基于認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的多頻段跳頻通信系統(tǒng)?

顧慶峰，楊仕平

基于認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的多頻段跳頻通信系統(tǒng)?

顧慶峰1，楊仕平2

（1.海軍駐廣州地區(qū)通信軍事代表室，廣州510663；2.廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣州510663）

為充分利用認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電對(duì)環(huán)境頻譜的感知能力，設(shè)計(jì)了一種基于認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的多頻段跳頻抗干擾通信系統(tǒng)，通過(guò)感知單元?jiǎng)討B(tài)控制跳頻序列生成，實(shí)現(xiàn)了干擾頻點(diǎn)的避讓。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，采用低頻段可靠傳輸高頻段的頻譜感知信息，高頻段則主要用于具體業(yè)務(wù)傳輸，利用不同頻段實(shí)現(xiàn)了頻譜控制與應(yīng)用業(yè)務(wù)的分離。

認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電；跳頻通信；抗干擾；多頻段；頻譜感知

1 引言

從抗干擾通信角度來(lái)看，跳頻通信是靠載頻的隨機(jī)跳變來(lái)躲避敵方惡意干擾，將干擾排斥在接收信道以外來(lái)達(dá)到抗干擾的目的，避免敵方電臺(tái)的測(cè)向和干擾。跳頻通信技術(shù)在抗干擾通信方面的突出優(yōu)勢(shì)，使其在通信裝備中得以廣泛應(yīng)用，并且成為超短波通信裝備的主要抗干擾技術(shù)。但是，跳頻電臺(tái)中的頻點(diǎn)一般在遂行任務(wù)之前通過(guò)參數(shù)加注的方式靜態(tài)規(guī)劃好，而在任務(wù)實(shí)際執(zhí)行過(guò)程中，已規(guī)劃好的頻點(diǎn)中存在被干擾的頻點(diǎn)，特別是在敵方惡意干擾的情況下。若跳頻電臺(tái)能根據(jù)外部干擾情況自適應(yīng)調(diào)整可用頻點(diǎn)，則將大大提升跳頻電臺(tái)的使用效能。

認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電（Cognitive Radio，CR）［1］能夠感知外界環(huán)境，并使用人工智能技術(shù)從環(huán)境中學(xué)習(xí)，通過(guò)頻譜檢測(cè)、頻譜分析、頻譜判決，在所有的可用頻段的特性都被分析出后，根據(jù)QoS的要求，為當(dāng)前的傳輸選擇合適的工作頻段、傳輸速率、可接收的誤碼率、延時(shí)限度、傳輸方式和帶寬，在抗干擾的同時(shí)，設(shè)備會(huì)選擇最佳的通信方案。

將認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)與跳頻技術(shù)結(jié)合起來(lái)，可以使跳頻電臺(tái)知悉頻譜狀況，實(shí)現(xiàn)頻點(diǎn)智能、跳躍式的選擇，更有效地抵御單頻或多頻點(diǎn)跟蹤和阻塞干擾，全面提高無(wú)線(xiàn)電臺(tái)對(duì)電磁環(huán)境的適應(yīng)性，增加頻譜資源的利用率，減少電臺(tái)之間的干擾，提高無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量［2］，以及增強(qiáng)不同網(wǎng)系無(wú)線(xiàn)電臺(tái)之間協(xié)作通信的能力，進(jìn)而大大提高跳頻系統(tǒng)的性能。

2 基于認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的跳頻抗干擾整體設(shè)計(jì)

抗干擾通信系統(tǒng)中我們?cè)黾恿苏J(rèn)知無(wú)線(xiàn)電單元，其具體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示［3］。在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，信息交流是雙向的，即發(fā)射端同時(shí)也具有接收端的設(shè)備和功能。基于認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的抗干擾系統(tǒng)是將CR技術(shù)引入到抗干擾通信系統(tǒng)中，核心部分是頻譜感知模塊。接收端和發(fā)送端均采用寬帶天線(xiàn)。在發(fā)送端，被傳送的信息經(jīng)過(guò)調(diào)制器的相應(yīng)調(diào)制，得到已調(diào)波信號(hào)，再與頻率合成器輸出的頻率信號(hào)進(jìn)行混頻。混頻器輸出的已調(diào)波的載波頻率經(jīng)發(fā)送單元發(fā)送出去的就是跳頻信號(hào)。在接收端，一方面，CR單元獲取來(lái)自接收單元的信號(hào)，該信號(hào)包括目前可以檢測(cè)到的信道中的通信信號(hào)；另一方面，CR單元將感知到的信道頻率等信道信息發(fā)送給頻率集合單元。

在該系統(tǒng)中收發(fā)雙方都需要對(duì)后面p（p≥1）個(gè)跳頻間隔內(nèi)的通信信道進(jìn)行檢測(cè)，查看這些頻段的占用情況。所以，跳頻器需要預(yù)先計(jì)算出后面的p個(gè)跳變載頻，將這些載頻輸入CR信道監(jiān)測(cè)器中，對(duì)周?chē)男诺勒加们闆r進(jìn)行勘查，然后將監(jiān)測(cè)結(jié)果生成“信道占用標(biāo)識(shí)碼”［4］。這些標(biāo)識(shí)碼將輸入編碼器，生成控制幀在收發(fā)兩端之間傳遞。當(dāng)監(jiān)測(cè)對(duì)象（即監(jiān)測(cè)頻段）或者監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)生變化時(shí)，CR與跳頻序列單元之間需要更新“信道占用標(biāo)識(shí)碼”信息，所以在每次頻率跳變后通信雙方至少執(zhí)行一次控制幀的信令交換操作。如果信道環(huán)境發(fā)生突變，將影響到“信道占用標(biāo)識(shí)碼”的傳送，具體如圖2所示。

3 支持快速頻譜認(rèn)知、波形重構(gòu)的多頻段電臺(tái)實(shí)現(xiàn)

3.1 原型系統(tǒng)框架

根據(jù)一體化、通用化和模塊化設(shè)計(jì)原則，結(jié)合當(dāng)前業(yè)內(nèi)先進(jìn)技術(shù)，認(rèn)知電臺(tái)原型系統(tǒng)的整機(jī)原理框圖如圖3所示［5］。

（1）通用模塊化信道

由于短波通信固有的特點(diǎn)，HF采用單獨(dú)的短波信道與功放，而VHF和UHF信道及功放綜合為頻段覆蓋30～512 MHz的超短波寬帶信道和功放，這樣的信道設(shè)計(jì)也能夠處理寬帶信號(hào)以適應(yīng)多模和多頻帶認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)。

（2）通用信號(hào)處理單元

負(fù)責(zé)完成基帶信號(hào)處理的功能，包括信道編碼與譯碼、調(diào)制和解調(diào)、擴(kuò)頻和解擴(kuò)、濾波和同步，以及波形重構(gòu)等。

（3）認(rèn)知／通信處理控制單元

實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電功能的關(guān)鍵，它可以完成各種認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電算法，包括頻譜的檢測(cè)、用戶(hù)通信內(nèi)容的識(shí)別以及對(duì)識(shí)別的內(nèi)容進(jìn)行分析、推理、規(guī)劃，以及波形重構(gòu)控制、各層參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整等。

3.2 支持認(rèn)知的可重構(gòu)通用硬件平臺(tái)

為了真正實(shí)現(xiàn)靈活的頻率和傳輸參數(shù)調(diào)整，基于認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的電臺(tái)還需要具備可重配置的通用硬件平臺(tái)。因?yàn)檎J(rèn)知電臺(tái)的工作頻帶較寬，可采取的傳輸方案、可選擇的傳輸參數(shù)較多，要求的切換時(shí)間較短，因此需要具備高性能的、可重配置的通用硬件平臺(tái)。可重配置技術(shù)使得單一硬件平臺(tái)能夠支持不同類(lèi)型的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，大大降低終端的制造成本。支持重構(gòu)的通用軟硬件平臺(tái)框圖如圖4所示，主要包括支持重構(gòu)的通用射頻通道和支持通用信號(hào)處理與頻譜認(rèn)知處理的通用軟件平臺(tái)。

3.3 基于軟件通信體系結(jié)構(gòu)的通用軟件平臺(tái)

在認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電臺(tái)原型系統(tǒng)中，除了天線(xiàn)、信道、功放、電源等硬件單元的功能無(wú)法通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)外，其他大部分功能均通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)。考慮到軟件需具備的可重用、可移植、可擴(kuò)展、可繼承等功能，參照SCA規(guī)范，將軟件體系結(jié)構(gòu)劃分為自底向上的6層：總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)層（含板級(jí)支持包）、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和串行接口服務(wù)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、CORBA中間件、核心框架和波形應(yīng)用程序，前5層共同構(gòu)成一個(gè)通用的軟件平臺(tái)，為波形應(yīng)用軟件提供一個(gè)透明的、與底層硬件無(wú)關(guān)的運(yùn)行環(huán)境。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的通用平臺(tái)軟件架構(gòu)如圖5所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于上述設(shè)計(jì)思路，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)基于認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的V／U多頻段電臺(tái)，其中V頻段用于傳輸所感知的U頻段頻譜，U頻段則專(zhuān)用于傳輸視頻等高速業(yè)務(wù)，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證表明，U頻段傳輸圖像時(shí)穩(wěn)定、可靠。

［1］彭啟航.認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電中頻譜感知技術(shù)研究［D］.成都：電子科技大學(xué)，2007.

PENG Qi-hang.Research on Spectrum DetectionTechnology in Cognitive Radio［D］.Chengdu：University of Electronic Science and Technology of China，2007.（in Chinese）

［2］梅文華.跳頻通信［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005. MEI Wen-hua.FH Communication［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2005.（in Chinese）

［3］譚俊鋒.自適應(yīng)跳頻通信系統(tǒng)仿真研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2005.

TAN Jun-feng.Simulation and Research on Adaptive FH Communication System［D］.Harbin：Harbin Engineering University，2005.（in Chinese）

［4］劉先鋒.基于認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的跳頻系統(tǒng)研究［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2009.

LIU Xian-feng.Research on FH System Based on Cognitive Radio［D］.Xi′an：Xidian University，2009.（in Chinese）

［5］宋麟.頻譜感知及干擾評(píng)估技術(shù)研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2009.

SONG Lin.Study on Spectrum Sensing and Interference Assessment Technology［D］.Chongqing：Chongqing University，2009.（in Chinese）

GU Qing-feng was born in Kunshan，Jiangsu Province，in 1974.He is now an engineer and also a graduate student.His research concerns wirless communication.

楊仕平（1974—），男，四川閬中人，博士，高級(jí)工程師。

YANG Shi-ping was born in Langzhong，Sichuan Province，in 1974.He is now a senior engineer with the Ph.D.degree.

Email：yspsir＠163.com

A Multiband Frequency-hopping Communication System Based on Cognitive Radio

GU Qing-feng1，YANG Shi-ping2
（1.Military Representative Office of Navy in Guangzhou Area，Guangzhou 510663，China；2.Guangzhou Haige Communication Group Incorporated Company，Guangzhou 510663，China）

To take full advantage of the spectrum sensing ability of cognitive radio（CR），a multiband frequency -hopping anti-jamming communication system is designed based on CR.Through dynamically controlling the generation of frequency-hopping（FH）sequence by CR unit，avoidance of the interference frequency spots is realized.In implementation，the cognitive information of high frequency band is reliably transmitted by the low frequency band，application data is transmitted by high frequency band，so the spectrum control and application traffic is isolated by different frequency band.

cognitive radio；FH communication；anti-jamming；multiband；spectrum sensing

TN914.4

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.07.005

顧慶峰（1974—），男，江蘇昆山人，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線(xiàn)通信；

1001-893X（2012）07-1079-03

2011-11-28；

2012-04-24