一種基于HMM預測的短波信道接入方法

林　剛，程云鵬，江　漢

(1.解放軍理工大學 通信工程學院研究生3隊，江蘇 南京 210007；

2.解放軍理工大學 通信工程學院，江蘇 南京 210007)

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一種基于HMM預測的短波信道接入方法

林剛1，程云鵬2，江漢2

(1.解放軍理工大學 通信工程學院研究生3隊，江蘇 南京 210007；

2.解放軍理工大學 通信工程學院，江蘇 南京 210007)

摘要：針對目前短波通信ALE協議中基于發前偵聽的信道接入技術存在的不足，提出了一種基于隱馬爾科夫模型(HMM)預測的改進方法，并將該模型用于預測短波信道可用性，選擇信道接入。該模型充分考慮短波信道的使用規律，通過信道三狀態劃分機制，將傳統的兩狀態劃分機制下被認為“占用”的“部分可用”信道進一步加以利用。仿真結果表明，該模型相比于已有的兩狀態HMM模型，信道利用時長更長，切換率更低。此外，在沖突率略微提高的代價之下，該模型較傳統的發前偵聽接入技術預測準確率更高，且信道利用率在“部分可用”信道數較多、信噪比較低時優勢更加明顯。

關鍵詞：HMM；信道接入；短波ALE；CSMA

0引言

短波通信[1]是最早出現并被廣泛應用的無線通信方式，至今仍是中遠距離無線通信的重要手段。然而，短波信道條件惡劣，信道特性隨時間快速復雜變化；同時短波信道的開放性導致了通信干擾嚴重；另外短波信道受電離層傳播特點影響具有明顯的窗口效應。因此，短波通信需要不斷地切換頻率，如何高效選頻也就顯得至關重要。

短波通信中傳統的自動鏈路建立(ALE)[2-3]選頻是根據長期統計結果以及基站自身經驗和現實環境，基于CSMA[4-5]協議的發前偵聽技術，從分配的頻率集中選擇可用頻率。該技術優點在于原理簡單，易于實現，但是并不能給出一個特定時間特定路徑的最優信道，在短波頻譜使用競爭激烈的今天，對于短波頻譜中存在的大量“空洞”[6]資源卻浪費嚴重。文獻[7]提出了一種馬爾科夫基信道預測算法(MCPA)，與CSMA相比，MCPA的用戶沖突率大大減少。文獻[8]通過對短波頻譜的實測數據進行HMM建模分析，進一步驗證了HMM在信道預測接入方面具有很高的準確率，在對短波頻譜“空洞”的利用率上有很大提升。

已有的針對CSMA和HMM的研究都是建立在信道狀態為“空閑”或者“占用”的兩狀態機制下。針對短波信道使用特點來說，此機制不能識別在短波頻段占很大比重的部分仍然可以利用的信道。本文提出一種新的三狀態HMM預測模型，將信道狀態分為“完全可用”、“不可用”與“部分可用”，當信道預計結果為“完全可用”與“部分可用”時，用戶均可考慮選擇接入信道。文中首先對所提模型進行了理論說明，然后結合虛警概率設計了一種新的B矩陣來表征信道條件，最后通過仿真分別與兩狀態HMM和目前實際中應用的CSMA技術進行了性能對比。結果表明，本文所提模型優于同類型的兩狀態模型，而且在信噪比較低、“部分可用”信道出現次數較多時較CSMA用戶沖突率更低、信道接入率更高。

1隱馬爾科夫模型(HMM)理論

如圖1所示，HMM[9-11]是一個雙重的隨機過程，由兩部分組成：一個是隱馬爾科夫鏈，描述隱狀態S亦即真實狀態的轉移過程，用轉移概率矩陣A來表示，π為系統狀態初始概率矩陣；另一個是一般的隨機過程，描述隱狀態與觀察狀態O間的關系，用觀測概率矩陣B來描述。

第二，更新育人觀念，切實認識到提高教育教學質量的關鍵是優化課堂教學結構而不是加大學生的作業量和作業難度。要把提高教學質量的重心放在優化課堂教學結構，提升教學效率上。

圖1　HMM示意

1.1HMM的參數定義

(3)初始概率矩陣π={πi}，其中πi=P(q1=Si)，1≤i≤N。

為方便起見，一般使用λ=(A,B,π)表示HMM的參數。

1.2HMM要解決的3個問題

1.2.1評估問題

剩下的就只有米九了，米九都四十好幾的人，可一直沒處對象。這米九長得不難看，平時心眼也挺好的，為什么一直沒成家，村里的說法很多，說的最多的是他干不了男人的事，但大家也奇怪，從沒聽說他跟任何女人有關系，為什么大家就知道他干不了男人的事？也有缺德的人跟他開玩笑：米九，你這輩子算男人還是女人啊，或者什么都不算？米九也不生氣，笑著回答：我可不像你們，只要有個母的都可以。那些人便笑：就是母的，也得有公的伺候啊。米九嘆口氣：你們根本都不知道什么是愛。

1.2.2解碼問題

已知某一觀測序列以及產生該觀測序列的HMM參數，確定對應于該觀測序列的狀態序列。通常使用Viterbi算法來解決這一問題。

本文仿真內容主要有兩部分，一部分是三狀態HMM與已有的兩狀態HMM的性能比較，另一部分是三狀態HMM與現行的CSMA方法的性能比較。

通過觀測序列對模型參數進行訓練，得到該模型的最優參數。通常使用Baum-Welch算法來進行訓練。

2三狀態HMM基短波信道預測模型

2.1信道狀態劃分

本文短波信道可用性劃分的標準[3，8]是依據短波用戶傳輸數據幀所需要的最長時間(即最長信道占用時間)來決定。以目前在短波通信中最典型的數據傳輸協議規程STANAG5066為例，該規程中定義數據幀長度為1 023字節，協議開銷為46字節，即實際物理幀長為1 069字節，而短波波形的傳輸速率一般為600 bps/1 200 bps。以600 bps傳輸速率為例，最長數據幀傳輸需要占用信道的時間是14.25 s。所以本文設置的預測時隙長度為1 min。為了更好地統計每一時隙的信道使用情況，進一步將1分鐘時隙劃分為30個長度為2 s的子時隙，如圖2所示。

圖2短波信道可用性劃分示意

計算每一個子時隙的接收功率值，當功率值大于門限值Thr時認為該信道此2 s內正在被使用，用“1”表示，反之處于空閑狀態，用“0”表示。假設待接入用戶在第k個子時隙感知到的結果為ok，則有：

其中，sk為用戶信號功率，nk為環境噪聲功率。將感知功率值Pk與門限值Thr進行比較，量化如下：

統計1分鐘內信道被使用的總時長，并按如下標準確定信道狀態：

圖7表示的是三狀態HMM與CSMA信道接入沖突率(信道實際不可用而被判斷為可用，接入時發生沖突)隨觀測序列長度增加變化情況。

對于狀態Y1(用“1”表示)：1分鐘內至多有15秒時間信道處于用戶占用狀態，待接入用戶完全可以使用該信道；狀態Y2(用“2”表示)：1 min內至少有45 s時間信道處于用戶占用狀態，待接入用戶不可能在剩下的15 s內傳輸最大幀長；狀態Y3(用“3”表示)：除了以上兩種的其他情況，信道處于部分可用狀態，待接入用戶也可以選擇使用該信道。

按照上述信道劃分方法，本文的信道預測模型的隱狀態和觀測狀態數均為3，預測流程如圖3所示。

圖3短波信道可用性預測流程

相比于兩狀態HMM基預測模型，本模型能夠進一步識別利用狀態為“部分可用”的這一部分信道，而且信道在“1”和“3”狀態間變換時不需要切換，相比于兩狀態的“0”、“1”切換開銷會進一步降低。

2018年4月6日晚發生低溫凍害，陜西淳化果區-7.2℃極端低溫持續長達4小時，凍害過后低溫又持續了3天之久，致使果區坐果率降低，一般果園減產20%，有的超過40%，個別絕收。幼果期低溫給果銹普遍發生創造了條件，使得2018果季蘋果商品率大幅下降。

該算法得到的電壓數據和電流數據存儲至單片機U1的內部寄存器，再由其內部的ECAN模塊將檢測結果輸出給CAN總線數據傳輸電路單元；數據處理電路單元中的LED指示燈L2會閃爍時單片機處于工作狀態；接線端子J1是編程線，通過連接計算機USB接口可以使用計算機下載、編寫和運行調試單片機U1的相關程序.

2.2三狀態HMM與CSMA特點分析

CSMA的工作原理是：發送數據前先監聽信道是否空閑，若空閑則立即發送數據，在發送數據時，邊發送邊繼續監聽，若監聽到沖突，則立即停止發送數據，等待一段隨機時間再重新嘗試。其特點是只能將信道按一定的判別標準歸類為“空閑”或“占用”兩種狀態，即將本文所提的“部分可用”信道認為“占用”而舍棄；相反，3狀態HMM方案則將“部分可用”與“完全可用”信道均認為“可用”而選擇使用，具體判別分類如表1所示。

表1　三狀態HMM與CSMA信道狀態判別結果

受檢測方法和環境噪聲影響，信道檢測總是存在一定的誤差，包括漏檢和虛警兩種情況。傳統的漏檢概率(PMD)為信道被占用卻被檢測為空閑的概率，用δ表示；虛警概率(PFA)為信道空閑卻被檢測為被占用的概率，用ε表示。本文定義一種新的漏檢概率和虛警概率，當信道狀態為“1”、“3”時統一歸類為信道可以使用，信道狀態為“2”時歸類為信道不能使用；漏檢概率為信道不能使用而被檢測為可以使用的概率，虛警概率為信道可以使用而被檢測為不能使用的概率，即：

δ=P(ok=3|qk=2)+P(ok=3|qk=2)=b23+b21

ε=P(ok=2|qk=3)+P(ok=2|qk=1)=b32+b12

根據HMM轉移概率和觀測概率的性質，可以定義一個新的表征信道條件的三狀態B矩陣如下：

根據文獻[12-13]，可以得出漏檢概率為：

木工機械行業目前面臨的主要挑戰之一是產品個性化，制造商要在和批量生產相同的周轉、盈利能力和效率限制下交付定制產品，面臨著很大的壓力。漢諾威國際林業木工展覽會的參展商將在2019年5月展示應對這些挑戰的解決方案。LIGNA展會是國際木工行業的創新市場，此屆展會涵蓋了以下三大主題：

(1)

式中，ρ為主用戶發射功率，τ為感知時隙長度，η為信道噪聲譜密度，ω為信道帶寬，g為主用戶到次用戶信道增益。虛警概率為：

(2)

式中，Q(x)為Q函數，定義如下：

在盾構完成穿越橋梁樁基后，對穿越高鐵影響范圍內的管片，利用管片上的注漿孔自下而上進行二次注漿，漿液采取快速凝結的雙液漿，注漿壓力不大于0.4MPa，以確保管片壁后空隙填充飽滿。

(3)

式中，yt為HMM預測結果或者CSMA感知結果，對于三狀態HMM，

圖4　ROC曲線

可以看出虛警概率和信噪比有很大關系，檢測概率一定時，信噪比越低，虛警概率越高，因此本文定義的B矩陣從側面反映出了信噪比與信道間的關系。

3仿真分析

1.2.3參數訓練問題

3.1三狀態HMM與兩狀態HMM仿真對比

對于兩種模型，分別用表2中的參數來借助matlab生成各自的長度為3 000、時隙為1分鐘的隱狀態序列Q和觀測序列O，并通過前面給出的預測流程進行信道預測。定義空閑信道利用時長L如下：

表2　三狀態HMM與CSMA仿真參數

(4)

T為序列長度，yt和qt分別為t時刻的預測狀態和隱狀態；對于兩狀態HMM，

對于三狀態HMM，

定義信道切換率C如下：

(5)

對于兩狀態HMM，

對于三狀態HMM，

圖5和圖6表示的是兩種HMM模型的空閑信道利用時長(當前時隙信道可用且判斷正確，信道可以正常使用)和信道切換率(預測正確前提下，當前時隙信道可用且下一時隙信道不可用，用戶退出計一次切換)隨觀測序列長度增加時的變化情況，可以看出相比于原來的兩狀態模型，本文所提模型在兩方面都更有優勢。這是因為相比于兩狀對于兩狀態HMM，本模型能夠進一步識別利用狀態為“部分可用”的這一部分信道，而且信道在“1”和“3”狀態間變換時不需要切換，相比于兩狀態的“0”、“1”切換開銷會進一步降低。

圖5兩狀態HMM與三狀態HMM空閑信道利用時長對比

圖6　兩狀態HMM與三狀態HMM信道切換率對比

3.2.2空閑信道接入率分析

（5）中國釀酒歷史悠久。從禹時算起，酒在中華已有五六千余年的歷史，與中華文明的發展同步。請寫出酵母菌釀酒產生酒精的反應式：__________。

3.2.1沖突率分析

按照表2中給出的三狀態HMM參數，利用matlab分別生成長度為5 000的觀測序列和隱狀態序列，并通過前面給出的預測流程進行信道預測；同時，將產生的觀測序列用作CSMA方案的感知數據。定義單信道沖突率如下：

(6)

另外根據文獻[8，14]，可以得出虛警概率、檢測概率和信噪比之間的ROC曲線走勢如圖4所示，其中SNR1

對于CSMA，

假設信道被用戶占用的時間長度為ζ，單位為秒(s)。則信道可用性Y可表述為：

e)處于邊緣的部分分塊賦予臨時標號時需要做特殊處理，具體處理如下：分塊p0,0不需要考慮塊的左、上連通性，如果存在缺陷，則直接賦予臨時標號1；第一行其他塊區域只需要考慮塊的左連通性；第一列其他塊區域只需要考慮塊的上連通性。

圖7三狀態HMM與CSMA沖突率比較

可以看出本文所提模型相比于現有的CSMA方案沖突率略高，這是因為CSMA直接舍棄掉了對“部分可用”信道的接入，故沖突率更低。

3.2三狀態HMM與CSMA方案仿真對比

借助B矩陣中虛警概率的變化可以研究三狀態HMM與CSMA在不同信噪比下的性能。另外，由于三狀態HMM相比CSMA將“部分可用”信道進一步加以利用，而A矩陣中的A(3,3)則直接反映了信道中“部分可用”狀態出現的頻率，故可通過A(3,3)的變化來控制“部分可用”時隙數變化并比較二者性能。定義空閑信道接入率如下：

(7)

對于三狀態HMM，

對于CSMA，

定義信道狀態預測/檢測準確率如下：

自2009年8月新浪微博內測版推出以來，微博在我國取得迅速發展，各級地方政府官員相繼開通微博，在了解民意，聚攏民心等方面起到巨大的作用。由于微博具有良好的開放性、便捷性、互動性和即時性的優點，目前，黨政機關的官員開通微博已經成為一種趨勢。根據新浪微博2012年3月公布的數據，目前該平臺上的官員微博已達1 503個，比2011年11月底增加了67%。官員微博的迅速發展，使微博成為言論表達的新平臺、參政議政的新工具以及政府和各級官員管理社會的新手段，陽光執政、互動執政的新方式。

(8)

yt為HMM預測結果或者CSMA感知結果，對于三狀態HMM，

對于CSMA，

圖8和圖9表示的是三狀態HMM與CSMA在對空閑信道的利用方面隨虛警概率和“部分可用”時隙數變化的性能比較。按表2中的參數借助matlab產生隱狀態序列和觀測序列，圖8和圖10中，令δ=0.05，改變ε，每次改變均計算100次取均值；圖9中，令δ=ε=0.05，改變A(3,3)，每次改變均計算100次取均值。

(2) 由于車站完全設置在路中，避開了管線密集的路邊側區域，對既有管線影響較小，大大減少了管線搬遷的工作量；

圖8三狀態HMM與CSMA空閑信道

接入率隨PFA變化

圖9　三狀態HMM與CSMA空閑信道接入

可以看出本文模型具有明顯優勢，尤其是在虛警概率較高、信道“部分可用”時隙數較大時更加突出。這是因為：一方面本模型與傳統的兩狀態HMM一樣都充分利用了信道的歷史信息，采用統計學的方法進行預測接入，準確率更高，受信噪比影響較小，這一點從圖10可以看出；另一方面本模型將“部分可用”信道充分利用，故在信道“部分可用”時隙數較大時對信道的利用時長更長。

圖10三狀態HMM與CSMA信道狀態預測/

檢測準確率隨PFA變化

4結語

本文針對短波ALE系統中現有的CSMA發前偵聽技術存在的不足，結合已有的信道預測技術，提出了一種新的三狀態HMM基信道預測模型，并設計了一個能表現信道條件的新的觀測概率矩陣來進行仿真分析。實驗結果表明，本文模型較已有的兩狀態HMM模型和CSMA方案在信道利用率和切換率上性能更佳，特別是在信噪比較低、信道“部分可用”時隙數較多時優勢更加明顯。

1922年5月前后，中共湘區委員會成立（湘區轄湖南及江西萍鄉），毛澤東任書記，委員有何叔衡、易禮容、李立三、郭亮、劉少奇等，區委機關仍設于此。

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2.5.14 術后白細胞尿 出現白細胞尿是前列腺等離子電切術后常見癥狀。有臨床研究發現白細胞尿與尿路感染并無相關性。術后1周患者尿液中的白細胞濃度升高，但在術后4周時，尿液中的平均白細胞計數降低。因此，白細胞尿可能與前列腺手術創面炎性細胞的滲出有關，白細胞尿不能反映術后菌尿的可能性。隨著手術創面的愈合，白細胞尿可自然好轉，不需要進行臨床干預。

LI Xiang-yang. Research on UWBSAR Receiving Technology [D].Changsha: National University of Defense Technology,2000.

鄧瑞平(1963-)，男，四川蓬安人，西南大學法學院教授、博士生導師，法學博士，西南大學-西南政法大學金磚國家法律研究院負責人，研究方向：國際經濟法、海商法、國際商事仲裁法；

林剛(1990—)，男，碩士，主要研究方向為無線通信，頻譜預測；

程云鵬(1976—)，男，副教授，主要研究方向為無線通信，信號處理。

A Shortwave Channel Access Method based on HMM Prediction

LIN Gang1, CHENG Yun-peng2, JIANG Han2

(1.Postgraduate Team 3 CCE, PLAUST,Nanjing Jiangsu 21007, China;

2.College of Communications Engineering, PLAUST, Nanjing Jiangsu 21007, China)

Abstract：Aiming at the deficiencies of channel access technology based on listening before transmission in ALE protocols of HF communication, a modified method based on HMM prediction is proposed,which is applied to predicting the channel availability and selecting channel access.This algorithm gives full consideration to the application regulations of HF channel, and makes better use of the ‘partially available’ channel considered as ‘occupied’ under the traditional two-state partitioning mechanism by a three-state one. Simulation results show that as compared with the existing two-state HMM, this model enjoys a longer channel utilization time and a lower switch rate. In addition, this model, as compared with traditional listening before transmission technology,could achieve higher prediction accuracy and enjoys clearer superiority when ‘partially available’ channel appears frequently or SNR is low,at the cost of a slight increase in collision rate.

Key words：HMM; channel access; HF ALE; CSMA

作者簡介：

中圖分類號：TN92

文獻標志碼：A

文章編號：1002-0802(2015)12-1377-07

收稿日期：2015-07-12；修回日期：2015-10-18Received date:2015-07-12；Revised date：2015-10-18

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.12.012