环境的分析估计、信道状态估计和预测建模以及发射功率控制和频谱资源管理三个基本过程。如图3所示。

4 结束语

软件无线电的硬件特点是标准化、通用化、模块化，软件特点是可升级重构，便于适应不同的技术标准、接口协议和信号类型，这些特点以及未来联合作战对协同通信的迫切需求决定了采用软件无线电技术的军用多频段多功能电台必将成为下一代陆、海、空等各军兵种通用的战术无线电通信装备。而在软件无线电基础上建立起来的认知无线电同时能够满足通信和频谱探测功能以及多功能特征，是实现当前军用电磁频谱管理由静态向动态转变的理想技术途径。

参考文献：

[1]赵友平，谭焜，姚远.认知软件无线电系统[M].北京：清华大学出版社，2016：1-30.

[2]王庭昌.软件无线电技术的回顾与展望[J].现代军事通信，2007，15（3）：1-7.

[3]李袁柳.电磁频谱管理技术发展研究[J].舰船电子工程，2010，30（7）：22-24.

[4]阙颖.基于频谱多重使用的动态频谱管理方法研究[D].西安电子科技大学，2007：5-22.

[5]MITOLA J， JR MAGUIRE G Q. Cognitive Radio： Making Software Radios More Personal[J]. IEEE Personal Communication， 1999，6（04）：13-18.

[6]刘思洋，高俊，刘全.基于认知无线电的军事电磁频谱管理研究[J].通信技术，2011，44（12）：39-41.

[7]李利，柴娟芳，徐池，等.一种静态和动态相结合的认知无线电频谱管理方法[J].哈尔滨理工大学学报，2016，21（4）：36-39.