短波組網協作頻譜感知技術研究*

楊 敏,周治中

(中國電子科技集團公司第三十研究所,四川成都610041)

短波組網協作頻譜感知技術研究*

楊 敏,周治中

(中國電子科技集團公司第三十研究所,四川成都610041)

短波通信由于通信距離遠、頑存性強等優點而廣泛應用于軍事通信領域。為增強短波組網通信的抗干擾性能,將信道感知技術與短波組網相融合,提出了一種基于協作感知技術的網絡頻率自適應技術。該技術在初始組網時,能正確、快捷的從頻率庫中選出適用于整個網絡的最佳工作頻率;在網絡運行過程中,根據頻率的質量變化情況,及時地調整工作頻率。OPNET仿真表明,該協作感知技術有效,對通信性能改善明顯。

短波通信 認知無線電 協作感知 OPNET仿真

0 引 言

近十多年來,無線通信技術發展迅速,數量龐大的無線通信設備隨之涌現,頻譜資源日趨緊張。在現有的頻率使用規則下,頻譜資源分配給特定的授權用戶,而非授權用戶則無法使用。這種分配方式不盡合理,并一度給無線系統設計人員與電信規則制定方帶來了困擾,但是聯邦通信委員會(FCC)近期的一項頻譜使用調查卻表明:授權頻段在大部分時段并未使用,而是處于空閑狀態。

為有效解決頻譜資源緊張與頻譜利用率不高的矛盾,認知無線電技術(CR)應運而生[1]。

1999年,軟件無線電奠基人、瑞典皇家理工學院J.Mitola博士在軟件無線電(SR)的基礎上提出了認知無線電的概念[2]。CR是一個智能無線通信系統。它能夠感知外界環境,并使用人工智能技術從環境中學習,通過實時改變某些操作參數,如傳輸功率、載波頻率和調制技術等,使其內部狀態適應接收到的無線信號的變化,以達到在任何時間、任何地點都能可靠通信、有效利用頻譜資源的目的[3]。

認知無線電的關鍵技術主要包括以下3個方面:即頻譜感知檢測技術、自適應傳輸技術、頻譜資源管理技術(包括頻譜分析和決定等),這些關鍵技術構成了認知無線電的核心功能[4]。

短波通信抗毀性強,設備簡單,使用方便,無需中繼便能實現中遠距離通信,因此被廣泛地用于軍事通信[5]。美國把短波信道作為戰略、戰術的主干線和二級線路。北約也將短波通信作為超視距通信的重要手段。在某些特殊情況下,特別是在戰爭中短波通信是唯一的通信手段。但是,短波可用頻段窄、容量小、用戶多、干擾嚴重、可靠性差,所以短波工作頻率的選擇是短波通信的關鍵。

認知無線電技術具有感知外界環境,調整載波頻率以提高通信效率、提高頻率利用率等功能,因此認知技術在短波通信中具有很高的應用價值。

本文針對短波地波、海面波的應用環境,提出一種基于協作感知的網絡頻率自適應技術,并進行了OPNET仿真。

1 短波組網協作感知策略

1.1 現有技術分析

為克服短波不穩定、易受干擾的缺點,研究人員先后研制出了基于異步方式的第2代自動鏈路建立技術(2G-ALE)及網絡容量更大組網更加快捷的第3代自動鏈路建立技術(3G-ALE)。

在短波網絡中,工作頻率的選取關系到網內各節點相互間的可達性及網內數據傳輸的效率。在3G-ALE中,廣播或組播信道是由呼叫節點根據本地的偵聽結果進行選取并通知[6],這種方式能識別某信道是否被占用,在一定程度上能避免網內的相互干擾。但是這種方式存在如下缺點:

1)呼叫節點指定的信道對于全網來說不一定是最佳的信道。

2)當工作頻率質量變差時,無快速反應的頻率更換機制。

本案提出的協作感知自適應技術能有效的解決上述問題[7]。

1.2 協作感知

對于地波或海面波而言,各臺站信道條件類似,但由于存在友臺或是敵臺的干擾等,各節點的頻率質量情況可能有差異。協作感知根據網絡的運行階段實現2個目標:網絡初始信道選擇、網絡運行中信道更換。

(1)初始信道選擇

網絡初始信道選擇是指在網絡建立時,各個節點分別以空閑偵聽或鏈路質量統計的方式進行本地信道感知。叢臺站在掃描探測階段將本地質量進行全網廣播,因而在網內建立起節點對之間的信道質量表。主臺站接收到各臺站的信道質量廣播后,對頻率質量進行綜合,根據信息融合算法選取一個最適合全網的工作頻率。頻率的選取應該參考各臺站的頻率質量分布情況以及網內的業務類型,選出的頻率不一定對每個臺站來說是最佳的頻率,但是綜合全網或是針對特定的業務(如聲碼話)考慮,該頻率是最佳的信道。

信息融合時采取決策軟融合策略,該策略考慮到了不同信道條件下各節點的檢測結果可信度有差異,并且能夠在協作增益和開銷之間取得合理的折中,典型的算法包括2bit量化決策加權軟融合算法、動態決策加權融合算法等。

主臺站選出最佳工作頻率后,進行全網頻率分發。頻率分發策略參考頻率庫中的頻率個數:若頻率庫中頻率較少則在每個頻率上進行換頻信息的冗余發送;若頻率較多則根據頻率的分布情況,每一小段選擇若干頻率進行發送。所以,對于每個叢臺而言,只要頻率庫中有一個可通頻率,則換頻信息即可送達。

這種初始信道選擇方式解決了依賴網內某節點信道質量進行頻率選擇的不足。

(2)網絡運行頻率更換

網絡運行中頻率的動態更換是短波組網頻率策略的一個重點與難點。在3G-ALE中當頻率不可用時時需要拆除鏈路重新選擇工作頻率;當頻率庫中有更好的頻率時,本次業務也不會將其選用。

在此,提出一種伴隨業務的頻率動態更換的協作感知方法。

網絡以TDMA的方式運行,依據時間劃分出自適應時隙、業務時隙等。各臺站以TDMA的方式占用自適應時隙。在自適應時隙,各臺站完成對已知或未知信道的感知及匯聚,主臺站對信息進行融合后作出頻率更換決策。從臺站接收到頻率決策后,作為中繼節點對該決策進行轉發。

該協作感知過程如圖1所示。

圖1 網絡運行頻率更換協作感知示意Fig.1 Cooperative spectrum sensing of the frequency replace in net operation

上圖以4個臺站為例說明了頻率動態更換的協作感知過程。

1)主臺站每次連續使用2個自適應時隙,每隔兩個自適應時隙使用一次;其余臺站每次輪流使用一次自適應時隙。

2)在業務時隙,有業務傳輸時各接收臺站進行鏈路質量統計;無業務傳輸時,各臺進行信道偵聽。

3)從臺站接收到換頻決策,且換頻時刻尚未到來,則在自適應時隙將其進行轉發,以增強頻率信息傳輸的可靠性;若沒有接收到換頻決策,則發送本地的信道質量及偵聽情況;網內其余臺站均在自適應時隙中進行信道質量統計。

4)主臺站在空閑及業務接收狀態下進行信道感知,結合各從臺站上報的信道質量情況進行信息融合,選出適合全網當前業務傳輸的最佳信道,并在自適應時隙中發送。頻率決策信息發送多次后網內各節點同步更換頻率。

換頻信息的發送策略與初始信道選擇時一致,頻率庫中有可用頻率時換頻即可成功。

2 OPNET仿真

2.1 仿真目的

針對上述協作感知思路,進行了基于OPNET的網絡仿真。仿真的主要目的如下:

(1)驗證協作感知協議的可行性

(2)明確在干擾情況下換頻的反應時間

2.2 仿真模型

本仿真針對短波定頻組網進行。按照OPNET三層建模機制,分別對網絡模型、節點模型和進程模型建模。

對無線信道的建模,需要考慮信道頻率、功率、視距以及干擾等,本仿真中,對短波信道特征進行抽象,通過不同速率、不同質量的信道誤碼率、信噪比來表征信道。本仿真物理層參考MIL-STD-188-110C波形指標。

仿真時采用滿負荷的TDMA方式進行業務傳輸,網內16個節點均在TDMA業務時隙內發送業務。業務速率為2 400 bps,帶寬為3 kHz,頻率決策信息速率為75 bps。

2.3 統計量

最終收集的統計量為包通過率N。2 400 bps下包長定為960比特。

包通過率定義為:網內所有節點在單位時間內正確接收的數據包數。

Pn為節點n當前正確接收到的數據包數;sim_ time為當前逝去的時間,仿真開始時為0。

2.4 仿真結論

(1)協議的可行性驗證

本仿真的場景為初始信道選擇與網絡運行頻率更換功能均開啟。任意指定若干信道及其質量值,等待網絡建立。在網絡運行中施加突發干擾。觀察網絡運行時包通過率的變化趨勢。

協作感知機制工作時包通過率如圖2。

圖2 包通過率變化示意Fig.2 Packet throughput trend

初始工作頻率確定后,網絡包通過率急劇上升并趨于穩定。在第10分鐘時,對工作頻率及部分備用頻率施加干擾,此時包通過率急劇下降,經過大約30秒后,工作頻率被替換,此時包通過率穩步上升。在第20分鐘時,再次對部分頻率施加干擾,此時包通過率再次急劇下降。經過約70秒后,選用新的工作頻率。此后,包通過率保持穩定。

協作感知能選出質量較好的初始工作頻率;在網絡運行過程中能夠舍棄被干擾的工作頻率,選擇未被干擾的頻率傳輸業務。該仿真證明了協作感知協議的可行性。

(2)自適應換頻時間

本仿真的場景針對網絡運行時的協作感知換頻過程。仿真出信令信道、業務信道受到干擾時網絡換頻的反應時間。

仿真時,干擾的頻率個數依次增加,分別占到總頻率個數的12.5%、25%、50%、75%,施加干擾后頻率的信噪比為-8 dB、-9 dB。頻率決策對應的信令波形誤碼率分別為0.002 9、0.15。

干擾施加間隔10分鐘,干擾頻率逐漸增多,包通過率的變化如下圖所示。圖中的兩根曲線分別對應-8 dB與-9 dB下的包通過率。

圖3 干擾12.5%的頻率時包通過率示意Fig.3 Packet throughput trend in jamming 12.5%frequencies

圖4 干擾25%的頻率時包通過率示意Fig.4 Packet throughput trend in jamming 25%frequencies

圖5 干擾50%的頻率時包通過率示意Fig.5 Packet throughput trend in jamming 50%frequencies

圖6 干擾75%的頻率時包通過率示意Fig.6 Packet throughput trend in jamming 75%frequencies

根據上述圖表統計得出換頻反應時間,如表1。

表1 換頻反應時間Table 1 Response time of changing frequency

在施加干擾的情況下,頻率自適應功能有效的躲避干擾,改善通信性能,保障通信正常可靠進行。

3 結 語

認知無線電技術是一門新興的前沿學科,其發展還處于初級階段,目前對其理論性的研究較多,實用化的探索較少。本文將認知無線電基本技術與短波組網相結合,利用其靈活、智能、可重配置的特征,通過感知與學習,實時改變短波載波頻率,從而實現了短波頻譜資源的高效利用。本文在初步了解認知基本技術的基礎上對其實用化進行了探索,也為短波組網下的頻率控制策略提供了一種新的思路。認知無線電的鏈路控制技術將是下一步研究的重點,而基于此的短波正交跳頻頻率自適應技術也將提上重要的研究日程。

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LIU Quan,GAO Jun,GUAN Jian-xin,GUO Yun-wei. Survey on Linker Layer Key Technologies in Cognitive Radio Networks[J].Telecommunication Engineering, 2010,50(3):90-98.

YANG Min(1981-),male,M.Sci.,engineer,majoring in HF MAC control and HF adaptive technique.

周治中(1965—),男,研究員,主要研究方向為通信信號處理和短波通信。

ZHOU Zhi-zhong(1965-),male,research fellow,majoring in communication signal processing and HF communication.

Cooperative Spectrum Sensing Technology of HF Networking

YANG Min,ZHOU Zhi-zhong
(No.30 Institute of CETC,Chengdu Sichuan 610041,China)

HF(high frequency)communication is widely used in military communication for its advantages of long-distance communication,strong survivability and so on.In order to enhance the anti-jamming performance of HF networking,and by integrating channel sensing technology and HF networking,an adaptive technique of network frequency based on cooperative spectrum sensing is proposed.The proposed technique can quickly and correctly select an optimum frequency from frequency lab in the initial phase of networking and apply it to the entire network.And in the process of network operation,it can adjust the work frequency according to the quality variety of frequency.OPNET simulation shows that this cooperative spectrum sensing technique is effective and could obviously improve the communication performance.

HF communication;cognitive radio;cooperative sensing;OPNET simulation

TN924

A

1002-0802(2014)11-1318-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.11.016

楊 敏(1981—),男,碩士,工程師,主要研究方向為短波鏈路控制及自適應技術;

2014-07-02;

2014-09-25 Received date：2014-07-02;Revised date：2014-09-25