艦載網絡中未知協議識別方法研究與仿真

鄭 杰

(1．電子科技大學 計算機科學與工程系，四川 成都611731;2．重慶電子工程職業學院 軟件學院，重慶401331)

0 引 言

艦載網絡通信是采用衛星通信和無線短波通信結合構成的通信網絡系統。艦載網絡作為物聯網的一個重要分支，它的出現是集成了艦載接口設計、無線網絡運行、CDMA、TDMA 和GSM 的蜂窩電話和移動數據網絡的混合產物，艦載網絡通信網絡系統構建包括了地面站、路由系統和衛星中轉站等3 部分構成。研究艦載網絡通信中的未知協議識別算法在實現艦船網絡通信信道均衡，提高通信穩定性方面具有重要意義，相關研究受到廣大專家的重視［1］。

艦載網絡總線通信控制中，對未知協議的識別過程是一個信道均衡控制和抗干擾濾波設計的過程，通過對艦船網絡協議的優化，采用信道無偏均衡設計，提高通信信號傳輸的保真度和信道識別能力。傳統方法中，對艦船網絡中的未知協議識別方法采用譜分析法、基于IEEE 802. 11p無偏均衡算法和源節點到目的節點信道均衡算法等，傳統方法中對艦載網絡總線通信控制的信道設計，當功率譜呈現相位失衡時，信道均衡效果不好［2］。對此，相關文獻進行改進設計，其中文獻［3］提出一種基于VANET 路由協議的艦載網絡協議優化設計和路由鏈路通道均衡算法，通過對艦載網絡的分布式處理和組織網絡互連，提高艦載網絡通信識別和信號處理能力。文獻［4］提出一種基于FSR (Fisheye State Routing)的艦載網絡最短路徑規劃算法，實現對艦載網絡的未知協議識別和最短路徑控制，在艦載通信和無線數據傳輸定位中發揮著重要的作用。但目前的艦載網絡未知協議識別采用的是端口路由分層識別方法，存在通信信號傳輸的保真度不好，路由開銷大等問題［5－7］。針對上述問題，本文提出一種基于高階譜包絡調制的艦載網絡中的未知協議識別方法。首先構建艦載網絡通信的系統模型，對艦載網絡進行路由分簇設計和通信信道模型設計，在此基礎上，對艦載網絡通信中的未知協議進行多接口多信道的自組織網絡分配，采用高階譜包絡調制方法對通信信號進行特征提取和動態融合，實現對艦載網絡中的未知協議的優化識別和仿真，最后通過仿真實驗進行性能驗證，展示本文算法的優越性能，得出有效性結論，展示了較好的應用價值。

1 艦載網絡通信系統模型和網絡信道分簇設計

1.1 艦載網絡通信協議基本知識描述

艦載網絡通信采用多功能協議總線 (Multi －functional Vehicle Bus，MVB)控制器，艦載網絡協議是艦載網絡的核心部件，根據IEC61375 協議，艦載網絡TCN 網絡功能被劃分為7 層，分別為會話層、感知層、網絡傳輸層、應用層、上位機的通信接口層等。在艦載網絡通信系統模型設計中，采用IEC61375 協議進行多處理器集群處理。艦載網絡是基于固定的無線功率實現通信信道的設計和均衡，采用固定的無線功率不能很好地反映艦載網絡的系統穩定性和網絡通信能力［8－12］。

基于IEC61375 協議的艦載網絡通信系統建立在云平臺下多處理器集群處理基礎上，基于IEC61375協議的艦載網絡通信系統的設計需要主要解決如下問題:

1)基于IEC61375 協議的艦載網絡通信系統服務調度和異構特征兼容。計算機硬件技術快速發展下，多處理器集群的發展速度非常快速，在不同時期，不同的多處理器版本層出不窮，由于不同時期多處理器版本的計算能力差異很大，而一個實際的應用系統中，多是由多個不同版本的多處理器不斷升級而來的，所以，如何在這些不同版本的多處理器上實現統一的任務調度和分配是其發展中需要解決的首要兼容性問題。

2)基于IEC61375 協議的艦載網絡通信系統服務調度和數字化信息服務資源整合系統中具有處理器集群的可伸縮能力。在許多實際的多處理器應用系統中，通常需要對多處理器系統進行不斷的擴展，在動態擴展時，有時候需要減少系統構成，降低成本和組成，有時候需要加大系統組成，不斷升級，所以需要多處理器集群具有強大的可伸縮能力。

1.2 艦載網絡通信系統模型和信道分配結構

本文假定艦載網絡進行短距離通信，系統中主從式無線主動脈沖信號的碼鑒相調制寬度p∈［- 1，1］，艦載網絡擴頻通信的脈沖響應為:

式中:ai(t)為通信各路徑的歸一化幅度;τi(t)為時間延遲;Nm為通信信道路徑的條數。無線傳輸信道的脈沖信號x(t)經過量綱歸一化處理，實現多徑分量的重構，得到艦載網絡通信的OFDM 信號為:

式中:N 為碼元數;Cn為脈沖響應。艦載網絡擴頻通信中多徑信道模型采用BPSK 調制碼元的分布設計，采用AODV (Ad Hoc on Demand Distance Vector)進行鏈路狀態信息分配，艦載網絡通信協議傳輸流程和信道分配結構如圖1 所示。

圖1 艦載網絡通信協議傳輸流程和信道分配結構Fig.1 Carrier network communication protocol transmission flow and channel assignment structure

2 艦載網絡通信的分簇路由設計

艦載網絡通信的分簇路由設計中，使用FPGA和ARM 處理器進行軟硬件協同處理，兼顧性能和擴展性需求，構建艦載網絡通信系統，主控模塊負責控制整個MVB 總線控制器的工作。開發了PC/104、VME 等與上位機的通信接口電路，實現MVB 總線控制器與上位機的通信。艦載網絡通信的分簇路由轉發流程如圖2 所示。

在艦載網絡通信的未知協議識別中，可以通過多個進程的并發執行來提高系統運行效率和資源利用率，當多個進程并發訪問同一資源時，由于模式決定進程對資源的操作范圍，采用v(t)表示艦載網絡通信的未知協議節點在時刻t ≥0 的傳輸拓撲功率增益，a(t)表示節點在時刻t ≥0 的鄰階均衡加速度，在艦船編隊組網過程中，構建通信網絡拓撲結構有:

圖2 艦載網絡通信的分簇路由轉發流程Fig.2 Clustering routing forwarding process of ship borne network communication

該表達式滿足艦船行駛速度不大于vmax，且不存在負速度時的射頻接口。假設艦船節點的射頻接口是半雙工，節點初始速度為v(0)，則有表達式:

節點i 和節點j 為通信雙方都可使用的信道。此時t 時刻的艦船加速度、速度和行駛距離分別為ai(t)，vi(t)，si(t)和aj(t)，vj(t)，sj(t)，表達式為:

綜上分析得到了艦載網絡通信模型與分簇設計，為構建分簇可變步長濾波接收/發射信道無偏均衡設計奠定基礎。

3 通信信號的高階譜包絡調制特征提取及未知協議識別改進實現

3.1 信號特征提取和動態融合

目前艦載網絡未知協議識別采用的是端口路由分層識別方法，存在通信信號傳輸的保真度不好、路由開銷大等問題，為了克服傳統法方法的弊端，本文提出一種基于高階譜包絡調制的艦載網絡中的未知協議識別方法。在上述路由分簇設計的基礎上，對艦載網絡通信中的未知協議進行多接口多信道的自組織網絡分配，采用高階譜包絡調制方法對通信信號進行特征提取和動態融合，為確定了艦船節點的射頻接口狀態，構建艦載網絡擴頻通信系統模型，把通信信號采用FFT 方法分解為實信號分解為:

經過FFT 處理實現信號的時頻分解，通過高階譜包絡調制動態的跟蹤信號功率的變化，得到高階譜包絡調制下的信道無偏均衡模型，迭代步長應選取:

式中:ns(t)為艦載網絡通信碼間;h′i(t)為S(t)的等待時間響應函數。為了實現未知協議識別，提高艦載網絡的自動測試性能，采用邏輯分析儀對艦載網絡特征進行均勻采樣，得到均勻矩形陣列:

在此基礎上，對通信信號進行特征提取和動態融合，實現對艦載網絡中的未知協議的優化識別。

3.2 艦船網絡未知協議識別算法改進實現

采用高階譜包絡調制方法對通信信號進行特征提取和動態融合，進行未知協議識別算法改進實現，艦船與艦船間的拓撲變化很快，當a(x)為t = x 時的瞬時加速度，艦船節點在選擇射頻接口與信道時，則有表達式:

艦載網絡的網絡節點作為一個隨機陣元分布在均勻矩形網格中，陣列的邊界是矩形，得到的陣列信號輸出對應于m 條線列陣的流行向量滿足:

建立邏輯分析儀的自動測試系統，得到艦載網絡信息呈現一種均勻分布，均勻分布矩形陣列最小方差為矩陣Q1(θ)，可定義［0，t］時間內的節點行駛距離s(t)為:

在對未知協議識別中，檢測出的全部壓縮碼通過多端口捆綁網絡發送到監控指揮中心，監控指揮中心對接收的壓縮碼進行解碼讀取并對用戶艦載使用端外的實際數據進行分析。此時，由此實現對艦載網絡中未知協議的識別。

4 仿真實驗與結果分析

為了測試本文算法在實現艦載網絡未知協議識別，提高艦載通信性能穩定性和準確性方面的性能，進行仿真實驗。在艦載網絡仿真網絡構建中，需要實現RTP 協議棧的監視數據、過程數據和消息數據的功能，在艦載網絡通信的軟件設計中，開發了PC/104、VME 等與上位機的通信接口，在電氣和功能特性上完全滿足IECE61375 協議的要求。在網絡協議構建中，通過調用函數hpe1432 _ set TriggerMode(ViSession vi，ViInt32 group，ViInt32 trigMode)設置觸發通道的觸發方式，在塊模式下，HP E1433A 觸發后采集一塊的數據，通過上述處理，實現對艦載網絡通信的分簇路由設計及信道模型構建。以此為仿真環境，進行艦載網絡通信，通信發射信號采用BPSK 調制，載波主振頻率為20 kHz，采樣率為100 kHz，比特率為4 000 bit/s，通信節點數為500 ～1000，網絡協議為IEEE 802.11，得到艦載網絡的通信數據采集樣本如圖3 所示。

圖3 艦載網絡的通信數據采集樣本Fig.3 Shipboard network communication data samples

以上述樣本數據為依據面進行數據動態融合和通信信號的特征提取，采用高階譜包絡調制，得到艦載網絡中的未知協議的空間譜陣元分布估計結果如圖4所示。由圖可見，采用本文算法，進行艦載網絡的未知協議識別，通過對艦載網絡通信信號高階譜包絡調制，有效提取了信息特征，提高了對通信協議識別的準確性能，從而降低艦載網絡通信的誤碼率。

圖4 艦載網絡中的未知協議的空間譜陣元分布估計結果Fig.4 Unknown protocol in shipboard network，the spatial spectral distribution estimation results

為對比算法性能，以通信鏈路存活時間為測試指標，得到仿真結果如圖5 所示，由圖可見，采用本文算法進行未知協議識別，提高了通信鏈路的平均存活時間，在艦船節點快速行駛過程中，能保持較好的通信性能，誤碼率較低。

圖5 艦載網絡中平均鏈路存活時間對比Fig.5 The shipboard network average survival time of link in contrast

5 結 語

本文提出一種基于高階譜包絡調制的艦載網絡中的未知協議識別方法。首先構建艦載網絡通信的系統模型，對艦載網絡進行路由分簇設計和通信信道模型設計。在此基礎上，對艦載網絡通信中的未知協議進行多接口多信道的自組織網絡分配，采用高階譜包絡調制方法對通信信號進行特征提取和動態融合，實現對艦載網絡中未知協議的優化識別和仿真。仿真結果表明，采用本文算法能有效實現艦載網絡中的未知協議的特征提取和識別，提高對通信協議識別的準確性，降低艦載網絡通信的誤碼率，展示了較好的性能。

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