分析認知無線電技術在電磁頻譜管理中的運用

李 猛

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分析認知無線電技術在電磁頻譜管理中的運用

李 猛

海華電子企業（中國）有限公司，廣東 廣州 510656

現有的靜態電磁頻譜管理模式已經無法適應無線技術和無線服務的飛速發展，而且導致了已分配頻譜使用率不高，頻譜管理模式亟待改革。而認知無線電技術可以感知周圍無線頻譜環境，并且改變操作參數以更好地使用感知到的可用頻譜。這種思想給未來的頻譜管理帶來了希望，基于認知無線電技術的頻譜管理模式成為頻譜管理部門的研究熱點。

無線服務；無線技術；頻譜管理模式

隨著無線通信技術的飛速發展，頻譜資源變得越來越緊張。在目前的頻譜管理政策下，由于已授權頻段被分配的用戶給特定的業務，即使在某些時間該頻段空閑，其他的用戶也無權使用該頻段，這造成頻譜資源的巨大浪費。另一方面，采用固定頻譜分配方式，也對不同區域、不同通信設備之間的互聯互通造成障礙。因此，增強通信設備的靈活性、兼容性和互通性，提高頻譜利用率成為國內外通信專家學者追求的目標[1]。

1 認知無線電的關鍵技術

認知無線電技術利用空閑的授權頻段進行通信，必須保證不對主用戶造成干擾，需要一系列技術的支持，主要包括頻譜感知與探測、干擾評估與功率控制等關鍵技術。

1.1 頻譜感知

頻譜感知技術是實現認知無線電的基礎和前提，為了不對主用戶造成干擾，認知用戶必須能夠實時地監測無線環境中頻譜的利用狀況，搜尋和判定“頻譜空洞”（Spectrum Hole），分析估計其特性，予以利用，同時將實時監測的結果反饋到發送端，為高層頻譜管理和功率控制提供參數支持。

1.2 干擾評估與功率控制

2003年FCC提出干擾溫度的概念用于量化和衡量干擾的程度，在認知無線電中，認知用戶被當成是對主用戶的干擾，當認知用戶和噪聲累積的干擾未超過主用戶的干擾溫度門限時，主用戶可以正常通信，否則主用戶的通信無法進行。對干擾溫度的測量采用兩種辦法，一種是由接收端進行估計，反饋給發射端，以使發射端根據干擾的狀態對功率做出調整；另一種辦法就是在無線環境中部署大量的無線傳感器，感知環境中通信設備的干擾溫度。

2 CR網絡的電磁頻譜管理

2.1 CR網絡電磁頻譜管理的基本過程

CR網絡是由CR用戶組成的網絡，區別于傳統的授權網絡。傳統的靜態頻率分配方式不適用具有CR功能的網絡。這是因為由于電磁環境不斷變化，CR節點檢測到的空閑頻譜也不斷在變化；另外由于形勢、任務的變化，用戶的需求也在變化，對空閑頻譜的使用需求也就不相同。而且要實現完全自適應動態頻譜分配還要打破傳統政策、標準及接入協議的束縛。

基于CR技術的動態頻譜管理Simon Haykin在給出其定義：頻譜管理也叫頻譜分配，在發射端實現，實時探測當前工作區域內的無線環境，根據探測的結果，對頻譜資源進行分析和評價，確定時間和空間上可用頻譜資源，并根據一定的規則對頻譜資源進行共享和分配[2]。

2.2 CR網絡的頻譜管理與傳統頻譜管理網系

2.2.1 傳統頻譜管理網系

傳統的電磁頻譜管理網系一般包含頻譜監測網、頻譜探測網、用頻裝備檢測系統、頻譜管理數據庫系統和電磁頻譜管理指揮控制系統幾個部分。頻譜監測網是軍事電磁頻譜管理網系的支撐網絡。主要完成對無線環境中電磁信號頻譜特征參數（包括信號頻率、頻率誤差、發射帶寬、場強、調制度等參數）的測量、分析，并對非法電臺和干擾源進行測向定位。頻譜監測為頻率指配、頻率動態調整和制定無線電管制方案提供依據。準確、詳實、及時的頻譜監測數據是科學頻譜管理的依據。電磁頻譜監測網的數據信息通過綜合信息網傳輸到電磁頻譜管理指揮控制系統，供頻譜管理機構分析與決策使用。

2.2.2 CR網絡的頻譜管理

對用頻電子裝備進行技術改造，使之集成CR功能，通過一定的組網方式，構成CR網絡。各個節點通過CR的頻譜感知技術監測本地電磁環境的變化，完成本地電磁環境感知，在本地網絡中分發共享頻譜感知信息，作為頻譜管理的依據；并且能夠通過CR干擾估測技術估計CR用戶與授權用戶之間的干擾，通過用戶間的相互協商來避免它們之間干擾的發生；且根據一定的規則進行頻譜管理，并通過學習與推理選擇適宜的網絡標準和運行機制，實現頻譜管理的自適應性和智能化。各個具有CR功能的用頻裝備不再只是頻譜分配、控制的對象，而且成為頻譜監測網、頻譜管理網的一部分，是完成電磁環境監測、頻譜管理的最主要裝備。用頻裝備網實現了頻譜監測網和頻譜管理網的功能，完成實時頻譜監測、動態頻譜管理和頻譜使用的多重任務?；贑R技術的頻譜管理模式與傳統頻譜管理模式相比具有以下幾種優點：

（1）改變傳統頻譜管理網系中頻譜管理網與用頻裝備網分離的現象，實現頻譜管理網、頻譜監測網與用頻裝備網三網合一，頻譜分配能夠適應任務與環境的變化。

（2）實現頻譜管理方式的大變革。由傳統的集中式靜態或有限自適應頻譜管理方式轉變為動態、自適應的頻譜管理方式。頻譜管理不再是一項繁瑣的系統工程，很少需要人的參與，實現完全的機器分配，自動化程度高。

（3）頻譜分配的可靠性、適應性大幅增強。傳統的靜態頻譜管理方式指配的頻率不容隨意更改，遇到突發事件難以處置，適應性差、抗干擾能力差。應用了CR技術的頻譜管理網，用頻裝備單元通過干擾估計、功率控制等方式預防干擾的發生，并在受到干擾時能夠通過頻譜移動性管理迅速切換頻率，保障通信的順暢進行。

（4）頻譜管理實現了網絡化、智能化管理。傳統的集中式靜態頻譜管理方式是一種自上而下的雙向頻譜管理過程，需要人的干預。事先需要對電子裝備的技術參數進行統計，還要對電子裝備所處的電磁環境信息進行統計分析，然后再結合需求情況進行集中的頻譜規劃與分配，自動化、智能化程度不高。而具備CR技術的頻譜管理網絡各個節點能夠對所處電磁環境進行學習與推理，擇機使用空閑頻譜，通過共享環境感知信息，運行分配算法實現頻譜的分配，并智能選擇合適的網絡標準，建立通信，整個過程不需要事先準備。從頻譜感知到通信的建立，無不實現了網絡化管理和智能化操作。

3 結語

認知無線電技術的提出，為解決日益增長的無線業務與有限的頻譜之間的矛盾提供了解決的辦法，為進一步提高通信設備的靈活性、增強無線設備的互通性開拓了思路。然而認知無線電技術正面臨許多挑戰，提出的頻譜感知、頻譜管理等許多關鍵性難題極需突破，認知無線電技術將會是未來通信領域的研究熱點。

[1]席志紅，晉野，李婭.認知無線電的頻譜分配算法[J].應用科技，2010（2）:63.

[2]蔣永磊，胡宏林，易輝躍，芮赟.數字電視信號的頻譜感知實測方案研究[J].中國科學技術大學學報，2010（1）:14.

Analysis of the Application of Cognitive Radio Technology in Electromagnetic Spectrum Management

Li Meng

HaiHua Electronics Enterprise（China）Corporation, Guangdong Guangzhou 510656

The existing static electromagnetic spectrum management model has been unable to adapt to the rapid development of wireless technology and wireless services, but also led to the allocation of spectrum is not high, the spectrum management model needs to be reformed.Cognitive radio technology can sense the surrounding radio spectrum environment and change the operating parameters to better use the perceived available spectrum.This idea brings hope to the future spectrum management, and the spectrum management mode based on cognitive radio technology becomes the research hotspot of spectrum management department.

wireless service; wireless technology; spectrum management mode

TN925

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1009-6434（2017）04-0151-02