认知无线电网络在军事作战环境中的应用研究

由于军民应用对无线通信的需求在不断增长，因此需要持续不断改进现有通信技术，以满足用户需求。当前无线通信的主要缺点之一是频谱使用效率低，大部分分配的频段未被使用。由于通信能力至关重要，而频谱短缺问题可能导致多国和联合行动失败。认知无线电网络（CRN）能够持续分析频谱，搜索可用频率，并可以通过避免干扰、提高全系统频谱效率、对动态环境的强大适应能力以及更高的频谱灵活性来解决频谱短缺问题。本文具体分析和介绍了CRN在军事作战环境中的应用，并提出了适用于每种实际作战场景的适当方法。

1 军用CRN和民用CRN的区别

1.1 空间和时间多变性

理解未来军用CRN分类首先需要对军事需求/资源与民用和商用需求/资源进行比较分析。

目前，天线网络已经融入到日常景观中，人们几乎感觉不到它们的存在。民众正是利用大量这些基础设施来满足其无线通信需求。此类通信设施在军事行动区域显然是不可用的。军方需要在没有任何基础设施的情况下在移动平台之间进行通信。为了弥补基础设施的不足，军方使用一种多跳网络，而不是单跳民用网络。多跳网络由多个中间节点组成，这些中间节点通过无线链路收发数据，但不需要公共基础设施或进行集中控制。避免单点故障是军用CRN的主要目标之一。多跳网络的优势包括：

·扩展通信覆盖区域，解决时间和空间多变的问题；

·更高的吞吐量带来更高的数据速率，这是需要快速高效通信手段的军方的优先考虑；

·创建多条短链路，传输功率和能量需求更低，干扰得以减少；

然而，这种多跳网络方案还缺少强有力的理论基础。目前，相对于仅需要单对链路的网络，工程师们很难推断出这种网络在一种特定环境中的性能。

为了应对空间和时间的多变性，军方并不满足于多跳网络，而是需要在同一地理区域同时运行多个异构网络。然而，此类网络已经在不涉及动态环境的商业领域使用，而军事应用的主要特点恰恰是动态性。异构网络可连接不同部队梯队，不同的网络可以进行调整以应对安全问题并提高通信效率。如果一个网络受到攻击，另一网络可取而代之，这样任务就不会受到威胁。与此类似，如果一条重要信息必须发送出去，用户可以在每个网络上发送，这样就可以确保接收方以最短时间收到信息。

1.2 干扰攻击下电磁环境的安全性

CRN是一种处于研究阶段的创新通信技术。由于发射器数量不断增加，而分配给军方的频段却在减少，同时受到干扰和电子战攻击，军方必须谨慎使用频谱资源。尽管之前讨论过各种解决方案，但军方现在必须重视类似安全性这样的基本问题，这意味着他们必须只能采用一些熟知的通信技术，而不是正在开发中的技术。为了保证安全通信，军方必须重点关注短期目标，例如提高频谱使用效率，以便在动态环境中获得实时信息，或者在任何时候都完全了解频谱可用性，时刻注意频谱使用情况以探测干扰机或任何类型的威胁，并拥有更为鲁棒的网络，以在受到攻击时仍能保持通信。

对商业和民用应用而言，上述大部分军事安全威胁都不是问题。尽管在使用CRN时军用和民用有一些相似性，但韩国国防部仍被要求在没有商业部门资金或技术支持的情况下进行其大部分CRN研究。

为了确保军事通信的安全性，必须重视机密性、完整性、可用性和访问控制问题，这是实现CRN安全的基础。

2军用CRN的分类CRN可以根据环境、战场和任务进行自适应调整，这种灵活性无疑是军方所看重的。如前所述，军事需求和商业需求完全不同。能够利用诸如频谱共享和频谱接入技术等灵活性来实现通信网络可带来巨大优势。当选择一种类型的网络作为军用CRN时，定义军事作战需求至关重要。如图1所示，军用CRN可分为两种情况，一种是仅使用军用频段，另一种是军用和民用频段都用。

2.1 只使用军用频段

假设军方只使用已经分配给军方的频率进行通信。由于军方利用CRN的目的是增加其使用频谱，而不是在用户之间划分等级，所以很难区分主用户和次级用户。只使有军用频率的CRN可以进一步分为三类：集中式、分布式和混合式方法。集中式主要基于一个中心节点，该中心节点与所有其他节点通信。中心节点负责每个用户的频谱分配和频谱接入授权。分布式网络（也称为分散式网络）允许所有用户之间相互横向通信，他们均可自由交换信息。集中式网络支持简化指挥链，而分布式网络能够实现各单位之间更好的协调。然而，集中式网络对干扰更敏感。事实上，如果恶意用户成功探测到中心节点，那么整个网络将因为这种单点故障而停止服务。与此相类似，分布式网络应对此类问题更困难。例如，并非所有的信号都可以检查，也很难保证所有次级用户（SU）都在与可信SU进行通信。这两种网络都相当耗时。一是因为集中式网络中信息必须进行评估和经过中心节点，二是因为分布式网络中的信息过多，做出决策的时间可能会更长。根据军事需求，集中式和分布式网络各有利弊，虽然对于军方而言，分布式网络似乎比集中式网络更合适、更安全。第三种方法是一种综合了集中式和分布式网络优点的混合式网络。借助其移动性和采用多跳系统（缺乏基础设施）扩展的覆盖半径，分布式网络部分可能适合于战术环境，而集中式网络部分则可显著简化整个网络的管理工作。关于频谱接入，由于频谱共享发生在军用频段，因此此分类中没有进行规范。如果由于有太多士兵而无法使用军队分配的频段，他们都可以利用CRN，都接入到一个信道。因此，此时不存在优先级问题，也不需要控制频谱接入。表1列出了所有这些集中式、分布式和混合式频谱感知参数指标，并进行了比较。“+”号表示质量较好，“-”号表示质量较差。该表是针对与民用网络需求显著不同的军用网络需求。

2.2军民共享频谱假设军方需要与民众共享频段。此时，军方是主用户（PU）中的次级用户（SU），拥有授权带宽。CRN提供的灵活性允许军方实现overlay接入技术或underlay接入技术。Overlay接入技术能够防止SU进入已经被PU使用的网络通信。相反，underlay接入技术允许SU和PU同时接入同一频段，但会受到功率限制，以避免干扰。underlay接入技术在安全性方面可能更具优势。事实上，当SU利用underlay频谱接入进行通信时，将受到功率约束，以避免干扰PU。这种功率限制仅存在于噪底以下的发射，这意味着由于功率受限，数据发送者的身份将被隐藏。而underlay技术的这一缺点可能最终会成为一项优势，这样军方就可以通过秘密身份来使用民用频段。

此外还有一种同时利用overlay技术和underlay技术的混合接入技术。此方案集两种技术的优点于一身，在共享民用带宽的情况下，可能是军方的最佳解决方案。实际上，该方案主要使用overlay接入技术，但是它可能从overlay技术切换到underlay技术，以避免军方在紧急情况下仍等待空闲频谱。

显然，相对于前面的定义，对于每一种选择的动态接入技术，网络可以是集中式、分布式或混合式。最重要的问题是实现一个容量最大化网络。

与表1类似，混合方案无疑是最合适的选择。表2给出了不同接入技术的优缺点。然而，必须根据士兵目前执行的任务对其需求进行研究。

3实际场景

3.1 仅使用军用频率的场景1

此场景只需要军用频率，利用集中式和分布式网络相结合的混合网络。如前所述，利用CRN实现的军用多跳网络似乎是军事行动战场和满足士兵需求所必需的。它们允许在没有任何基础设施的情况下在军事作战单元之间快速通信。以无人机为例，无人机要么由士兵遥控，要么按照程序执行独立飞行任务，在敌对环境或战场上收集数据或执行侦察任务。借助CRN，尤其是多跳网络，无人机能够与其他无人机通信，并相互协同执行任务。

假设在国外战场上的一次行动中，一个侦察连利用多架无人机执行协同侦察任务。如果任务中其中一架无人机被摧毁，那么借助多跳技术，该无人机收集的所有情报和数据都可能很容易转发到其他无人机上，任务得以继续进行。

如图2所示，该网络可以是完全分布式的，也可以是仅对无人机是分布式的，而对其他作战单元是集中式的。多跳网络安全性较高、鲁棒性好，并且可以快速实现和方便管理。该网络甚至可以在任务中自动运行，并在任务结束时解散。

3.2 仅有军用频率的场景2

图3给出了仅有军用频率的第二种场景。该场景针对军事训练，涉及由两个战斗排、一个快速反应排和一个休整排组成的连队，都在大本营。一个空军分队也参与了训练。此次联合军兵种训练在周围没有居民的农村地区进行。军方拥有分配的频谱，所有人共享，一些军事人员只能使用有限频谱，无法实现高数据速率。频谱共享技术能够解决上述问题。事实上，在此情况下，军方可以利用目前未使用的军用频谱，而不是民用频段，这样就可以避免商业用户的干扰和攻击。

针对此情况，军方选择的解决方案是让战斗排借用休整排的频段，而快速反应排在分布式网络（仅利用军用频率）上使用这一频段。此外，为了确保在这样一个有潜在敌人甚至干扰机的不安全区域中的通信安全，指挥部决定使用盲集合方案，而未选择使用指挥控制通道提供支持。在指挥链任何级别的每个士兵（参与通信网络）都可能处于接收状态，但一旦他们有数据要传输，就可能变成数据发送者。值得注意的是，网络的去中心化也可能便于所有用户之间的协调，这些用户之间可以不经过控制中心自由交换信息。特别是，此场景尤认为可增强CRN提供的高级安全性以及这种网络适应不安全区域中恶劣环境的能力。同样在这种情况下，分布式网络提供的频谱共享技术可满足军方的高数据速率要求。

3.3 军民共享频谱场景1

此场景主要涉及一支失联步兵小队，他们没有配备任何GPS设备或采用其他方式进行定位，只配备有常规无线电台。由于与基地相距太远，他们无法与任何人建立通信联系，如图4所示。借助CRN，尤其是频谱共享技术，这支失联部队可以和周围的任何人建立联系。军方通常会避免干扰商用带宽，但在紧急情况下，如果军用带宽中没有可用空闲频谱，军方可以选择在商用带宽中充当SU。

为了有效应对这种情况，军方可以选择实现一种混合网络，多数情况采用overlay频谱接入，少数情况临时采用underlay频谱接入。underlay接入技术能够让失联小队直接接入民用带宽。此时不需要太高功率，但足够高的功率可以在发送紧急消息的同时仍能隐藏士兵的身份。Underlay技术甚至可以为任何失联人员提供安全保障。一旦指挥官和士兵不能成功彼此通信，在规定时间间隔之后，他们可使用underlay方案建立通信连接。简而言之，他们可使用组合overlay和underlay技术的动态混合共享传输模式，根据情况和任务需要从overlay模式动态切换到underlay模式。3.4 军民共享频谱场景2

图5显示了军民共享频谱情况的第二种场景。此场景是一次北约军事联合训练，参与者是来自不同国家的多支部队，其中涉及同一地理区域内的多个异构网络，因此需要一种鲁棒的方案来应对这种动态环境可能带来的时间和空间可变性。考虑到参加这次训练的人数众多，似乎有必要使用CRN，这样既可以获得更多带宽，也可以促进联合部队的信息交换。这种情况下，最好使用频谱中可用的专用频段。

但是，即便这只是一次训练活动，也需要部队必须在安全条件下执行任务，尤其是在大规模训练中。为了保证通信安全，参训人员选择了采用underlay频谱接入技术的集中式网络。如前所述，underlay技术对于提高军事隐身能力非常有用，不会暴露用户身份。参训人员没有使用之前场景中似乎更有效的混合频谱接入技术。该技术由于其动态方面的原因，实现起来要复杂得多，所以考虑到成本和方法限制，不适于训练活动。

4结 语

正如许多其他研究得出的结论，认知无线电网络在许多情况下能够满足士兵在安全性、互操作性、可靠性或应急通信方面的需求。认知无线电网络所具有的高度灵活性让士兵可根据战场态势、缺少通信基础设施的现实情况或利用民用频谱来调整其通信网络。本文主要分析并介绍了认知无线电网络在军事作战环境中的应用，并给出了适用于每一种实际作战态势的适当方法。

发布日期：2022年6月15日

来源：电科小氙

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