Como todos sabemos, el espectro radioeléctrico es un recurso natural valioso. Aunque el espectro electromagnético por debajo de 3000 GHz se denomina teóricamente espectro de radio, debido a limitaciones técnicas, los humanos actualmente solo dividen la banda de frecuencia de uso de 9 kHz a 400 GHz. De hecho, las bandas de frecuencia militares se concentran por debajo de los 40 GHz, mientras que las bandas de frecuencia civiles se concentran principalmente por debajo de los 3 GHz. Con el rápido desarrollo de la tecnología de comunicación móvil, surgen nuevos servicios de comunicación inalámbrica en un flujo interminable, la cantidad de usuarios continúa aumentando y los recursos de espectro se vuelven cada vez más escasos. Para resolver este problema, se han inventado sucesivamente una variedad de técnicas avanzadas de modulación, técnicas de codificación, técnicas de múltiples -antenas, adaptación de enlaces y otras tecnologías nuevas. Estas tecnologías han mejorado la capacidad del canal desde diferentes ángulos y han logrado buenos resultados. Sin embargo, debido al límite de Shannon, es imposible aumentar la capacidad del canal indefinidamente. Aunque el espectro de radio se puede reutilizar, para un cierto punto de frecuencia o banda de frecuencia, está limitado en un cierto dominio de tiempo y espacio, y no se puede reutilizar. En marcado contraste con la escasez de recursos de espectro se encuentra la tasa de utilización extremadamente baja del espectro existente.
Figure 1 shows the 0-6GHz spectrum utilization tested by the University of California, Berkeley. The actual measurement results show that in the global licensed frequency band, even in the 300MHz to 3GHz frequency band with good signal propagation characteristics and very tight demand, the spectrum utilization rate is less than 6 percent ; in the 3-4GHz frequency band, the spectrum utilization rate is reduced to 0.5 percent ; Above 4GHz, the frequency utilization is lower. Therefore, how to effectively share spectrum resources and fully improve spectrum utilization has become an urgent problem to be solved. In this context, Cognitive Radio (CR, Cognitive Radio) technology proposes a new solution—improving the utilization efficiency of wireless spectrum through Dynamic Spectrum Sharing (DSS, Dynamic Spectrum Sharing).
Aplicación de la Radio Cognitiva en la Comunicación Militar
3.1 Aumentar la capacidad del sistema de comunicación
La escasez de espectro inalámbrico no solo es notoria en el ámbito civil, sino también en el militar. Especialmente en las condiciones de la guerra moderna, una variedad de dispositivos electrónicos se instalan de forma intensiva en un área limitada, lo que hará que los recursos de espectro sean extremadamente limitados. Además, con la mejora de los equipos de radio civiles y el fuerte aumento del número de usuarios, la demanda de espectro también está aumentando. Algunas organizaciones en algunos países han solicitado asignar parte del espectro militar al uso civil. Sin duda, esta tendencia agravará aún más la escasez de recursos de espectro radioeléctrico militar. CR puede utilizar dinámicamente los recursos de espectro, lo que teóricamente puede mejorar la utilización del espectro por docenas de veces. Por lo tanto, incluso si se adopta parcialmente CR, la capacidad de todo el sistema de comunicación se puede mejorar en gran medida.
3.2 Mejorar la eficiencia de la gestión del espectro
La gestión del espectro en el campo de batalla es un tema muy importante, y las fuerzas armadas de todos los países otorgan gran importancia a la investigación de este tema. Sin embargo, en la actualidad, la asignación de espectro en el campo de batalla se lleva a cabo básicamente en forma de asignación de frecuencia fija. De la situación de combate real, este plan no es completamente exitoso. Por un lado, este esquema de asignación no solo conduce a una baja utilización de los recursos del espectro, sino que también provoca fácilmente interferencias electromagnéticas dentro del sistema o entre fuerzas amigas; por otro lado, este esquema de asignación requiere mucho tiempo para la planificación del espectro antes de que comience la batalla; Además, una vez que se determina la frecuencia de comunicación, no se puede cambiar sin importar lo que suceda en el estado de combate. porque
Por lo tanto, en la guerra moderna donde la situación del campo de batalla está cambiando rápidamente, el esquema de asignación de espectro fijo es fácil de retrasar a los combatientes. CR puede detectar el entorno electromagnético del campo de batalla en el área donde se encuentra y detectar automáticamente la disponibilidad del ancho de banda y el espectro requeridos. Por lo tanto, la asignación de recursos de espectro se puede completar rápidamente con la ayuda de CR y la frecuencia de comunicación también se puede ajustar automáticamente durante el proceso de comunicación. No solo mejora la velocidad de la red, sino que también mejora la compatibilidad electromagnética de todo el sistema de comunicación.
3.3 Mejorar la capacidad de interferencia EOD anti-interferencia del sistema
La capacidad anti-jamming es un indicador importante para medir los equipos de comunicación en las condiciones de la guerra moderna, y también es una garantía importante para ganar la guerra. Las tecnologías anti-interferencias de canal tradicionales incluyen principalmente espectro ensanchado, salto de frecuencia, salto de tiempo y tecnologías relacionadas derivadas de los mismos. CR no solo tiene la capacidad anti-interferencia anterior, sino que también suprime la interferencia ajustando la dirección del haz debido al uso de la tecnología de detección de posición, combinada con la tecnología DBF. CR no solo mejora la capacidad anti-interferencia, sino que también puede reducir la potencia de transmisión y mejorar la capacidad anti-intercepción. La radio cognitiva tiene capacidades avanzadas de aprendizaje automático, que pueden aprender y analizar la interferencia, de modo que pueda elegir estrategias anti-jamming apropiadas (elegir el canal de comunicación apropiado, el método de modulación, la potencia de transmisión, el patrón de salto de frecuencia, etc.) para activamente evitar interferencias. Además, debido a que la banda de frecuencia de trabajo de CR es muy amplia, también aumenta la dificultad de la interferencia.
3.4 Proporcionar contramedidas electrónicas de interferencia de señal de RF
El método tradicional de contramedidas electrónicas es detectar primero el entorno electromagnético del campo de batalla a través de la detección de radio del campo de batalla y luego comunicar la situación detectada a la fuerza de contramedidas electrónicas a través de la red de comunicación de batalla, y las tropas responsables de la tarea de contramedidas electrónicas llevarán a cabo interferencia. Este método no solo requiere una gran cantidad de mano de obra y recursos materiales, sino que también requiere una estrecha cooperación con las tropas responsables del reconocimiento del entorno electromagnético y las contramedidas electrónicas. Por lo tanto, el período desde el reconocimiento hasta la implementación de la interferencia es largo, lo que es fácil de retrasar a los combatientes. CR puede identificar rápidamente y con precisión a un amigo o enemigo al detectar las características del espectro electromagnético del campo de batalla. Puede liberar o evitar interferencias rápidamente mientras realiza un reconocimiento del espectro electromagnético, que no está disponible en la radio tradicional.
3.5 Mejorar la interconectividad del sistema
Actualmente, varias ramas de nuestro ejército están equipadas con una gran cantidad de estaciones de radio de diferentes modelos. Estas estaciones de radio tienen diferentes frecuencias de trabajo, potencia de transmisión, métodos de modulación, etc., y no pueden lograr la interconexión e interoperabilidad, lo que se ha convertido en un factor importante que restringe las operaciones conjuntas de las tres fuerzas armadas. El bloqueador codificador de teléfono celular puede cubrir una amplia banda de frecuencia y usar software para realizar el procesamiento de la señal en banda base, la modulación IF y la generación de la forma de onda de la señal RF. Al cargar software diferente de forma independiente, un CR puede comunicarse con estaciones de radio de onda corta, estaciones de radio de onda ultra-corta e incluso satélites. Es precisamente porque CR puede aprender de forma autónoma los protocolos y servicios de comunicación de red,
Mejorar la interoperabilidad e interconectividad del sistema.
Además de las funciones y ventajas anteriores, CR también proporciona funciones de posicionamiento y percepción del entorno, que tienen la ventaja de ser menos susceptible a la interferencia de radio civil y una red más rápida, que son ventajas insustituibles de la radio tradicional.
4 Oportunidades y desafíos para la radio cognitiva militar
Se considera que la CR es la dirección de la próxima generación de desarrollo de la comunicación. Dado que la tecnología CR puede mejorar significativamente la eficiencia de utilización del espectro inalámbrico, ha atraído una gran atención en la industria y se ha desarrollado rápidamente en los últimos años. Sin embargo, CR aún enfrenta muchos desafíos, desde el laboratorio hasta el uso práctico y militar:
(1) La mayor parte de la investigación actual permanece en la capa física, y hay pocas investigaciones sobre redes CR, topología de red, protocolos de red, etc.;
(2) La tecnología de identificación de señales y detección de espectro rápido necesita más investigación;
(3) Percepción ambiental rápida y efectiva y cómo utilizar efectivamente la información de percepción ambiental;
(4) tecnología de mantenimiento y restablecimiento de enlaces cuando CR realiza un ajuste dinámico de frecuencia;
(5) El diseño del terminal CR es complejo y requiere una banda ancha-frontal de RF de alta{{2}sensibilidad-, algoritmos de procesamiento de señales digitales rápidos y eficientes, y un sistema robusto y diseño confiable de hardware y software que cumple con los estándares militares;
(6) Aprendizaje automático y cómo hacer un mejor uso del lenguaje informático para hacer que la red CR sea más inteligente y más acorde con las características y requisitos de las comunicaciones militares;
(7) Compatibility between CR and active equipment. The cost of CR terminals is high, and even for military use, it is impossible to equip troops on a large scale in a short period of time. This requires that CR can cover most of the frequency bands, modulation methods and frequency hopping methods of our military's active communication equipment;
(8) Miniaturización y diseño de bajo consumo de energía de la terminal.
