基于信道統(tǒng)計的數(shù)據(jù)鏈頻譜感知和自適應(yīng)變速技術(shù)

沈建飛

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

隨著數(shù)據(jù)鏈在各國國防建設(shè)應(yīng)用的不斷深入和推廣，數(shù)據(jù)鏈在全軍武器平臺的重要性也逐漸顯現(xiàn)，作為通信技術(shù)的產(chǎn)物，數(shù)據(jù)鏈設(shè)備必然受制于靜態(tài)頻譜的有限頻譜資源問題。一方面，由于戰(zhàn)場環(huán)境的復(fù)雜多變性，數(shù)據(jù)鏈通信設(shè)備必須具備較強的抗干擾能力，另一方面在即便受到外部干擾且有限頻譜資源的情況下，數(shù)據(jù)鏈設(shè)備要能夠快速響應(yīng)規(guī)避風(fēng)險且進行正常通信，這就要求數(shù)據(jù)鏈必須考慮有限頻譜的動態(tài)感知技術(shù)和速率可變的通信保障技術(shù)。

本文在研究認知無線電頻譜感知技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體實際項目，研究并設(shè)計基于信道統(tǒng)計的數(shù)據(jù)鏈頻譜感知策略和通信距離變化的自適應(yīng)變速通信保障策略，并在數(shù)據(jù)鏈實物端機上進行驗證與測試，實現(xiàn)干擾下的自動頻譜感知，通信距離變化下的自適應(yīng)速率變化，保障了正常通信，完全達到系統(tǒng)預(yù)期效果，可作為關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用于后續(xù)相關(guān)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)研制。

1 認知無線電

1.1 認知循環(huán)

1999年JosePh Mitola博士提出了認知無線電的概念，他認為軟件無線電(Soft Define Radio,SDR)是認知無線電實現(xiàn)的基本平臺，SDR在智能化方面的進化最終會并軌于認知無線電。通過使用無線電知識表示語言(Radio Knowledge Representation Language,RKRL)，認知無線電能夠通過推理學(xué)習(xí)的方式與外界網(wǎng)絡(luò)進行智能交互。認知無線電和普通無線電的最大區(qū)別在于應(yīng)當(dāng)具備學(xué)習(xí)和推理能力，認知無線電能夠通過感知和學(xué)習(xí)周圍的無線環(huán)境，自適應(yīng)的對內(nèi)部通信參數(shù)和傳輸參數(shù)進行動態(tài)調(diào)整，以適應(yīng)無線環(huán)境的變化。因此，基于對認知無線電學(xué)習(xí)過程的研究，Mitola博士提出了認知循環(huán)的概念，如圖1所示，認知循環(huán)由頻譜感知、頻譜分析、推理、學(xué)習(xí)和傳輸調(diào)整這五個認知步驟構(gòu)成。

圖1 認知循環(huán)

1.1.1 頻譜感知

頻譜感知作為認知無線電最重要的技術(shù)，其目的在于發(fā)現(xiàn)授權(quán)用戶不在使用的空閑頻譜，以便認知無線電動態(tài)的接入空閑頻譜進行通信。外部無線環(huán)境復(fù)雜多變，整個電磁環(huán)境也隨之不斷變化，因此，認知無線電需要在整個感知頻段內(nèi)從多方面持續(xù)快速的對無線頻譜資源進行感知，然后發(fā)現(xiàn)空閑頻譜，上報授權(quán)用戶頻譜使用狀況，進行下一步頻譜分析與決策。

1.1.2 頻譜分析

認知無線電在感知到空閑頻譜后下一階段就是進行頻譜分析，按照Mitola博士認知無線電的內(nèi)容，頻譜分析是針對網(wǎng)絡(luò)運行情況、外部環(huán)境因素（電磁環(huán)境監(jiān)測信息和通信策略等）、自身性能和無線設(shè)備的Qos要求等相關(guān)信息的分析。通過分析，一方面能夠?qū)τ行畔⑦M行初步的處理，另一方面能夠獲得授權(quán)用戶信道的統(tǒng)計信息，比如信道狀態(tài)、授權(quán)用戶的網(wǎng)絡(luò)狀況、頻譜帶寬和系統(tǒng)所容忍的最大干擾性能等。

1.1.3 推理和學(xué)習(xí)

因認知無線電通過對外界無線環(huán)境進行學(xué)習(xí)、推理和預(yù)測，能夠給出復(fù)雜時變的無線電環(huán)境的最佳決策方案。通常推理和學(xué)習(xí)可分為三種：(1) 簡單模型推理，采用固定的學(xué)習(xí)規(guī)則，對輸出進行完全預(yù)測，這種推理方法簡單但可靠性差；(2) 負責(zé)模型推理，采用一些模糊的學(xué)習(xí)規(guī)則，對輸出進行不完全預(yù)測，這種推理方法可靠性高，但是環(huán)境適應(yīng)性較差；(3) 基于學(xué)習(xí)的模型推理，認知無線電可以再工作中不斷地調(diào)整模型的參數(shù)，從而獲得適應(yīng)當(dāng)前環(huán)境的較好預(yù)測[1]。

1.1.4 傳輸調(diào)整

傳輸調(diào)整是完成無線傳輸?shù)年P(guān)鍵環(huán)節(jié)，認知無線電根據(jù)檢測和分析獲得的預(yù)測結(jié)果，通過無線電設(shè)備先進的功率控制技術(shù)、編解碼和解調(diào)等技術(shù)，調(diào)整自身的發(fā)射參數(shù)，選擇合適的頻段和發(fā)射時機，從而成功的完成數(shù)據(jù)傳輸。這對認知無線電的協(xié)調(diào)性能提出了很高的要求，要求認知無線電能夠根據(jù)感知信息在寬帶頻譜范圍內(nèi)無縫的變換傳輸模式，并且在突發(fā)信號消失和重現(xiàn)發(fā)生后能夠快速做出停止和恢復(fù)操作，確保在不干擾授權(quán)用戶的情況下獲得最大限度的傳輸性能。

1.2 認知無線電關(guān)鍵技術(shù)

從圖1認知循環(huán)能夠看出，從頻譜感知到頻譜分析、推理學(xué)習(xí)再到最終的傳輸調(diào)整過程，四個環(huán)節(jié)緊密交聯(lián)，從而實現(xiàn)了對無線電環(huán)境的智能認知過程。頻譜感知的目的在于發(fā)現(xiàn)授權(quán)用戶不在使用的空閑頻譜，以便認知無線電動態(tài)的接入空閑頻譜進行通信[1]。為了避免干擾授權(quán)用戶，在授權(quán)頻譜進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候，認知無線電需要快速精準(zhǔn)的對出現(xiàn)信號進行探測，然后做出分析決策和新頻段的切換，以便在網(wǎng)其他授權(quán)節(jié)點的通信保障。通過持續(xù)對外界無線環(huán)境進行探測，能夠提高頻譜感知的性能，其中，虛警概率和檢測概率是衡量頻譜感知性能的兩個重要指標(biāo)，虛警概率反映了認知無線電對頻譜的利用能力，虛警概率越低，認知無線電的頻譜利用率越高；檢測概率則反映了認知無線電對授權(quán)用戶的干擾，檢測概率越高，認知無線電對授權(quán)用戶的干擾越低[1]。針對數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用方面，數(shù)據(jù)鏈可使用的頻帶即包括已經(jīng)授權(quán)給該數(shù)據(jù)鏈端機所能夠使用的頻段范圍，因此，在有限的頻譜資源環(huán)境和外界強干擾的環(huán)境下，如何保證在網(wǎng)成員穩(wěn)定可靠的通信保障，這就需要使用頻譜感知、分析和決策來選擇當(dāng)前可用的最佳頻段，然后配置數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)進行頻段切換。

頻譜感知是認知無線電得以實現(xiàn)所有功能的前提，是為智能化分析決策做準(zhǔn)備的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)[2]，尤其近年來數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用的不斷發(fā)展，綜合化一體化端機的研制需求，多鏈融合平臺型譜統(tǒng)一已經(jīng)是迫切需要解決的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)難題，因此，研究有限頻譜資源下數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)應(yīng)用層面的頻譜感知技術(shù)對于未來數(shù)據(jù)鏈發(fā)展有著重大意義。

2 頻譜感知和自適應(yīng)變速

2.1 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)組成

如圖2所示是本文所研究的某數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)硬件連接關(guān)系，包括顯示控制電腦、數(shù)據(jù)鏈端機和天線。其中數(shù)據(jù)鏈端機主要由四部分組成，包括信息處理模塊、信號處理模塊、功放模塊和電源模塊。信息處理模塊，一方面負責(zé)接收控制電腦下發(fā)數(shù)據(jù)并解析打包處理給信號處理模塊，另一方面將來自信號處理模塊的信息進行反解析調(diào)度上送給顯示控制電腦；信號處理模塊，一方面將信息處理模塊下發(fā)的數(shù)據(jù)進行優(yōu)先級調(diào)度排隊按照與FPGA接口進行發(fā)射，另一方面從物理層接收消息解析處理再上送給信息處理模塊，同時還包括校時、跳頻跳時相關(guān)設(shè)置與維護等信息。

圖2 系統(tǒng)連接關(guān)系圖

數(shù)據(jù)流如圖2箭頭所示，顯示控制電腦下發(fā)參數(shù)和發(fā)射數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)鏈端機信息信號處理后交給功放射頻前端，在通過天線發(fā)射到無線空間中；然后經(jīng)過無線鏈路，對端數(shù)據(jù)鏈端機天線接收到信號后通過射頻前端功放交給信號信息處理模塊處理，在通過接口上送給顯示控制電腦進行結(jié)果顯示。

2.2 時頻域圖案

在以網(wǎng)絡(luò)為中心的信息戰(zhàn)環(huán)境下，作戰(zhàn)方式帶有系統(tǒng)對抗的特征。從信息的偵察感知、安全傳輸、武器控制、精確打擊到最后的可靠評估，信息的獲取和有效利用成為敵我雙方對抗的核心因素，制信息權(quán)和制空權(quán)、制海權(quán)一樣，成為戰(zhàn)爭勝負的關(guān)鍵。對于奪取制信息權(quán)的信息戰(zhàn)而言，C4ISR（Comand Control Communications Computers Intelligence Surveillance and Reconnaissance）是物質(zhì)基礎(chǔ)，通信系統(tǒng)是C4ISR的神經(jīng)，也是最容易暴露和受攻擊的環(huán)節(jié)。

數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)在設(shè)計階段，就會根據(jù)技術(shù)水平、應(yīng)用需求、使用場景和平臺結(jié)構(gòu)對信號處理和射頻相關(guān)模塊進行定制，限定該型數(shù)據(jù)鏈端機所工作的頻段范圍，一旦分配好頻段后，該型數(shù)據(jù)鏈端機就只能夠在該頻段范圍內(nèi)進行通信，無法在其他頻段進行通信。為了使信息能夠安全可靠傳輸，必須在無線通信手段中采用各種抗干擾技術(shù)。數(shù)據(jù)鏈端機主要采用各種擴頻的、非擴頻的、時域的、頻域的、功率域的抗干擾技術(shù)與措施，本文主要以時域和頻域方面的抗干擾技術(shù)進行說明。

圖3是固定跳頻跳時圖案和根據(jù)時間隨機產(chǎn)生跳頻跳時圖案的示例圖，數(shù)據(jù)鏈端機通常采用右側(cè)的方式作為抗干擾方式，按照特定時間或密鑰高速快變的隨機產(chǎn)生跳頻跳時值用于網(wǎng)絡(luò)通信，可以保證即使敵方監(jiān)聽也難以輕松破解。

圖3 跳頻跳時圖案示例圖

圖4 干擾下的頻譜示意圖

圖4是根據(jù)設(shè)計好的通信圖案發(fā)射的頻譜示意圖，假設(shè)當(dāng)前敵方在1-4頻點進行了干擾，如何自動偵察當(dāng)前1-4頻點被干擾，或者在更為嚴(yán)苛的條件下，敵方干擾是按照圖4所示的滑動窗口進行左右滑動的，那么怎樣有效的統(tǒng)計當(dāng)前被干擾頻點，并且進行相應(yīng)的頻譜決策，更改頻點組合通信圖案，保證盡量少用或不用被干擾頻點，保障正常通信，這是本文要解決的重點。

2.3 頻譜感知算法

針對某數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)運行及干擾情況下的跳頻跳時圖案設(shè)計方式，本文設(shè)計了一種基于物理層信道統(tǒng)計并結(jié)合嗅探消息機制的頻譜感知算法，其算法流程如圖5所示。

圖5 頻譜感知算法流程圖

圖6 自適應(yīng)速率算法流程圖

系統(tǒng)開機后，變頻線程啟動，判別當(dāng)前數(shù)據(jù)鏈通信節(jié)點網(wǎng)絡(luò)成員及模式狀態(tài)，如果當(dāng)前已入網(wǎng)且網(wǎng)絡(luò)成員數(shù)大于1且是變頻模式，根據(jù)時隙中斷獲取10ms的變頻信號量，獲取到信號量后，根據(jù)與FPGA的中斷接口獲取FPGA對信道干擾頻點的統(tǒng)計，記錄10次，然后對10次的統(tǒng)計數(shù)組按照滑窗策略解析干擾頻點并統(tǒng)計 10次中每個干擾頻點出現(xiàn)的次數(shù)，如果統(tǒng)計次數(shù)大于8次，將干擾頻點放到本地統(tǒng)計結(jié)果集的16bit相應(yīng)位上(代表的含義是某位置1則該頻點80%概率受到干擾)，判斷變頻發(fā)起或應(yīng)答方(變頻請求發(fā)起方會生成頻率感知請求消息并廣播發(fā)送)，如果當(dāng)前系統(tǒng)時間使 100ms倍數(shù)且不可發(fā)送請求和應(yīng)答消息，則對發(fā)送接收標(biāo)志和遠端統(tǒng)計結(jié)果清零，結(jié)束流程；如果前系統(tǒng)時間是100ms倍數(shù)且可發(fā)送請求和接收應(yīng)答為1或可發(fā)送應(yīng)答和接收請求為 1，如果本地統(tǒng)計結(jié)果的平臺類型是地面，則將本地統(tǒng)計結(jié)果賦值給最終統(tǒng)計結(jié)果，如果遠端統(tǒng)計結(jié)果的平臺類型是地面，用最終統(tǒng)計結(jié)果異或遠端統(tǒng)計結(jié)果，從最終統(tǒng)計結(jié)果計算受干擾的頻點且變頻標(biāo)志置 0，然后判斷是否是變頻的發(fā)起或應(yīng)答方，如果接受的請求或應(yīng)答數(shù)小于6次或接收請求或應(yīng)答的次數(shù)不滿足90%且干擾頻點中有當(dāng)前正在使用的頻點，則需要變頻，置變頻標(biāo)志為 1，否則變頻標(biāo)志置 0。判別變頻標(biāo)志，如果是1，則按照當(dāng)前系統(tǒng)時間的十位數(shù)模8加上2計算出新的頻點，根據(jù)新產(chǎn)生頻點計算跳頻跳時圖案并更新到相應(yīng)接口中，記錄當(dāng)前頻點，對發(fā)送接收請求應(yīng)答標(biāo)志和遠端統(tǒng)計值清零，結(jié)束流程。

2.4 自適應(yīng)變速算法

傳輸速率作為衡量數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸能力的重要指標(biāo)，主要依賴于傳輸設(shè)備的性能好壞。傳輸速率指標(biāo)主要包括碼元傳輸速率、比特傳輸速率和數(shù)據(jù)傳輸速率三種定義，其中比特傳輸速率較為常用。

比特傳輸速率指的是單位時間內(nèi)傳輸二進制比特的個數(shù)，簡稱比特率，單位為bit/s或bps，計為Rb。

碼元傳輸速率是信道上單位時間內(nèi)傳送的信號波形的個數(shù)，計為RB，單位為波特（Baud）。

比特傳輸速率與碼元傳輸速率之間的關(guān)系為：Rb=RB*H(bps)，其中H是每個符號所包含的平均信息量，當(dāng)各個符號等概率出現(xiàn)的時候，取最大值log2M，M為碼元的進制數(shù)。

在數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)設(shè)計時，針對不同距離、可變距離和抗干擾等通信保障問題會設(shè)計支持多種速率的波形，如Link-16數(shù)據(jù)鏈的信息傳輸速率就包括28.8kbps、57.6kbps、115.2kbps三種速率，針對這三種速率Link-16可以選擇性的配置，達到根據(jù)應(yīng)用需求和不同距離下的正常通信。

本文假設(shè)涉及的某數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)波形包括2Mbps和500kbps兩種速率，其中2Mbps速率傳輸信息容量大但傳輸距離近，500kbps速率傳輸信息容量小但是傳輸距離遠，針對遠距離無法通信和近距通信良好速率提升的需求，本文設(shè)計了一種在可變距離情況下基于嗅探消息機制的自適應(yīng)變速算法，并在實驗室模擬變距情況下進行了有線和無線測試，滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)，其算法流程如圖6所示。

系統(tǒng)開機后，變速線程啟動，判別當(dāng)前模式和下發(fā)業(yè)務(wù)消息每秒統(tǒng)計，如果大于0則是嗅探ACK發(fā)送方，同時設(shè)置消息速率為 500kbps，否則是嗅探消息發(fā)送方，獲取500ms時隙中斷釋放的處理變速信號量，如果中斷信號量異常結(jié)束本輪算法，否則獲取當(dāng)前信息傳輸速率。如果當(dāng)前是2Mbps速率且單位時間接收到2Mbps統(tǒng)計大于0，計算（遠端單位時間內(nèi)接收消息個數(shù)/單位時間內(nèi)收到的2Mbps應(yīng)答數(shù)）的比率，如果遠端接收狀況達不到發(fā)送的 75%或單位時間內(nèi)沒接收到 2Mbps的應(yīng)答消息，切換速率為 500kbps，否則切換為 2Mbps，如果當(dāng)前是500kbps速率且單位時間接收到2Mbps統(tǒng)計大于0，計算（遠端單位時間內(nèi)接收消息個數(shù)/單位時間內(nèi)收到的2Mbps應(yīng)答數(shù)）的比率，如果遠端接收狀況達大于發(fā)送的80%，切換速率為2Mbps，否則切換為500kbps，結(jié)束算法流程。

3 結(jié)語

通過認知無線電頻譜感知相關(guān)技術(shù)的研究，結(jié)合數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)應(yīng)用和未來發(fā)展趨勢，針對靜態(tài)頻譜分配策略下的有限頻譜資源問題，設(shè)計了基于信道統(tǒng)計的數(shù)據(jù)鏈頻譜感知算法和基于嗅探技術(shù)的自適應(yīng)速率算法，實現(xiàn)有限頻段干擾狀態(tài)下的自動頻譜感知和切換策略，實現(xiàn)多速率模式模擬拉距環(huán)境下自動速率變換策略，且通過某數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)多臺組網(wǎng)測試，達到無線環(huán)境干擾和變距情況下的高效、自動、可靠通信保障。