基于認(rèn)知無線電的艦艇短波頻譜管理研究*

劉光發(fā) 孫劍平

(海軍大連艦艇學(xué)院研究生2隊1) 大連 116018)(海軍大連艦艇學(xué)院作戰(zhàn)指揮系2) 大連 116018)

1 引言

有史以來的戰(zhàn)爭都表明,通信是決定戰(zhàn)爭勝負(fù)的重要因素,對現(xiàn)代高技術(shù)條件下的信息化海戰(zhàn)來說,通信尤為重要。海軍短波通信廣泛應(yīng)用于岸基各級指揮所與海上艦艇編隊指揮所之間的岸-海信息傳遞,在海上作戰(zhàn)中發(fā)揮著不可替代的作用。由于短波通信具有通信距離遠、組網(wǎng)機動靈活和生命力強等特點,在現(xiàn)代海戰(zhàn)場起著其他通信手段(如衛(wèi)星通信、長波通信等)不可替代的作用,因此世界各國都在積極發(fā)展短波通信技術(shù),力爭利用好這段寶貴的頻譜資源,最大限度地發(fā)揮其效能。

人們在研究和應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),頻率的選用問題在艦艇短波通信組織中占重要位置,依然制約著艦艇短波通信的發(fā)展。由于電離層信道是典型的色散衰落信道,其快速變化運動和多徑傳播導(dǎo)致信號的時域展寬、頻域彌散和衰落現(xiàn)象。衰落引起信號的非線性畸變和電平銳減,造成判決過程中出現(xiàn)的突發(fā)錯誤;頻域彌散往往表現(xiàn)為相位起伏,導(dǎo)致數(shù)據(jù)信號的錯誤接收,嚴(yán)重影響短波通信鏈路的質(zhì)量。尤其是在海戰(zhàn)場高速率數(shù)據(jù)傳輸和大區(qū)組網(wǎng)通信情況下,短波通信對信道質(zhì)量要求更為苛刻。

海戰(zhàn)場電磁環(huán)境復(fù)雜,輻射源數(shù)量多、密度高,大量軍用、民用電子設(shè)備的電磁信號交織作用在同一個作戰(zhàn)區(qū)域,加上輻射源信號經(jīng)海浪、固定或移動物體反射形成的大量反射信號,構(gòu)成了交叉重疊的電磁輻射態(tài)勢。在一定的空域、時域和頻域上,電磁信號縱橫交叉、連續(xù)交錯、密集重疊,功率分布起伏變化,對短波通信有重大影響。與此同時,占用了整個頻譜資源的很大一部分的授權(quán)頻段卻利用率低下,美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)的研究表明,在大部分時間和地區(qū),授權(quán)頻段的平均利用率在15%～85%之間。靜態(tài)的頻譜分配原則很大程度上制約了短波通信的使用和發(fā)展。認(rèn)知無線電是近年新興的智能無線電通信技術(shù),它的提出為解決艦艇短波通信的選頻問題提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。

2 認(rèn)知無線電

目前的頻譜分配制度為固定頻譜分配,將頻譜分為授權(quán)頻段(LFB)和非授權(quán)頻段(UFB)2個部分。隨著無線通信業(yè)務(wù)需求的快速增長,可用頻譜資源變得越來越稀缺。短波通信業(yè)務(wù)所工作的非授權(quán)頻段已趨于飽和。另一方面,授權(quán)頻段的利用率卻非常低。由此可見,現(xiàn)在基于固定頻譜分配的資源利用率是很低的。為了解決上述問題,基本思路就是改變舊的頻譜分配方式,于是認(rèn)知無線電應(yīng)運而生。

2.1 認(rèn)知無線電的起源和概念

1999年,軟件無線電奠基人、瑞典皇家理工學(xué)院J.Mito la博士在軟件無線電(SR,Software Radio)的基礎(chǔ)上提出了認(rèn)知無線電(CR,Cognitive Radio)的概念。J.Mitola在其博士論文和隨后的一系列論述中,對CR進行了較為系統(tǒng)的闡述。他對認(rèn)知無線電的認(rèn)知強調(diào)其學(xué)習(xí)和推理能力,認(rèn)為認(rèn)知無線電能通過學(xué)習(xí),不斷感知無線環(huán)境的變化,并通過自適應(yīng)地調(diào)整自身內(nèi)部的通信機理來適應(yīng)無線環(huán)境的變化。相比Mito la的說法,FCC認(rèn)為認(rèn)知無線電技術(shù)是能使認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)以一種動態(tài)方式使用頻譜的關(guān)鍵技術(shù)。FCC在2003年12月發(fā)布的通告對認(rèn)知無線電做出了以下定義:認(rèn)知無線電是一種能根據(jù)與它的操作環(huán)境進行交互而改變傳輸參數(shù)的無線電。從這個定義可以得到認(rèn)知無線電的兩個主要特點:認(rèn)知能力和重新配置能力。

綜上所述,筆者認(rèn)為,認(rèn)知無線電是在軟件無線電基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的智能無線通信技術(shù),是軟件無線電的擴展,它可以感知到無線電傳輸?shù)沫h(huán)境特征,通過無線電知識表述語言與通信網(wǎng)絡(luò)進行智能交流,對無線環(huán)境的分析、理解和判斷,自適應(yīng)地調(diào)整系統(tǒng)的通信參數(shù),在不影響授權(quán)用戶通信的前提下,智能的利用空閑的頻譜為認(rèn)知用戶提供隨時隨地、高可能性的接入以提高頻譜利用率。

可以概括出認(rèn)知無線電的基本任務(wù)是:無線電環(huán)境分析;信道估計和信道預(yù)測建模;傳輸功率控制和動態(tài)頻譜資源管理。由此可以得出其特點是:對環(huán)境的感知能力、對環(huán)境變化的學(xué)習(xí)能力、對環(huán)境變化的自適應(yīng)性、通信質(zhì)量的高可靠性、對頻譜資源的充分利用、系統(tǒng)功能模塊的可重構(gòu)性。

2.2 認(rèn)知無線電的研究現(xiàn)狀

隨著認(rèn)知無線電的發(fā)展,世界各國的頻譜管制部門、標(biāo)準(zhǔn)化組織、研究機構(gòu)和行業(yè)聯(lián)盟紛紛開展相關(guān)的研究。CR技術(shù)對現(xiàn)有的無線頻譜固定分配制度提出了挑戰(zhàn),對此,一些頻譜管制部門(如FCC等)給予了積極支持。2002年12月,FCC指出非授權(quán)頻段設(shè)備應(yīng)具備能夠識別未占用頻段的能力;2003年11月,FCC提出了新的量化和管理干擾的指標(biāo)值—干擾溫度的概念;2003年12月,FCC公布了《使用認(rèn)知無線電技術(shù)促進頻譜利用的通知》;2004年5月,FCC建議認(rèn)知無線電可在TV廣播頻段內(nèi)操作。2005年10月,正式批準(zhǔn)了關(guān)于引入認(rèn)知無線電技術(shù)、使用認(rèn)知無線電設(shè)備的法規(guī)。在頻譜管制部門的帶動下,一些標(biāo)準(zhǔn)化組織開始研究認(rèn)知無線電技術(shù),并先后制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)以推動該技術(shù)的發(fā)展。IEEE于2004年11月正式成立IEEE802.22工作組,這是第1個世界范圍的基于認(rèn)知無線電技術(shù)的空中接口標(biāo)準(zhǔn)化組織。

國外一些研究機構(gòu)和大學(xué)也較早投入了認(rèn)知無線電的研究,并發(fā)表一些專著和研究成果,對認(rèn)知無線電的發(fā)展起到了重要的作用。其中具有代表性也是影響最大的是美國國防部高等研究計劃署(DARPA)的下一代通信計劃(XG,neX t Generation Program),于2003年成立XG工作組,著眼于開發(fā)認(rèn)知無線電的實際標(biāo)準(zhǔn)和動態(tài)頻譜管理標(biāo)準(zhǔn)。XG網(wǎng)絡(luò)也叫動態(tài)頻譜接入網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò),能夠使多個用戶通過自適應(yīng)機制共享頻譜,通過各種不同的無線架構(gòu)和動態(tài)頻譜接入技術(shù)給移動用戶提供高的帶寬。目前,XG工作完成了對XG網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的描述,對XG網(wǎng)絡(luò)的一些功能,如頻譜感知、頻譜管理、頻譜共享進行了詳細的討論,并對其他的問題,如上述功能對上層協(xié)議的影響進行了框架性的研究。

3 海戰(zhàn)場艦艇短波頻譜管理

頻譜管理是指軍隊領(lǐng)導(dǎo)機關(guān)和電磁頻譜管理機構(gòu)制定電磁頻譜管理政策、規(guī)定,劃分、規(guī)劃、分配、指配頻率和航天器軌道資源,以及對電磁頻譜和軌道資源使用情況進行監(jiān)督、檢查和協(xié)調(diào)處理等活動統(tǒng)稱。海戰(zhàn)場艦艇短波頻譜管理得主要任務(wù)是:統(tǒng)一劃分和指配頻率,監(jiān)督和管理短波通信設(shè)備設(shè)置和使用;監(jiān)測戰(zhàn)場電磁環(huán)境,維護無線電設(shè)備工作秩序;實施戰(zhàn)場無線電管制,協(xié)調(diào)各部門的業(yè)務(wù)關(guān)系,消除己方相互干擾等。目的是對區(qū)域戰(zhàn)場電磁頻譜的使用實施統(tǒng)一的規(guī)劃和控制,滿足作戰(zhàn)時的電磁頻譜使用要求,提供可使用的最佳電磁頻譜,提高頻譜利用率。

在海軍現(xiàn)行的短波通信組織中,海戰(zhàn)場上各艦艇短波通信工作頻率的選擇和指配主要依靠人工的方式進行,依據(jù)專業(yè)人員的經(jīng)驗或國家、軍隊所發(fā)布的“長期預(yù)報”選定工作頻率集,以“文件”形式下發(fā)至各通信要素共同執(zhí)行。在執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)時,各通信節(jié)點處的短波電臺使用人員根據(jù)“文件”規(guī)定的工作頻率,將短波電臺工作頻率置于事先規(guī)定的工作頻率上,當(dāng)短波電臺受到外界干擾導(dǎo)致通信效果下降時,短波電臺使用人員從“文件”中人工地選擇備用頻率進行通信。由于在作戰(zhàn)行動過程中,短波通信的可通頻段是隨電離層的變化而實時變化的;同時海戰(zhàn)場的電磁環(huán)境復(fù)雜,加之人為的電磁干擾,因此海戰(zhàn)場的短波通信常常會因為自然或人為等因素而阻斷。由此可見,人工頻率指配方式是無法保證其指配頻率的最佳性和實時可通性,無法確保岸上指揮所與海上編隊之間遠程移動通信的實時暢通。目前海軍艦艇短波頻譜管理中用頻決策人工環(huán)節(jié)多、自動化程度低、準(zhǔn)確性差,迫切需要一種新型的、智能的頻譜管理方法解決這個問題。認(rèn)知無線電技術(shù)的提出,為我海軍解決實時頻譜管理提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。

3.1 動態(tài)頻譜接入技術(shù)分類

而隨著無線通信業(yè)務(wù)需求的快速增長,無線頻譜資源顯得日益缺乏?？捎妙l譜資源稀缺及頻譜利用效率低等問題使得一種全新的、優(yōu)化使用頻譜資源的短波通信模式變得十分必要。因此,基于認(rèn)知無線電的動態(tài)頻譜接入(Dynamic Spectrum Access,DSA)技術(shù)應(yīng)運而生。根據(jù)IEEE 1900.1草案標(biāo)準(zhǔn)的定義,DSA是一種可以在一定頻譜使用權(quán)限范圍內(nèi)動態(tài)地選擇工作頻譜,并利用在一定時域、空域和頻域上出現(xiàn)的頻譜空洞或白區(qū)進行通信的無線電技術(shù)。DSA是一個廣義的概念,主要可以分為動態(tài)排他使用、開放共享和分層接入三類。

動態(tài)排他使用類仍沿用了目前靜態(tài)頻譜分配政策的基本結(jié)構(gòu),其主要思想是引入靈活性以提高頻譜利用效率。目前該模型主要包含兩種技術(shù):頻譜產(chǎn)權(quán)(Spectrum Property Rights)和動態(tài)頻譜分配(Dynam ic Spectrum A llocation)。認(rèn)為頻譜產(chǎn)權(quán)可由時間、地域和頻段這三個參數(shù)確定。特別地,頻譜產(chǎn)權(quán)可解釋為在指定頻段上傳輸信號的權(quán)利,前提條件是在指定的時間段內(nèi)以及指定的地域范圍內(nèi)使用頻譜,并且信號功率不超過指定強度。動態(tài)頻譜分配最早是由歐洲D(zhuǎn)RiVE項目提出來的,主要應(yīng)用在商業(yè)領(lǐng)域,如第三代移動通信(UM TS)和數(shù)字視頻廣播(DVB-T)。

開放共享類又稱為頻譜公用(Spectrum Commons)。這個類型向所有用戶開放頻譜使其共享,如工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)用(ISM)頻段的開放共享方式?；诨A(chǔ)設(shè)施的集中式頻譜共享和分布式頻譜共享是應(yīng)用于該類型的兩類主要頻譜共享技術(shù)。在集中式這類解決方案中,集中控制單元控制頻譜分配和接入過程。網(wǎng)絡(luò)中的每個分布式節(jié)點都把自己感知到的頻譜信息匯聚到集中控制單元,由控制單元繪制出頻譜分配映射圖。而分布式解決方案主要用于不能構(gòu)建集中式基礎(chǔ)設(shè)施的場合。在這種情況下,每個分布式節(jié)點都參與頻譜分配和競爭的過程。同時,頻譜接入是由節(jié)點自身的策略決定的。

分層接入類可看作是動態(tài)排他使用和開放共享二者的結(jié)合。其基本思想是在次要用戶(Secondary User)不對授權(quán)用戶產(chǎn)生任何有害干擾的前提下,向次要用戶開放已授權(quán)的頻段,從而實現(xiàn)授權(quán)用戶和次要用戶對頻譜的共享。

3.2 動態(tài)頻譜管理框架

基于現(xiàn)代短波通信技術(shù)的發(fā)展趨勢以及艦艇用頻需求和現(xiàn)狀,作者進行了相應(yīng)的研究,根據(jù)最新的認(rèn)知無線電技術(shù)提出如下艦艇短波頻譜管理系統(tǒng)的框架,如圖1所示。

新的頻譜管理系統(tǒng)是基于認(rèn)知無線電技術(shù),集頻譜感知、頻譜分析和頻譜決策、頻譜共享等功能的綜合管理系統(tǒng)。四個環(huán)節(jié)共同實現(xiàn)頻譜信息的閉環(huán)處理,其中建立全方位、大縱深、立體化的頻譜感知網(wǎng)絡(luò)是實施戰(zhàn)場頻譜管理的基礎(chǔ);構(gòu)建分布式、智能化頻譜信息處理決策網(wǎng)絡(luò)是核心;實現(xiàn)頻譜的動態(tài)分配和頻譜信息注入等管理控制是關(guān)鍵;最后實現(xiàn)為海戰(zhàn)場各類無線電通信系統(tǒng)(尤其是短波通信)、定位系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)、遙測系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、多譜傳感器系統(tǒng)、定向能量武器系統(tǒng)等提供有效頻譜接入和全域頻譜信息支撐的管理目標(biāo)。在閉環(huán)處理過程中,可接收外部狀態(tài)激勵輸入信息、需求輸入信息,并可對外輸出共享頻譜管理決策信息。

3.3 動態(tài)頻譜管理流程

我們借鑒了認(rèn)知無線電的思路提出一種動態(tài)的短波頻率選擇技術(shù)。在艦艇短波通信過程中通過實時檢測、頻率資源共享和動態(tài)分配來實現(xiàn)對最佳的或者可靠的工作頻率的自動選擇與實時控制,大致可由三個環(huán)節(jié)來實現(xiàn)對工作頻率的自動選擇及實時控制:

3.3.1 頻率預(yù)選擇

雖然通過以前各種方法得出的短波通信頻率不一定能很好地實現(xiàn)可靠通信,但是不符合電離層傳播規(guī)律和長期統(tǒng)計規(guī)律的頻率肯定是不可用的。也就是說,只有符合短波傳輸特性和傳播規(guī)律的頻譜資源才值得密切關(guān)注。因此,短波頻譜管理的首要任務(wù)就是充分利用各種渠道,根據(jù)長期統(tǒng)計預(yù)報的經(jīng)驗數(shù)據(jù)和大量試驗數(shù)據(jù)積累的可用頻率數(shù)據(jù)資源,按照短波傳播特性和規(guī)律建立科學(xué)預(yù)報模型,根據(jù)艦艇短波通信要求產(chǎn)生預(yù)選擇頻率集,剔除不可能實現(xiàn)通信的頻率的無用頻率,減少頻譜探測的盲目性,提高頻譜管理的效率。我們稱這個過程為頻率預(yù)選擇。

3.3.2 實時頻譜監(jiān)測和機會尋求

短波(尤指天波)的傳播特性極為不穩(wěn)定,隨機性中有著不容忽視的規(guī)律,那就是電離層的反射定理。但是僅按照這一規(guī)律是不完善的,應(yīng)當(dāng)考慮到電離層隨機變化和電磁環(huán)境干擾。實時頻譜監(jiān)測就是在頻率預(yù)選擇的基礎(chǔ)上積累的可通頻率點(段)上進行跟蹤檢測和信號估值,根據(jù)干擾分布和占用情況不斷獲取頻譜空隙和當(dāng)前狀態(tài)下的最佳通信頻率數(shù)據(jù);并將監(jiān)測頻率按照可接受的門限篩選和排序,以提供頻譜接入機會信息。目前我海軍已建立了chirp短波探測系統(tǒng),該系統(tǒng)可以完成認(rèn)知無線電所要求的頻譜感知功能。

Chirp探測的含義,一是指探測信號采用的是頻率掃描信號,另外當(dāng)探測接收機收到探測信號時,在耳機內(nèi)將聽到啁啾聲,故稱之為“啁啾探測”。Chirp探測信號分為頻率線性掃描信號和頻率對數(shù)掃描信號,典型的Chirp探測信號是頻率線性掃描信號。探測信號從發(fā)射機到接收機所產(chǎn)生的時延τp使得該信號到達接收機的時刻滯后于接收機的調(diào)諧頻率點,因此接收機收到探測信號和機內(nèi)參考信號存在一個頻率差。當(dāng)在掃描的頻段內(nèi)是固定時,頻率差 Δf0為一固定值。Δf0與 τp關(guān)系如圖2。

因此,只要收發(fā)都保證線性掃頻,接收機輸出基帶信號的頻率 Δf0就可以直接用來反映信號在信道中傳輸?shù)臅r延。這就是Chirp探測測量信道的根據(jù)。

在Chirp探測系統(tǒng)中,信道的衰耗頻率特性,是用接收信號的強度隨頻率的變化來表示的。為了精確的測量信道的時延,在接收機內(nèi)設(shè)有調(diào)整能力很強的AGC電路,自動地調(diào)整頻率的幅度,使送入頻譜分析儀的信號具有固定的振幅電平。由于AGC電路提供的控制電壓的大小與接收到的信號電平成正比,所以電壓隨頻率的變化曲線,實際上反映了接收到信號強度隨頻率的變化,反映了信道的衰耗頻率特性。該曲線顯示在Chirp接收機顯示屏幕的上方,圖稱為“Chirp探測電離圖”。

Chirp探測電離圖可以直觀地反應(yīng)目前一段時間內(nèi)短波信道的物理特性,為動態(tài)頻譜管理提供依據(jù)。根據(jù)電離圖的直觀體現(xiàn),我們可以將頻譜分類:1)黑色區(qū)域,常被高能量的局部干擾占用;2)灰色區(qū)域,在部分時間被低能量干擾占用;3)白色區(qū)域,只有環(huán)境噪聲而幾乎沒有射頻干擾占用。這樣為動態(tài)頻譜管理提供數(shù)據(jù)支持和準(zhǔn)備。

3.3.3 工作頻率動態(tài)調(diào)整

即整個通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的頻率自適應(yīng)分配。將頻譜監(jiān)測得來的選頻數(shù)據(jù)結(jié)果及時分發(fā)到通信系統(tǒng)模塊進行更新,按照一定的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議實現(xiàn)頻率的動態(tài)調(diào)整,從而實現(xiàn)高效的通信。

根據(jù)認(rèn)知無線電的頻譜共享技術(shù),可以將目前頻譜中的白色區(qū)域和灰色區(qū)域按3.1節(jié)所敘述的動態(tài)頻譜接入技術(shù)進行重新分配,以保障海戰(zhàn)場我海軍艦艇的短波通信。一旦授權(quán)用戶要再次通信,利用認(rèn)知無線電的鏈路保持技術(shù)必須要在最短的時間內(nèi)騰出正在使用的頻率,并且還要保證自己的通信不被中斷,重新進行短波通信頻譜選擇。

4 結(jié)語

短波通信技術(shù)發(fā)展到今天,其抗干擾、抗截獲、抗摧毀性能和綜合業(yè)務(wù)傳輸能力都已提高到了一個新的水平,在軍事通信中也得到了越來越廣泛的應(yīng)用和發(fā)展,但頻譜管理問題仍然是限制其發(fā)展的一個技術(shù)難題,尤其是海戰(zhàn)場數(shù)字化組網(wǎng)通信的選頻問題,將直接關(guān)系到作戰(zhàn)系統(tǒng)整體效能的發(fā)揮。因此如何實現(xiàn)動態(tài)地選用通信頻率,是當(dāng)前艦艇短波通信發(fā)展亟待解決的一個重要問題。

文章涉及的是短波頻譜信道綜合利用的新模式。結(jié)合認(rèn)知無線電的思想,對海戰(zhàn)場艦艇短波通信的頻譜管理問題做了一些有益的探索,立足點是綜合利用現(xiàn)有選頻優(yōu)勢思想和技術(shù)以適應(yīng)現(xiàn)代短波通信數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化對短波信道技術(shù)的新要求,提高頻利用率。基于認(rèn)知無線電技術(shù)提出的動態(tài)頻譜管理就有其現(xiàn)實意義和實現(xiàn)價值?？梢灶A(yù)見,新體制和新技術(shù)的快速發(fā)展必將推動艦艇短波動態(tài)頻譜管理難題的解決。

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