短波組網(wǎng)協(xié)作頻譜感知技術(shù)研究*

楊 敏,周治中

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所,四川成都610041)

短波組網(wǎng)協(xié)作頻譜感知技術(shù)研究*

楊 敏,周治中

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所,四川成都610041)

短波通信由于通信距離遠(yuǎn)、頑存性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于軍事通信領(lǐng)域。為增強(qiáng)短波組網(wǎng)通信的抗干擾性能,將信道感知技術(shù)與短波組網(wǎng)相融合,提出了一種基于協(xié)作感知技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)頻率自適應(yīng)技術(shù)。該技術(shù)在初始組網(wǎng)時(shí),能正確、快捷的從頻率庫(kù)中選出適用于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的最佳工作頻率;在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中,根據(jù)頻率的質(zhì)量變化情況,及時(shí)地調(diào)整工作頻率。OPNET仿真表明,該協(xié)作感知技術(shù)有效,對(duì)通信性能改善明顯。

短波通信 認(rèn)知無(wú)線電 協(xié)作感知 OPNET仿真

0 引 言

近十多年來(lái),無(wú)線通信技術(shù)發(fā)展迅速,數(shù)量龐大的無(wú)線通信設(shè)備隨之涌現(xiàn),頻譜資源日趨緊張。在現(xiàn)有的頻率使用規(guī)則下,頻譜資源分配給特定的授權(quán)用戶,而非授權(quán)用戶則無(wú)法使用。這種分配方式不盡合理,并一度給無(wú)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員與電信規(guī)則制定方帶來(lái)了困擾,但是聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)近期的一項(xiàng)頻譜使用調(diào)查卻表明:授權(quán)頻段在大部分時(shí)段并未使用,而是處于空閑狀態(tài)。

為有效解決頻譜資源緊張與頻譜利用率不高的矛盾,認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)(CR)應(yīng)運(yùn)而生[1]。

1999年,軟件無(wú)線電奠基人、瑞典皇家理工學(xué)院J.Mitola博士在軟件無(wú)線電(SR)的基礎(chǔ)上提出了認(rèn)知無(wú)線電的概念[2]。CR是一個(gè)智能無(wú)線通信系統(tǒng)。它能夠感知外界環(huán)境,并使用人工智能技術(shù)從環(huán)境中學(xué)習(xí),通過(guò)實(shí)時(shí)改變某些操作參數(shù),如傳輸功率、載波頻率和調(diào)制技術(shù)等,使其內(nèi)部狀態(tài)適應(yīng)接收到的無(wú)線信號(hào)的變化,以達(dá)到在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)都能可靠通信、有效利用頻譜資源的目的[3]。

認(rèn)知無(wú)線電的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下3個(gè)方面:即頻譜感知檢測(cè)技術(shù)、自適應(yīng)傳輸技術(shù)、頻譜資源管理技術(shù)(包括頻譜分析和決定等),這些關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)成了認(rèn)知無(wú)線電的核心功能[4]。

短波通信抗毀性強(qiáng),設(shè)備簡(jiǎn)單,使用方便,無(wú)需中繼便能實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)距離通信,因此被廣泛地用于軍事通信[5]。美國(guó)把短波信道作為戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)的主干線和二級(jí)線路。北約也將短波通信作為超視距通信的重要手段。在某些特殊情況下,特別是在戰(zhàn)爭(zhēng)中短波通信是唯一的通信手段。但是,短波可用頻段窄、容量小、用戶多、干擾嚴(yán)重、可靠性差,所以短波工作頻率的選擇是短波通信的關(guān)鍵。

認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)具有感知外界環(huán)境,調(diào)整載波頻率以提高通信效率、提高頻率利用率等功能,因此認(rèn)知技術(shù)在短波通信中具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

本文針對(duì)短波地波、海面波的應(yīng)用環(huán)境,提出一種基于協(xié)作感知的網(wǎng)絡(luò)頻率自適應(yīng)技術(shù),并進(jìn)行了OPNET仿真。

1 短波組網(wǎng)協(xié)作感知策略

1.1 現(xiàn)有技術(shù)分析

為克服短波不穩(wěn)定、易受干擾的缺點(diǎn),研究人員先后研制出了基于異步方式的第2代自動(dòng)鏈路建立技術(shù)(2G-ALE)及網(wǎng)絡(luò)容量更大組網(wǎng)更加快捷的第3代自動(dòng)鏈路建立技術(shù)(3G-ALE)。

在短波網(wǎng)絡(luò)中,工作頻率的選取關(guān)系到網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)相互間的可達(dá)性及網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省Ｔ?G-ALE中,廣播或組播信道是由呼叫節(jié)點(diǎn)根據(jù)本地的偵聽(tīng)結(jié)果進(jìn)行選取并通知[6],這種方式能識(shí)別某信道是否被占用,在一定程度上能避免網(wǎng)內(nèi)的相互干擾。但是這種方式存在如下缺點(diǎn):

1)呼叫節(jié)點(diǎn)指定的信道對(duì)于全網(wǎng)來(lái)說(shuō)不一定是最佳的信道。

2)當(dāng)工作頻率質(zhì)量變差時(shí),無(wú)快速反應(yīng)的頻率更換機(jī)制。

本案提出的協(xié)作感知自適應(yīng)技術(shù)能有效的解決上述問(wèn)題[7]。

1.2 協(xié)作感知

對(duì)于地波或海面波而言,各臺(tái)站信道條件類似,但由于存在友臺(tái)或是敵臺(tái)的干擾等,各節(jié)點(diǎn)的頻率質(zhì)量情況可能有差異。協(xié)作感知根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行階段實(shí)現(xiàn)2個(gè)目標(biāo):網(wǎng)絡(luò)初始信道選擇、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中信道更換。

(1)初始信道選擇

網(wǎng)絡(luò)初始信道選擇是指在網(wǎng)絡(luò)建立時(shí),各個(gè)節(jié)點(diǎn)分別以空閑偵聽(tīng)或鏈路質(zhì)量統(tǒng)計(jì)的方式進(jìn)行本地信道感知。叢臺(tái)站在掃描探測(cè)階段將本地質(zhì)量進(jìn)行全網(wǎng)廣播,因而在網(wǎng)內(nèi)建立起節(jié)點(diǎn)對(duì)之間的信道質(zhì)量表。主臺(tái)站接收到各臺(tái)站的信道質(zhì)量廣播后,對(duì)頻率質(zhì)量進(jìn)行綜合,根據(jù)信息融合算法選取一個(gè)最適合全網(wǎng)的工作頻率。頻率的選取應(yīng)該參考各臺(tái)站的頻率質(zhì)量分布情況以及網(wǎng)內(nèi)的業(yè)務(wù)類型,選出的頻率不一定對(duì)每個(gè)臺(tái)站來(lái)說(shuō)是最佳的頻率,但是綜合全網(wǎng)或是針對(duì)特定的業(yè)務(wù)(如聲碼話)考慮,該頻率是最佳的信道。

信息融合時(shí)采取決策軟融合策略,該策略考慮到了不同信道條件下各節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果可信度有差異,并且能夠在協(xié)作增益和開(kāi)銷之間取得合理的折中,典型的算法包括2bit量化決策加權(quán)軟融合算法、動(dòng)態(tài)決策加權(quán)融合算法等。

主臺(tái)站選出最佳工作頻率后,進(jìn)行全網(wǎng)頻率分發(fā)。頻率分發(fā)策略參考頻率庫(kù)中的頻率個(gè)數(shù):若頻率庫(kù)中頻率較少則在每個(gè)頻率上進(jìn)行換頻信息的冗余發(fā)送;若頻率較多則根據(jù)頻率的分布情況,每一小段選擇若干頻率進(jìn)行發(fā)送。所以,對(duì)于每個(gè)叢臺(tái)而言,只要頻率庫(kù)中有一個(gè)可通頻率,則換頻信息即可送達(dá)。

這種初始信道選擇方式解決了依賴網(wǎng)內(nèi)某節(jié)點(diǎn)信道質(zhì)量進(jìn)行頻率選擇的不足。

(2)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行頻率更換

網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中頻率的動(dòng)態(tài)更換是短波組網(wǎng)頻率策略的一個(gè)重點(diǎn)與難點(diǎn)。在3G-ALE中當(dāng)頻率不可用時(shí)時(shí)需要拆除鏈路重新選擇工作頻率;當(dāng)頻率庫(kù)中有更好的頻率時(shí),本次業(yè)務(wù)也不會(huì)將其選用。

在此,提出一種伴隨業(yè)務(wù)的頻率動(dòng)態(tài)更換的協(xié)作感知方法。

網(wǎng)絡(luò)以TDMA的方式運(yùn)行,依據(jù)時(shí)間劃分出自適應(yīng)時(shí)隙、業(yè)務(wù)時(shí)隙等。各臺(tái)站以TDMA的方式占用自適應(yīng)時(shí)隙。在自適應(yīng)時(shí)隙,各臺(tái)站完成對(duì)已知或未知信道的感知及匯聚,主臺(tái)站對(duì)信息進(jìn)行融合后作出頻率更換決策。從臺(tái)站接收到頻率決策后,作為中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)該決策進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

該協(xié)作感知過(guò)程如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行頻率更換協(xié)作感知示意Fig.1 Cooperative spectrum sensing of the frequency replace in net operation

上圖以4個(gè)臺(tái)站為例說(shuō)明了頻率動(dòng)態(tài)更換的協(xié)作感知過(guò)程。

1)主臺(tái)站每次連續(xù)使用2個(gè)自適應(yīng)時(shí)隙,每隔兩個(gè)自適應(yīng)時(shí)隙使用一次;其余臺(tái)站每次輪流使用一次自適應(yīng)時(shí)隙。

2)在業(yè)務(wù)時(shí)隙,有業(yè)務(wù)傳輸時(shí)各接收臺(tái)站進(jìn)行鏈路質(zhì)量統(tǒng)計(jì);無(wú)業(yè)務(wù)傳輸時(shí),各臺(tái)進(jìn)行信道偵聽(tīng)。

3)從臺(tái)站接收到換頻決策,且換頻時(shí)刻尚未到來(lái),則在自適應(yīng)時(shí)隙將其進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),以增強(qiáng)頻率信息傳輸?shù)目煽啃?若沒(méi)有接收到換頻決策,則發(fā)送本地的信道質(zhì)量及偵聽(tīng)情況;網(wǎng)內(nèi)其余臺(tái)站均在自適應(yīng)時(shí)隙中進(jìn)行信道質(zhì)量統(tǒng)計(jì)。

4)主臺(tái)站在空閑及業(yè)務(wù)接收狀態(tài)下進(jìn)行信道感知,結(jié)合各從臺(tái)站上報(bào)的信道質(zhì)量情況進(jìn)行信息融合,選出適合全網(wǎng)當(dāng)前業(yè)務(wù)傳輸?shù)淖罴研诺?并在自適應(yīng)時(shí)隙中發(fā)送。頻率決策信息發(fā)送多次后網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)同步更換頻率。

換頻信息的發(fā)送策略與初始信道選擇時(shí)一致,頻率庫(kù)中有可用頻率時(shí)換頻即可成功。

2 OPNET仿真

2.1 仿真目的

針對(duì)上述協(xié)作感知思路,進(jìn)行了基于OPNET的網(wǎng)絡(luò)仿真。仿真的主要目的如下:

(1)驗(yàn)證協(xié)作感知協(xié)議的可行性

(2)明確在干擾情況下?lián)Q頻的反應(yīng)時(shí)間

2.2 仿真模型

本仿真針對(duì)短波定頻組網(wǎng)進(jìn)行。按照OPNET三層建模機(jī)制,分別對(duì)網(wǎng)絡(luò)模型、節(jié)點(diǎn)模型和進(jìn)程模型建模。

對(duì)無(wú)線信道的建模,需要考慮信道頻率、功率、視距以及干擾等,本仿真中,對(duì)短波信道特征進(jìn)行抽象,通過(guò)不同速率、不同質(zhì)量的信道誤碼率、信噪比來(lái)表征信道。本仿真物理層參考MIL-STD-188-110C波形指標(biāo)。

仿真時(shí)采用滿負(fù)荷的TDMA方式進(jìn)行業(yè)務(wù)傳輸,網(wǎng)內(nèi)16個(gè)節(jié)點(diǎn)均在TDMA業(yè)務(wù)時(shí)隙內(nèi)發(fā)送業(yè)務(wù)。業(yè)務(wù)速率為2 400 bps,帶寬為3 kHz,頻率決策信息速率為75 bps。

2.3 統(tǒng)計(jì)量

最終收集的統(tǒng)計(jì)量為包通過(guò)率N。2 400 bps下包長(zhǎng)定為960比特。

包通過(guò)率定義為:網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)正確接收的數(shù)據(jù)包數(shù)。

Pn為節(jié)點(diǎn)n當(dāng)前正確接收到的數(shù)據(jù)包數(shù);sim_ time為當(dāng)前逝去的時(shí)間,仿真開(kāi)始時(shí)為0。

2.4 仿真結(jié)論

(1)協(xié)議的可行性驗(yàn)證

本仿真的場(chǎng)景為初始信道選擇與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行頻率更換功能均開(kāi)啟。任意指定若干信道及其質(zhì)量值,等待網(wǎng)絡(luò)建立。在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中施加突發(fā)干擾。觀察網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)包通過(guò)率的變化趨勢(shì)。

協(xié)作感知機(jī)制工作時(shí)包通過(guò)率如圖2。

圖2 包通過(guò)率變化示意Fig.2 Packet throughput trend

初始工作頻率確定后,網(wǎng)絡(luò)包通過(guò)率急劇上升并趨于穩(wěn)定。在第10分鐘時(shí),對(duì)工作頻率及部分備用頻率施加干擾,此時(shí)包通過(guò)率急劇下降,經(jīng)過(guò)大約30秒后,工作頻率被替換,此時(shí)包通過(guò)率穩(wěn)步上升。在第20分鐘時(shí),再次對(duì)部分頻率施加干擾,此時(shí)包通過(guò)率再次急劇下降。經(jīng)過(guò)約70秒后,選用新的工作頻率。此后,包通過(guò)率保持穩(wěn)定。

協(xié)作感知能選出質(zhì)量較好的初始工作頻率;在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中能夠舍棄被干擾的工作頻率,選擇未被干擾的頻率傳輸業(yè)務(wù)。該仿真證明了協(xié)作感知協(xié)議的可行性。

(2)自適應(yīng)換頻時(shí)間

本仿真的場(chǎng)景針對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)的協(xié)作感知換頻過(guò)程。仿真出信令信道、業(yè)務(wù)信道受到干擾時(shí)網(wǎng)絡(luò)換頻的反應(yīng)時(shí)間。

仿真時(shí),干擾的頻率個(gè)數(shù)依次增加,分別占到總頻率個(gè)數(shù)的12.5%、25%、50%、75%,施加干擾后頻率的信噪比為-8 dB、-9 dB。頻率決策對(duì)應(yīng)的信令波形誤碼率分別為0.002 9、0.15。

干擾施加間隔10分鐘,干擾頻率逐漸增多,包通過(guò)率的變化如下圖所示。圖中的兩根曲線分別對(duì)應(yīng)-8 dB與-9 dB下的包通過(guò)率。

圖3 干擾12.5%的頻率時(shí)包通過(guò)率示意Fig.3 Packet throughput trend in jamming 12.5%frequencies

圖4 干擾25%的頻率時(shí)包通過(guò)率示意Fig.4 Packet throughput trend in jamming 25%frequencies

圖5 干擾50%的頻率時(shí)包通過(guò)率示意Fig.5 Packet throughput trend in jamming 50%frequencies

圖6 干擾75%的頻率時(shí)包通過(guò)率示意Fig.6 Packet throughput trend in jamming 75%frequencies

根據(jù)上述圖表統(tǒng)計(jì)得出換頻反應(yīng)時(shí)間,如表1。

表1 換頻反應(yīng)時(shí)間Table 1 Response time of changing frequency

在施加干擾的情況下,頻率自適應(yīng)功能有效的躲避干擾,改善通信性能,保障通信正常可靠進(jìn)行。

3 結(jié) 語(yǔ)

認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)是一門新興的前沿學(xué)科,其發(fā)展還處于初級(jí)階段,目前對(duì)其理論性的研究較多,實(shí)用化的探索較少。本文將認(rèn)知無(wú)線電基本技術(shù)與短波組網(wǎng)相結(jié)合,利用其靈活、智能、可重配置的特征,通過(guò)感知與學(xué)習(xí),實(shí)時(shí)改變短波載波頻率,從而實(shí)現(xiàn)了短波頻譜資源的高效利用。本文在初步了解認(rèn)知基本技術(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)其實(shí)用化進(jìn)行了探索,也為短波組網(wǎng)下的頻率控制策略提供了一種新的思路。認(rèn)知無(wú)線電的鏈路控制技術(shù)將是下一步研究的重點(diǎn),而基于此的短波正交跳頻頻率自適應(yīng)技術(shù)也將提上重要的研究日程。

[1] ZHANG Wei,MALLIK Ranjan K.,LETAIEFK haled Ben.Cooperative Spectrum Sensing Optimization in Cognitive Radio Networks[C]//IEEE International Conference.Beijing:IEEE,2008,3411-3415.

[2] ITOLA J.M,MAQUIRE G Q Jr.Cognitive Radio:Making Software Radios More Personal[J].IEEE Personal Communications,1999(06):13-18.

[3] 周德全,李光輝.認(rèn)知無(wú)線電及其關(guān)鍵技術(shù)[J].通信技術(shù),2009,42(06):24-38.

ZHOU De-quan,LI Zhao-Hui.Cognitive Radio and Its Key Techniques[J].Communications Technology,2009, 42(6):24-38.

[4] 張志堅(jiān),關(guān)建新,張勤.基于認(rèn)知無(wú)線電的軍事通信抗

干擾研究[J].艦船電子工程,2009,29(01):1-4.

ZHANG Zhi-jian,GUAN Jian-xin,ZHANG Qin.Research on Military Communication Anti-jamming based on Cognitive Radio[J].Ship Electronic Engineering,2009, 29(1):1-4.

[5] 張爾揚(yáng),王瑩,路軍.短波通信技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2002:3-4.

ZHANG Er-yang,WANG Ying,LU Jun.HF Communication Technology[M].BeiJing:National Defense Industry Publishing Company,2002:3-4.

[6] DOD.MIL-STD-188-141B,Interoperability and Performance Standards for Medium and High Frequency Radio Systems,Appendix C Third Generation HF Link Automation[S].USA:DOD:331[2001].http://www. docin.com/p-597166401.html.

[7] 劉全,高俊,關(guān)建新,郭云瑋.認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)鏈路層關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展[J].電訊技術(shù),2010,50(03):90-98.

LIU Quan,GAO Jun,GUAN Jian-xin,GUO Yun-wei. Survey on Linker Layer Key Technologies in Cognitive Radio Networks[J].Telecommunication Engineering, 2010,50(3):90-98.

YANG Min(1981-),male,M.Sci.,engineer,majoring in HF MAC control and HF adaptive technique.

周治中(1965—),男,研究員,主要研究方向?yàn)橥ㄐ判盘?hào)處理和短波通信。

ZHOU Zhi-zhong(1965-),male,research fellow,majoring in communication signal processing and HF communication.

Cooperative Spectrum Sensing Technology of HF Networking

YANG Min,ZHOU Zhi-zhong
(No.30 Institute of CETC,Chengdu Sichuan 610041,China)

HF(high frequency)communication is widely used in military communication for its advantages of long-distance communication,strong survivability and so on.In order to enhance the anti-jamming performance of HF networking,and by integrating channel sensing technology and HF networking,an adaptive technique of network frequency based on cooperative spectrum sensing is proposed.The proposed technique can quickly and correctly select an optimum frequency from frequency lab in the initial phase of networking and apply it to the entire network.And in the process of network operation,it can adjust the work frequency according to the quality variety of frequency.OPNET simulation shows that this cooperative spectrum sensing technique is effective and could obviously improve the communication performance.

HF communication;cognitive radio;cooperative sensing;OPNET simulation

TN924

A

1002-0802(2014)11-1318-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.11.016

楊 敏(1981—),男,碩士,工程師,主要研究方向?yàn)槎滩ㄦ溌房刂萍白赃m應(yīng)技術(shù);

2014-07-02;

2014-09-25 Received date：2014-07-02;Revised date：2014-09-25