基于認知無線電的新一代短波ALE系統*

周 陬 陶 偉

(廣州海格通信集團股份有限公司1) 廣州 510656)(華南理工大學電子與信息學院2) 廣州 510640)

1 引言

短波通信又稱高頻(HF)通信。由于技術成熟,制造簡單,價格便宜,短波通信在國民經濟中得到了廣泛應用[1]。同時,由于電離層的“抗毀性”,短波始終是軍事指揮通信的重要手段之一。但短波也存在明顯的缺點,如可用頻段窄,容量小;天波信道時變性強,傳輸穩定性差;天電干擾嚴重,可靠性易受干擾影響等。為了改善現狀,研究人員開發了短波自適應通信技術,又稱自動鏈路建立(ALE:Automatic Link Establishment)技術,到目前已經發展到第三代ALE(3G ALE)。但隨著設備使用越來越多,短波頻段越來越擁擠,即便是具備ALE能力的電臺,其可用性也不可避免受到較大影響。

隨著技術的進步,認知無線電技術的誕生對傳統的頻譜分配模式產生了革命性的影響,同時也給短波通信帶來了新的機遇,本文分析了短波ALE通信的現狀及挑戰,提出了基于認知無線電的新一代短波ALE系統的設想。

2 2G與3G ALE系統

自適應是系統為適應環境不穩定而被賦予的一種調整自身參數的能力。由于電離層的不均勻性和時變特性,使得頻率選擇對于短波通信非常重要,而人工選頻不僅時效性低,且難以做到非常準確。短波自適應技術有效地解決了這一問題。其核心是鏈路質量分析(LQA)技術,它能探測并估算信道的信噪比,多徑擴展、多普勒擴展等參數。在此基礎上,短波自適應通信系統已經實現了自動鏈路建立(ALE)的功能,ALE已成為現代短波電臺必備的功能。

上世紀80年代初,國際各大短波通信廠商自行開發了多種互不兼容的短波自動建鏈設備,多數基于異步掃描,統稱為第一代ALE。80年代中期,美軍在這些系統基礎上組織制定了MIL-STD-188-141A[2]標準,這就是直到今天仍在使用的2G ALE體制。

2G ALE采用8FSK作為調制方式,其建鏈過程包括在主呼方選定的業務信道上進行的三次握手:每次呼叫都需要在當前呼叫信道上駐留足夠的時間,以保證掃描接收方能收到呼叫并停止掃描,收到呼叫后,被呼方將發出一個回復,表明呼叫信號被正確接收,主呼方則送一個應答信號來結束握手。

2G-ALE標準規定由主呼方依據一定的規則確定信道,不同系統采用的信道選擇機制不盡相同,但通常都是根據信道參數進行評分和排序,可以是基于電離層傳播模型的預測或監測數據,也可以利用單向或雙向的鏈路質量分析,對信道的評分和排序進行更新。

到90年代中期,2G-ALE的不足開始逐漸凸顯,例如建鏈時間偏長、與調制解調器的兼容性不夠好等,于是開始了2G-ALE的改進工作,并由此產生了3G ALE標準體制,也就是美軍標MILSTD-188-141B[3]和北約標準化協議 STANG-4538[4]中規定的內容,目前支持3G ALE的短波電臺已經在世界范圍內廣泛應用。3G ALE的快速建鏈協議是一個同步系統,其網絡中的所有節點均按照固定的時間節拍對一個預設的頻率/信道集進行掃描,掃描時,接收機將會在每個信道上駐留一定時間。3G-ALE采用雙向呼叫/應答的握手方式,基于高魯棒性的串行突發8PSK波形。

表1給出了2G和3G ALE在部分重要技術指標上的對比。

表1 2G和3G ALE重要技術指標對比

根據目前的現狀來看,當前短波通信面臨的主要挑戰包括:1)短波傳播模型及其時變特征預測技術的局限性;2)傳統信道分配模式對于整體帶寬利用率的局限性;3)短波ALE系統在實際應用中的不足;4)以互聯網為代表的新的組織應用模式如何與短波通信相結合。面對這些挑戰,認知無線電技術對于短波通信顯然具有極大的吸引力。

3 認知無線電及動態頻譜接入

認知無線電是一個能對各種外部影響和變化趨勢產生響應的技術的集合。過去20年通信行業的大增長創造了一系列無限擴展的產品和應用,各種新應用對通信的帶寬和質量提出了日益迫切的需求,也對傳統的頻譜分配模式產生了巨大的壓力。同時,通信業務、服務、應用的多樣性、集約化的產品發展趨勢對用戶也造成了更多的認知和識別的工作量,可見市場對通信設備的靈活性、自適應能力和智能性提出了更迫切的要求。

因此,滿足上述市場需求則成為認知無線電技術研究的目標。認知系統在信息感知的基礎上增加了更多的自適應元素,例如具備并維持一個具有狀態和記憶效應的環境模型,一定程度的學習能力和自治能力[5]等,嘗試通過智能技術手段和自適應技術的組合實現稀缺、多變的頻率資源向高效率、持續可靠的通信資源的轉變,如圖1所示。

短波電臺的ALE有時會作為認知無線電能力的的早期范例[5],它通常利用了感知、探測和監測等技術以實現對信道占用狀態和質量的評估,選擇合適的頻率建鏈。這一功能已經成為對短波電臺自適應能力的標準表述;隨著技術的進步也出現了一些ALE擴展技術,例如通過電離層傳播過程的建模和預測、通過采用實時探測來調整對傳播模型的估計、或者通過部分信道特征實現對其他信道特征的智能推理等,這些擴展技術也常常被有爭議地劃入認知領域的范疇。在個人移動通信系統中廣泛應用的一些策略如功率控制等技術也沿著這一演進路線逐步出現。與此同時,在經濟杠桿的強大推動力下,認知技術主流發展方向則集中于動態頻譜接入(DSA:Dynamic Spectrum Access)領域。原因在于頻譜競爭形勢已經出現并將不斷惡化。

DSA技術基于以下推理:美國聯邦通信委員會(FCC)的調查顯示目前已分配頻段的實際利用率出人意料地低下[6],因為傳統的頻譜分配方法造成了不必要的浪費,因此,利用更多的智能技術來自動判斷、選擇并運用信道,以提高頻譜資源的利用率,提升通信容量是有可能的。

圖1 認知無線電概念示意圖

對DSA技術的前一階段研究已經確立了原有/授權用戶和認知用戶的概念。傳統上使用頻率共享過程如下:認知用戶在使用特定頻率前要檢測該頻率上是否存在原有/授權用戶正在進行的傳輸信號。DSA則通過對信道的自動化監測、選擇和使用擴充了這一概念,在典型的DSA系統中,認知用戶的監測節點收集正在通信的信道或頻段信息,用于尋找“白空”[7](亦稱為“頻譜空洞”)。

頻譜空洞本質上可以理解為一個在時間、頻率、空間域上多維有界的區域。認知用戶可以在時間、頻率、空間上,以分集的形式實現與原有/授權用戶的相互隔離,避免干擾。DSA技術企圖在一定的頻譜范圍內增加容量,空間分集是其中的關鍵。若能保證原有/授權用戶和認知用戶間有足夠的距離,即可將認知用戶對原有/授權用戶的潛在干擾控制在可接受的范圍內。這一原理可以形象地理解為:一個裝滿石塊的瓶子仍然有足夠的空間可用于裝填沙子。同樣的,空間分集的目標也就是試圖通過對頻率的復用來增加系統容量。

在實際應用中,要想獲得額外的容量,認知網絡的設計必須避免對原有/授權網絡的干擾并且其探測必須充分可靠。這一要求能否實現及其系統參數范圍的確定,需要復雜的設計方法,其中最具挑戰性的是對認知用戶和授權用戶之間各種路徑損耗的估計。一般而言,路徑損耗一定程度上隨傳播距離的增加而遞增,然而這一結論對于短波通信幾乎無效。因為對于除海平面之外的地波通信,不同的地形將極大地影響其路徑損耗。對于天波問題則更嚴重,其信號覆蓋區域常常是非連續的。基于這一原因,DSA在短波上的應用前景并不樂觀。

根據上述討論,顯然不能將DSA技術中蘊含的認知無線電思想簡單移植到短波系統,但是認知無線電思想不可避免會給短波通信帶來新的機遇:1)軟件無線電技術。該技術為短波通信系統的性能優化和指標提升帶來了一系列的新的機遇;2)將電臺作為一種可重構的信號處理平臺的設計思想,可以通過增加學習推理模塊和嵌入先驗知識庫的方法實現智能通信;3)增加電臺的智能性可以極大改善系統性能,不僅是降低電臺操作復雜性的需要,也可以結合智能學習功能極大地改善系統的可靠通性能。

4 新一代ALE系統

基于前面的討論,本文認為新一代ALE系統應該重點改善短波通信的可用性,給用戶提供更好的整體性能。具體可從以下四個方面入手:頻率管理、信道選擇、鏈路建立和鏈路維護。

頻率管理和信道選擇技術應該提供更高傳輸質量和更高通信容量的信道,這也是與頻率資源的有效利用能力密不可分的。

鏈路建立機制的改進方向應該是減少建鏈時間,從而將更多的時間用于數據傳輸,增加可提供給用戶的系統容量,同時還應更有效地提升沖突避免能力,以便支持大載荷的網絡傳輸業務。

鏈路維護機制的改進應能提供簡單而有效的快速改變信道的方法,以避免當前信道質量突然惡化。

在新一代ALE系統中,頻率管理負責在網絡部署時分配各電臺可以使用的信道資源,其頻率規劃是根據網絡拓撲結構確定的各節點聯接關系來制定的。ALE的部署完成后,還要進行信道選擇。主呼方需要確定雙方之間通信效果最好的信道。目前大多數ALE系統實現時均采用針對信道和目標節點的評價機制來確定。一旦選定了信道,就可以開始呼叫、建鏈過程。在通信過程中鏈路的質量可以重新評估,并可以及時拆鏈,選用通信質量更好的信道重新建鏈。

表2列出了可能入選新一代ALE體制的技術設想,并給出了其優劣分析。

表2 新一代A LE系統可能的關鍵技術突破方向

續表2

5 結語

本文給出了2G和3G ALE的概述,探討了認知無線電和DSA技術應用于短波通信的可行性,提出了以進一步改善短波系統可用性為整體目標的新一代ALE系統設想,并指出了新一代ALE可能的關鍵技術和發展方向。

[1]張爾揚,王瑩,路軍.短波通信技術[M].北京:國防工業出版社,2002:3

[2]MIL-STD-188-141A:Interoperability and Performance Standards for Medium and High Frequency Radio Systems

[3]M IL-STD-188-141B:Interoperability and Performance Standards for Medium and High Frequency Radio Systems[S]

[4]STANAG 4538.Technical Standards for an Automatic Radio Control System(ARCS)for HF Communication Links[S].Edition 1,North Atlantic Treaty Organization,2000

[5]Polson.Cognitive Radio:The Technologies Required[M].B.Fette(ed.),Cognitive Radio Technology,Burlington,M A:Elsevier,Inc.,2006

[6]M.McHenry.NSF Spectrum Occupancy Measurements Project Summary[M].Shared Spectrum Company,Aug.2005

[7]張雯.認知無線電中頻譜檢測的空域研究[D].西安:西安電子科技大學,2007