Como todos sabemos, o espectro radioelétrico é um valioso recurso natural. Embora o espectro eletromagnético abaixo de 3000GHz seja teoricamente chamado de espectro de rádio, devido a limitações técnicas, os humanos atualmente dividem apenas a banda de frequência de uso de 9kHz a 400GHz. De fato, as bandas de frequência militares estão concentradas abaixo de 40 GHz, enquanto as bandas de frequência civis estão concentradas principalmente abaixo de 3 GHz. Com o rápido desenvolvimento da tecnologia de comunicação móvel, novos serviços de comunicação sem fio surgem em um fluxo interminável, o número de usuários continua a aumentar e os recursos de espectro se tornam cada vez mais escassos. Para resolver este problema, uma variedade de técnicas avançadas de modulação, técnicas de codificação, técnicas de multi-antenas, adaptação de link e outras novas tecnologias foram inventadas sucessivamente. Essas tecnologias melhoraram a capacidade do canal de diferentes ângulos e alcançaram bons resultados. No entanto, devido ao limite de Shannon, é impossível aumentar a capacidade do canal indefinidamente. Embora o espectro de rádio possa ser reutilizado, para um determinado ponto de frequência ou banda de frequência, ele é limitado em um determinado domínio do tempo e domínio do espaço, e não pode ser reutilizado. Em contraste com a escassez de recursos de espectro está a taxa de utilização extremamente baixa do 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).
Aplicação do Rádio Cognitivo na Comunicação Militar
3.1 Aumentar a capacidade do sistema de comunicação
A escassez de espectro sem fio não é apenas proeminente no campo civil, mas também no campo militar. Especialmente sob as condições da guerra moderna, uma variedade de dispositivos eletrônicos é instalada intensivamente em uma área limitada, o que tornará os recursos do espectro extremamente limitados. Além disso, com a modernização do equipamento de rádio civil e o aumento acentuado do número de usuários, a demanda por espectro também está aumentando. Algumas organizações em alguns países solicitaram alocar parte do espectro militar para uso civil. Esta tendência irá, sem dúvida, agravar ainda mais a escassez de recursos de espectro radioelétrico militar. O CR pode utilizar dinamicamente os recursos do espectro, o que teoricamente pode melhorar a utilização do espectro em dezenas de vezes. Portanto, mesmo que o CR seja parcialmente adotado, a capacidade de todo o sistema de comunicação pode ser muito melhorada.
3.2 Melhorar a eficiência do gerenciamento de espectro
O gerenciamento do espectro do campo de batalha é um assunto muito importante, e os militares de todos os países atribuem grande importância à pesquisa desse assunto. No entanto, atualmente, a alocação de espectro no campo de batalha é basicamente realizada na forma de alocação de frequência fixa. Da situação real de combate, este plano não é completamente bem sucedido. Por um lado, esse esquema de alocação não apenas leva a uma baixa utilização dos recursos do espectro, mas também causa facilmente interferência eletromagnética dentro do sistema ou entre forças amigas; por outro lado, esse esquema de alocação requer muito tempo para o planejamento do espectro antes do início da batalha; Além disso, uma vez determinada a frequência de comunicação, ela não pode ser alterada, não importa o que aconteça no estado de combate. Porque
Portanto, na guerra moderna, onde a situação do campo de batalha está mudando rapidamente, o esquema de alocação de espectro fixo é fácil de atrasar os combatentes. O CR pode detectar o ambiente eletromagnético do campo de batalha na área onde está localizado e detectar automaticamente a disponibilidade da largura de banda e do espectro necessários. Portanto, a alocação de recursos de espectro pode ser concluída rapidamente com a ajuda do CR, e a frequência de comunicação também pode ser ajustada automaticamente durante o processo de comunicação. Não só melhora a velocidade da rede, mas também melhora a compatibilidade eletromagnética de todo o sistema de comunicação.
3.3 Melhorar a capacidade anti-interferência EOD jammer do sistema
A capacidade anti-interferência é um indicador importante para medir equipamentos de comunicação nas condições da guerra moderna e também é uma garantia importante para vencer a guerra. As tecnologias tradicionais de anti-interferência de canal incluem principalmente espectro de propagação, salto de frequência, salto de tempo e tecnologias relacionadas derivadas deles. O CR não só possui a capacidade anti-de interferência acima, mas também suprime a interferência ajustando a direção do feixe devido ao uso da tecnologia de detecção de posição, combinada com a tecnologia DBF. O CR não apenas melhora a capacidade anti-interferência, mas também pode reduzir a potência de transmissão e melhorar a capacidade anti-interceptação. O rádio cognitivo tem recursos avançados de aprendizado de máquina, que podem aprender e analisar interferência, para que ele possa escolher estratégias anti-interferência apropriadas (escolher canal de comunicação apropriado, método de modulação, potência de transmissão, padrão de salto de frequência etc.) evitar interferência. Além disso, como a banda de frequência de trabalho do CR é muito ampla, também aumenta a dificuldade de interferência.
3.4 Fornecer contramedidas eletrônicas de interferência de sinal de RF
O método tradicional de contramedidas eletrônicas é primeiro detectar o ambiente eletromagnético do campo de batalha através da detecção de rádio do campo de batalha e, em seguida, comunicar a situação detectada à força de contramedidas eletrônicas através da rede de comunicação de batalha, e as tropas responsáveis pela tarefa de contramedidas eletrônicas realizarão interferência. Este método não só requer muitos recursos humanos e materiais, mas também requer uma estreita cooperação com as tropas responsáveis pelo reconhecimento do ambiente eletromagnético e contramedidas eletrônicas. Portanto, o período desde o reconhecimento até a implementação da interferência é longo, o que facilita o atraso dos caças. O CR pode identificar com rapidez e precisão um amigo ou inimigo ao sentir as características do espectro eletromagnético do campo de batalha. Ele pode liberar rapidamente ou evitar interferências durante a realização de reconhecimento de espectro eletromagnético, o que não está disponível no rádio tradicional.
3.5 Melhorar a interconectividade do sistema
Atualmente, vários ramos do nosso exército estão equipados com um grande número de estações de rádio de diferentes modelos. Estas estações de rádio têm diferentes frequências de trabalho, potência de transmissão, métodos de modulação, etc., e não conseguem alcançar a interconexão e interoperabilidade, o que se tornou um importante fator de restrição das operações conjuntas das três forças armadas. O jammer do scrambler do telefone celular pode cobrir uma ampla banda de frequência e usar o software para realizar o processamento da banda base do sinal, a modulação IF e a geração da forma de onda do sinal RF. Ao carregar um software diferente de forma independente, um CR pode se comunicar com estações de rádio de ondas curtas, ultra-estações de rádio de ondas curtas e até satélites. É precisamente porque o CR pode aprender autonomamente protocolos e serviços de comunicação de rede,
Melhorar a interoperabilidade e a interconectividade do sistema.
Além das funções e vantagens acima, o CR também oferece funções de posicionamento e percepção do ambiente, que têm as vantagens de serem menos suscetíveis a interferências de rádio civil e redes mais rápidas, que são vantagens insubstituíveis do rádio tradicional.
4 Oportunidades e desafios para o rádio cognitivo militar
A RC é considerada a direção da próxima geração de desenvolvimento da comunicação. Como a tecnologia CR pode melhorar significativamente a eficiência de utilização do espectro sem fio, ela atraiu grande atenção da indústria e desenvolveu-se rapidamente nos últimos anos. No entanto, o CR ainda enfrenta muitos desafios, desde o laboratório até o uso prático e militar:
(1) A maioria das pesquisas atuais fica na camada física, e há poucas pesquisas sobre redes CR, topologia de rede, protocolos de rede, etc.;
(2) A tecnologia de detecção de espectro rápido e identificação de sinal precisa de mais pesquisas;
(3) Percepção ambiental rápida e eficaz e como utilizar eficazmente a informação da percepção ambiental;
(4) Tecnologia de restabelecimento e manutenção de link quando o CR realiza o ajuste dinâmico de frequência;
(5) O projeto do terminal CR é complexo, exigindo um front-end de RF de-larga, alta-sensibilidade-, algoritmos de processamento de sinal digital rápidos e eficientes e um sistema robusto e projeto confiável de hardware e software que atende aos padrões militares;
(6) Aprendizado de máquina e como fazer melhor uso da linguagem computacional para tornar a rede CR mais inteligente e mais alinhada às características e requisitos das comunicações 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) Miniaturização e design de baixo consumo de energia do terminal.
