鄭 杰

(1．電子科技大學(xué) 計(jì)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(wú)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(gè)重要分支，它的出現(xiàn)是集成了艦載接口設(shè)計(jì)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行、CDMA、TDMA 和GSM 的蜂窩電話和移動(dòng)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(shí)別算法在實(shí)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(duì)未知協(xié)議的識(shí)別過(guò)程是一個(gè)信道均衡控制和抗干擾濾波設(shè)計(jì)的過(guò)程，通過(guò)對(duì)艦船網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的優(yōu)化，采用信道無(wú)偏均衡設(shè)計(jì)，提高通信信號(hào)傳輸?shù)谋Ｕ娑群托诺雷R(shí)別能力。傳統(tǒng)方法中，對(duì)艦船網(wǎng)絡(luò)中的未知協(xié)議識(shí)別方法采用譜分析法、基于IEEE 802. 11p無(wú)偏均衡算法和源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)信道均衡算法等，傳統(tǒng)方法中對(duì)艦載網(wǎng)絡(luò)總線通信控制的信道設(shè)計(jì)，當(dāng)功率譜呈現(xiàn)相位失衡時(shí)，信道均衡效果不好［2］。對(duì)此，相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，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(jì)和路由鏈路通道均衡算法，通過(guò)對(duì)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(shí)別和信號(hào)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(shí)現(xiàn)對(duì)艦載網(wǎng)絡(luò)的未知協(xié)議識(shí)別和最短路徑控制，在艦載通信和無(wú)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(shí)別采用的是端口路由分層識(shí)別方法，存在通信信號(hào)傳輸?shù)谋Ｕ娑炔缓?，路由開銷大等問(wèn)題［5－7］。針對(duì)上述問(wèn)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(shí)別方法。首先構(gòu)建艦載網(wǎng)絡(luò)通信的系統(tǒng)模型，對(duì)艦載網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行路由分簇設(shè)計(jì)和通信信道模型設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)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(duì)通信信號(hào)進(jìn)行特征提取和動(dòng)態(tài)融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)艦載網(wǎng)絡(luò)中的未知協(xié)議的優(yōu)化識(shí)別和仿真，最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行性能驗(yàn)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(jià)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(jì)

1.1 艦載網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議基本知識(shí)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(huì)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(jì)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(wú)線功率實(shí)現(xiàn)通信信道的設(shè)計(jì)和均衡，采用固定的無(wú)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(tái)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(jì)需要主要解決如下問(wèn)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(jì)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?，在不同時(shí)期，不同的多處理器版本層出不窮，由于不同時(shí)期多處理器版本的計(jì)算能力差異很大，而一個(gè)實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中，多是由多個(gè)不同版本的多處理器不斷升級(jí)而來(lái)的，所以，如何在這些不同版本的多處理器上實(shí)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(wèn)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(shí)際的多處理器應(yīng)用系統(tǒng)中，通常需要對(duì)多處理器系統(tǒng)進(jìn)行不斷的擴(kuò)展，在動(dòng)態(tài)擴(kuò)展時(shí)，有時(shí)候需要減少系統(tǒng)構(gòu)成，降低成本和組成，有時(shí)候需要加大系統(tǒng)組成，不斷升級(jí)，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(wú)線主動(dòng)脈沖信號(hào)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(shí)間延遲;Nm為通信信道路徑的條數(shù)。無(wú)線傳輸信道的脈沖信號(hào)x(t)經(jīng)過(guò)量綱歸一化處理，實(shí)現(xiàn)多徑分量的重構(gòu)，得到艦載網(wǎng)絡(luò)通信的OFDM 信號(hào)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(jì)，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(jì)

艦載網(wǎng)絡(luò)通信的分簇路由設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)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(shí)別中，可以通過(guò)多個(gè)進(jìn)程的并發(fā)執(zhí)行來(lái)提高系統(tǒng)運(yùn)行效率和資源利用率，當(dāng)多個(gè)進(jìn)程并發(fā)訪問(wèn)同一資源時(shí)，由于模式?jīng)Q定進(jìn)程對(duì)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(diǎn)在時(shí)刻t ≥0 的傳輸拓?fù)涔β试鲆?，a(t)表示節(jié)點(diǎn)在時(shí)刻t ≥0 的鄰階均衡加速度，在艦船編隊(duì)組網(wǎng)過(guò)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(shí)的射頻接口。假設(shè)艦船節(jié)點(diǎn)的射頻接口是半雙工，節(jié)點(diǎn)初始速度為v(0)，則有表達(dá)式:

節(jié)點(diǎn)i 和節(jié)點(diǎn)j 為通信雙方都可使用的信道。此時(shí)t 時(shí)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(jì)，為構(gòu)建分簇可變步長(zhǎng)濾波接收/發(fā)射信道無(wú)偏均衡設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

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

3.1 信號(hào)特征提取和動(dòng)態(tài)融合

目前艦載網(wǎng)絡(luò)未知協(xié)議識(shí)別采用的是端口路由分層識(shí)別方法，存在通信信號(hào)傳輸?shù)谋Ｕ娑炔缓?、路由開銷大等問(wèn)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(shí)別方法。在上述路由分簇設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)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(duì)通信信號(hào)進(jìn)行特征提取和動(dòng)態(tài)融合，為確定了艦船節(jié)點(diǎn)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(hào)采用FFT 方法分解為實(shí)信號(hào)分解為:

經(jīng)過(guò)FFT 處理實(shí)現(xiàn)信號(hào)的時(shí)頻分解，通過(guò)高階譜包絡(luò)調(diào)制動(dòng)態(tài)的跟蹤信號(hào)功率的變化，得到高階譜包絡(luò)調(diào)制下的信道無(wú)偏均衡模型，迭代步長(zhǎng)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(shí)間響應(yīng)函數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)未知協(xié)議識(shí)別，提高艦載網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)測(cè)試性能，采用邏輯分析儀對(duì)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(duì)通信信號(hào)進(jìn)行特征提取和動(dòng)態(tài)融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)艦載網(wǎng)絡(luò)中的未知協(xié)議的優(yōu)化識(shí)別。

3.2 艦船網(wǎng)絡(luò)未知協(xié)議識(shí)別算法改進(jìn)實(shí)現(xiàn)

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

艦載網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)作為一個(gè)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(hào)輸出對(duì)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(dòng)測(cè)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(shí)間內(nèi)的節(jié)點(diǎn)行駛距離s(t)為:

在對(duì)未知協(xié)議識(shí)別中，檢測(cè)出的全部壓縮碼通過(guò)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(duì)接收的壓縮碼進(jìn)行解碼讀取并對(duì)用戶艦載使用端外的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。此時(shí)，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)艦載網(wǎng)絡(luò)中未知協(xié)議的識(shí)別。

4 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了測(cè)試本文算法在實(shí)現(xiàn)艦載網(wǎng)絡(luò)未知協(xié)議識(shí)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(shí)驗(yàn)。在艦載網(wǎng)絡(luò)仿真網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中，需要實(shí)現(xiàn)RTP 協(xié)議棧的監(jiān)視數(shù)據(jù)、過(guò)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(jì)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(guò)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(guò)上述處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)艦載網(wǎng)絡(luò)通信的分簇路由設(shè)計(jì)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(hào)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(diǎn)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(dòng)態(tài)融合和通信信號(hào)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(jì)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(shí)別，通過(guò)對(duì)艦載網(wǎng)絡(luò)通信信號(hào)高階譜包絡(luò)調(diào)制，有效提取了信息特征，提高了對(duì)通信協(xié)議識(shí)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(jì)結(jié)果Fig.4 Unknown protocol in shipboard network，the spatial spectral distribution estimation results

為對(duì)比算法性能，以通信鏈路存活時(shí)間為測(cè)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(shí)別，提高了通信鏈路的平均存活時(shí)間，在艦船節(jié)點(diǎn)快速行駛過(guò)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(shí)間對(duì)比Fig.5 The shipboard network average survival time of link in contrast

5 結(jié) 語(yǔ)

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(shí)別方法。首先構(gòu)建艦載網(wǎng)絡(luò)通信的系統(tǒng)模型，對(duì)艦載網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行路由分簇設(shè)計(jì)和通信信道模型設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)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(duì)通信信號(hào)進(jìn)行特征提取和動(dòng)態(tài)融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)艦載網(wǎng)絡(luò)中未知協(xié)議的優(yōu)化識(shí)別和仿真。仿真結(jié)果表明，采用本文算法能有效實(shí)現(xiàn)艦載網(wǎng)絡(luò)中的未知協(xié)議的特征提取和識(shí)別，提高對(duì)通信協(xié)議識(shí)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。

［1］鄧異，梁燕，周勇．水聲換能器基陣信號(hào)采集系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］．物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2015，5(4):36 －37，41．

［2］趙威．基于魚雷自導(dǎo)的艦船尾流回波模型建立方法［J］．艦船電子工程，2013，33(4):81 －83．

［3］WANG P，WANG Z，LI H，et al．Knowledge-aided parametric adaptive matched filter with automatic combining for covariance estimation［J］．IEEE Transactions on Signal Processing，2014，62(18):4713 －4722．

［4］KHAN W，QURESHI I，SULTAN K．Ambiguity function of Phased-MIMO radar with colocated antennas and its properties［J］．IEEE Transactions on Signal Processing，2014，11(7):1220 －1224．

［5］劉家亮，王海燕，姜喆，等．垂直線列陣結(jié)構(gòu)對(duì)PTRM 陣處理空間增益的影響［J］．魚雷技術(shù)，2010，18(4):263－267．

［6］張松慧，熊錦江．一種針對(duì)非平穩(wěn)網(wǎng)絡(luò)任務(wù)調(diào)度防沖突算法研究［J］．科技通報(bào)，2013，29(10)．

［7］軍海，林亞平，周四望．一種低功耗的社區(qū)機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)消息路由算法［J］．計(jì)算機(jī)科學(xué)，2014，41(1):178 －182．

［8］王光浩，吳越．一種車載自組織網(wǎng)絡(luò)路況信息的數(shù)據(jù)信任模型［J］．計(jì)算機(jī)科學(xué)，2014，41(6):89 －93．

［9］程艷合，楊文革．壓縮域直擴(kuò)測(cè)控通信信號(hào)偽碼跟蹤方法研究［J］．電子與信息學(xué)報(bào)，2015，37(8):2028 －2032．

［10］邢長(zhǎng)征，劉劍．基于近鄰傳播與密度相融合的進(jìn)化數(shù)據(jù)流聚類算法［J］．計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2015，35(7):1927 －1932．

［11］田剛，何克清，王健，等．面向領(lǐng)域標(biāo)簽輔助的服務(wù)聚類方法［J］．電子學(xué)報(bào)，2015，43(7):1266 －1274．

［12］徐迎，曾水玲，伍文源．復(fù)形態(tài)雙向聯(lián)想記憶網(wǎng)絡(luò)及其性能分析［J］．信息與控制，2015，44(3):270 －275．