摘要：本文首先阐述了认知无线电技术的基本概念和原理，回顾了认知无线电技术的发展历程，介绍了该技术的研究现状；然后，结合现代战场通信的需求，对认知无线电技术在军事通信上的应用前景做了简要分析；在此基础上，参考软件通信体系结构，提出了一种基于认知无线电的电台体系架构，给出了其软硬件组成，并对各部分的功能做了简要的说明。
关键词：认知无线电；软件通信体系结构；认知引擎；战术电台
中图分类号：TN924文献标志码：A ＤＯＩ：
Research of Cognitive Radio Architecture
Zhang Jian－feng
（Communication Engineering,Hangzhou Dianzi University,310018）
Abstract: This paper first expounds the basic theory and concept of Cognitive Radio(CR),reviews the development course of Cognitive Radio,introduces the status of researching for Cognitive Radio.Then concisely analyzes the application prospect for demand of battlefield communication.At last,suggests a kind of architecture of Cognitive Radio,provides it"s software and hardware construction,briefly explains the function of each part.
Key words: Cognitive Radio；SCA；Cognitive Engine；Tactical Radio
0 引 言
随着信息技术的不断发展，军事、民用、商业对通信要求也在不断提高，新的通信设备和通信手段不断出现，而目前采用的主要还是基于授权的静态频带分配的方法，这就使得常用的无线频带越来越拥挤，频谱资源已经成为一种紧缺资源。而过于拥挤的通信频带，带来的就是设备通信能力的直线下降。因此，如何解决因频带拥挤带来的通信能力下降的问题，已经成为一种迫在眉睫的需求。
认知无线电技术（Cognitive Radio，CR）[1]是解决上述问题的有效方法之一，它是一种新的智能无线通信技术，通过感知周围环境的频率、时间和空间等特征，对环境、信道条件、网络协议、用户需求以及设备本身的内部情况进行推理，根据推理结果实时调整传输参数，以保证信息的可靠快速传输。
本文结合认知无线电的技术特点以及战场通信的实际需求，给出了一种基于认知无线电技术的战术电台架构，对其软硬件组成及功能做了简要分析。
1 认知无线电技术的概念及发展
上世纪90年代早期，J.Mitola提出了软件无线电(Software DefinedRadios，SDR)的概念。软件无线电的核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带A／D和D／A变换器，将尽可能多的无线电台的功能用软件定义。它的出现使通信终端大大减小对硬件的要求，可以使相同的终端在不同的通信系统中使用。在2000年的论文中，Mitola将软件无线电的概念进一步拓展，提出了认知无线电(CR)的概念。认知无线电可以感知周围电磁环境，并实时调整传输参数，使通信系统的无线电参数不仅与规则相适应，而且能与环境相匹配，以达到无论何时何地都能达到通信系统的高可靠性和频谱利用的高效性。也就是说，SDR关注的是采用软件方式实现无线电系统信号的处理；而CR强调的是无线系统能够感知操作环境的变化，并据此调整系统工作参数，实现最佳适配。从这个意义上讲，CR是更高层的概念，不仅包括信号处理，还包括根据相应的任务、政策、规则和目标进行推理和规划的高层活动。所以，认知无线电是智能化的软件无线电[2]。
此后，不同的机构和学者从不同的角度给出了CR的定义，其中比较有代表性的包括美国联邦通信委员会(FCC)和著名学者Simon Haykin教授的定义。FCC认为：“CR是能够基于对其工作环境的交互改变发射机参数的无线电”。Simon Haykin则从信号处理的角度出发，认为：“CR是一个智能无线通信系统。它能够感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，通过实时改变某些操作参数(比如传输功率、载波频率和调制技术等)，使其内部状态适应接收到的无线信号的统计性变化，以达到以下目的：任何时间任何地点的高度可靠通信；对频谱资源的有效利用。”
总结上述定义，CR应该具备以下3个主要特征：
(1)感知能力
感知能力使CR能够感知其外部频谱环境信息，发现空闲的频谱资源或干扰信号，寻找合适的信道，这是CR工作的前提。
(2)推理和学习能力
推理和学习能力使CR能够根据感知到的外界电磁环境和自身的状况，同时结合过往的工作数据，得出当前的最佳通信参数的能力，这是CR工作的核心。
(2)重构能力
重构能力使得CR设备可以推理结果对设备的各种参数进行重设置的能力。可以重构的参数包括：频率、发射功率、调制和编码方式、通信协议等。
一个常见的CR设备工作流程如图1所示：
如图1所示，CR设备的工作过程一般分为以下三个阶段：
1）感知阶段：认知设备感知外界的电磁频谱环境；
2）决策阶段：根据感知到的外界电磁环境和已有的知识经验，经过详细的运算推理过程，得出最适合当前环境的通信参数；
3）重构阶段：根据决策结果对认知设备进行参数加载或配置，完成通信过程。
感知、决策、重构这三个阶段不断的循环，构成了CR设备工作的全过程。
认知无线电的概念提出以后，众多国家和国际组织都对其投入了巨大的研究精力，其中以美国和欧盟的研究最具代表性。美国的研究以认知无线电为主，欧盟则从异构网络融合入手，并正朝着认知无线网络方向发展。代表性的研究工作有：
1）2003年12月，美国联邦通信委员会(FCC)对《FCC规则第15章》公布了修正案，规定：“只要具备认知无线电功能，即使是其用途未获许可的无线终端，也能使用需要无线许可的现有无线频带”。并且将认知无线电的使用在5G频段合法化，同时FCC正在考虑是否在TV频段也将认知无线电合法化。
2）美国电气和电子工程师协会（IEEE）于2004年11月正式成立IEEE802.22工作组，这是第一个世界范围的基于认知无线电技术的空中接口标准化组织。
3）2005年3月，IEEE通信协会(ComSoc)和电磁兼容协会(EMC)共同成立了IEEE P1900标准工作组，该机构致力于推进与下一代无线通信技术和高级频谱管理技术相关的电磁兼容研究。
4）IEEE JSAC于2007年4月和2008年1月，IEEE Comm Mag于2007年5月和2008年4月，IEEE J-STPTP 于2008年2月分别出版了关于认知无线电的专辑。
5）2008年2月，欧盟启动的FP7（欧盟第七框架计划）又加大了对下一代无线网络研究的力度，力图在网络融合的基础上进一步向认知无线网络发展。
2 认知无线电技术的军事意义
除了民用方面的研究，认知无线电技术还被发现有更多的军事意义。现代战争条件下战场的电磁环境日益复杂，各种电磁辐射源如雷达、通信、导航、指控、电子对抗设备等数量成倍增加，覆盖的频谱越来越宽，多种电子设备在有限的地域内密集开设，使得频谱资源异常紧张，电磁兼容问题越来越突出。认知无线电能够主动的感知战场电磁环境，并不断的学习归纳，动态的利用频谱资源，对信息进行智能化的传输，因此认知无线电技术能大大提高战场无线通信的性能和可靠性，具体体现在通信容量、频谱利用率、抗干扰能力等方面；同时，由于认知无线电设备能够主动感知战场电磁环境并对接收信号进行识别，因此可以一边进行电磁频谱侦察，一边快速释放或躲避干扰，实现传统无线通信设备所不具备的电子对抗功能[3]。
随着认知无线电技术与战场环境的结合成为未来战场通信的趋势，越来越多的国家将此作为研究的焦点，但大多处于理论探索阶段，只有美国DARPA(Defense Advance Research Products Agency，国防高级计划研究局)的XG项目研究时间最长，进展最快，最为典型。从2003年开始，XG以CR技术为核心，着眼于开发认知无线电的实际标准和动态频谱管理标准，采用软件无线电技术来实现最大限度的时域、频域和空间等信息的利用，并称其论证的频谱效率可使目前的频谱利用率提高10～20倍。其基本思想是：设备首先“感知”周围无线环境并确定频谱特征，确定基本用户的存在性并“描述”可用机会，通过对环境的理解和主动学习，遵守应用于该频谱的管理策略，设备确定一种最佳计划，实时调整传输参数比如功率、载波调制和编码等，节点间相互通信协调使用机会，定义与应用干扰限定策略，然后以不与基本用户发生冲突的方式发送信号，达到通信系统性能最优化的目的。
3 基于认知无线电的电台架构
战术电台作为战场通信的主要手段，对通信的实时性、可靠性、抗干扰能力有着更高的要求，而认知无线电的技术特点则决定了认知无线电技术必将在战术电台上得到广泛应用。因此，采用一种什么架构来设计电台，将认知无线电技术和战术电台的通信功能完美结合就变得十分重要。
由认知无线电的概念可知，认知无线电是智能化的软件无线电，具有软件无线电的所有特征。提到软件无线电，就不能不提到软件通信体系结构（SCA）[4]。SCA是实现军用软件无线电台设计的一个有效规范和指导，是美军针对下一代战术无线通信系统的研制而发布的通用规范，它对多种类型军用无线电台的软硬件体系结构进行了定义。基于SCA的战术无线电台具有通用性强、便于更新、便于维护和升级的特点，并且能够实现不同军兵种不同系列电台之问的互连、互通和互操作。目前，美军已发布了多个版本的SCA规范(最新版本是SCA 2.2.2)，研制并装备了多种基于SCA的无线电台。近年来，我军一直在密切关注和跟踪SCA的研究动向，并于2004年发布实施了适合我军特点的相关国军标，用来指导我军下一代战术无线电台的研制和开发。因此，综合考虑认知无线电和SCA的特点，同时结合战术电台的使用需求，参考SCA规范，提出一个基于认知无线电的电台体系架构。如图2所示。
该体系架构中，自底向上包括硬件平台、BSP及设备驱动、嵌入式操作系统、嵌入式CORBA中间件、硬件抽象层（MHAL）、核心框架、基础服务、无线通信波形应用、频谱感知波形、认知引擎等若干部分。
硬件平台是实现通信功能和认知功能的基础，由射频模块、数字信号处理模块、主控模块等组成。
BSP、设备驱动、嵌入式操作系统、嵌入式CORBA中间件、硬件抽象层、核心框架共同构成一个通用开放的SCA软件平台。
基础服务软件为用户提供通用、组件化的共性服务，包括故障检测、资源监控、信息输入、时间服务等。
无线通信波形应用是由一组实现通信功能的波形组件构成的应用软件，一种无线通信波形应用代表一种通信功能的实现。具备认知功能的电台可以根据认知结果选择最佳的波形和参数进行通信。
频谱感知波形完成频谱感知功能所需的信号处理工作，得到的感知结果是认知引擎工作的依据。电台可以根据时间、空间、频率等实际情况运行不同侧重的频谱感知波形以获取最佳的感知结果。
认知引擎是在软件无线电平台上实现基于人工智能技术的推理与学习，实现并驱动整个认知环路，实现认知功能的核心部件。通常，认知引擎由推理机、学习机、知识库等功能模块组成。可以说，认知引擎是CR的“大脑”。
由图 2所示的电台体系架构可知，基于认知无线电的电台在硬件上通常由以下模块组成：
1）实现通信功能的射频模块；
2）实现频谱感知功能的射频模块；
3）运行通信和频谱感知波形的数字信号处理模块；
4）运行认知引擎、完成对各模块运行管理的主控模块。
一个多通道的认知无线电台硬件架构如图3所示：
根据电台使用需求的不同，可对图 3所示的硬件架构进行裁减，但最少必须保留一个通信通道和一个认知通道。此时，数字信号处理模块和主控模块的功能也可以在一个硬件模块上实现。一个典型的单通道认知无线电台硬件架构如图4所示。
图中的射频功能模块完成通信射频信号的处理；频谱感知模块根据需求完成对相应频段的电磁环境探测；主控及数字信号处理模块是电台的核心，运行通信波形、认知引擎，同时负责电台的控制管理。并且，按照图 2所示的体系架构，在主控及数字信号处理模块上还要运行嵌入式操作系统、核心框架、中间件、硬件抽象层等基础软件以满足体系架构的要求。
4 结论
本文首先介绍了认知无线电技术的基本原理及，然后结合认知无线电技术的发展阐述了其在军事上的用途，最后参考软件通信体系结构（SCA）提出了一种基于认知无线电的电台体系架构，对其软硬件组成做了简要分析。
认知无线电技术作为一种全新的通信技术，能有效提高通信设备的通信效能及抗干扰能力；以认知无线电设备组网，能大幅提高通信网络的频谱利用率及通信容量；结合世界军事信息技术发展的特点，认知无线电技术的军事用途更是不可低估。近年来，认知无线电技术已经受到广泛和深入的研究，在不远的将来，必将对现有的通信技术造成巨大的冲击，在通信技术发展的历史上留下深远的影响。
参考文献：
[1]J.Mitola，Cognitive Radio：An Integrated Agent Architecture for Software Defined Radio[D]，Sweden，KTH Royal Institute of Technology，2000 .
[2]杨小牛，从软件无线电到认知无线电，走向终极无线电[J]，中国电子科学研究院学报,2007,1：4
[3]赵陆文、周志杰、缪志敏等，浅析认知无线电在军事通信中的应用[J]，无线通信技术,2007,4：34
[4]JEPO,JTRS SCA Version 2.2.2 ,Software Communication Architecture Specification[S],2006
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