基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的艦船通信信道均衡控制方法

摘要：艦船通信是保證艦船正常運行的基礎(chǔ)，隨著無線技術(shù)的發(fā)展，我國的艦船通信技術(shù)也在不斷地進步，但仍然存在通信信道控制問題，傳統(tǒng)的艦船通信信道控制方法存在較大的信道控制偏差，無法滿足目前的艦船通信需求，因此需要基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計新的艦船通信信道均衡控制方法，首先采集了艦船通信信道控制數(shù)據(jù)，其次基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了艦船通信信道均衡模型，最后設(shè)計了艦船通信信道均衡算法，從而實現(xiàn)了艦船通信信道均衡控制，進行實驗，結(jié)果表明，設(shè)計的艦船通信信道均衡控制方法的均衡控制指標(biāo)較高，證明其控制效果較穩(wěn)定，具有有效性，有一定的應(yīng)用價值，可以作為后續(xù)艦船通信信道控制的參考。

關(guān)鍵詞：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);艦船通信;信道均衡控制

一、引言

隨著科技的發(fā)展，我國的通信技術(shù)逐漸成熟，在各個領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，但由于我國通信技術(shù)研發(fā)起步較晚，目前海上通信仍然較薄弱，艦船通信是保證艦船正常運行的重要部分，能實現(xiàn)艦船與岸上指揮所進行有效的通信[1]。研究人員結(jié)合艦船的通信需求規(guī)劃了艦船通信要點，即務(wù)必要保證艦船通信的實時可靠性，提高艦船通信的保密性[2-4]。目前很多艦船使用短波無線通信作為主要的通信方式，該通信方式能最大限度地降低通信電波損失，提高艦船通信質(zhì)量，但容易出現(xiàn)信道不均衡問題，導(dǎo)致艦船通信故障[5]。

傳統(tǒng)的艦船通信信道控制方式保證通信信道的均衡性，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以構(gòu)建抽象的輸出控制模型，增加控制穩(wěn)定性，因此本文基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了新的艦船通信信道均衡控制方法，為保證后續(xù)艦船通信質(zhì)量作貢獻。

二、艦船通信信道均衡控制方法

（一）采集艦船通信信道控制數(shù)據(jù)

本文設(shè)計的方法使用DTH11傳感器采集艦船通信控制數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)使用間隔均衡法間隔開，首先將DRH11傳感器與艦船通信采集系統(tǒng)相連[6]，再由DRH11傳感器不斷地將采集到的控制數(shù)據(jù)輸送到采集系統(tǒng)中，接收到來自傳感器的數(shù)據(jù)信息后，該信號采集系統(tǒng)需要立即使用解碼技術(shù)進行擴頻處理[7]。為了進一步判斷異?？刂茢?shù)據(jù)的類型，保證提出的有效性，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)預(yù)先進行了信道假設(shè)和信道模擬，從而提取異常數(shù)據(jù)信息，在約束作用下，采集到的初始數(shù)據(jù)不斷完成多普勒響應(yīng)，產(chǎn)生了數(shù)據(jù)劃分分界點，滿足分界點要求的數(shù)據(jù)稱為有效通信數(shù)據(jù)，會被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)保留，進一步用于通信，不滿足分界點的數(shù)據(jù)則會被剔除，避免其對后續(xù)通信造成干擾。

處理后的數(shù)據(jù)首先通過濾波器發(fā)送到通信信道中，然后由接收濾波器進行接收，再傳輸?shù)骄馄髦羞M行均衡處理，完成異常數(shù)據(jù)的剔除[8]。經(jīng)過多次分析發(fā)現(xiàn)，傳播異常數(shù)據(jù)主要由碼間干擾產(chǎn)生，為了進一步提高采集的通信數(shù)據(jù)質(zhì)量，需要設(shè)置碼間干擾抑制序列，將該序列輸入到信號濾波器中，可得到初始化數(shù)據(jù)濾波函數(shù)。

為了保證處理后數(shù)據(jù)的質(zhì)量，本文還進行了異常數(shù)據(jù)檢測，即經(jīng)剔除處理后的數(shù)據(jù)集使用頻譜特征提取法進一步檢測是否存在異常數(shù)據(jù)，最大限度地提高艦船通信質(zhì)量，因此可以繪制異常數(shù)據(jù)節(jié)點分布圖，由于異常節(jié)點經(jīng)常會出現(xiàn)休眠端和Sink端，因此可以使用干擾節(jié)點完成異常數(shù)據(jù)過濾。在使用小波變換法將出現(xiàn)異常的通信信道控制數(shù)據(jù)分解，即可有效地檢測出目前數(shù)據(jù)中存在的狀態(tài)參數(shù)，實現(xiàn)通信信道異?？刂茢?shù)據(jù)的剔除。

（二）基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建艦船通信信道均衡模型

傳統(tǒng)的艦船通信信道控制過程中經(jīng)常受控制穩(wěn)定性影響，造成通信信道不均衡，因此本文使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計了艦船通信信道均衡運算模型，利用各個信道節(jié)點的權(quán)重關(guān)系實現(xiàn)通信信道均衡控制。

研究發(fā)現(xiàn)艦船通信信道均衡控制受外界因素的影響很容易出現(xiàn)通信差值，嚴重限制了控制均衡性，因此在構(gòu)建艦船通信信道模型前首先需要進行信道均衡計算，基于此，設(shè)計的艦船通信信道均衡模型如下（1）所示。

公式（1）中，K代表艦船通信信道數(shù)據(jù)總量，、均代表艦船運行通信參數(shù)，E代表艦船通信頻率，在均衡模型使用前，需要選取正確的信道參數(shù)，因此可以根據(jù)傳播通信數(shù)據(jù)總量進行計算，確定通信信道內(nèi)質(zhì)點單元的總數(shù)，使用參數(shù)比重計算公式完成信道均衡參數(shù)的計算。

在模型使用過程中，如果出現(xiàn)了鏈路擁塞線性，可以使用間隔匹配法對現(xiàn)有的信道均衡控制模型進行優(yōu)化，修復(fù)存在鏈路擁塞的部分，實現(xiàn)均衡化迭代。在優(yōu)化初期可以使用定量分析法依次調(diào)整艦船通信過程中可能出現(xiàn)的擁塞節(jié)點，然后計算信道的吞吐量和實際傳輸延遲，進一步控制網(wǎng)絡(luò)擁堵現(xiàn)象。在修復(fù)的基礎(chǔ)上，還可以設(shè)計通信信道均衡控制協(xié)議，結(jié)合艦船通信信號數(shù)量設(shè)計數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)控制函數(shù)，實現(xiàn)艦船通信信道均衡控制，降低控制過程中可能出現(xiàn)的誤差，提高控制穩(wěn)定性。

（三）設(shè)計艦船通信信道均衡算法

實現(xiàn)艦船通信信道均衡控制還需要設(shè)計艦船通信信道均衡算法，設(shè)計的艦船信道均衡算法設(shè)計時可以分成幾個不同的層次：

第一是數(shù)據(jù)獲取層，該層可以不斷獲取艦船運行過程中產(chǎn)生的通信數(shù)據(jù)，并不斷進行分類篩選，完成艦船信號的識別及均衡，為了提高數(shù)據(jù)獲取的有效性，該層內(nèi)部設(shè)置了選擇均衡模塊和參數(shù)計算模塊，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取偏差導(dǎo)致的數(shù)據(jù)控制失衡問題，該層使用了Connectivity設(shè)計的數(shù)據(jù)分離系統(tǒng)，保證數(shù)據(jù)分離效果，提高艦船通信信道的均衡性。

第二層是信號識別層，可以不斷將采集到的艦船通信數(shù)據(jù)輸送到分離系統(tǒng)中，并使用相應(yīng)的控制算法進行計算，該層內(nèi)部包括了驅(qū)動模塊和信號識別模塊，能保證信道均衡效果。

第三是均衡器選擇層，該層可以根據(jù)不同的通信狀況調(diào)節(jié)計算機反饋參數(shù)，增加網(wǎng)絡(luò)信道的均衡性，第四層是參數(shù)計算層，可以根據(jù)艦船通信信道的狀態(tài)設(shè)置反饋參數(shù)，完成通信信道的均衡計算，該層可以將上述全部層次結(jié)合起來共同實現(xiàn)減產(chǎn)通信信道均衡控制，基于此設(shè)計的艦船通信信道均衡算法如下（2）所示。

公式（2）中，A代表信道綜合頻率，H代表初始相位，k代表載波頻段，r代表信道增益。

為了保證該算法的使用有效性，本文搭建了信道均衡控制平臺，首先設(shè)置了該平臺的信道編碼，使用計算機進行參數(shù)調(diào)控，為了進一步保證控制算法的合理性，本文在該平臺內(nèi)還設(shè)置了信道估計和參數(shù)調(diào)整模塊，在計算時該平臺可以不斷識別艦船控制編碼，為計算提供有效的參數(shù)。

三、實驗

為了檢驗本文設(shè)計的艦船通信信道均衡控制方法的控制效果，本文搭建了相關(guān)的實驗平臺，將其與傳統(tǒng)的艦船通信信道控制方法進行對比，實驗如下。

（一）實驗準(zhǔn)備

本實驗選取Netcon系統(tǒng)作為通信信道控制效果檢驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要通過以太網(wǎng)實現(xiàn)信道控制與傳輸，系統(tǒng)內(nèi)部使用matlab構(gòu)建了標(biāo)準(zhǔn)化控制組件，為了增加系統(tǒng)的信道控制效果，該系統(tǒng)還額外添加了ARM+linux作為綜合控制執(zhí)行器，由于該系統(tǒng)在實驗過程中需要不斷監(jiān)測現(xiàn)有數(shù)據(jù)的狀態(tài)，因此可以在該系統(tǒng)內(nèi)部添加NetCon控制組件，最大限度地提高系統(tǒng)的測試效果。

為了模擬艦船運行過程中的通信信道狀態(tài)，本文在實驗之前進一步優(yōu)化了系統(tǒng)的開發(fā)流程，提高了系統(tǒng)的真實模擬效果，該系統(tǒng)在工作時的工作特點如下：

第一，該系統(tǒng)主要使用Ethernet通訊方式進行通信，為了進一步實現(xiàn)遠程通信控制該系統(tǒng)使用了TCP/IP協(xié)議。

第二，該系統(tǒng)內(nèi)部使用MATLAB+Simulink+RTW進行無縫集成，使用MATLAB進行綜合建模，降低了艦船通信信道模擬的難度，為了實現(xiàn)動態(tài)化控制，Netcon系統(tǒng)還搭建了MATLAB/Simulink集成框架，便于整個測試模塊的及時修改。

構(gòu)建了標(biāo)準(zhǔn)化測試模型后，可以使用指定的控制組件將現(xiàn)有的模型翻譯成動態(tài)實時模型，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)控制規(guī)則，實現(xiàn)控制硬件自動化選擇，在測試時僅需要點擊鼠標(biāo)即可完成編碼，采集下載實驗數(shù)據(jù)，進行精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分析，結(jié)合設(shè)計的Netcon系統(tǒng)，選取測試使用的通信信道，參數(shù)如下表1所示。

由表1可知，上述通信信道需要使用網(wǎng)絡(luò)化控制器處理后輸入測試系統(tǒng)中，該網(wǎng)絡(luò)控制器由AT91RM9200處理器組成，內(nèi)部使用I/O接口，該控制器使用EAB總線與通信信道相連，控制器內(nèi)部的引腳信號說明如下表2所示。

由表2可知，該控制器能實現(xiàn)RS-232電平轉(zhuǎn)換，并使用MAX232實現(xiàn)串行通信，結(jié)合上述通信信道參數(shù)及引腳引號，可以設(shè)計艦船通信信道控制指標(biāo)計算式，如下（3）所示。

公式（3）中，d代表初始信道控制參數(shù)，f代表實際信道控制速率，h代表信道控制均衡系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)的艦船通信信道控制指標(biāo)數(shù)值為1，計算出的艦船通信信道控制指標(biāo)越接近1則證明控制效果越好，反之則證明控制效果較差。在實際測試過程中可能會受到以太網(wǎng)接口限制出現(xiàn)控制集成問題，此時可以使用AT91RM9200添加MAC控制器，使其支持IEEE802.3 CSMA/CD協(xié)議，降低控制集成風(fēng)險。

（二）實驗結(jié)果與討論

在上述實驗準(zhǔn)備基礎(chǔ)上，分別使用本文設(shè)計的艦船通信信道均衡控制方法和傳統(tǒng)的艦船通信信道控制方法對上述選取的信道進行控制，并使用公式（3）分別計算兩種控制方法的控制指標(biāo)，計算結(jié)果如下表3所示。

由表3可知，本文設(shè)計的艦船通信信道均衡控制方法計算的控制指標(biāo)數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值1較擬合，因此證明本文設(shè)計的艦船通信信道均衡控制方法的控制效果較好，具有有效性。

四、結(jié)束語

綜上所述，艦船通信是保證艦船正常運行的關(guān)鍵，隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，我國大部分艦船均使用短波通信，但在短波通信過程中經(jīng)常會出現(xiàn)通信信道不均衡問題，傳統(tǒng)的艦船通信信道控制方法無法保證通信信道的均衡性，常常產(chǎn)生嚴重的通信故障，因此本文基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了新的艦船通信信道均衡控制方法，進行實驗，結(jié)果表明，設(shè)計的艦船通信信道均衡控制方法的控制指標(biāo)較高，證明其控制效果較好，具有有效性，有一定的應(yīng)用價值，可以作為后續(xù)艦船通信的參考。

作者單位：申乃軍? ? 江蘇自動化研究所

參? 考? 文? 獻

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