基于認知無線電的艦艇短波頻譜管理研究*

劉光發 孫劍平

(海軍大連艦艇學院研究生2隊1) 大連 116018)(海軍大連艦艇學院作戰指揮系2) 大連 116018)

1 引言

有史以來的戰爭都表明,通信是決定戰爭勝負的重要因素,對現代高技術條件下的信息化海戰來說,通信尤為重要。海軍短波通信廣泛應用于岸基各級指揮所與海上艦艇編隊指揮所之間的岸-海信息傳遞,在海上作戰中發揮著不可替代的作用。由于短波通信具有通信距離遠、組網機動靈活和生命力強等特點,在現代海戰場起著其他通信手段(如衛星通信、長波通信等)不可替代的作用,因此世界各國都在積極發展短波通信技術,力爭利用好這段寶貴的頻譜資源,最大限度地發揮其效能。

人們在研究和應用中發現,頻率的選用問題在艦艇短波通信組織中占重要位置,依然制約著艦艇短波通信的發展。由于電離層信道是典型的色散衰落信道,其快速變化運動和多徑傳播導致信號的時域展寬、頻域彌散和衰落現象。衰落引起信號的非線性畸變和電平銳減,造成判決過程中出現的突發錯誤;頻域彌散往往表現為相位起伏,導致數據信號的錯誤接收,嚴重影響短波通信鏈路的質量。尤其是在海戰場高速率數據傳輸和大區組網通信情況下,短波通信對信道質量要求更為苛刻。

海戰場電磁環境復雜,輻射源數量多、密度高,大量軍用、民用電子設備的電磁信號交織作用在同一個作戰區域,加上輻射源信號經海浪、固定或移動物體反射形成的大量反射信號,構成了交叉重疊的電磁輻射態勢。在一定的空域、時域和頻域上,電磁信號縱橫交叉、連續交錯、密集重疊,功率分布起伏變化,對短波通信有重大影響。與此同時,占用了整個頻譜資源的很大一部分的授權頻段卻利用率低下,美國聯邦通信委員會(FCC)的研究表明,在大部分時間和地區,授權頻段的平均利用率在15%～85%之間。靜態的頻譜分配原則很大程度上制約了短波通信的使用和發展。認知無線電是近年新興的智能無線電通信技術,它的提出為解決艦艇短波通信的選頻問題提供了理論依據和技術支持。

2 認知無線電

目前的頻譜分配制度為固定頻譜分配,將頻譜分為授權頻段(LFB)和非授權頻段(UFB)2個部分。隨著無線通信業務需求的快速增長,可用頻譜資源變得越來越稀缺。短波通信業務所工作的非授權頻段已趨于飽和。另一方面,授權頻段的利用率卻非常低。由此可見,現在基于固定頻譜分配的資源利用率是很低的。為了解決上述問題,基本思路就是改變舊的頻譜分配方式,于是認知無線電應運而生。

2.1 認知無線電的起源和概念

1999年,軟件無線電奠基人、瑞典皇家理工學院J.Mito la博士在軟件無線電(SR,Software Radio)的基礎上提出了認知無線電(CR,Cognitive Radio)的概念。J.Mitola在其博士論文和隨后的一系列論述中,對CR進行了較為系統的闡述。他對認知無線電的認知強調其學習和推理能力,認為認知無線電能通過學習,不斷感知無線環境的變化,并通過自適應地調整自身內部的通信機理來適應無線環境的變化。相比Mito la的說法,FCC認為認知無線電技術是能使認知無線電網絡以一種動態方式使用頻譜的關鍵技術。FCC在2003年12月發布的通告對認知無線電做出了以下定義:認知無線電是一種能根據與它的操作環境進行交互而改變傳輸參數的無線電。從這個定義可以得到認知無線電的兩個主要特點:認知能力和重新配置能力。

綜上所述,筆者認為,認知無線電是在軟件無線電基礎上發展起來的一種新的智能無線通信技術,是軟件無線電的擴展,它可以感知到無線電傳輸的環境特征,通過無線電知識表述語言與通信網絡進行智能交流,對無線環境的分析、理解和判斷,自適應地調整系統的通信參數,在不影響授權用戶通信的前提下,智能的利用空閑的頻譜為認知用戶提供隨時隨地、高可能性的接入以提高頻譜利用率。

可以概括出認知無線電的基本任務是:無線電環境分析;信道估計和信道預測建模;傳輸功率控制和動態頻譜資源管理。由此可以得出其特點是:對環境的感知能力、對環境變化的學習能力、對環境變化的自適應性、通信質量的高可靠性、對頻譜資源的充分利用、系統功能模塊的可重構性。

2.2 認知無線電的研究現狀

隨著認知無線電的發展,世界各國的頻譜管制部門、標準化組織、研究機構和行業聯盟紛紛開展相關的研究。CR技術對現有的無線頻譜固定分配制度提出了挑戰,對此,一些頻譜管制部門(如FCC等)給予了積極支持。2002年12月,FCC指出非授權頻段設備應具備能夠識別未占用頻段的能力;2003年11月,FCC提出了新的量化和管理干擾的指標值—干擾溫度的概念;2003年12月,FCC公布了《使用認知無線電技術促進頻譜利用的通知》;2004年5月,FCC建議認知無線電可在TV廣播頻段內操作。2005年10月,正式批準了關于引入認知無線電技術、使用認知無線電設備的法規。在頻譜管制部門的帶動下,一些標準化組織開始研究認知無線電技術,并先后制定了一系列標準以推動該技術的發展。IEEE于2004年11月正式成立IEEE802.22工作組,這是第1個世界范圍的基于認知無線電技術的空中接口標準化組織。

國外一些研究機構和大學也較早投入了認知無線電的研究,并發表一些專著和研究成果,對認知無線電的發展起到了重要的作用。其中具有代表性也是影響最大的是美國國防部高等研究計劃署(DARPA)的下一代通信計劃(XG,neX t Generation Program),于2003年成立XG工作組,著眼于開發認知無線電的實際標準和動態頻譜管理標準。XG網絡也叫動態頻譜接入網絡和認知無線電網絡,能夠使多個用戶通過自適應機制共享頻譜,通過各種不同的無線架構和動態頻譜接入技術給移動用戶提供高的帶寬。目前,XG工作完成了對XG網絡架構的描述,對XG網絡的一些功能,如頻譜感知、頻譜管理、頻譜共享進行了詳細的討論,并對其他的問題,如上述功能對上層協議的影響進行了框架性的研究。

3 海戰場艦艇短波頻譜管理

頻譜管理是指軍隊領導機關和電磁頻譜管理機構制定電磁頻譜管理政策、規定,劃分、規劃、分配、指配頻率和航天器軌道資源,以及對電磁頻譜和軌道資源使用情況進行監督、檢查和協調處理等活動統稱。海戰場艦艇短波頻譜管理得主要任務是:統一劃分和指配頻率,監督和管理短波通信設備設置和使用;監測戰場電磁環境,維護無線電設備工作秩序;實施戰場無線電管制,協調各部門的業務關系,消除己方相互干擾等。目的是對區域戰場電磁頻譜的使用實施統一的規劃和控制,滿足作戰時的電磁頻譜使用要求,提供可使用的最佳電磁頻譜,提高頻譜利用率。

在海軍現行的短波通信組織中,海戰場上各艦艇短波通信工作頻率的選擇和指配主要依靠人工的方式進行,依據專業人員的經驗或國家、軍隊所發布的“長期預報”選定工作頻率集,以“文件”形式下發至各通信要素共同執行。在執行作戰任務時,各通信節點處的短波電臺使用人員根據“文件”規定的工作頻率,將短波電臺工作頻率置于事先規定的工作頻率上,當短波電臺受到外界干擾導致通信效果下降時,短波電臺使用人員從“文件”中人工地選擇備用頻率進行通信。由于在作戰行動過程中,短波通信的可通頻段是隨電離層的變化而實時變化的;同時海戰場的電磁環境復雜,加之人為的電磁干擾,因此海戰場的短波通信常常會因為自然或人為等因素而阻斷。由此可見,人工頻率指配方式是無法保證其指配頻率的最佳性和實時可通性,無法確保岸上指揮所與海上編隊之間遠程移動通信的實時暢通。目前海軍艦艇短波頻譜管理中用頻決策人工環節多、自動化程度低、準確性差,迫切需要一種新型的、智能的頻譜管理方法解決這個問題。認知無線電技術的提出,為我海軍解決實時頻譜管理提供了理論依據和技術支持。

3.1 動態頻譜接入技術分類

而隨著無線通信業務需求的快速增長,無線頻譜資源顯得日益缺乏?？捎妙l譜資源稀缺及頻譜利用效率低等問題使得一種全新的、優化使用頻譜資源的短波通信模式變得十分必要。因此,基于認知無線電的動態頻譜接入(Dynamic Spectrum Access,DSA)技術應運而生。根據IEEE 1900.1草案標準的定義,DSA是一種可以在一定頻譜使用權限范圍內動態地選擇工作頻譜,并利用在一定時域、空域和頻域上出現的頻譜空洞或白區進行通信的無線電技術。DSA是一個廣義的概念,主要可以分為動態排他使用、開放共享和分層接入三類。

動態排他使用類仍沿用了目前靜態頻譜分配政策的基本結構,其主要思想是引入靈活性以提高頻譜利用效率。目前該模型主要包含兩種技術:頻譜產權(Spectrum Property Rights)和動態頻譜分配(Dynam ic Spectrum A llocation)。認為頻譜產權可由時間、地域和頻段這三個參數確定。特別地,頻譜產權可解釋為在指定頻段上傳輸信號的權利,前提條件是在指定的時間段內以及指定的地域范圍內使用頻譜,并且信號功率不超過指定強度。動態頻譜分配最早是由歐洲DRiVE項目提出來的,主要應用在商業領域,如第三代移動通信(UM TS)和數字視頻廣播(DVB-T)。

開放共享類又稱為頻譜公用(Spectrum Commons)。這個類型向所有用戶開放頻譜使其共享,如工業、科學和醫用(ISM)頻段的開放共享方式?；诨A設施的集中式頻譜共享和分布式頻譜共享是應用于該類型的兩類主要頻譜共享技術。在集中式這類解決方案中,集中控制單元控制頻譜分配和接入過程。網絡中的每個分布式節點都把自己感知到的頻譜信息匯聚到集中控制單元,由控制單元繪制出頻譜分配映射圖。而分布式解決方案主要用于不能構建集中式基礎設施的場合。在這種情況下,每個分布式節點都參與頻譜分配和競爭的過程。同時,頻譜接入是由節點自身的策略決定的。

分層接入類可看作是動態排他使用和開放共享二者的結合。其基本思想是在次要用戶(Secondary User)不對授權用戶產生任何有害干擾的前提下,向次要用戶開放已授權的頻段,從而實現授權用戶和次要用戶對頻譜的共享。

3.2 動態頻譜管理框架

基于現代短波通信技術的發展趨勢以及艦艇用頻需求和現狀,作者進行了相應的研究,根據最新的認知無線電技術提出如下艦艇短波頻譜管理系統的框架,如圖1所示。

新的頻譜管理系統是基于認知無線電技術,集頻譜感知、頻譜分析和頻譜決策、頻譜共享等功能的綜合管理系統。四個環節共同實現頻譜信息的閉環處理,其中建立全方位、大縱深、立體化的頻譜感知網絡是實施戰場頻譜管理的基礎;構建分布式、智能化頻譜信息處理決策網絡是核心;實現頻譜的動態分配和頻譜信息注入等管理控制是關鍵;最后實現為海戰場各類無線電通信系統(尤其是短波通信)、定位系統、雷達系統、遙測系統、導航系統、多譜傳感器系統、定向能量武器系統等提供有效頻譜接入和全域頻譜信息支撐的管理目標。在閉環處理過程中,可接收外部狀態激勵輸入信息、需求輸入信息,并可對外輸出共享頻譜管理決策信息。

3.3 動態頻譜管理流程

我們借鑒了認知無線電的思路提出一種動態的短波頻率選擇技術。在艦艇短波通信過程中通過實時檢測、頻率資源共享和動態分配來實現對最佳的或者可靠的工作頻率的自動選擇與實時控制,大致可由三個環節來實現對工作頻率的自動選擇及實時控制:

3.3.1 頻率預選擇

雖然通過以前各種方法得出的短波通信頻率不一定能很好地實現可靠通信,但是不符合電離層傳播規律和長期統計規律的頻率肯定是不可用的。也就是說,只有符合短波傳輸特性和傳播規律的頻譜資源才值得密切關注。因此,短波頻譜管理的首要任務就是充分利用各種渠道,根據長期統計預報的經驗數據和大量試驗數據積累的可用頻率數據資源,按照短波傳播特性和規律建立科學預報模型,根據艦艇短波通信要求產生預選擇頻率集,剔除不可能實現通信的頻率的無用頻率,減少頻譜探測的盲目性,提高頻譜管理的效率。我們稱這個過程為頻率預選擇。

3.3.2 實時頻譜監測和機會尋求

短波(尤指天波)的傳播特性極為不穩定,隨機性中有著不容忽視的規律,那就是電離層的反射定理。但是僅按照這一規律是不完善的,應當考慮到電離層隨機變化和電磁環境干擾。實時頻譜監測就是在頻率預選擇的基礎上積累的可通頻率點(段)上進行跟蹤檢測和信號估值,根據干擾分布和占用情況不斷獲取頻譜空隙和當前狀態下的最佳通信頻率數據;并將監測頻率按照可接受的門限篩選和排序,以提供頻譜接入機會信息。目前我海軍已建立了chirp短波探測系統,該系統可以完成認知無線電所要求的頻譜感知功能。

Chirp探測的含義,一是指探測信號采用的是頻率掃描信號,另外當探測接收機收到探測信號時,在耳機內將聽到啁啾聲,故稱之為“啁啾探測”。Chirp探測信號分為頻率線性掃描信號和頻率對數掃描信號,典型的Chirp探測信號是頻率線性掃描信號。探測信號從發射機到接收機所產生的時延τp使得該信號到達接收機的時刻滯后于接收機的調諧頻率點,因此接收機收到探測信號和機內參考信號存在一個頻率差。當在掃描的頻段內是固定時,頻率差 Δf0為一固定值。Δf0與 τp關系如圖2。

因此,只要收發都保證線性掃頻,接收機輸出基帶信號的頻率 Δf0就可以直接用來反映信號在信道中傳輸的時延。這就是Chirp探測測量信道的根據。

在Chirp探測系統中,信道的衰耗頻率特性,是用接收信號的強度隨頻率的變化來表示的。為了精確的測量信道的時延,在接收機內設有調整能力很強的AGC電路,自動地調整頻率的幅度,使送入頻譜分析儀的信號具有固定的振幅電平。由于AGC電路提供的控制電壓的大小與接收到的信號電平成正比,所以電壓隨頻率的變化曲線,實際上反映了接收到信號強度隨頻率的變化,反映了信道的衰耗頻率特性。該曲線顯示在Chirp接收機顯示屏幕的上方,圖稱為“Chirp探測電離圖”。

Chirp探測電離圖可以直觀地反應目前一段時間內短波信道的物理特性,為動態頻譜管理提供依據。根據電離圖的直觀體現,我們可以將頻譜分類:1)黑色區域,常被高能量的局部干擾占用;2)灰色區域,在部分時間被低能量干擾占用;3)白色區域,只有環境噪聲而幾乎沒有射頻干擾占用。這樣為動態頻譜管理提供數據支持和準備。

3.3.3 工作頻率動態調整

即整個通信網絡內的頻率自適應分配。將頻譜監測得來的選頻數據結果及時分發到通信系統模塊進行更新,按照一定的標準和協議實現頻率的動態調整,從而實現高效的通信。

根據認知無線電的頻譜共享技術,可以將目前頻譜中的白色區域和灰色區域按3.1節所敘述的動態頻譜接入技術進行重新分配,以保障海戰場我海軍艦艇的短波通信。一旦授權用戶要再次通信,利用認知無線電的鏈路保持技術必須要在最短的時間內騰出正在使用的頻率,并且還要保證自己的通信不被中斷,重新進行短波通信頻譜選擇。

4 結語

短波通信技術發展到今天,其抗干擾、抗截獲、抗摧毀性能和綜合業務傳輸能力都已提高到了一個新的水平,在軍事通信中也得到了越來越廣泛的應用和發展,但頻譜管理問題仍然是限制其發展的一個技術難題,尤其是海戰場數字化組網通信的選頻問題,將直接關系到作戰系統整體效能的發揮。因此如何實現動態地選用通信頻率,是當前艦艇短波通信發展亟待解決的一個重要問題。

文章涉及的是短波頻譜信道綜合利用的新模式。結合認知無線電的思想,對海戰場艦艇短波通信的頻譜管理問題做了一些有益的探索,立足點是綜合利用現有選頻優勢思想和技術以適應現代短波通信數字化、網絡化對短波信道技術的新要求,提高頻利用率?；谡J知無線電技術提出的動態頻譜管理就有其現實意義和實現價值?？梢灶A見,新體制和新技術的快速發展必將推動艦艇短波動態頻譜管理難題的解決。

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