沈建飛

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

隨著數(shù)據(jù)鏈在各國(guó)國(guó)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(tái)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(chǎng)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(qiáng)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(xiǎn)且進(jìn)行正常通信，這就要求數(shù)據(jù)鏈必須考慮有限頻譜的動(dòng)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(rèn)知無線電頻譜感知技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體實(shí)際項(xiàng)目，研究并設(shè)計(jì)基于信道統(tǒng)計(jì)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(shí)物端機(jī)上進(jìn)行驗(yàn)證與測(cè)試，實(shí)現(xiàn)干擾下的自動(dòng)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(dá)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(rèn)知無線電

1.1 認(rèn)知循環(huán)

1999年JosePh Mitola博士提出了認(rèn)知無線電的概念，他認(rèn)為軟件無線電(Soft Define Radio,SDR)是認(rèn)知無線電實(shí)現(xiàn)的基本平臺(tái)，SDR在智能化方面的進(jìn)化最終會(huì)并軌于認(rèn)知無線電。通過使用無線電知識(shí)表示語言(Radio Knowledge Representation Language,RKRL)，認(rèn)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(jìn)行智能交互。認(rèn)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(rèn)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(duì)內(nèi)部通信參數(shù)和傳輸參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以適應(yīng)無線環(huán)境的變化。因此，基于對(duì)認(rèn)知無線電學(xué)習(xí)過程的研究，Mitola博士提出了認(rèn)知循環(huán)的概念，如圖1所示，認(rèn)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(gè)認(rèn)知步驟構(gòu)成。

圖1 認(rèn)知循環(huán)

1.1.1 頻譜感知

頻譜感知作為認(rèn)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(rèn)知無線電動(dòng)態(tài)的接入空閑頻譜進(jìn)行通信。外部無線環(huán)境復(fù)雜多變，整個(gè)電磁環(huán)境也隨之不斷變化，因此，認(rèn)知無線電需要在整個(gè)感知頻段內(nèi)從多方面持續(xù)快速的對(duì)無線頻譜資源進(jìn)行感知，然后發(fā)現(xiàn)空閑頻譜，上報(bào)授權(quán)用戶頻譜使用狀況，進(jìn)行下一步頻譜分析與決策。

1.1.2 頻譜分析

認(rèn)知無線電在感知到空閑頻譜后下一階段就是進(jìn)行頻譜分析，按照Mitola博士認(rèn)知無線電的內(nèi)容，頻譜分析是針對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況、外部環(huán)境因素（電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)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(jìn)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(jì)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(rèn)知無線電通過對(duì)外界無線環(huán)境進(jìn)行學(xué)習(xí)、推理和預(yù)測(cè)，能夠給出復(fù)雜時(shí)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(jiǎn)單模型推理，采用固定的學(xué)習(xí)規(guī)則，對(duì)輸出進(jìn)行完全預(yù)測(cè)，這種推理方法簡(jiǎn)單但可靠性差；(2) 負(fù)責(zé)模型推理，采用一些模糊的學(xué)習(xí)規(guī)則，對(duì)輸出進(jìn)行不完全預(yù)測(cè)，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(rèn)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(cè)[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(rèn)知無線電根據(jù)檢測(cè)和分析獲得的預(yù)測(cè)結(jié)果，通過無線電設(shè)備先進(jìn)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(shí)機(jī)，從而成功的完成數(shù)據(jù)傳輸。這對(duì)認(rèn)知無線電的協(xié)調(diào)性能提出了很高的要求，要求認(rèn)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(hào)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(rèn)知無線電關(guān)鍵技術(shù)

從圖1認(rèn)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(gè)環(huán)節(jié)緊密交聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)無線電環(huán)境的智能認(rèn)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(rèn)知無線電動(dòng)態(tài)的接入空閑頻譜進(jìn)行通信[1]。為了避免干擾授權(quán)用戶，在授權(quán)頻譜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候，認(rèn)知無線電需要快速精準(zhǔn)的對(duì)出現(xiàn)信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，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(diǎn)的通信保障。通過持續(xù)對(duì)外界無線環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，能夠提高頻譜感知的性能，其中，虛警概率和檢測(cè)概率是衡量頻譜感知性能的兩個(gè)重要指標(biāo)，虛警概率反映了認(rèn)知無線電對(duì)頻譜的利用能力，虛警概率越低，認(rèn)知無線電的頻譜利用率越高；檢測(cè)概率則反映了認(rèn)知無線電對(duì)授權(quán)用戶的干擾，檢測(cè)概率越高，認(rèn)知無線電對(duì)授權(quán)用戶的干擾越低[1]。針對(duì)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(jī)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(qiáng)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(jìn)行頻段切換。

頻譜感知是認(rèn)知無線電得以實(shí)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(jī)的研制需求，多鏈融合平臺(tái)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(duì)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(jī)和天線。其中數(shù)據(jù)鏈端機(jī)主要由四部分組成，包括信息處理模塊、信號(hào)處理模塊、功放模塊和電源模塊。信息處理模塊，一方面負(fù)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(hào)處理模塊，另一方面將來自信號(hào)處理模塊的信息進(jìn)行反解析調(diào)度上送給顯示控制電腦；信號(hào)處理模塊，一方面將信息處理模塊下發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)調(diào)度排隊(duì)按照與FPGA接口進(jìn)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(shí)還包括校時(shí)、跳頻跳時(shí)相關(guān)設(shè)置與維護(hù)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(jī)信息信號(hào)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(duì)端數(shù)據(jù)鏈端機(jī)天線接收到信號(hào)后通過射頻前端功放交給信號(hào)信息處理模塊處理，在通過接口上送給顯示控制電腦進(jìn)行結(jié)果顯示。

2.2 時(shí)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(duì)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(píng)估，信息的獲取和有效利用成為敵我雙方對(duì)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(zhēng)勝負(fù)的關(guān)鍵。對(duì)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(jì)階段，就會(huì)根據(jù)技術(shù)水平、應(yīng)用需求、使用場(chǎng)景和平臺(tái)結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)處理和射頻相關(guān)模塊進(jìn)行定制，限定該型數(shù)據(jù)鏈端機(jī)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(jī)就只能夠在該頻段范圍內(nèi)進(jìn)行通信，無法在其他頻段進(jìn)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(jī)主要采用各種擴(kuò)頻的、非擴(kuò)頻的、時(shí)域的、頻域的、功率域的抗干擾技術(shù)與措施，本文主要以時(shí)域和頻域方面的抗干擾技術(shù)進(jìn)行說明。

圖3是固定跳頻跳時(shí)圖案和根據(jù)時(shí)間隨機(jī)產(chǎn)生跳頻跳時(shí)圖案的示例圖，數(shù)據(jù)鏈端機(jī)通常采用右側(cè)的方式作為抗干擾方式，按照特定時(shí)間或密鑰高速快變的隨機(jī)產(chǎn)生跳頻跳時(shí)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(shí)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(jì)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(diǎn)進(jìn)行了干擾，如何自動(dòng)偵察當(dāng)前1-4頻點(diǎn)被干擾，或者在更為嚴(yán)苛的條件下，敵方干擾是按照?qǐng)D4所示的滑動(dòng)窗口進(jìn)行左右滑動(dòng)的，那么怎樣有效的統(tǒng)計(jì)當(dāng)前被干擾頻點(diǎn)，并且進(jìn)行相應(yīng)的頻譜決策，更改頻點(diǎn)組合通信圖案，保證盡量少用或不用被干擾頻點(diǎn)，保障正常通信，這是本文要解決的重點(diǎn)。

2.3 頻譜感知算法

針對(duì)某數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行及干擾情況下的跳頻跳時(shí)圖案設(shè)計(jì)方式，本文設(shè)計(jì)了一種基于物理層信道統(tǒng)計(jì)并結(jié)合嗅探消息機(jī)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(jī)后，變頻線程啟動(dòng)，判別當(dāng)前數(shù)據(jù)鏈通信節(jié)點(diǎn)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(shí)隙中斷獲取10ms的變頻信號(hào)量，獲取到信號(hào)量后，根據(jù)與FPGA的中斷接口獲取FPGA對(duì)信道干擾頻點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)，記錄10次，然后對(duì)10次的統(tǒng)計(jì)數(shù)組按照滑窗策略解析干擾頻點(diǎn)并統(tǒng)計(jì) 10次中每個(gè)干擾頻點(diǎn)出現(xiàn)的次數(shù)，如果統(tǒng)計(jì)次數(shù)大于8次，將干擾頻點(diǎn)放到本地統(tǒng)計(jì)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(diǎn)80%概率受到干擾)，判斷變頻發(fā)起或應(yīng)答方(變頻請(qǐng)求發(fā)起方會(huì)生成頻率感知請(qǐng)求消息并廣播發(fā)送)，如果當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間使 100ms倍數(shù)且不可發(fā)送請(qǐng)求和應(yīng)答消息，則對(duì)發(fā)送接收標(biāo)志和遠(yuǎn)端統(tǒng)計(jì)結(jié)果清零，結(jié)束流程；如果前系統(tǒng)時(shí)間是100ms倍數(shù)且可發(fā)送請(qǐng)求和接收應(yīng)答為1或可發(fā)送應(yīng)答和接收請(qǐng)求為 1，如果本地統(tǒng)計(jì)結(jié)果的平臺(tái)類型是地面，則將本地統(tǒng)計(jì)結(jié)果賦值給最終統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如果遠(yuǎn)端統(tǒng)計(jì)結(jié)果的平臺(tái)類型是地面，用最終統(tǒng)計(jì)結(jié)果異或遠(yuǎn)端統(tǒng)計(jì)結(jié)果，從最終統(tǒng)計(jì)結(jié)果計(jì)算受干擾的頻點(diǎn)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(qǐng)求或應(yīng)答數(shù)小于6次或接收請(qǐng)求或應(yīng)答的次數(shù)不滿足90%且干擾頻點(diǎn)中有當(dāng)前正在使用的頻點(diǎn)，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(shí)間的十位數(shù)模8加上2計(jì)算出新的頻點(diǎn)，根據(jù)新產(chǎn)生頻點(diǎn)計(jì)算跳頻跳時(shí)圖案并更新到相應(yīng)接口中，記錄當(dāng)前頻點(diǎn)，對(duì)發(fā)送接收請(qǐng)求應(yīng)答標(biāo)志和遠(yuǎn)端統(tǒng)計(jì)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(shí)間內(nèi)傳輸二進(jìn)制比特的個(gè)數(shù)，簡(jiǎn)稱比特率，單位為bit/s或bps，計(jì)為Rb。

碼元傳輸速率是信道上單位時(shí)間內(nèi)傳送的信號(hào)波形的個(gè)數(shù)，計(jì)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(gè)符號(hào)所包含的平均信息量，當(dāng)各個(gè)符號(hào)等概率出現(xiàn)的時(shí)候，取最大值log2M，M為碼元的進(jìn)制數(shù)。

在數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)不同距離、可變距離和抗干擾等通信保障問題會(huì)設(shè)計(jì)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(duì)這三種速率Link-16可以選擇性的配置，達(dá)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(yuǎn)，針對(duì)遠(yuǎn)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(jì)了一種在可變距離情況下基于嗅探消息機(jī)制的自適應(yīng)變速算法，并在實(shí)驗(yàn)室模擬變距情況下進(jìn)行了有線和無線測(cè)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(jī)后，變速線程啟動(dòng)，判別當(dāng)前模式和下發(fā)業(yè)務(wù)消息每秒統(tǒng)計(jì)，如果大于0則是嗅探ACK發(fā)送方，同時(shí)設(shè)置消息速率為 500kbps，否則是嗅探消息發(fā)送方，獲取500ms時(shí)隙中斷釋放的處理變速信號(hào)量，如果中斷信號(hào)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(shí)間接收到2Mbps統(tǒng)計(jì)大于0，計(jì)算（遠(yuǎn)端單位時(shí)間內(nèi)接收消息個(gè)數(shù)/單位時(shí)間內(nèi)收到的2Mbps應(yīng)答數(shù)）的比率，如果遠(yuǎn)端接收狀況達(dá)不到發(fā)送的 75%或單位時(shí)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(shí)間接收到2Mbps統(tǒng)計(jì)大于0，計(jì)算（遠(yuǎn)端單位時(shí)間內(nèi)接收消息個(gè)數(shù)/單位時(shí)間內(nèi)收到的2Mbps應(yīng)答數(shù)）的比率，如果遠(yuǎn)端接收狀況達(dá)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(rèn)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(shì)，針對(duì)靜態(tài)頻譜分配策略下的有限頻譜資源問題，設(shè)計(jì)了基于信道統(tǒng)計(jì)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(shí)現(xiàn)有限頻段干擾狀態(tài)下的自動(dòng)頻譜感知和切換策略，實(shí)現(xiàn)多速率模式模擬拉距環(huán)境下自動(dòng)速率變換策略，且通過某數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)多臺(tái)組網(wǎng)測(cè)試，達(dá)到無線環(huán)境干擾和變距情況下的高效、自動(dòng)、可靠通信保障。