基于人工神經網絡的艦船通信信道均衡控制方法

摘要：艦船通信是保證艦船正常運行的基礎，隨著無線技術的發展，我國的艦船通信技術也在不斷地進步，但仍然存在通信信道控制問題，傳統的艦船通信信道控制方法存在較大的信道控制偏差，無法滿足目前的艦船通信需求，因此需要基于人工神經網絡設計新的艦船通信信道均衡控制方法，首先采集了艦船通信信道控制數據，其次基于人工神經網絡構建了艦船通信信道均衡模型，最后設計了艦船通信信道均衡算法，從而實現了艦船通信信道均衡控制，進行實驗，結果表明，設計的艦船通信信道均衡控制方法的均衡控制指標較高，證明其控制效果較穩定，具有有效性，有一定的應用價值，可以作為后續艦船通信信道控制的參考。

關鍵詞：人工神經網絡;艦船通信;信道均衡控制

一、引言

隨著科技的發展，我國的通信技術逐漸成熟，在各個領域都得到了廣泛的應用，但由于我國通信技術研發起步較晚，目前海上通信仍然較薄弱，艦船通信是保證艦船正常運行的重要部分，能實現艦船與岸上指揮所進行有效的通信[1]。研究人員結合艦船的通信需求規劃了艦船通信要點，即務必要保證艦船通信的實時可靠性，提高艦船通信的保密性[2-4]。目前很多艦船使用短波無線通信作為主要的通信方式，該通信方式能最大限度地降低通信電波損失，提高艦船通信質量，但容易出現信道不均衡問題，導致艦船通信故障[5]。

傳統的艦船通信信道控制方式保證通信信道的均衡性，人工神經網絡可以構建抽象的輸出控制模型，增加控制穩定性，因此本文基于人工神經網絡設計了新的艦船通信信道均衡控制方法，為保證后續艦船通信質量作貢獻。

二、艦船通信信道均衡控制方法

（一）采集艦船通信信道控制數據

本文設計的方法使用DTH11傳感器采集艦船通信控制數據，并將采集的數據使用間隔均衡法間隔開，首先將DRH11傳感器與艦船通信采集系統相連[6]，再由DRH11傳感器不斷地將采集到的控制數據輸送到采集系統中，接收到來自傳感器的數據信息后，該信號采集系統需要立即使用解碼技術進行擴頻處理[7]。為了進一步判斷異常控制數據的類型，保證提出的有效性，該數據采集系統預先進行了信道假設和信道模擬，從而提取異常數據信息，在約束作用下，采集到的初始數據不斷完成多普勒響應，產生了數據劃分分界點，滿足分界點要求的數據稱為有效通信數據，會被數據采集系統保留，進一步用于通信，不滿足分界點的數據則會被剔除，避免其對后續通信造成干擾。

處理后的數據首先通過濾波器發送到通信信道中，然后由接收濾波器進行接收，再傳輸到均衡器中進行均衡處理，完成異常數據的剔除[8]。經過多次分析發現，傳播異常數據主要由碼間干擾產生，為了進一步提高采集的通信數據質量，需要設置碼間干擾抑制序列，將該序列輸入到信號濾波器中，可得到初始化數據濾波函數。

為了保證處理后數據的質量，本文還進行了異常數據檢測，即經剔除處理后的數據集使用頻譜特征提取法進一步檢測是否存在異常數據，最大限度地提高艦船通信質量，因此可以繪制異常數據節點分布圖，由于異常節點經常會出現休眠端和Sink端，因此可以使用干擾節點完成異常數據過濾。在使用小波變換法將出現異常的通信信道控制數據分解，即可有效地檢測出目前數據中存在的狀態參數，實現通信信道異常控制數據的剔除。

（二）基于人工神經網絡構建艦船通信信道均衡模型

傳統的艦船通信信道控制過程中經常受控制穩定性影響，造成通信信道不均衡，因此本文使用人工神經網絡，設計了艦船通信信道均衡運算模型，利用各個信道節點的權重關系實現通信信道均衡控制。

研究發現艦船通信信道均衡控制受外界因素的影響很容易出現通信差值，嚴重限制了控制均衡性，因此在構建艦船通信信道模型前首先需要進行信道均衡計算，基于此，設計的艦船通信信道均衡模型如下（1）所示。

公式（1）中，K代表艦船通信信道數據總量，、均代表艦船運行通信參數，E代表艦船通信頻率，在均衡模型使用前，需要選取正確的信道參數，因此可以根據傳播通信數據總量進行計算，確定通信信道內質點單元的總數，使用參數比重計算公式完成信道均衡參數的計算。

在模型使用過程中，如果出現了鏈路擁塞線性，可以使用間隔匹配法對現有的信道均衡控制模型進行優化，修復存在鏈路擁塞的部分，實現均衡化迭代。在優化初期可以使用定量分析法依次調整艦船通信過程中可能出現的擁塞節點，然后計算信道的吞吐量和實際傳輸延遲，進一步控制網絡擁堵現象。在修復的基礎上，還可以設計通信信道均衡控制協議，結合艦船通信信號數量設計數據包轉發控制函數，實現艦船通信信道均衡控制，降低控制過程中可能出現的誤差，提高控制穩定性。

（三）設計艦船通信信道均衡算法

實現艦船通信信道均衡控制還需要設計艦船通信信道均衡算法，設計的艦船信道均衡算法設計時可以分成幾個不同的層次：

第一是數據獲取層，該層可以不斷獲取艦船運行過程中產生的通信數據，并不斷進行分類篩選，完成艦船信號的識別及均衡，為了提高數據獲取的有效性，該層內部設置了選擇均衡模塊和參數計算模塊，避免出現數據獲取偏差導致的數據控制失衡問題，該層使用了Connectivity設計的數據分離系統，保證數據分離效果，提高艦船通信信道的均衡性。

第二層是信號識別層，可以不斷將采集到的艦船通信數據輸送到分離系統中，并使用相應的控制算法進行計算，該層內部包括了驅動模塊和信號識別模塊，能保證信道均衡效果。

第三是均衡器選擇層，該層可以根據不同的通信狀況調節計算機反饋參數，增加網絡信道的均衡性，第四層是參數計算層，可以根據艦船通信信道的狀態設置反饋參數，完成通信信道的均衡計算，該層可以將上述全部層次結合起來共同實現減產通信信道均衡控制，基于此設計的艦船通信信道均衡算法如下（2）所示。

公式（2）中，A代表信道綜合頻率，H代表初始相位，k代表載波頻段，r代表信道增益。

為了保證該算法的使用有效性，本文搭建了信道均衡控制平臺，首先設置了該平臺的信道編碼，使用計算機進行參數調控，為了進一步保證控制算法的合理性，本文在該平臺內還設置了信道估計和參數調整模塊，在計算時該平臺可以不斷識別艦船控制編碼，為計算提供有效的參數。

三、實驗

為了檢驗本文設計的艦船通信信道均衡控制方法的控制效果，本文搭建了相關的實驗平臺，將其與傳統的艦船通信信道控制方法進行對比，實驗如下。

（一）實驗準備

本實驗選取Netcon系統作為通信信道控制效果檢驗系統，該系統主要通過以太網實現信道控制與傳輸，系統內部使用matlab構建了標準化控制組件，為了增加系統的信道控制效果，該系統還額外添加了ARM+linux作為綜合控制執行器，由于該系統在實驗過程中需要不斷監測現有數據的狀態，因此可以在該系統內部添加NetCon控制組件，最大限度地提高系統的測試效果。

為了模擬艦船運行過程中的通信信道狀態，本文在實驗之前進一步優化了系統的開發流程，提高了系統的真實模擬效果，該系統在工作時的工作特點如下：

第一，該系統主要使用Ethernet通訊方式進行通信，為了進一步實現遠程通信控制該系統使用了TCP/IP協議。

第二，該系統內部使用MATLAB+Simulink+RTW進行無縫集成，使用MATLAB進行綜合建模，降低了艦船通信信道模擬的難度，為了實現動態化控制，Netcon系統還搭建了MATLAB/Simulink集成框架，便于整個測試模塊的及時修改。

構建了標準化測試模型后，可以使用指定的控制組件將現有的模型翻譯成動態實時模型，執行標準控制規則，實現控制硬件自動化選擇，在測試時僅需要點擊鼠標即可完成編碼，采集下載實驗數據，進行精準的數據分析，結合設計的Netcon系統，選取測試使用的通信信道，參數如下表1所示。

由表1可知，上述通信信道需要使用網絡化控制器處理后輸入測試系統中，該網絡控制器由AT91RM9200處理器組成，內部使用I/O接口，該控制器使用EAB總線與通信信道相連，控制器內部的引腳信號說明如下表2所示。

由表2可知，該控制器能實現RS-232電平轉換，并使用MAX232實現串行通信，結合上述通信信道參數及引腳引號，可以設計艦船通信信道控制指標計算式，如下（3）所示。

公式（3）中，d代表初始信道控制參數，f代表實際信道控制速率，h代表信道控制均衡系數，標準的艦船通信信道控制指標數值為1，計算出的艦船通信信道控制指標越接近1則證明控制效果越好，反之則證明控制效果較差。在實際測試過程中可能會受到以太網接口限制出現控制集成問題，此時可以使用AT91RM9200添加MAC控制器，使其支持IEEE802.3 CSMA/CD協議，降低控制集成風險。

（二）實驗結果與討論

在上述實驗準備基礎上，分別使用本文設計的艦船通信信道均衡控制方法和傳統的艦船通信信道控制方法對上述選取的信道進行控制，并使用公式（3）分別計算兩種控制方法的控制指標，計算結果如下表3所示。

由表3可知，本文設計的艦船通信信道均衡控制方法計算的控制指標數值與標準數值1較擬合，因此證明本文設計的艦船通信信道均衡控制方法的控制效果較好，具有有效性。

四、結束語

綜上所述，艦船通信是保證艦船正常運行的關鍵，隨著無線通信技術的發展，我國大部分艦船均使用短波通信，但在短波通信過程中經常會出現通信信道不均衡問題，傳統的艦船通信信道控制方法無法保證通信信道的均衡性，常常產生嚴重的通信故障，因此本文基于人工神經網絡設計了新的艦船通信信道均衡控制方法，進行實驗，結果表明，設計的艦船通信信道均衡控制方法的控制指標較高，證明其控制效果較好，具有有效性，有一定的應用價值，可以作為后續艦船通信的參考。

作者單位：申乃軍? ? 江蘇自動化研究所

參? 考? 文? 獻

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