艦載網(wǎng)絡(luò)中未知協(xié)議識別方法研究與仿真

鄭 杰

(1．電子科技大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與工程系，四川 成都611731;2．重慶電子工程職業(yè)學(xué)院 軟件學(xué)院，重慶401331)

0 引 言

艦載網(wǎng)絡(luò)通信是采用衛(wèi)星通信和無線短波通信結(jié)合構(gòu)成的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。艦載網(wǎng)絡(luò)作為物聯(lián)網(wǎng)的一個重要分支，它的出現(xiàn)是集成了艦載接口設(shè)計、無線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行、CDMA、TDMA 和GSM 的蜂窩電話和移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的混合產(chǎn)物，艦載網(wǎng)絡(luò)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)建包括了地面站、路由系統(tǒng)和衛(wèi)星中轉(zhuǎn)站等3 部分構(gòu)成。研究艦載網(wǎng)絡(luò)通信中的未知協(xié)議識別算法在實現(xiàn)艦船網(wǎng)絡(luò)通信信道均衡，提高通信穩(wěn)定性方面具有重要意義，相關(guān)研究受到廣大專家的重視［1］。

艦載網(wǎng)絡(luò)總線通信控制中，對未知協(xié)議的識別過程是一個信道均衡控制和抗干擾濾波設(shè)計的過程，通過對艦船網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的優(yōu)化，采用信道無偏均衡設(shè)計，提高通信信號傳輸?shù)谋Ｕ娑群托诺雷R別能力。傳統(tǒng)方法中，對艦船網(wǎng)絡(luò)中的未知協(xié)議識別方法采用譜分析法、基于IEEE 802. 11p無偏均衡算法和源節(jié)點到目的節(jié)點信道均衡算法等，傳統(tǒng)方法中對艦載網(wǎng)絡(luò)總線通信控制的信道設(shè)計，當(dāng)功率譜呈現(xiàn)相位失衡時，信道均衡效果不好［2］。對此，相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，其中文獻(xiàn)［3］提出一種基于VANET 路由協(xié)議的艦載網(wǎng)絡(luò)協(xié)議優(yōu)化設(shè)計和路由鏈路通道均衡算法，通過對艦載網(wǎng)絡(luò)的分布式處理和組織網(wǎng)絡(luò)互連，提高艦載網(wǎng)絡(luò)通信識別和信號處理能力。文獻(xiàn)［4］提出一種基于FSR (Fisheye State Routing)的艦載網(wǎng)絡(luò)最短路徑規(guī)劃算法，實現(xiàn)對艦載網(wǎng)絡(luò)的未知協(xié)議識別和最短路徑控制，在艦載通信和無線數(shù)據(jù)傳輸定位中發(fā)揮著重要的作用。但目前的艦載網(wǎng)絡(luò)未知協(xié)議識別采用的是端口路由分層識別方法，存在通信信號傳輸?shù)谋Ｕ娑炔缓?，路由開銷大等問題［5－7］。針對上述問題，本文提出一種基于高階譜包絡(luò)調(diào)制的艦載網(wǎng)絡(luò)中的未知協(xié)議識別方法。首先構(gòu)建艦載網(wǎng)絡(luò)通信的系統(tǒng)模型，對艦載網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行路由分簇設(shè)計和通信信道模型設(shè)計，在此基礎(chǔ)上，對艦載網(wǎng)絡(luò)通信中的未知協(xié)議進(jìn)行多接口多信道的自組織網(wǎng)絡(luò)分配，采用高階譜包絡(luò)調(diào)制方法對通信信號進(jìn)行特征提取和動態(tài)融合，實現(xiàn)對艦載網(wǎng)絡(luò)中的未知協(xié)議的優(yōu)化識別和仿真，最后通過仿真實驗進(jìn)行性能驗證，展示本文算法的優(yōu)越性能，得出有效性結(jié)論，展示了較好的應(yīng)用價值。

1 艦載網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)模型和網(wǎng)絡(luò)信道分簇設(shè)計

1.1 艦載網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議基本知識描述

艦載網(wǎng)絡(luò)通信采用多功能協(xié)議總線 (Multi －functional Vehicle Bus，MVB)控制器，艦載網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是艦載網(wǎng)絡(luò)的核心部件，根據(jù)IEC61375 協(xié)議，艦載網(wǎng)絡(luò)TCN 網(wǎng)絡(luò)功能被劃分為7 層，分別為會話層、感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、應(yīng)用層、上位機(jī)的通信接口層等。在艦載網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)模型設(shè)計中，采用IEC61375 協(xié)議進(jìn)行多處理器集群處理。艦載網(wǎng)絡(luò)是基于固定的無線功率實現(xiàn)通信信道的設(shè)計和均衡，采用固定的無線功率不能很好地反映艦載網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)穩(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)通信能力［8－12］。

基于IEC61375 協(xié)議的艦載網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)建立在云平臺下多處理器集群處理基礎(chǔ)上，基于IEC61375協(xié)議的艦載網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的設(shè)計需要主要解決如下問題:

1)基于IEC61375 協(xié)議的艦載網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)服務(wù)調(diào)度和異構(gòu)特征兼容。計算機(jī)硬件技術(shù)快速發(fā)展下，多處理器集群的發(fā)展速度非?？焖伲诓煌瑫r期，不同的多處理器版本層出不窮，由于不同時期多處理器版本的計算能力差異很大，而一個實際的應(yīng)用系統(tǒng)中，多是由多個不同版本的多處理器不斷升級而來的，所以，如何在這些不同版本的多處理器上實現(xiàn)統(tǒng)一的任務(wù)調(diào)度和分配是其發(fā)展中需要解決的首要兼容性問題。

2)基于IEC61375 協(xié)議的艦載網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)服務(wù)調(diào)度和數(shù)字化信息服務(wù)資源整合系統(tǒng)中具有處理器集群的可伸縮能力。在許多實際的多處理器應(yīng)用系統(tǒng)中，通常需要對多處理器系統(tǒng)進(jìn)行不斷的擴(kuò)展，在動態(tài)擴(kuò)展時，有時候需要減少系統(tǒng)構(gòu)成，降低成本和組成，有時候需要加大系統(tǒng)組成，不斷升級，所以需要多處理器集群具有強(qiáng)大的可伸縮能力。

1.2 艦載網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)模型和信道分配結(jié)構(gòu)

本文假定艦載網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行短距離通信，系統(tǒng)中主從式無線主動脈沖信號的碼鑒相調(diào)制寬度p∈［- 1，1］，艦載網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)頻通信的脈沖響應(yīng)為:

式中:ai(t)為通信各路徑的歸一化幅度;τi(t)為時間延遲;Nm為通信信道路徑的條數(shù)。無線傳輸信道的脈沖信號x(t)經(jīng)過量綱歸一化處理，實現(xiàn)多徑分量的重構(gòu)，得到艦載網(wǎng)絡(luò)通信的OFDM 信號為:

式中:N 為碼元數(shù);Cn為脈沖響應(yīng)。艦載網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)頻通信中多徑信道模型采用BPSK 調(diào)制碼元的分布設(shè)計，采用AODV (Ad Hoc on Demand Distance Vector)進(jìn)行鏈路狀態(tài)信息分配，艦載網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議傳輸流程和信道分配結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 艦載網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議傳輸流程和信道分配結(jié)構(gòu)Fig.1 Carrier network communication protocol transmission flow and channel assignment structure

2 艦載網(wǎng)絡(luò)通信的分簇路由設(shè)計

艦載網(wǎng)絡(luò)通信的分簇路由設(shè)計中，使用FPGA和ARM 處理器進(jìn)行軟硬件協(xié)同處理，兼顧性能和擴(kuò)展性需求，構(gòu)建艦載網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，主控模塊負(fù)責(zé)控制整個MVB 總線控制器的工作。開發(fā)了PC/104、VME 等與上位機(jī)的通信接口電路，實現(xiàn)MVB 總線控制器與上位機(jī)的通信。艦載網(wǎng)絡(luò)通信的分簇路由轉(zhuǎn)發(fā)流程如圖2 所示。

在艦載網(wǎng)絡(luò)通信的未知協(xié)議識別中，可以通過多個進(jìn)程的并發(fā)執(zhí)行來提高系統(tǒng)運(yùn)行效率和資源利用率，當(dāng)多個進(jìn)程并發(fā)訪問同一資源時，由于模式?jīng)Q定進(jìn)程對資源的操作范圍，采用v(t)表示艦載網(wǎng)絡(luò)通信的未知協(xié)議節(jié)點在時刻t ≥0 的傳輸拓?fù)涔β试鲆?，a(t)表示節(jié)點在時刻t ≥0 的鄰階均衡加速度，在艦船編隊組網(wǎng)過程中，構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有:

圖2 艦載網(wǎng)絡(luò)通信的分簇路由轉(zhuǎn)發(fā)流程Fig.2 Clustering routing forwarding process of ship borne network communication

該表達(dá)式滿足艦船行駛速度不大于vmax，且不存在負(fù)速度時的射頻接口。假設(shè)艦船節(jié)點的射頻接口是半雙工，節(jié)點初始速度為v(0)，則有表達(dá)式:

節(jié)點i 和節(jié)點j 為通信雙方都可使用的信道。此時t 時刻的艦船加速度、速度和行駛距離分別為ai(t)，vi(t)，si(t)和aj(t)，vj(t)，sj(t)，表達(dá)式為:

綜上分析得到了艦載網(wǎng)絡(luò)通信模型與分簇設(shè)計，為構(gòu)建分簇可變步長濾波接收/發(fā)射信道無偏均衡設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

3 通信信號的高階譜包絡(luò)調(diào)制特征提取及未知協(xié)議識別改進(jìn)實現(xiàn)

3.1 信號特征提取和動態(tài)融合

目前艦載網(wǎng)絡(luò)未知協(xié)議識別采用的是端口路由分層識別方法，存在通信信號傳輸?shù)谋Ｕ娑炔缓?、路由開銷大等問題，為了克服傳統(tǒng)法方法的弊端，本文提出一種基于高階譜包絡(luò)調(diào)制的艦載網(wǎng)絡(luò)中的未知協(xié)議識別方法。在上述路由分簇設(shè)計的基礎(chǔ)上，對艦載網(wǎng)絡(luò)通信中的未知協(xié)議進(jìn)行多接口多信道的自組織網(wǎng)絡(luò)分配，采用高階譜包絡(luò)調(diào)制方法對通信信號進(jìn)行特征提取和動態(tài)融合，為確定了艦船節(jié)點的射頻接口狀態(tài)，構(gòu)建艦載網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)模型，把通信信號采用FFT 方法分解為實信號分解為:

經(jīng)過FFT 處理實現(xiàn)信號的時頻分解，通過高階譜包絡(luò)調(diào)制動態(tài)的跟蹤信號功率的變化，得到高階譜包絡(luò)調(diào)制下的信道無偏均衡模型，迭代步長應(yīng)選取:

式中:ns(t)為艦載網(wǎng)絡(luò)通信碼間;h′i(t)為S(t)的等待時間響應(yīng)函數(shù)。為了實現(xiàn)未知協(xié)議識別，提高艦載網(wǎng)絡(luò)的自動測試性能，采用邏輯分析儀對艦載網(wǎng)絡(luò)特征進(jìn)行均勻采樣，得到均勻矩形陣列:

在此基礎(chǔ)上，對通信信號進(jìn)行特征提取和動態(tài)融合，實現(xiàn)對艦載網(wǎng)絡(luò)中的未知協(xié)議的優(yōu)化識別。

3.2 艦船網(wǎng)絡(luò)未知協(xié)議識別算法改進(jìn)實現(xiàn)

采用高階譜包絡(luò)調(diào)制方法對通信信號進(jìn)行特征提取和動態(tài)融合，進(jìn)行未知協(xié)議識別算法改進(jìn)實現(xiàn)，艦船與艦船間的拓?fù)渥兓芸?，?dāng)a(x)為t = x 時的瞬時加速度，艦船節(jié)點在選擇射頻接口與信道時，則有表達(dá)式:

艦載網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點作為一個隨機(jī)陣元分布在均勻矩形網(wǎng)格中，陣列的邊界是矩形，得到的陣列信號輸出對應(yīng)于m 條線列陣的流行向量滿足:

建立邏輯分析儀的自動測試系統(tǒng)，得到艦載網(wǎng)絡(luò)信息呈現(xiàn)一種均勻分布，均勻分布矩形陣列最小方差為矩陣Q1(θ)，可定義［0，t］時間內(nèi)的節(jié)點行駛距離s(t)為:

在對未知協(xié)議識別中，檢測出的全部壓縮碼通過多端口捆綁網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控指揮中心，監(jiān)控指揮中心對接收的壓縮碼進(jìn)行解碼讀取并對用戶艦載使用端外的實際數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。此時，由此實現(xiàn)對艦載網(wǎng)絡(luò)中未知協(xié)議的識別。

4 仿真實驗與結(jié)果分析

為了測試本文算法在實現(xiàn)艦載網(wǎng)絡(luò)未知協(xié)議識別，提高艦載通信性能穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性方面的性能，進(jìn)行仿真實驗。在艦載網(wǎng)絡(luò)仿真網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中，需要實現(xiàn)RTP 協(xié)議棧的監(jiān)視數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)和消息數(shù)據(jù)的功能，在艦載網(wǎng)絡(luò)通信的軟件設(shè)計中，開發(fā)了PC/104、VME 等與上位機(jī)的通信接口，在電氣和功能特性上完全滿足IECE61375 協(xié)議的要求。在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議構(gòu)建中，通過調(diào)用函數(shù)hpe1432 _ set TriggerMode(ViSession vi，ViInt32 group，ViInt32 trigMode)設(shè)置觸發(fā)通道的觸發(fā)方式，在塊模式下，HP E1433A 觸發(fā)后采集一塊的數(shù)據(jù)，通過上述處理，實現(xiàn)對艦載網(wǎng)絡(luò)通信的分簇路由設(shè)計及信道模型構(gòu)建。以此為仿真環(huán)境，進(jìn)行艦載網(wǎng)絡(luò)通信，通信發(fā)射信號采用BPSK 調(diào)制，載波主振頻率為20 kHz，采樣率為100 kHz，比特率為4 000 bit/s，通信節(jié)點數(shù)為500 ～1000，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為IEEE 802.11，得到艦載網(wǎng)絡(luò)的通信數(shù)據(jù)采集樣本如圖3 所示。

圖3 艦載網(wǎng)絡(luò)的通信數(shù)據(jù)采集樣本Fig.3 Shipboard network communication data samples

以上述樣本數(shù)據(jù)為依據(jù)面進(jìn)行數(shù)據(jù)動態(tài)融合和通信信號的特征提取，采用高階譜包絡(luò)調(diào)制，得到艦載網(wǎng)絡(luò)中的未知協(xié)議的空間譜陣元分布估計結(jié)果如圖4所示。由圖可見，采用本文算法，進(jìn)行艦載網(wǎng)絡(luò)的未知協(xié)議識別，通過對艦載網(wǎng)絡(luò)通信信號高階譜包絡(luò)調(diào)制，有效提取了信息特征，提高了對通信協(xié)議識別的準(zhǔn)確性能，從而降低艦載網(wǎng)絡(luò)通信的誤碼率。

圖4 艦載網(wǎng)絡(luò)中的未知協(xié)議的空間譜陣元分布估計結(jié)果Fig.4 Unknown protocol in shipboard network，the spatial spectral distribution estimation results

為對比算法性能，以通信鏈路存活時間為測試指標(biāo)，得到仿真結(jié)果如圖5 所示，由圖可見，采用本文算法進(jìn)行未知協(xié)議識別，提高了通信鏈路的平均存活時間，在艦船節(jié)點快速行駛過程中，能保持較好的通信性能，誤碼率較低。

圖5 艦載網(wǎng)絡(luò)中平均鏈路存活時間對比Fig.5 The shipboard network average survival time of link in contrast

5 結(jié) 語

本文提出一種基于高階譜包絡(luò)調(diào)制的艦載網(wǎng)絡(luò)中的未知協(xié)議識別方法。首先構(gòu)建艦載網(wǎng)絡(luò)通信的系統(tǒng)模型，對艦載網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行路由分簇設(shè)計和通信信道模型設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，對艦載網(wǎng)絡(luò)通信中的未知協(xié)議進(jìn)行多接口多信道的自組織網(wǎng)絡(luò)分配，采用高階譜包絡(luò)調(diào)制方法對通信信號進(jìn)行特征提取和動態(tài)融合，實現(xiàn)對艦載網(wǎng)絡(luò)中未知協(xié)議的優(yōu)化識別和仿真。仿真結(jié)果表明，采用本文算法能有效實現(xiàn)艦載網(wǎng)絡(luò)中的未知協(xié)議的特征提取和識別，提高對通信協(xié)議識別的準(zhǔn)確性，降低艦載網(wǎng)絡(luò)通信的誤碼率，展示了較好的性能。

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