胡漢武

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引 言

傳統(tǒng)的短波通信建鏈方法，需要人工選擇通信頻率，對操作人員要求高，同時選頻建鏈時間長，選頻效率較低，可靠性和穩(wěn)定性也相對較差。本文提出一種基于多元環(huán)境認(rèn)知的短波自適應(yīng)選頻建鏈方法，首先對時間信息、位置信息、電磁頻譜信息以及網(wǎng)絡(luò)參數(shù)信息等進(jìn)行多元環(huán)境認(rèn)知，然后通過量化后的環(huán)境參數(shù)索引信道模型案例庫，獲取上行建鏈目標(biāo)頻率和下行目標(biāo)建鏈頻率并進(jìn)行鏈路質(zhì)量驗證；若頻率驗證不成功，則進(jìn)入頻率探測，初始探測采用大窗口、大步進(jìn)，獲取目標(biāo)建鏈頻率；若初始探測不成功，則進(jìn)入精細(xì)探測，精細(xì)探測采用小窗口，窗口中心頻率為初始探測獲得的目標(biāo)建鏈頻率。并根據(jù)建鏈過程進(jìn)行信道模型案例庫修正、維護(hù)。

1 多元環(huán)境認(rèn)知技術(shù)

1.1 信道認(rèn)知技術(shù)

為了提高無線信道的可靠性和傳輸速率，認(rèn)知無線電技術(shù)通過對信道環(huán)境進(jìn)行認(rèn)知從而自適應(yīng)地調(diào)整發(fā)射端參數(shù)，使通信系統(tǒng)的性能接近最優(yōu)。對于信道的認(rèn)知通常包括信噪比（SNR）、多徑參數(shù)、信道響應(yīng)函數(shù)以及誤碼率信息等參數(shù)。其中，信噪比估計目前常用二階矩四階矩法。二階矩四階矩算法利用接收信號的二階矩以及四階矩特性進(jìn)行SNR估計，是一種盲信噪比估計算法。例如，設(shè)接收信號為：

假設(shè)信號和噪聲均為零均值相互獨(dú)立的隨機(jī)過程。則接收信號的二階矩和四階矩分別為：

其中，是信號功率；是噪聲功率；k和k分別是信號和噪聲的kurtosis系數(shù)，是隨著調(diào)制方式改變的常數(shù)，定義為：

因此可得信號功率和噪聲功率的估計值 和 為：

多徑參數(shù)一般包括最大多徑時延、多徑數(shù)量與強(qiáng)度參數(shù)。通常用到的時延估計方法有相位法、相關(guān)法、自適應(yīng)濾波器參數(shù)模型法等。多徑參數(shù)搜索可以通過導(dǎo)頻與接收信號進(jìn)行相關(guān)處理，從而得到多徑的峰值；再通過多徑選取從相關(guān)的結(jié)果中選出符號要求的多徑，進(jìn)而估計出包括多徑相位、多徑能量在內(nèi)的多徑信息，如圖1所示。

圖1 多徑搜索框圖

信道傳輸函數(shù)的估計可以通過強(qiáng)化學(xué)習(xí)對傳輸信道狀態(tài)進(jìn)行學(xué)習(xí)估計，算法的模型框架如圖2所示，輸入是經(jīng)過信道的同步序列，把一組橫向濾波器的權(quán)值系數(shù)作為環(huán)境狀態(tài)，估計參數(shù)集表示橫向濾波器系數(shù)的改變，獎賞是同步序列經(jīng)過橫向濾波器的輸出與同步序列的均方差。這樣的話估計參數(shù)集會直接影響到環(huán)境，通過強(qiáng)化學(xué)習(xí)來選擇估計集合，根據(jù)誤差作為回報來進(jìn)行調(diào)整橫向濾波器的權(quán)值系數(shù)，使得通過橫向濾波器的輸出的估計值逼近真實(shí)同步序列。對基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的信道估計方法進(jìn)行初步仿真。仿真參數(shù)設(shè)置如下：假設(shè)基帶調(diào)制方式為QPSK，信道設(shè)為6徑的瑞利衰落信道，功率時延分布（PDP）采用ITU-R模型中步行的參數(shù)，同步序列采用chu序列，長度設(shè)為64點(diǎn)。仿真結(jié)果如圖3所示，其中圖中的曲線表示經(jīng)過FFT變換得到的信道相應(yīng)。同時，將利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)估計出來的信道與利用傳統(tǒng)LMS算法估計出來的信道進(jìn)行對比，可以看出，基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的多維信道認(rèn)知方法估計出來的信道響應(yīng)要比傳統(tǒng)LMS信道估計方法估計得到的信道響應(yīng)更好的擬合真實(shí)的信道響應(yīng)。

圖2 基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的信道估計模型框架

圖3 信道響應(yīng)的估計結(jié)果

誤碼率信息同樣是信道的重要參數(shù)，根據(jù)準(zhǔn)確的BER分析結(jié)果可以精確調(diào)整傳輸參數(shù)來達(dá)到最佳性能。兩種常用的BER估計方法為利用統(tǒng)計量置信水平的誤碼率估計方法和利用解碼前后的數(shù)據(jù)估計偽BER法。利用統(tǒng)計量置信水平的方法通過利用循環(huán)冗余校驗（CRC）方式來確定一段時間內(nèi)發(fā)生的誤碼情況，再根據(jù)統(tǒng)計置信水平原理，只要驗證數(shù)字系統(tǒng)或器件的誤碼率指標(biāo)是否優(yōu)于某一規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，即可在測量精度和測試時間之間進(jìn)行折中處理，而且仍能保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確度。其中統(tǒng)計置信水平的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

圖4 TPC編碼偽BER估計示意圖

其中，P表示連續(xù)試驗時器件測量的誤碼率；為測試傳輸?shù)谋忍亻L度；為根據(jù)測量度和測量時間折中選取的統(tǒng)計置信水平。

利用解碼前后的數(shù)據(jù)估計偽BER法是通過無線通信中采用的信道編碼信息，將解碼前的系統(tǒng)碼字與解碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行異或得到，如圖4所示為TPC碼為例時的流程。不過，這種偽BER估計方法也有一定局限性，第一，必須是編碼增益較高的糾錯碼；第二，必須是系統(tǒng)編碼的糾錯碼。

1.2 網(wǎng)絡(luò)認(rèn)知技術(shù)

認(rèn)知自組織網(wǎng)因其自組織性和動態(tài)特性，使其網(wǎng)絡(luò)管理和維護(hù)變得非常復(fù)雜和不穩(wěn)定。為了后續(xù)的路由規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)管理等功能的實(shí)現(xiàn)，需要對網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔?、網(wǎng)絡(luò)流量信息、網(wǎng)絡(luò)時延信息、業(yè)務(wù)類型等信息進(jìn)行認(rèn)知，如圖5所示。

拓?fù)湫畔⒌恼J(rèn)知是認(rèn)知自組網(wǎng)技術(shù)的核心，是完成高效率的路由設(shè)計的基礎(chǔ)。目前拓?fù)湔J(rèn)知的研究主要分為兩種：基于信息反饋的拓?fù)湔J(rèn)知和基于Agent漫游的拓?fù)湔J(rèn)知?；谛畔⒎答伒耐?fù)湔J(rèn)知的主要過程包括節(jié)點(diǎn)對自身掌握的拓?fù)湫畔⒌姆庋b，發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)接受信息并返回拓?fù)湫畔⒎答佉约肮?jié)點(diǎn)接受反饋后對自身拓?fù)湫畔⒌母隆；贏gent漫游的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)通過一個或者多個Agent代理按照一定的策略在網(wǎng)絡(luò)中不斷游走，在網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點(diǎn)處收集信息，并對該節(jié)點(diǎn)的拓?fù)湫畔⑦M(jìn)行更新，從而不斷使自身攜帶的信息更新到全網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)，拓?fù)湫畔⒌玫饺W(wǎng)范圍的傳播，算法最終使網(wǎng)絡(luò)中的每一個節(jié)點(diǎn)都盡可能多的掌握了整個網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔?，從而使每個節(jié)點(diǎn)都找到自身在網(wǎng)絡(luò)中最合適的拓?fù)錉顟B(tài)。

圖5 認(rèn)知自組網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)認(rèn)知

網(wǎng)絡(luò)流量認(rèn)知一般是使用配置在信道上的無線網(wǎng)絡(luò)接口，通過對無線網(wǎng)絡(luò)信道中的流量進(jìn)行抽樣，來監(jiān)測一定時間內(nèi)信道上的流量。一般采用的抽樣監(jiān)測方法為：規(guī)則抽樣、簡單隨機(jī)抽樣和分層隨機(jī)抽樣。規(guī)則抽樣是通過一個事先確定的函數(shù)來決定抽樣的起點(diǎn)和抽樣間隔等關(guān)鍵參數(shù)。最簡單的規(guī)則抽樣就是1/規(guī)則抽樣，它是抽取每個數(shù)據(jù)包的第一個數(shù)據(jù)包。但由于網(wǎng)絡(luò)中流的多樣性以及持續(xù)時間長短不同的特性，利用規(guī)則抽樣得到統(tǒng)計結(jié)果不準(zhǔn)確。簡單隨機(jī)抽樣是根據(jù)預(yù)先定義的隨機(jī)過程來確定抽樣的起點(diǎn)和抽樣間隔。簡單隨機(jī)抽樣是從個報文總體中隨機(jī)選取個報文作為樣本。然而簡單隨機(jī)抽樣存在估計的網(wǎng)絡(luò)流量對小流的統(tǒng)計結(jié)果不準(zhǔn)確的問題。分層隨機(jī)抽樣的基本思想是使用總體中的一些邏輯信息（這里的邏輯信息可以是按時間分層，按包大小分層，按包類型分層）來增加測量精度。根據(jù)這些邏輯信息在抽樣前對總體報文進(jìn)行分組。分層抽樣過程分為2個處理步驟。第一步：將總體元素根據(jù)一些邏輯信息進(jìn)行智能分組。第二步：每個分組進(jìn)行簡單隨機(jī)抽樣。如圖6所示是這三種抽樣技術(shù)的對比示意圖。

圖6 三種流量抽樣技術(shù)示意圖

網(wǎng)絡(luò)時延認(rèn)知可以通過收集各個節(jié)點(diǎn)的一跳時延和一跳丟包率，每隔一定時間，網(wǎng)絡(luò)中的目的節(jié)點(diǎn)在已有路徑上發(fā)送探測包到源節(jié)點(diǎn)。探測包的內(nèi)容包括探測包被轉(zhuǎn)發(fā)的最新時間和相同探測包的發(fā)送個數(shù)。中繼節(jié)點(diǎn)在接到探測包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)時，提取包中的轉(zhuǎn)發(fā)最新時間和探測包的發(fā)送個數(shù)，利用當(dāng)前時間和上次轉(zhuǎn)發(fā)時間之差，獲得一跳時延。

業(yè)務(wù)認(rèn)知是認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)施服務(wù)質(zhì)量策略的基礎(chǔ)。業(yè)務(wù)認(rèn)知可以由業(yè)務(wù)流的特征、流標(biāo)記以及流統(tǒng)計閾值來獨(dú)立完成，也可以與業(yè)務(wù)管理服務(wù)器配合，從而保證系統(tǒng)具有強(qiáng)大的智能處理能力和業(yè)務(wù)靈活性。目前深度包檢測（DPI）是一種在移動互聯(lián)網(wǎng)中廣泛應(yīng)用的用戶業(yè)務(wù)類型認(rèn)知技術(shù)，通過深入讀取數(shù)據(jù)包載荷內(nèi)容進(jìn)行模式匹配分析，從而識別出用戶的業(yè)務(wù)信息。DPI解析組件主要包括業(yè)務(wù)特征庫和DPI引擎。新接收到的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流經(jīng)過DPI引擎模塊時，通過對其進(jìn)行業(yè)務(wù)的特征匹配處理，當(dāng)能匹配上業(yè)務(wù)特征庫里的某業(yè)務(wù)時，則輸出識別結(jié)果。DPI工作原理如圖7所示。

圖7 DPI工作原理示意圖

2 信道模型案例庫索引

基于獲得的信道參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，再依據(jù)北斗衛(wèi)星獲得的通信節(jié)點(diǎn)的位置信息、時間信息以及短波信道建鏈歷史成功率等參數(shù)建立短波信道模型案例庫，信道模型案例庫中各種參數(shù)進(jìn)行量化處理，提供多種關(guān)鍵字索引，索引結(jié)果為目標(biāo)建鏈頻率、鏈路質(zhì)量和可信度等數(shù)據(jù)。通過北斗授時同步設(shè)備獲取時間信息、位置信息，寬帶接收機(jī)進(jìn)行實(shí)時頻譜檢測獲取實(shí)時電磁頻譜信息，以及接收網(wǎng)管設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃參數(shù)信息，進(jìn)行多維環(huán)境認(rèn)知，將認(rèn)知參數(shù)量化處理后在信道模型案例庫中索引最佳的上、下行目標(biāo)建鏈頻率；對目標(biāo)建鏈頻率進(jìn)行頻率驗證，其過程如圖8所示。

環(huán)境認(rèn)知參數(shù)量化處理，時間信息以年為周期，最小顆粒度為30分鐘；位置信息將進(jìn)行網(wǎng)格化編號，如主站電臺A01網(wǎng)格信息為123，從站點(diǎn)A02網(wǎng)格信息為815；本地電磁頻譜將2～30 MHz范圍內(nèi)1 458個頻率根據(jù)干擾高低分別置0或1；根據(jù)通信速率將信道質(zhì)量閥值量化為1～15，如通信速率4.8 kbps對應(yīng)的信道質(zhì)量閥值為8。

將量化處理后的環(huán)境認(rèn)知參數(shù)輸入信道模型案例庫進(jìn)行索引，信道模型案例圖構(gòu)造圖如圖9所示。信道模型案例庫索引時，優(yōu)選鏈路質(zhì)量最好的頻率，其次選擇可信度高的頻率。例如獲取最佳上行目標(biāo)頻率為14.5 MHz，鏈路質(zhì)量為9，可行度85%；下行目標(biāo)頻率為15.1 MHz，鏈路質(zhì)量為12，可行度81%。

3 雙向頻率探測

初始探測階段規(guī)定探測的起始頻率、結(jié)束頻率以及探測步進(jìn)，由主站電臺從起始頻率開始，按照探測步進(jìn)，逐個頻率發(fā)起探測；主站電臺循環(huán)探測兩遍，第一遍用于從站電臺搜索到探測開始信令，第二遍用于從站電臺獲取所有探測頻率的鏈路質(zhì)量。

圖8 信道模型案例庫建立流程

圖9 信道模型案例庫構(gòu)造圖

從站電臺初始狀態(tài)為探測搜索狀態(tài)，探測搜索采用寬帶接收機(jī)的寬帶模式接收，接收帶寬從探測的起始頻率至結(jié)束頻率；搜索到探測開始信令后，從站點(diǎn)寬帶接收機(jī)采用窄帶模式接收，隨著主站電臺發(fā)送探測頻率順序，改變頻率接收所有頻率的信令，記錄鏈路質(zhì)量。從站點(diǎn)選出鏈路質(zhì)量最好的頻率，如果鏈路質(zhì)量大于或等于預(yù)設(shè)的鏈路質(zhì)量閾值，則獲得下行目標(biāo)建鏈頻率。寬帶接收機(jī)窄帶模式接收性能比寬帶模式好。

主站電臺探測結(jié)束后，由從站電臺從起始頻率開始，按照探測步進(jìn)，逐個頻率發(fā)起探測，再發(fā)送一遍探測，主站臺寬帶接收機(jī)采用窄帶模式按照探測頻率順序，改變頻率接收所有頻率，記錄鏈路質(zhì)量。從站電臺在發(fā)送的探測信號中攜帶了下行探測結(jié)果。主站電臺選出鏈路質(zhì)量最好的頻率，如果鏈路質(zhì)量大于或等于質(zhì)量閾值，則獲得上行目標(biāo)建鏈頻率。

如果上、下行目標(biāo)建鏈頻率均已獲得，則選頻建立成功，并對信道模型案例庫進(jìn)行修正；否則進(jìn)入精細(xì)探測階段。精細(xì)探測的過程與初始探測類似。初始探測采用大步進(jìn)探測方法，快速獲得電離層短波通信窗口；精細(xì)探測采用小窗口，窗口中心頻率為初始探測獲得的目標(biāo)建鏈頻率，以獲得窗口內(nèi)最佳的頻率點(diǎn)。雙向頻率探測流程如圖10所示。

圖10 雙向頻率探測流程

4 結(jié) 論

頻率驗證以及探測過程均采用了低接收門限的信令信道，信令信道使用了擴(kuò)頻、分集，咬尾卷積碼以及Rake接收等技術(shù)，使得最低接收信號強(qiáng)度到-12 dB，保證了網(wǎng)絡(luò)認(rèn)知過程以及信令傳輸?shù)母呖煽恳约斑h(yuǎn)距離覆蓋。頻率雙向探測采用了寬帶多路接收機(jī)，寬帶多路接收采用多速率變頻處理技術(shù)和多相濾波技術(shù)，同一時刻可以處理上千路的接收射頻，以保證頻譜認(rèn)知和選頻過程更加實(shí)時，網(wǎng)絡(luò)收斂更加迅速。突破外部環(huán)境認(rèn)知技術(shù)和智能學(xué)習(xí)決策技術(shù)，使戰(zhàn)術(shù)電臺具備學(xué)習(xí)和推理能力，能夠認(rèn)知干擾、頻譜等環(huán)境變化，生成與環(huán)境相適應(yīng)的頻率、速率等工作參數(shù)實(shí)現(xiàn)智能選頻，規(guī)避干擾和不利頻譜，提升短波電臺的穩(wěn)定通、可靠通能力。