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        美軍動(dòng)態(tài)頻譜接入裝備實(shí)現(xiàn)方式及啟示

        2017-09-29 17:43:25蔣超智吳皓
        移動(dòng)通信 2017年13期
        關(guān)鍵詞:美軍電臺(tái)

        蔣超智++吳皓

        【摘 要】頻譜資源的日益稀缺和低利用率使得各國(guó)都在探討新的頻率使用技術(shù)和頻譜管理方式,動(dòng)態(tài)頻譜接入等新技術(shù)逐漸成為研究熱點(diǎn),因此主要研究了美軍動(dòng)態(tài)頻譜接入裝備的各種實(shí)現(xiàn)方式,包括對(duì)傳統(tǒng)電臺(tái)的改造,對(duì)軟件定義電臺(tái)的軟件升級(jí)以及對(duì)新型電臺(tái)的研制,并分析其發(fā)展特點(diǎn),為我軍開展動(dòng)態(tài)頻譜接入裝備研制提供參考。

        【關(guān)鍵詞】動(dòng)態(tài)頻譜接入 電臺(tái) 美軍

        1 引言

        電磁頻譜對(duì)無線通信及相關(guān)業(yè)務(wù)及其重要,當(dāng)前的頻率管理以預(yù)規(guī)劃和靜態(tài)頻率分配為主,很難滿足電磁頻譜急劇增長(zhǎng)的需求。如果頻譜管理不做重大變革,無論是商用、軍用還是民用的無線業(yè)務(wù)增長(zhǎng)都將面臨嚴(yán)重的削弱。尤其在海外,當(dāng)面臨擁擠電磁頻譜時(shí),美軍的用頻設(shè)備、裝備及系統(tǒng)將在作戰(zhàn)性能方面遭遇重大損失,而通過動(dòng)態(tài)頻譜接入(DSA,Dynamic Spectrum Access),就可以使頻譜管理從當(dāng)前的靜態(tài)頻譜管理轉(zhuǎn)換成動(dòng)態(tài)的頻譜管理。通過動(dòng)態(tài)頻譜接入,用頻設(shè)備、裝備及系統(tǒng)就可以根據(jù)相關(guān)政策、頻譜可用性、傳播環(huán)境和應(yīng)用性能參數(shù)等標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)地改變它們的參數(shù),以適應(yīng)頻譜接入。

        因此,對(duì)于我軍開展動(dòng)態(tài)頻譜接入裝備研制來說,動(dòng)態(tài)頻譜接入裝備如何實(shí)現(xiàn)非常重要,本文接下來將對(duì)美軍動(dòng)態(tài)頻譜接入裝備實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行探討。

        2 美軍動(dòng)態(tài)頻譜接入裝備的實(shí)現(xiàn)方式

        美國(guó)國(guó)防部開展了多個(gè)項(xiàng)目來研究動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù),如DARPA neXt Generation(XG)和Wireless Network After Next(WNAN)。通過動(dòng)態(tài)頻譜接入,單個(gè)或多部電臺(tái)能夠在任意時(shí)刻,根據(jù)信號(hào)活動(dòng)情況,選擇性使用頻率信道。

        對(duì)于動(dòng)態(tài)頻譜接入功能的實(shí)現(xiàn),美軍根據(jù)電臺(tái)的具體情況,主要采用以下三種方式來實(shí)現(xiàn):1)研制全新的動(dòng)態(tài)頻譜接入功能軍用電臺(tái);2)對(duì)現(xiàn)有的軍用軟件定義電臺(tái)通過軟件更改來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜接入;3)在現(xiàn)有軍用電臺(tái)(特別是非軟件定義電臺(tái))的基礎(chǔ)上增加軟/硬件插件來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜接入。DARPA WNAN[1]計(jì)劃采用的是第一種方法,研制新型電臺(tái);DARPA XG[2]計(jì)劃采納的是第二種方法,通過修改電臺(tái)軟件來增加動(dòng)態(tài)頻譜接入?yún)f(xié)議和感知能力。對(duì)于傳統(tǒng)的電臺(tái),主要采用增加相應(yīng)硬件/軟件感知裝置,通過集成形成具有動(dòng)態(tài)頻譜接入功能電臺(tái)。

        2.1 WNAN項(xiàng)目的動(dòng)態(tài)頻譜接入實(shí)現(xiàn)

        DARPA的WNAN網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)能滿足未來作戰(zhàn)無線通信需求,具有高容量、高度可擴(kuò)展性、健壯、自組織的多跳無線網(wǎng)絡(luò)。它采用了基于策略的動(dòng)態(tài)頻譜接入、分布式動(dòng)態(tài)頻率指配、容中斷路由等新技術(shù)以滿足當(dāng)前及未來的軍事需求。WNAN采用Raytheon BBN公司的網(wǎng)絡(luò)軟件、Cobham公司的硬件與固件。WNAN電臺(tái)具有4個(gè)收發(fā)信道,工作在900 MHz—4 GHz的頻率范圍,采用90 kbit/s~2 Mbit/s的自適應(yīng)傳輸速率,每個(gè)通道的輸出功率為1 W[3]。

        其中的動(dòng)態(tài)頻譜接入(DSA)模塊大體上將頻譜

        劃分為可能使用的(possible)、允許使用的(allowed)

        和已使用的(used)。圖1顯示了這些頻率集間的關(guān)系。

        可能使用的頻譜集是根據(jù)外部策略,在一個(gè)特定的時(shí)間和地點(diǎn)可以令人信服地使用的頻率集合;允許使用的頻譜集包括正在感知而且感知后認(rèn)為可用,屬于由非合作者使用的頻率;已使用的頻譜集指實(shí)際上被指配使用的信道,不斷地在允許使用的頻譜集和少量的可能使用的頻譜集上實(shí)施感知,以便在由于頻譜策略發(fā)生變化或非合作者出現(xiàn)時(shí),從允許使用的頻率表中移除一些頻率,而從可能使用的頻率集中尋找可替代的頻率。

        動(dòng)態(tài)頻譜接入模塊負(fù)責(zé)使用頻譜策略推理,確定哪個(gè)頻段可以使用、在這些頻段上所需的感知時(shí)間、對(duì)感知的結(jié)果進(jìn)行識(shí)別、將可用頻率列表提供給媒體接入控制(MAC)模塊進(jìn)行頻率指配。媒體接入控制模塊在現(xiàn)有頻段上不斷尋找非合作者(例如非WNAN節(jié)點(diǎn)、可能的首要/傳統(tǒng)用戶),基于時(shí)間和地理的策略進(jìn)行重新評(píng)估,當(dāng)頻率發(fā)生變化時(shí),更新可用的頻率表給媒體接入控制模塊。媒體接入控制模塊本身負(fù)責(zé)確定頻率指配、頻率回收以及網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)。

        WNAN系統(tǒng)可以在存在非合作者干擾的情況下運(yùn)行,在它們影響到用戶應(yīng)用之前,通過感知避開這些干擾[4]。WNAN的體系結(jié)構(gòu)中包含存儲(chǔ)策略、解釋策略的“策略一致性推理機(jī)”,在選擇和使用頻率時(shí)遵從既定的策略,從感知中獲取依據(jù),確定頻率是否可用。策略推理機(jī)使用網(wǎng)絡(luò)本體語言(OWL)描述它的本體,使得多個(gè)策略可以裝載到WNAN。電臺(tái)可以對(duì)各種策略進(jìn)行自動(dòng)結(jié)合和排序,從而確定哪些頻率在多個(gè)策略下允許使用。

        2.2 軟件定義電臺(tái)的動(dòng)態(tài)頻譜接入實(shí)現(xiàn)

        對(duì)于各種采用不同硬件平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的軟件定義電臺(tái),共享頻譜公司(Shared Spectrum Company)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)通用的動(dòng)態(tài)頻譜接入(DSA)組件,采用基于策略的自主動(dòng)態(tài)頻譜接入模式,主要流程如圖2所示[5]。

        在感知階段,主要獲取節(jié)點(diǎn)的位置、時(shí)間和策略等信息,同時(shí)根據(jù)需求對(duì)所處的電磁環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè),對(duì)鏈路狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,收集射頻環(huán)境和節(jié)點(diǎn)鏈路的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息[6]。

        在分析階段,對(duì)收集的節(jié)點(diǎn)的位置、時(shí)間、策略以及外部電磁干擾感知結(jié)果數(shù)據(jù)和鏈路狀態(tài)信息進(jìn)行綜合分析處理,完成電磁環(huán)境特征和鏈路性能評(píng)估,為頻譜決策提供依據(jù)。

        在決策階段,根據(jù)用頻策略和電磁環(huán)境實(shí)時(shí)狀態(tài)以及鏈路性能的評(píng)估結(jié)果,進(jìn)行系統(tǒng)用頻的推理決策,決定工作頻率、模式以及發(fā)射功率等參數(shù),以適應(yīng)電磁環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化,保持用頻設(shè)備的正常工作,同時(shí)不對(duì)周圍的其他用戶產(chǎn)生干擾。

        最后在執(zhí)行階段,根據(jù)用頻推理產(chǎn)生的結(jié)果,進(jìn)行電臺(tái)工作頻率、模式以及發(fā)射功率等參數(shù)的設(shè)置,使電臺(tái)可以避開電磁干擾,保持正常通信狀態(tài)。

        動(dòng)態(tài)頻譜接入組件的組成包括動(dòng)態(tài)頻譜接入策略模塊、帶有信號(hào)檢測(cè)器和識(shí)別器的動(dòng)態(tài)頻譜接入信道模塊以及動(dòng)態(tài)頻譜接入網(wǎng)絡(luò)模塊,如圖3所示。endprint

        動(dòng)態(tài)頻譜接入(DSA)策略控制模塊主要對(duì)頻譜接入控制策略進(jìn)行處理,頻譜接入策略可以是簡(jiǎn)單分配的頻率范圍,也可以是由策略語言編寫復(fù)雜的規(guī)則。頻譜接入策略一般由頻譜規(guī)劃產(chǎn)生,可通過授權(quán)網(wǎng)絡(luò)或其他方式下載到電臺(tái)中。頻譜策略組件根據(jù)電臺(tái)當(dāng)前的地理位置、時(shí)間、所處電磁環(huán)境的頻譜知識(shí)以及與鄰近節(jié)點(diǎn)信息交互的結(jié)果進(jìn)行推理,從而進(jìn)行頻譜機(jī)會(huì)決策[7]。

        動(dòng)態(tài)頻譜接入(DSA)信道模塊進(jìn)行頻譜檢測(cè)器管理,執(zhí)行頻譜檢測(cè)和頻譜識(shí)別,存儲(chǔ)并統(tǒng)計(jì)分析處理頻譜感知信息,主要進(jìn)行可用頻率表、DSA頻率表、非DSA信道表以及空閑頻率表的維護(hù)。可用頻率表指當(dāng)前允許發(fā)射的頻率范圍;DSA頻率表指當(dāng)前DSA電臺(tái)及網(wǎng)絡(luò)使用的頻率;非DSA頻率表指當(dāng)前被其它非DSA電臺(tái)使用的頻率;空閑頻率表指當(dāng)前沒有被使用的頻率。

        動(dòng)態(tài)頻譜接入(DSA)網(wǎng)絡(luò)模塊主要負(fù)責(zé)DSA網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的信息交互,發(fā)現(xiàn)所處位置周圍的其他DSA電臺(tái),通過與其他DSA電臺(tái)協(xié)商在它們公共空閑的、DSA可用的頻率中選擇工作頻率。另外,DSA網(wǎng)絡(luò)組件也負(fù)責(zé)進(jìn)入或離開一個(gè)地理區(qū)域時(shí)進(jìn)入和退出DSA網(wǎng)的工作。

        動(dòng)態(tài)頻譜接入(DSA)組件采用模塊化設(shè)計(jì)[8],根據(jù)目標(biāo)電臺(tái)已有的功能和硬件平臺(tái)的資源,可對(duì)以上DSA模塊進(jìn)行任意的靈活組合。對(duì)于資源充足的平臺(tái)可集成所有的模塊,而對(duì)于能力較弱的平臺(tái)可減少一些在板模塊或進(jìn)行模塊簡(jiǎn)化。

        動(dòng)態(tài)頻譜接入(DSA)包括兩個(gè)級(jí)別接口,上層的接口是與用戶應(yīng)用的接口,通過接口允許用戶進(jìn)行頻譜接入控制策略的更新和監(jiān)控電臺(tái)DSA的性能,包括增加、刪除、激活和解除頻譜接入控制策略功能。下層的接口是與底層軟件無線電(SCA)波形功能組件的接口,包括與物理層、MAC層以及網(wǎng)絡(luò)層波形組件的接口,通過下層接口,DSA組件可以實(shí)現(xiàn)與MAC層共享信道進(jìn)行頻譜感知、完成與其它電臺(tái)信息交互、更改電臺(tái)的相關(guān)工作參數(shù)以及獲取鏈路性能的狀態(tài)信息等功能[9]。

        2.3 基于對(duì)傳統(tǒng)電臺(tái)改造的動(dòng)態(tài)頻譜接入實(shí)現(xiàn)

        對(duì)傳統(tǒng)電臺(tái)通過增加硬件或軟件插件,使之能夠以動(dòng)態(tài)頻譜接入方式工作,其目的是使廣大軍事用戶既獲得了動(dòng)態(tài)頻譜接入的優(yōu)勢(shì),同時(shí)又能夠使現(xiàn)役電臺(tái)繼續(xù)發(fā)揮作用。這種方法能夠花費(fèi)較少開支便提升傳統(tǒng)電臺(tái)作戰(zhàn)使用性能。多數(shù)情況下,由于傳感與信道切換方面的速度限制,電臺(tái)/插件組合在性能方面不如新型電臺(tái)及具備動(dòng)態(tài)頻譜接入能力的軟件定義電臺(tái),然而相對(duì)于傳統(tǒng)工作方式其性能已有顯著提升。

        美軍以AN/PRC-117F電臺(tái)(如圖4所示)為原型,采用了兩種方式來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜接入改造。一種方式是增加帶有控制處理器的外部頻譜感知器裝置,另一種方式是增加外部處理器,控制電臺(tái)獲取接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)取代頻譜傳感器。

        (1)傳感器-處理器實(shí)現(xiàn)方式

        傳感器-處理器實(shí)現(xiàn)方式是通過增加帶有控制處理器的外部頻譜感知器裝置來實(shí)現(xiàn)AN/PRC-117F電臺(tái)[9]的動(dòng)態(tài)頻譜接入功能,如圖5所示。

        頻譜傳感器由天線、預(yù)選濾波器、低噪聲放大器和下變頻器組成,這些器件和處理器構(gòu)成了硬件插件。在采樣過程中,基帶信號(hào)被定時(shí)數(shù)字化,并且電臺(tái)發(fā)射機(jī)被禁用,以保證只存在主用戶的信號(hào)。感知的頻譜進(jìn)行了信道劃分,在每個(gè)采樣周期,根據(jù)門限值來判斷每個(gè)信道中是否存在信號(hào)。

        檢測(cè)完畢后,立即檢查電臺(tái)當(dāng)前工作信道是否存在主用戶的信號(hào)。如果存在,通過電臺(tái)的遙控接口停用其“請(qǐng)求傳送”(RTS)功能,信道被以最快的速度釋放。值得注意的是,第二用戶電臺(tái)的傳輸在進(jìn)行頻譜檢測(cè)時(shí)即被禁用,這種禁用狀態(tài)將持續(xù)到傳感器確認(rèn)信道空閑并重新起用“請(qǐng)求傳送”(RTS)。

        感知周期必須足夠短以使所有主用戶的信號(hào)盡可能少受干擾。如果主用戶的信號(hào)剛好出現(xiàn)在感知周期之后,那么在下一個(gè)感知周期之前傳感插件將無法檢測(cè)到(假設(shè)主用戶一直處于發(fā)射狀態(tài))。在原型樣機(jī)中,選擇每秒進(jìn)行一次感知,即使在極端情況下,第二用戶對(duì)主用戶的干擾也不會(huì)超過1 s。

        當(dāng)?shù)诙脩翎尫帕诵诺篮?,需要盡快地選擇一個(gè)新的信道并建立通信。信道的選擇主要考慮在最近的頻譜采樣中沒有出現(xiàn)主用戶的信號(hào)以及預(yù)計(jì)的頻譜空閑持續(xù)時(shí)間。如果所有的信道都被占用,電臺(tái)將保持“請(qǐng)求傳送”(RTS)的關(guān)閉狀態(tài)直到出現(xiàn)可用信道。

        在信道選擇過程中,第二用戶電臺(tái)間通過維護(hù)一組共同的信道統(tǒng)計(jì),使兩個(gè)電臺(tái)可以做出共同的選擇并切換到相同的信道上。選擇準(zhǔn)則是所有節(jié)點(diǎn)間預(yù)計(jì)的頻譜空閑持續(xù)時(shí)間最大的信道。

        AN/PRC-117F電臺(tái)通過串口輸出收到的數(shù)據(jù),供外部處理器搜索并找出來自其他電臺(tái)的預(yù)計(jì)空閑壽命數(shù)據(jù)包。處理器保存網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)電臺(tái)最新的信道預(yù)計(jì)空閑壽命數(shù)據(jù),脫網(wǎng)電臺(tái)的數(shù)據(jù)被認(rèn)為不再精確而予以丟棄。

        一旦信道選擇完畢后,處理器即控制電臺(tái)切換到指定的頻率或該頻率對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò),通信開始,接下來周而復(fù)始地開展感知、釋放、空閑統(tǒng)計(jì)生成、信道選擇等活動(dòng)。

        (2)純處理器實(shí)現(xiàn)方式

        純處理器實(shí)現(xiàn)方式是通過增加外部處理器來實(shí)現(xiàn)AN/PRC-117F電臺(tái)的動(dòng)態(tài)頻譜接入功能,如圖6所示:

        純處理器插件方式通過向電臺(tái)發(fā)送指令,獲取信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)。電臺(tái)通過對(duì)相關(guān)信道進(jìn)行掃描接收獲知其活動(dòng)情況,處理器再根據(jù)干擾門限判別每個(gè)信道是否被占用,接下來進(jìn)行與傳感器-處理器方式相同的空閑持續(xù)時(shí)間分析處理。處理器必須支持與AN/PRC-117電臺(tái)間的控制和數(shù)據(jù)接口,要求能夠控制、配置電臺(tái),并能夠與其他同樣的電臺(tái)傳遞預(yù)計(jì)壽命數(shù)據(jù)包。

        這種的方式優(yōu)勢(shì)在于可以做得更小,便于攜帶,但同時(shí)也存在頻譜傳感速度較慢、精度較差等缺點(diǎn)。

        3 美軍動(dòng)態(tài)頻譜接入裝備發(fā)展的啟示

        從以上的闡述可以看出,在動(dòng)態(tài)頻譜接入的實(shí)現(xiàn)方式上,美軍根據(jù)各種不同的實(shí)際情況采取相應(yīng)的技術(shù)手段與方法。對(duì)于傳統(tǒng)的電臺(tái),在不改動(dòng)其硬件與固件的條件下,通過增加外置的頻譜感知與頻譜管理模塊實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜接入功能;對(duì)于軟件定義電臺(tái),設(shè)計(jì)了一個(gè)模塊化的通用動(dòng)態(tài)頻譜接入組件,可根據(jù)現(xiàn)有軟件定義電臺(tái)的已有功能和計(jì)算資源等情況,選擇相應(yīng)的動(dòng)態(tài)頻譜接入組件模塊集成到軟件電臺(tái)中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜接入功能。在其下一代通信項(xiàng)目(DARPA XG)和WNAN(Wireless Network After Next)中,采用全新的軟硬件統(tǒng)一設(shè)計(jì),以達(dá)到更高性能的DSA能力[11]。endprint

        在動(dòng)態(tài)頻譜接入實(shí)現(xiàn)的機(jī)制原理與方法上,也根據(jù)各種不同的情況與條件,采用了不同模式。對(duì)于現(xiàn)役的傳統(tǒng)電臺(tái),主要采用基于頻管系統(tǒng)的集中式動(dòng)態(tài)接入模式。在這種模式中,頻管系統(tǒng)作為系統(tǒng)的管控中心,它收集系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的頻譜感知數(shù)據(jù),監(jiān)視著每條鏈路的狀態(tài),對(duì)頻譜感知、網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)等信息進(jìn)行集中分析處理,并由此決策是否改變系統(tǒng)的工作頻率、帶寬和功率等參數(shù)。

        對(duì)于軟件定義電臺(tái)以及XG通信項(xiàng)目和WNAN網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻譜接入電臺(tái),則是采用分布式基于策略的動(dòng)態(tài)頻譜接入模式?;诓呗缘姆植际絼?dòng)態(tài)頻譜接入將頻譜的決策從頻譜管理中心移至用頻設(shè)備端,頻譜管理者只給出用頻策略,用頻設(shè)備根據(jù)所處的電磁環(huán)境和用頻策略約束進(jìn)行具體的用頻決策和執(zhí)行活動(dòng)。其頻譜決策過程采用自主的方式,是一種無中心扁平化模式,使頻譜決策更加迅速。

        未來動(dòng)態(tài)頻譜接入必將向著認(rèn)知無線電方向發(fā)展,具有更強(qiáng)的頻譜感知能力,能對(duì)積累的大量頻譜信息進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘,尋找其中的特征規(guī)律;能具備很強(qiáng)的學(xué)習(xí)和推理能力,能很好地理解所處的外部環(huán)境,實(shí)時(shí)調(diào)整其內(nèi)部配置,以適應(yīng)外部無線環(huán)境的變化,達(dá)到認(rèn)知地按需頻譜接入。

        4 結(jié)束語

        本文以美軍動(dòng)態(tài)頻譜接入裝備實(shí)現(xiàn)為切入點(diǎn),研究了其各種實(shí)現(xiàn)方式,包括研制新型動(dòng)態(tài)頻譜接入電臺(tái),對(duì)軟件定義電臺(tái)的軟件升級(jí)以及對(duì)傳統(tǒng)電臺(tái)的改造,并分析其各自特點(diǎn),為我軍進(jìn)一步開展動(dòng)態(tài)頻譜接入裝備研制提供了思路。

        參考文獻(xiàn):

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