短波無線接入網(wǎng)抗干擾需求分析*

段瑞杰，李永貴，惠顯楊

(1.解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210007；2.南京電訊技術(shù)研究所，江蘇 南京 210007)

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短波無線接入網(wǎng)抗干擾需求分析*

段瑞杰1,2，李永貴2，惠顯楊1

(1.解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210007；2.南京電訊技術(shù)研究所，江蘇 南京 210007)

Foundation Item:National Natural Science Foundation of China(No.61401505)

摘要：首先介紹了短波無線接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其抗干擾需求，針對其鏈路層抗干擾迫切需求，將智能跳頻技術(shù)引入短波無線接入網(wǎng)，替代短波無線接入網(wǎng)中傳統(tǒng)的定頻通信；闡述了將兩者結(jié)合之后的網(wǎng)絡(luò)模型及具體使用方法，并對其可能存在的問題進行了梳理。所提方法有望在繼承短波無線接入網(wǎng)現(xiàn)有可通率的基礎(chǔ)上，滿足鏈路層抗干擾的迫切需求，改善通信頻率靜態(tài)分配,適應(yīng)動態(tài)變化電磁頻譜環(huán)境能力弱等問題，以期為臺站間的智能跳頻組網(wǎng)提供有益參考。

關(guān)鍵詞：短波無線接入網(wǎng)；智能跳頻；頻譜規(guī)劃；動態(tài)頻譜決策

0引言

短波無線接入網(wǎng)[1]依托光纜網(wǎng)和固定有線網(wǎng)絡(luò)(IP核心網(wǎng))，將短波固定臺站互聯(lián)組網(wǎng)，形成機固一體的短波無線接入網(wǎng)絡(luò)，其是確保國家安全的主要通信手段，有時甚至是唯一手段。采用定頻通信方式時，抗干擾、反偵察、抗截獲、抗接入攻擊的能力較低[2]，因此，如何在保證無線接入網(wǎng)機固一體、自適應(yīng)接入、可通率等優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，進一步提高其反偵察、抗截獲、抗干擾、抗惡意接入的性能，成為國內(nèi)外研究的熱點。

近年來，隨著短波無線接入網(wǎng)的發(fā)展，特別是其子網(wǎng)本身采用頻譜自主協(xié)調(diào)、高效配合的方法，提高了網(wǎng)絡(luò)的共存、自適應(yīng)、高密度使用能力[3]，明顯提高了短波電臺網(wǎng)絡(luò)的整體性能；但是其物理層依然面臨網(wǎng)臺數(shù)量多，以及各種難以預(yù)料的惡劣電磁環(huán)境和復(fù)雜電子進攻態(tài)勢[3]，因此需要一種新技術(shù)來解決這一問題。

智能跳頻憑借在線頻譜監(jiān)測和干擾分析、實時傳輸質(zhì)量估計、動態(tài)頻譜屏蔽和接入等新技術(shù)，能夠有效增強跳頻用戶之間實時、動態(tài)、高效頻譜配置和自主協(xié)調(diào)的能力，對動態(tài)、時變干擾電磁環(huán)境的快速適應(yīng)能力明顯增強。

另外，由于物理層是網(wǎng)系電子防御的第一道防線和基礎(chǔ)[4]，因此必然成為敵方偵察、截獲、接入、干擾的重點目標(biāo)，理論上可能在全球范圍內(nèi)被攻擊。通過在物理層采取智能跳頻技術(shù)，結(jié)合跳頻通信本身的穩(wěn)健性特點，有望按指數(shù)關(guān)系提高短波無線接入網(wǎng)的抗干擾能力和綜合電子防御能力水平。

本文所提出的基于智能跳頻技術(shù)的短波無線接入網(wǎng)研究思路，不對智能跳頻技術(shù)本身進行研究，而是將其非對稱頻譜配置的思想應(yīng)用于短波無線接入網(wǎng)，以期提高其頻譜資源的高效、動態(tài)使用和動態(tài)抗干擾能力水平。

1短波無線接入網(wǎng)簡介

1.1短波無線接入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

短波無線接入網(wǎng)包括四塊最重要的模塊：接入基站、機動用戶、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和探測系統(tǒng)[5]?；局g通過固定有線網(wǎng)絡(luò)(IP核心網(wǎng)絡(luò))相互連接，機動用戶通過與基站之間的無線短波信道接入網(wǎng)絡(luò)，所有機動用戶共享全部接入基站的頻率資源。短波無線接入網(wǎng)最基本的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　短波無線接入網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

1.2短波無線接入網(wǎng)抗干擾需求

1.2.1鏈路層抗動態(tài)干擾需求分析

短波無線接入網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)包括：收發(fā)異頻、多點多頻自適應(yīng)接入以及信道質(zhì)量評估等[5]。收發(fā)異頻是指機動用戶與接入基站發(fā)送業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)時，使用的定頻頻率不相同。

多點多頻自適應(yīng)接入是指短波無線接入網(wǎng)為機動用戶提供多個接入基站、每個基站提供多個頻率，而機動用戶則在多個接入基站及頻率中自適應(yīng)選擇基站和頻率接入通信。

信道質(zhì)量評估是指機動用戶在所有接入基站的頻率上掃描搜索，對全部接入基站的頻率進行質(zhì)量評估并按照信道質(zhì)量排序。業(yè)務(wù)通信時，按照網(wǎng)絡(luò)頻率的信道質(zhì)量表首先選擇最佳頻率呼叫，呼叫失敗選擇次佳頻率呼叫，依次類推。

這些技術(shù)的使用使得短波無線接入網(wǎng)具備一定的抗干擾能力，也提高了機動用戶與接入基站通信的可通率。但是其使用的定頻通信同時帶來了易被偵察、截獲、惡意接入等問題。特別是在惡劣電磁環(huán)境下，干擾隨時間不斷變化，因此短波無線接入網(wǎng)的鏈路層抗動態(tài)干擾非常迫切。

1.2.2頻率選擇技術(shù)需求分析

短波無線接入網(wǎng)使用的頻率自適應(yīng)系統(tǒng)與長短期頻率預(yù)報相結(jié)合的選頻方法[6]，而這些選頻方法都存在一些不足。其不足之處列舉如下：

(1)長短期預(yù)報

長短期頻率預(yù)報所依據(jù)的頻率預(yù)測資料是根據(jù)長期觀測統(tǒng)計得出的[7]，這種長期的觀測統(tǒng)計不能監(jiān)測實時電磁環(huán)境變化，造成很大的誤差，并且沒有體現(xiàn)出選頻的實時性。

(2)頻率自適應(yīng)系統(tǒng)

頻率自適應(yīng)系統(tǒng)根據(jù)功能的不同可以分為：探測與通信分離的獨立系統(tǒng)，通信與探測為一體的頻率自適應(yīng)系統(tǒng)[8]。

探測與通信分離的獨立系統(tǒng)的選頻方式在通信應(yīng)用中存在問題如下：①選頻實時性差，探測結(jié)果需要經(jīng)過網(wǎng)管中心規(guī)劃下發(fā)，延時大，不能實時保障通信需要；②額外占用頻譜資源，有源探測本身就要占用頻譜資源。

融探測與通信為一體的短波自適應(yīng)通信系統(tǒng)的選頻方式在通信應(yīng)用中存在問題如下：①通信業(yè)務(wù)傳輸效率低，探測時不能傳輸通信業(yè)務(wù)，占用大量的時間；②頻譜環(huán)境探測的實時性差，通信時不能探測，先期探測的結(jié)果不能反應(yīng)可用頻譜的實時動態(tài)變化。

(3)基于ALE的選頻方法

基于ALE的選頻方法是指通信系統(tǒng)本身通常不進行鏈路質(zhì)量探測(LQA)，而是利用專門的頻率管理系統(tǒng)來提供通信頻率，使得選擇的頻率是最佳的。這種選頻方法也是探測與通信分離的獨立系統(tǒng)的一種，同樣存在一些問題。

綜上所述，安全、實時的可用頻譜探測，已成為短波跳頻通信適應(yīng)頻譜擁擠、信道時變、動態(tài)干擾環(huán)境的瓶頸。短波無線接入網(wǎng)現(xiàn)使用的選頻方法都存在一些不足。因此需要一種能夠依靠短波無線通信設(shè)備資源，進行實時、在線、無源探測，實現(xiàn)短波系統(tǒng)全自動頻率管理的方法。這種方法的基礎(chǔ)是連續(xù)不斷地測量、預(yù)測、分配頻率和控制。整個過程在持續(xù)地進行，頻率規(guī)劃也在不斷地更新和完善，使網(wǎng)內(nèi)各通信線路自適應(yīng)跟蹤電磁環(huán)境的變化，且不會相互干擾。這已成為提高短波通信生存能力的必要條件和必然方向。

2智能跳頻技術(shù)簡介

智能跳頻(Intelligent frequency hopping，IFH)是從傳統(tǒng)的“盲跳頻”抗干擾技術(shù)發(fā)展到與通信電磁環(huán)境感知、動態(tài)頻譜配置相結(jié)合的一種基于認(rèn)知環(huán)路的動態(tài)頻譜抗干擾技術(shù)。短波智能跳頻是指在跳頻業(yè)務(wù)傳輸?shù)耐瑫r，依托短波電臺本身設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)資源，綜合采用電磁環(huán)境在線自主感知、跳頻頻率傳輸質(zhì)量分析與判決、授權(quán)頻譜的自主非對稱配置與動態(tài)調(diào)整等技術(shù)，實現(xiàn)一種集跳頻業(yè)務(wù)傳輸與干擾、傳輸質(zhì)量感知以及動態(tài)頻譜接入等能力于一體的多任務(wù)智能通信方法。

非對稱頻譜配置跳頻技術(shù)是實現(xiàn)短波智能跳頻通信的最關(guān)鍵技術(shù)。短波通信系統(tǒng)收發(fā)雙發(fā)的信道時變特性、衰落特性、干擾以及業(yè)務(wù)需求等往往表現(xiàn)出嚴(yán)重的不對稱性。根據(jù)電磁環(huán)境和業(yè)務(wù)需求的不對稱性，實時調(diào)整收發(fā)頻率表，實現(xiàn)跳頻頻率表非對稱配置，提高短波通信系統(tǒng)的頻譜使用效率和電磁環(huán)境適應(yīng)能力。

非對稱頻譜配置跳頻技術(shù)基本原理：

若電臺A和B之間的鏈路建立后，一直維持正常的通信質(zhì)量，則雙方電臺使用頻率表F相互通信；

若電臺A接收性能惡化，根據(jù)本端干擾環(huán)境和傳輸質(zhì)量，修改接收頻率表并通知電臺B，電臺B接收到電臺A修改接收頻率表的信息后，修改發(fā)送頻率表。即電臺A的接收頻率表F→FA,FA?Ω，電臺B的發(fā)送頻率表也服從F更新為FA,FA?Ω。

同理，若電臺B接收性能惡化，電臺B的接收頻率表F→FB,FB?Ω，電臺A的發(fā)送頻率表也服從F更新為FB,FB?Ω。其原理圖如圖2所示。

圖2　非對稱跳頻原理

為了保證智能跳頻電臺收發(fā)雙方的頻率表同步更新，所采用信令必須能夠進行高效、可靠的交互。收發(fā)雙方的跳頻頻率表的交互是通過“信令交互技術(shù)”完成。信令傳輸相對于數(shù)據(jù)傳輸擁有更高的優(yōu)先級，并且采用先進的信令信道編碼等方法和技術(shù)，保證即使在極端惡劣電磁環(huán)境下收發(fā)雙方的信令交互仍然可達。

為了比較智能跳頻的非對稱頻率表跳頻與常規(guī)跳頻使用的對稱頻率表跳頻的性能，選定通信系統(tǒng)的可通性為比較對象。

頻率表的可通性定義為頻率表各頻點可通性的平均。對于具有N個頻點的跳頻頻率表，假設(shè)由發(fā)送方到接收方的誤碼率分別為Pi(i≤N)，由接收方到發(fā)送方的誤碼率為Qi(i≤N)，那么，任意頻點i的可通性為(1-Pi)(1-Qi)；以均勻概率選擇任意頻率通信時，對稱跳頻的可通性為：

而當(dāng)采用非對稱跳頻時，由于能夠始終選擇Pi和Qi較小的頻點進行通信，因此，其可通性會很大程度地提高。圖3給出了在收發(fā)電磁環(huán)境不對稱的條件下，對稱跳頻和非對稱跳頻的可通性仿真結(jié)果。假設(shè)收發(fā)頻率各有50%的頻點被干擾，且被干擾頻點的誤碼率為0.5，未被干擾頻點的誤碼率為10-3。收發(fā)電磁環(huán)境的非對稱率為發(fā)送端的誤碼率與接收端誤碼率不相同的頻點數(shù)與頻率表總頻點數(shù)的比值。由圖3可以看出：采用對稱跳頻的可通性遠低于采用非對稱跳頻的可通性，且隨著收發(fā)電磁環(huán)境非對稱率的增加，采用對稱跳頻的可通性逐漸下降，而采用非對稱跳頻的可通性幾乎不受收發(fā)電磁環(huán)境非對稱率的影響。

圖3非對稱頻率表跳頻和對稱頻率表跳頻的可通性比較

從國內(nèi)外短波電臺抗干擾設(shè)計及其增效措施的發(fā)展趨勢[9]來看，智能跳頻通過對授權(quán)頻譜的自主非對稱配置與動態(tài)調(diào)整，能明顯改善短波電臺對惡劣電磁環(huán)境和信道特性的適應(yīng)性，同時增強反偵察、抗干擾、抗截獲、抗接入攻擊的綜合防御能力，最終提高短波電臺可通率，增強鏈路層的抗干擾能力。

3可行性分析及使用方法

3.1可行性分析

為了解決短波無線接入網(wǎng)鏈路建立后鏈路層抗干擾的迫切需求，將智能跳頻技術(shù)應(yīng)用于短波無線接入網(wǎng)，又面臨如何使用的問題。在給出使用方法之前，首先對其可行性進行簡要分析。

大功率臺站之間使用跳頻通信手段，將造成嚴(yán)重的網(wǎng)間干擾，這對頻率資源已經(jīng)十分緊張的短波通信系統(tǒng)是極為不利的。但是在短波無線接入網(wǎng)中，接入基站和機動用戶之間的短波通信，是戰(zhàn)術(shù)條件下常用的手段，并且接入基站與機動用戶大量存在。它們之間的通信發(fā)射功率較小，完全可以利用跳頻擴譜的手段提高其抗干擾能力。

短波無線接入網(wǎng)是機固一體的接入網(wǎng)絡(luò)[5]，接入基站與機動用戶之間的通信一旦建立，就可以看作是臺站間的點對點通信。接入基站與機動用戶之間的點對點通信是網(wǎng)絡(luò)的最基本元素，其通信特征即可反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的特征。這種點對點通信特別適合智能跳頻中動態(tài)頻譜接入技術(shù)的靈活應(yīng)用，其定頻收發(fā)異頻可以看作是非對稱跳頻的極端情況，即在強干擾情況下，收發(fā)可用頻率均只剩一個的情況。

智能跳頻采用短波無線跳頻通信，在通信過程中能夠完成對環(huán)境的實時感知并且通過非對稱匹配跳頻頻率表保證信息始終在好的頻點上傳輸。短波無線接入網(wǎng)則是采用接入基站與固定IP有線網(wǎng)路相連接，機動用戶與接入基站之間使用短波無線通信相連接，接入基站與機動用戶之間具有非對等結(jié)構(gòu)，且接入基站之間不通過短波信道鏈接，也不需要共享信道組。因此，短波無線接入網(wǎng)體制與智能跳頻體制是能夠兼容的。

有了這些基本共同點，在不改變短波綜合網(wǎng)基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、基本組網(wǎng)協(xié)議和建鏈機制的前提下，將智能跳頻技術(shù)應(yīng)用于短波無線接入網(wǎng)將是可行的。

3.2一般使用方法

3.2.1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

智能跳頻應(yīng)用于短波無線接入網(wǎng)，主要是在底層無線接入部分，對上層網(wǎng)絡(luò)不做改變。

本文依據(jù)已有短波無線接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)模型[5]，提出了智能跳頻技術(shù)應(yīng)用于短波無線接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4所示。機動用戶和接入基站都使用智能跳頻技術(shù)，智能跳頻機動用戶可以選擇最優(yōu)頻率的基站接入通信，它們之間的通信過程可采用智能跳頻方式。

圖4　智能跳頻技術(shù)應(yīng)用于短波無線接入網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.2.2組網(wǎng)方式

智能跳頻技術(shù)作為一種效能提升手段，也要服從短波無線接入網(wǎng)的組網(wǎng)策略和接入?yún)f(xié)議。其組網(wǎng)方式及策略如下：

(1)網(wǎng)管中心為具有智能跳頻接入功能的用戶發(fā)放特殊的身份標(biāo)志，同時指配相應(yīng)的跳頻頻率資源；

(2)建鏈過程中，接入基站對用戶身份進行識別，同時檢測智能跳頻功能是否開啟。智能跳頻用戶可選擇建立定頻鏈路或跳頻鏈路；

(3)智能跳頻用戶以跳頻方式接入后，完成收發(fā)頻率表的非對稱配置，實現(xiàn)智能跳頻通信；

(4)通信結(jié)束后，保留歷史記錄，所有頻率配置恢復(fù)到初始狀態(tài)。

上述組網(wǎng)方式，無需改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，減少成員電臺動態(tài)變化對網(wǎng)絡(luò)性能的影響，可以最大限度解決兼容性的問題。

3.2.3頻率管理技術(shù)

根據(jù)短波無線接入網(wǎng)的頻率管理技術(shù)，本文提出智能跳頻技術(shù)應(yīng)用于短波無線接入網(wǎng)的頻率管理方法，這種方法需要借助于網(wǎng)管中心的頻率管理系統(tǒng)來實現(xiàn)。

全網(wǎng)頻率的劃分配置方法如下：在短波無線接入網(wǎng)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)對全網(wǎng)可用頻率集的規(guī)劃、頻率指配及協(xié)調(diào)，其主要方法是通過短波無線接入網(wǎng)的探測系統(tǒng)實時完成頻率預(yù)選擇，實時頻譜監(jiān)測等功能[10]。全網(wǎng)可用頻率集的規(guī)劃、頻率指配及協(xié)調(diào)是指整個通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的頻率分配。將頻譜監(jiān)測得來的選頻數(shù)據(jù)結(jié)果及時分發(fā)到各子網(wǎng)的基站，從而實現(xiàn)高效的通信且各子網(wǎng)之間不相互干擾，其具體實現(xiàn)方法則可將其建模為基于圖論著色的短波頻譜分配模型來有效解決。

頻率預(yù)選擇是指去除不符合電離層傳播規(guī)律和長期統(tǒng)計規(guī)律的頻率。網(wǎng)管中心根據(jù)探測系統(tǒng)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，根據(jù)通信要求產(chǎn)生預(yù)選擇頻率集，剔除不可能實現(xiàn)短波通信的頻率的無用頻率，減少頻譜選擇的盲目性。

實時頻譜監(jiān)測是指在頻率預(yù)選擇基礎(chǔ)上積累的可通頻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可用頻譜和當(dāng)前狀態(tài)下的最佳通信頻率數(shù)據(jù)以提供給各子網(wǎng)使用。

接入基站與機動用戶之間鏈路上的頻率配置是依賴智能跳頻技術(shù)，收發(fā)雙方在網(wǎng)管中心規(guī)劃的頻譜范圍內(nèi)采用非對稱頻譜配置技術(shù)完成。

這種方法總體上具有實時、準(zhǔn)確、隱蔽、伴隨、高效的明顯優(yōu)勢。

4存在問題分析

根據(jù)以上分析，將智能跳頻技術(shù)應(yīng)用于短波無線接入網(wǎng)的方法在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、組織規(guī)劃、頻譜管理等方面都是切實可行的。但是網(wǎng)管中心在頻率管理過程中又面臨如下問題：

(1)智能跳頻與短波無線接入網(wǎng)雙方的環(huán)境感知數(shù)據(jù)融合問題

智能跳頻的環(huán)境感知數(shù)據(jù)是鏈路層的數(shù)據(jù)，是指在機動用戶與接入基站之間建立的跳頻子網(wǎng)內(nèi)(短波無線接入網(wǎng)內(nèi)機動用戶與基站組成一跳頻子網(wǎng))，采用在線實時無源探測、跳頻頻率傳輸特性估計、跳頻頻率可用性綜合判決等技術(shù)，對接收端電磁環(huán)境惡劣程度、頻譜資源充裕性以及可靠性進行判決。根據(jù)這些數(shù)據(jù)智能跳頻用戶可以完成收發(fā)頻率表的非對稱配置，保障通信鏈路上的可通率。

短波無線接入網(wǎng)的環(huán)境感知數(shù)據(jù)包括兩部分：

一方面專用的頻率探測系統(tǒng)對整個網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的電磁頻譜環(huán)境進行長期探測所得數(shù)據(jù)，網(wǎng)管中心會根據(jù)這些數(shù)據(jù)對各基站使用的頻譜進行規(guī)劃，保證各基站發(fā)射的尋呼信息不會發(fā)生頻率碰撞，以及接入用戶建鏈、通信過程不會相互干擾。

另一方面機動用戶對可接入的各基站的信道進行信道質(zhì)量評估所得數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)機動用可以選擇具有最優(yōu)頻率的基站進行通信。

所以，智能跳頻與短波無線接入網(wǎng)的環(huán)境感知數(shù)據(jù)是兩個不同層面的感知數(shù)據(jù)。對于兩個不同層面的感知數(shù)據(jù)如何融合使用是智能跳頻技術(shù)應(yīng)用于短波無線接入網(wǎng)面臨的重要問題。

兩個不同層面的感知數(shù)據(jù)融合使用的初步設(shè)想是：分階段分層次，融合使用。

智能跳頻用戶接入網(wǎng)絡(luò)之前，網(wǎng)管中心根據(jù)探測系統(tǒng)長期探測積累的電磁環(huán)境數(shù)據(jù)對各基站完成頻譜規(guī)劃；當(dāng)智能跳頻用戶接入網(wǎng)絡(luò)時，智能跳頻用戶利用對可接入的各基站的信道進行質(zhì)量評估的數(shù)據(jù)，選擇具有最優(yōu)頻率的基站接入；智能跳頻用戶接入網(wǎng)絡(luò)之后，利用智能跳頻用戶及短波無線接入網(wǎng)內(nèi)通信設(shè)備本身資源，在通信的同時，進行自主、在線無源探測，即時獲得短波通信設(shè)備節(jié)點處頻譜可用性和干擾分布等數(shù)據(jù)。

智能跳頻用戶接入網(wǎng)絡(luò)之后的電磁頻譜環(huán)境數(shù)據(jù)的使用主要體現(xiàn)在兩個方面：

其一是子網(wǎng)內(nèi)的智能跳頻用戶利用這些數(shù)據(jù)可完成鏈路層的頻譜決策，子網(wǎng)內(nèi)的通信雙方可以實時篩選本端優(yōu)質(zhì)接收頻率并通知發(fā)信方，同時根據(jù)對方的優(yōu)質(zhì)接收頻率配置本端的發(fā)信頻率，實現(xiàn)對本端雙向信道使用的頻率進行獨立管理和非對稱配置，保證智能跳頻用戶與基站之間的通信質(zhì)量。

其二是網(wǎng)管中心利用這些數(shù)據(jù)完成對網(wǎng)絡(luò)層的頻譜規(guī)劃，保證盡量多的用戶能夠接入網(wǎng)絡(luò)且通信過程中不會相互干擾；以及子網(wǎng)內(nèi)電磁頻譜環(huán)境發(fā)生變化時，對各用戶可用頻譜的動態(tài)決策。

(2)網(wǎng)絡(luò)層頻譜規(guī)劃問題

子網(wǎng)內(nèi)的智能跳頻用戶會根據(jù)感知的電磁頻譜環(huán)境的變化完成鏈路層的頻譜規(guī)劃，即對收發(fā)頻率表完成非對稱配置，這可能會使本子網(wǎng)與其它子網(wǎng)產(chǎn)生互擾?，F(xiàn)有短波無線接入網(wǎng)頻譜劃分方法是未采用智能跳頻技術(shù)之前對頻譜的一次性靜態(tài)劃分方法，這種劃分方法不能夠適應(yīng)使用智能跳頻技術(shù)的新要求，所以，需要研究網(wǎng)管中心根據(jù)使用智能跳頻技術(shù)的頻譜分布情況，在網(wǎng)絡(luò)層完成對各基站和機動用戶的頻譜規(guī)劃，以使這些頻譜資源分配給各用戶時相互之間沒有干擾，保證盡量多的用戶都能夠接入網(wǎng)絡(luò)。

網(wǎng)絡(luò)層的頻譜規(guī)劃，即是對多個子網(wǎng)的頻譜規(guī)劃，有望采用基于圖論著色的頻譜分配模型來解決，通過將網(wǎng)管中心對各子網(wǎng)頻譜分配建模為基于圖論著色的短波頻譜分配模型，并采用合適的頻譜分配算法，能夠完成網(wǎng)管中心對各子網(wǎng)的頻譜規(guī)劃。

在應(yīng)用智能跳頻技術(shù)的短波無線接入網(wǎng)的頻譜分配模型中，將子網(wǎng)組成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)映射成一個無向圖，每一個節(jié)點表示一個子網(wǎng)用戶，每一條邊表示一對子網(wǎng)用戶存在著干擾或者頻率沖突，即無向圖中的一條邊連接兩個節(jié)點時，表示這兩個節(jié)點不能夠同時使用相同的頻率。此外，每個節(jié)點關(guān)聯(lián)著一個可用顏色集合，即可用頻率集合，不同的節(jié)點關(guān)聯(lián)著不同的可用頻率集合。

通過以上所建立的基于圖論著色的短波頻譜分配模型，借鑒認(rèn)知的頻譜分配算法可有效解決網(wǎng)管中心對各子網(wǎng)的頻譜規(guī)劃。

(3)動態(tài)頻譜決策問題

在網(wǎng)絡(luò)層的頻譜規(guī)劃完成的情況下，各子網(wǎng)可以有效通信且不會相互干擾。當(dāng)各機動用戶和基站的本地電磁頻譜環(huán)境發(fā)生變化時，可能會造成短波無線接入網(wǎng)的可通率下降，網(wǎng)絡(luò)時延增大。子網(wǎng)內(nèi)用戶根據(jù)本地可用頻譜，采用非對稱頻譜配置技術(shù)，完成跳頻頻率表非對稱配置，可能就會與其它子網(wǎng)使用的頻率產(chǎn)生沖突，造成互擾率增大，然而短波無線接入網(wǎng)的網(wǎng)管中心還無法做到實時動態(tài)調(diào)整。所以，需要研究網(wǎng)管中心實時對各子網(wǎng)的電磁頻譜動態(tài)調(diào)整，以使短波無線接入網(wǎng)的可通率增大，網(wǎng)絡(luò)時延減小，子網(wǎng)之間互擾率降低。

對于動態(tài)頻譜決策問題，有望采用基于博弈論的動態(tài)頻譜決策方法解決。從要研究的各子網(wǎng)的行為和目的來看，博弈論模型[11]適用于分析各子網(wǎng)之間的競爭行為。在基于博弈論的頻譜分配模型[12]中，博弈者可以是期望獲取頻譜的子網(wǎng)。對于各子網(wǎng)來說，其策略一般為選擇一組合適的頻譜，其收益函數(shù)一般定義為獲得的容量。

(4)性能評價

對使用智能跳頻技術(shù)前后這些性能指標(biāo)都有什么樣的提升或者改變，可利用Matlab，OPNet等仿真軟件進行仿真驗證。具體的性能指標(biāo)如下：

①對抗條件下的可通率?？赏适侵冈诮y(tǒng)計時間內(nèi)，鏈路接收端的信噪比高于可以接受的最小信噪比的時間百分比。當(dāng)智能跳頻技術(shù)應(yīng)用到短波綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)時，在對抗條件下的可通率是否提高，應(yīng)與短波綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)在同樣的電磁頻譜環(huán)境下，同樣的時間段的可通率進行比較。

②網(wǎng)絡(luò)用戶之間的互擾率。網(wǎng)絡(luò)用戶之間的互擾率是指網(wǎng)內(nèi)各用戶通信過程中相互之間干擾的概率。對使用智能跳頻技術(shù)前后短波綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)內(nèi)各用戶之間互擾率進行比較。

③頻譜利用率。頻譜利用率是指信號傳輸?shù)谋忍芈逝c其帶寬之比。對使用智能跳頻技術(shù)前后短波綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)頻譜的利用率進行比較。

④組網(wǎng)效率。組網(wǎng)效率是指組網(wǎng)數(shù)量與跳頻頻率表數(shù)量之比[13]，該比值越大，組網(wǎng)效率越高。當(dāng)頻率表數(shù)為N時，在網(wǎng)間干擾可以容忍的情況下，組成M個網(wǎng)，則組網(wǎng)效率η定義為：

η=M/N

將智能跳頻技術(shù)應(yīng)用于短波無線接入網(wǎng)，網(wǎng)管中心對網(wǎng)絡(luò)層頻譜進行規(guī)劃和決策時會遇到一些問題，對于這些問題的來源及解決思路如圖5所示。

圖5問題來源及思路

5結(jié)語

針對短波無線接入網(wǎng)鏈路層抗干擾的迫切需求以及選頻技術(shù)迫切需求，提出了將智能跳頻技術(shù)應(yīng)用于短波無線接入網(wǎng)的解決方案。文中對這種方案的可行性進行了分析，得出了智能跳頻技術(shù)應(yīng)用于短波無線接入網(wǎng)是可行的結(jié)論，并給出了一般使用方法。在將智能跳頻技術(shù)應(yīng)用于短波無線接入網(wǎng)后又面臨兩方面的突出問題，其一是網(wǎng)管中心在網(wǎng)絡(luò)層如何對可用頻譜進行規(guī)劃；其二是隨著電磁頻譜環(huán)境的變化，網(wǎng)管中心如何動態(tài)的完成頻譜決策。這兩個問題的解決將使得智能跳頻技術(shù)很大程度地提高短波無線接入網(wǎng)的動態(tài)抗干擾能力。下一步將按照解決兩個突出問題的解決思路繼續(xù)研究，從而提高短波無線接入網(wǎng)的抗干擾能力及業(yè)務(wù)水平。

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惠顯楊(1992—)，男，碩士研究生，主要研究方向為通信抗干擾、認(rèn)知決策。

Demand Analysis of Anti-Jamming for HF Wireless Access Network

DUAN Rui-jie1,2，LI Yong-gui2，HUI Xian-yang1

(1.Institute of Communication Engineering,PLAUST,Nanjing Jiangsu 210007,China;

2.Nanjing Telecommunication Technology Institute, Nanjing Jiangsu 210007, China)

Abstract：Network structure and anti-jamming demand of HF wireless access network are described firstly, and aiming at the urgent need of anti-jamming for link layer, the intelligent FH technology is introduced into HF wireless access network to replace the traditional fixed frequency communication. Network model and concrete application method after the combination of these two technologies are presented, and the possible problems also mentioned. The proposed method is expected to inherit the existing pass rate of HF wireless access network, thus to satisfy the urgent need of anti-jamming for link layer and sowe some possible deficiencies, such as static allocation of anti-jamming communication frequency and weak adaptability of dynamic changes in electromagnetic spectrum environment.And all this may provide some useful reference to intelligent frequency-hopping networking of between the stations.

Key words：HF wadio access network; intelligent frequency hopping; frequency spectrum planning; dynamic spectrum decision

作者簡介：

中圖分類號：TN915

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-0802(2015)07-0818-07

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(No.61401505)

收稿日期：修回日期：2015-04-15Received date:2015-01-01；Revised date：2015-04-15

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.07.014