基于信道統計的數據鏈頻譜感知和自適應變速技術

沈建飛

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

隨著數據鏈在各國國防建設應用的不斷深入和推廣，數據鏈在全軍武器平臺的重要性也逐漸顯現，作為通信技術的產物，數據鏈設備必然受制于靜態頻譜的有限頻譜資源問題。一方面，由于戰場環境的復雜多變性，數據鏈通信設備必須具備較強的抗干擾能力，另一方面在即便受到外部干擾且有限頻譜資源的情況下，數據鏈設備要能夠快速響應規避風險且進行正常通信，這就要求數據鏈必須考慮有限頻譜的動態感知技術和速率可變的通信保障技術。

本文在研究認知無線電頻譜感知技術的基礎上，結合具體實際項目，研究并設計基于信道統計的數據鏈頻譜感知策略和通信距離變化的自適應變速通信保障策略，并在數據鏈實物端機上進行驗證與測試，實現干擾下的自動頻譜感知，通信距離變化下的自適應速率變化，保障了正常通信，完全達到系統預期效果，可作為關鍵技術應用于后續相關數據鏈系統研制。

1 認知無線電

1.1 認知循環

1999年JosePh Mitola博士提出了認知無線電的概念，他認為軟件無線電(Soft Define Radio,SDR)是認知無線電實現的基本平臺，SDR在智能化方面的進化最終會并軌于認知無線電。通過使用無線電知識表示語言(Radio Knowledge Representation Language,RKRL)，認知無線電能夠通過推理學習的方式與外界網絡進行智能交互。認知無線電和普通無線電的最大區別在于應當具備學習和推理能力，認知無線電能夠通過感知和學習周圍的無線環境，自適應的對內部通信參數和傳輸參數進行動態調整，以適應無線環境的變化。因此，基于對認知無線電學習過程的研究，Mitola博士提出了認知循環的概念，如圖1所示，認知循環由頻譜感知、頻譜分析、推理、學習和傳輸調整這五個認知步驟構成。

圖1 認知循環

1.1.1 頻譜感知

頻譜感知作為認知無線電最重要的技術，其目的在于發現授權用戶不在使用的空閑頻譜，以便認知無線電動態的接入空閑頻譜進行通信。外部無線環境復雜多變，整個電磁環境也隨之不斷變化，因此，認知無線電需要在整個感知頻段內從多方面持續快速的對無線頻譜資源進行感知，然后發現空閑頻譜，上報授權用戶頻譜使用狀況，進行下一步頻譜分析與決策。

1.1.2 頻譜分析

認知無線電在感知到空閑頻譜后下一階段就是進行頻譜分析，按照Mitola博士認知無線電的內容，頻譜分析是針對網絡運行情況、外部環境因素（電磁環境監測信息和通信策略等）、自身性能和無線設備的Qos要求等相關信息的分析。通過分析，一方面能夠對有效信息進行初步的處理，另一方面能夠獲得授權用戶信道的統計信息，比如信道狀態、授權用戶的網絡狀況、頻譜帶寬和系統所容忍的最大干擾性能等。

1.1.3 推理和學習

因認知無線電通過對外界無線環境進行學習、推理和預測，能夠給出復雜時變的無線電環境的最佳決策方案。通常推理和學習可分為三種：(1) 簡單模型推理，采用固定的學習規則，對輸出進行完全預測，這種推理方法簡單但可靠性差；(2) 負責模型推理，采用一些模糊的學習規則，對輸出進行不完全預測，這種推理方法可靠性高，但是環境適應性較差；(3) 基于學習的模型推理，認知無線電可以再工作中不斷地調整模型的參數，從而獲得適應當前環境的較好預測[1]。

1.1.4 傳輸調整

傳輸調整是完成無線傳輸的關鍵環節，認知無線電根據檢測和分析獲得的預測結果，通過無線電設備先進的功率控制技術、編解碼和解調等技術，調整自身的發射參數，選擇合適的頻段和發射時機，從而成功的完成數據傳輸。這對認知無線電的協調性能提出了很高的要求，要求認知無線電能夠根據感知信息在寬帶頻譜范圍內無縫的變換傳輸模式，并且在突發信號消失和重現發生后能夠快速做出停止和恢復操作，確保在不干擾授權用戶的情況下獲得最大限度的傳輸性能。

1.2 認知無線電關鍵技術

從圖1認知循環能夠看出，從頻譜感知到頻譜分析、推理學習再到最終的傳輸調整過程，四個環節緊密交聯，從而實現了對無線電環境的智能認知過程。頻譜感知的目的在于發現授權用戶不在使用的空閑頻譜，以便認知無線電動態的接入空閑頻譜進行通信[1]。為了避免干擾授權用戶，在授權頻譜進行數據傳輸的時候，認知無線電需要快速精準的對出現信號進行探測，然后做出分析決策和新頻段的切換，以便在網其他授權節點的通信保障。通過持續對外界無線環境進行探測，能夠提高頻譜感知的性能，其中，虛警概率和檢測概率是衡量頻譜感知性能的兩個重要指標，虛警概率反映了認知無線電對頻譜的利用能力，虛警概率越低，認知無線電的頻譜利用率越高；檢測概率則反映了認知無線電對授權用戶的干擾，檢測概率越高，認知無線電對授權用戶的干擾越低[1]。針對數據鏈應用方面，數據鏈可使用的頻帶即包括已經授權給該數據鏈端機所能夠使用的頻段范圍，因此，在有限的頻譜資源環境和外界強干擾的環境下，如何保證在網成員穩定可靠的通信保障，這就需要使用頻譜感知、分析和決策來選擇當前可用的最佳頻段，然后配置數據鏈系統進行頻段切換。

頻譜感知是認知無線電得以實現所有功能的前提，是為智能化分析決策做準備的基礎環節[2]，尤其近年來數據鏈應用的不斷發展，綜合化一體化端機的研制需求，多鏈融合平臺型譜統一已經是迫切需要解決的數據鏈系統難題，因此，研究有限頻譜資源下數據鏈系統應用層面的頻譜感知技術對于未來數據鏈發展有著重大意義。

2 頻譜感知和自適應變速

2.1 數據鏈系統組成

如圖2所示是本文所研究的某數據鏈系統硬件連接關系，包括顯示控制電腦、數據鏈端機和天線。其中數據鏈端機主要由四部分組成，包括信息處理模塊、信號處理模塊、功放模塊和電源模塊。信息處理模塊，一方面負責接收控制電腦下發數據并解析打包處理給信號處理模塊，另一方面將來自信號處理模塊的信息進行反解析調度上送給顯示控制電腦；信號處理模塊，一方面將信息處理模塊下發的數據進行優先級調度排隊按照與FPGA接口進行發射，另一方面從物理層接收消息解析處理再上送給信息處理模塊，同時還包括校時、跳頻跳時相關設置與維護等信息。

圖2 系統連接關系圖

數據流如圖2箭頭所示，顯示控制電腦下發參數和發射數據，通過數據鏈端機信息信號處理后交給功放射頻前端，在通過天線發射到無線空間中；然后經過無線鏈路，對端數據鏈端機天線接收到信號后通過射頻前端功放交給信號信息處理模塊處理，在通過接口上送給顯示控制電腦進行結果顯示。

2.2 時頻域圖案

在以網絡為中心的信息戰環境下，作戰方式帶有系統對抗的特征。從信息的偵察感知、安全傳輸、武器控制、精確打擊到最后的可靠評估，信息的獲取和有效利用成為敵我雙方對抗的核心因素，制信息權和制空權、制海權一樣，成為戰爭勝負的關鍵。對于奪取制信息權的信息戰而言，C4ISR（Comand Control Communications Computers Intelligence Surveillance and Reconnaissance）是物質基礎，通信系統是C4ISR的神經，也是最容易暴露和受攻擊的環節。

數據鏈系統在設計階段，就會根據技術水平、應用需求、使用場景和平臺結構對信號處理和射頻相關模塊進行定制，限定該型數據鏈端機所工作的頻段范圍，一旦分配好頻段后，該型數據鏈端機就只能夠在該頻段范圍內進行通信，無法在其他頻段進行通信。為了使信息能夠安全可靠傳輸，必須在無線通信手段中采用各種抗干擾技術。數據鏈端機主要采用各種擴頻的、非擴頻的、時域的、頻域的、功率域的抗干擾技術與措施，本文主要以時域和頻域方面的抗干擾技術進行說明。

圖3是固定跳頻跳時圖案和根據時間隨機產生跳頻跳時圖案的示例圖，數據鏈端機通常采用右側的方式作為抗干擾方式，按照特定時間或密鑰高速快變的隨機產生跳頻跳時值用于網絡通信，可以保證即使敵方監聽也難以輕松破解。

圖3 跳頻跳時圖案示例圖

圖4 干擾下的頻譜示意圖

圖4是根據設計好的通信圖案發射的頻譜示意圖，假設當前敵方在1-4頻點進行了干擾，如何自動偵察當前1-4頻點被干擾，或者在更為嚴苛的條件下，敵方干擾是按照圖4所示的滑動窗口進行左右滑動的，那么怎樣有效的統計當前被干擾頻點，并且進行相應的頻譜決策，更改頻點組合通信圖案，保證盡量少用或不用被干擾頻點，保障正常通信，這是本文要解決的重點。

2.3 頻譜感知算法

針對某數據鏈通信系統網絡運行及干擾情況下的跳頻跳時圖案設計方式，本文設計了一種基于物理層信道統計并結合嗅探消息機制的頻譜感知算法，其算法流程如圖5所示。

圖5 頻譜感知算法流程圖

圖6 自適應速率算法流程圖

系統開機后，變頻線程啟動，判別當前數據鏈通信節點網絡成員及模式狀態，如果當前已入網且網絡成員數大于1且是變頻模式，根據時隙中斷獲取10ms的變頻信號量，獲取到信號量后，根據與FPGA的中斷接口獲取FPGA對信道干擾頻點的統計，記錄10次，然后對10次的統計數組按照滑窗策略解析干擾頻點并統計 10次中每個干擾頻點出現的次數，如果統計次數大于8次，將干擾頻點放到本地統計結果集的16bit相應位上(代表的含義是某位置1則該頻點80%概率受到干擾)，判斷變頻發起或應答方(變頻請求發起方會生成頻率感知請求消息并廣播發送)，如果當前系統時間使 100ms倍數且不可發送請求和應答消息，則對發送接收標志和遠端統計結果清零，結束流程；如果前系統時間是100ms倍數且可發送請求和接收應答為1或可發送應答和接收請求為 1，如果本地統計結果的平臺類型是地面，則將本地統計結果賦值給最終統計結果，如果遠端統計結果的平臺類型是地面，用最終統計結果異或遠端統計結果，從最終統計結果計算受干擾的頻點且變頻標志置 0，然后判斷是否是變頻的發起或應答方，如果接受的請求或應答數小于6次或接收請求或應答的次數不滿足90%且干擾頻點中有當前正在使用的頻點，則需要變頻，置變頻標志為 1，否則變頻標志置 0。判別變頻標志，如果是1，則按照當前系統時間的十位數模8加上2計算出新的頻點，根據新產生頻點計算跳頻跳時圖案并更新到相應接口中，記錄當前頻點，對發送接收請求應答標志和遠端統計值清零，結束流程。

2.4 自適應變速算法

傳輸速率作為衡量數據鏈系統數據傳輸能力的重要指標，主要依賴于傳輸設備的性能好壞。傳輸速率指標主要包括碼元傳輸速率、比特傳輸速率和數據傳輸速率三種定義，其中比特傳輸速率較為常用。

比特傳輸速率指的是單位時間內傳輸二進制比特的個數，簡稱比特率，單位為bit/s或bps，計為Rb。

碼元傳輸速率是信道上單位時間內傳送的信號波形的個數，計為RB，單位為波特（Baud）。

比特傳輸速率與碼元傳輸速率之間的關系為：Rb=RB*H(bps)，其中H是每個符號所包含的平均信息量，當各個符號等概率出現的時候，取最大值log2M，M為碼元的進制數。

在數據鏈系統設計時，針對不同距離、可變距離和抗干擾等通信保障問題會設計支持多種速率的波形，如Link-16數據鏈的信息傳輸速率就包括28.8kbps、57.6kbps、115.2kbps三種速率，針對這三種速率Link-16可以選擇性的配置，達到根據應用需求和不同距離下的正常通信。

本文假設涉及的某數據鏈系統波形包括2Mbps和500kbps兩種速率，其中2Mbps速率傳輸信息容量大但傳輸距離近，500kbps速率傳輸信息容量小但是傳輸距離遠，針對遠距離無法通信和近距通信良好速率提升的需求，本文設計了一種在可變距離情況下基于嗅探消息機制的自適應變速算法，并在實驗室模擬變距情況下進行了有線和無線測試，滿足系統性能指標，其算法流程如圖6所示。

系統開機后，變速線程啟動，判別當前模式和下發業務消息每秒統計，如果大于0則是嗅探ACK發送方，同時設置消息速率為 500kbps，否則是嗅探消息發送方，獲取500ms時隙中斷釋放的處理變速信號量，如果中斷信號量異常結束本輪算法，否則獲取當前信息傳輸速率。如果當前是2Mbps速率且單位時間接收到2Mbps統計大于0，計算（遠端單位時間內接收消息個數/單位時間內收到的2Mbps應答數）的比率，如果遠端接收狀況達不到發送的 75%或單位時間內沒接收到 2Mbps的應答消息，切換速率為 500kbps，否則切換為 2Mbps，如果當前是500kbps速率且單位時間接收到2Mbps統計大于0，計算（遠端單位時間內接收消息個數/單位時間內收到的2Mbps應答數）的比率，如果遠端接收狀況達大于發送的80%，切換速率為2Mbps，否則切換為500kbps，結束算法流程。

3 結語

通過認知無線電頻譜感知相關技術的研究，結合數據鏈系統應用和未來發展趨勢，針對靜態頻譜分配策略下的有限頻譜資源問題，設計了基于信道統計的數據鏈頻譜感知算法和基于嗅探技術的自適應速率算法，實現有限頻段干擾狀態下的自動頻譜感知和切換策略，實現多速率模式模擬拉距環境下自動速率變換策略，且通過某數據鏈系統多臺組網測試，達到無線環境干擾和變距情況下的高效、自動、可靠通信保障。