基于认知无线电的新一代短波ALE系统*

周 陬 陶 伟

(广州海格通信集团股份有限公司1) 广州 510656)(华南理工大学电子与信息学院2) 广州 510640)

1 引言

短波通信又称高频(HF)通信。由于技术成熟,制造简单,价格便宜,短波通信在国民经济中得到了广泛应用[1]。同时,由于电离层的“抗毁性”,短波始终是军事指挥通信的重要手段之一。但短波也存在明显的缺点,如可用频段窄,容量小;天波信道时变性强,传输稳定性差;天电干扰严重,可靠性易受干扰影响等。为了改善现状,研究人员开发了短波自适应通信技术,又称自动链路建立(ALE:Automatic Link Establishment)技术,到目前已经发展到第三代ALE(3G ALE)。但随着设备使用越来越多,短波频段越来越拥挤,即便是具备ALE能力的电台,其可用性也不可避免受到较大影响。

随着技术的进步,认知无线电技术的诞生对传统的频谱分配模式产生了革命性的影响,同时也给短波通信带来了新的机遇,本文分析了短波ALE通信的现状及挑战,提出了基于认知无线电的新一代短波ALE系统的设想。

2 2G与3G ALE系统

自适应是系统为适应环境不稳定而被赋予的一种调整自身参数的能力。由于电离层的不均匀性和时变特性,使得频率选择对于短波通信非常重要,而人工选频不仅时效性低,且难以做到非常准确。短波自适应技术有效地解决了这一问题。其核心是链路质量分析(LQA)技术,它能探测并估算信道的信噪比,多径扩展、多普勒扩展等参数。在此基础上,短波自适应通信系统已经实现了自动链路建立(ALE)的功能,ALE已成为现代短波电台必备的功能。

上世纪80年代初,国际各大短波通信厂商自行开发了多种互不兼容的短波自动建链设备,多数基于异步扫描,统称为第一代ALE。80年代中期,美军在这些系统基础上组织制定了MIL-STD-188-141A[2]标准,这就是直到今天仍在使用的2G ALE体制。

2G ALE采用8FSK作为调制方式,其建链过程包括在主呼方选定的业务信道上进行的三次握手:每次呼叫都需要在当前呼叫信道上驻留足够的时间,以保证扫描接收方能收到呼叫并停止扫描,收到呼叫后,被呼方将发出一个回复,表明呼叫信号被正确接收,主呼方则送一个应答信号来结束握手。

2G-ALE标准规定由主呼方依据一定的规则确定信道,不同系统采用的信道选择机制不尽相同,但通常都是根据信道参数进行评分和排序,可以是基于电离层传播模型的预测或监测数据,也可以利用单向或双向的链路质量分析,对信道的评分和排序进行更新。

到90年代中期,2G-ALE的不足开始逐渐凸显,例如建链时间偏长、与调制解调器的兼容性不够好等,于是开始了2G-ALE的改进工作,并由此产生了3G ALE标准体制,也就是美军标MILSTD-188-141B[3]和北约标准化协议 STANG-4538[4]中规定的内容,目前支持3G ALE的短波电台已经在世界范围内广泛应用。3G ALE的快速建链协议是一个同步系统,其网络中的所有节点均按照固定的时间节拍对一个预设的频率/信道集进行扫描,扫描时,接收机将会在每个信道上驻留一定时间。3G-ALE采用双向呼叫/应答的握手方式,基于高鲁棒性的串行突发8PSK波形。

表1给出了2G和3G ALE在部分重要技术指标上的对比。

表1 2G和3G ALE重要技术指标对比

根据目前的现状来看,当前短波通信面临的主要挑战包括:1)短波传播模型及其时变特征预测技术的局限性;2)传统信道分配模式对于整体带宽利用率的局限性;3)短波ALE系统在实际应用中的不足;4)以互联网为代表的新的组织应用模式如何与短波通信相结合。面对这些挑战,认知无线电技术对于短波通信显然具有极大的吸引力。

3 认知无线电及动态频谱接入

认知无线电是一个能对各种外部影响和变化趋势产生响应的技术的集合。过去20年通信行业的大增长创造了一系列无限扩展的产品和应用,各种新应用对通信的带宽和质量提出了日益迫切的需求,也对传统的频谱分配模式产生了巨大的压力。同时,通信业务、服务、应用的多样性、集约化的产品发展趋势对用户也造成了更多的认知和识别的工作量,可见市场对通信设备的灵活性、自适应能力和智能性提出了更迫切的要求。

因此,满足上述市场需求则成为认知无线电技术研究的目标。认知系统在信息感知的基础上增加了更多的自适应元素,例如具备并维持一个具有状态和记忆效应的环境模型,一定程度的学习能力和自治能力[5]等,尝试通过智能技术手段和自适应技术的组合实现稀缺、多变的频率资源向高效率、持续可靠的通信资源的转变,如图1所示。

短波电台的ALE有时会作为认知无线电能力的的早期范例[5],它通常利用了感知、探测和监测等技术以实现对信道占用状态和质量的评估,选择合适的频率建链。这一功能已经成为对短波电台自适应能力的标准表述;随着技术的进步也出现了一些ALE扩展技术,例如通过电离层传播过程的建模和预测、通过采用实时探测来调整对传播模型的估计、或者通过部分信道特征实现对其他信道特征的智能推理等,这些扩展技术也常常被有争议地划入认知领域的范畴。在个人移动通信系统中广泛应用的一些策略如功率控制等技术也沿着这一演进路线逐步出现。与此同时,在经济杠杆的强大推动力下,认知技术主流发展方向则集中于动态频谱接入(DSA:Dynamic Spectrum Access)领域。原因在于频谱竞争形势已经出现并将不断恶化。

DSA技术基于以下推理:美国联邦通信委员会(FCC)的调查显示目前已分配频段的实际利用率出人意料地低下[6],因为传统的频谱分配方法造成了不必要的浪费,因此,利用更多的智能技术来自动判断、选择并运用信道,以提高频谱资源的利用率,提升通信容量是有可能的。

图1 认知无线电概念示意图

对DSA技术的前一阶段研究已经确立了原有/授权用户和认知用户的概念。传统上使用频率共享过程如下:认知用户在使用特定频率前要检测该频率上是否存在原有/授权用户正在进行的传输信号。DSA则通过对信道的自动化监测、选择和使用扩充了这一概念,在典型的DSA系统中,认知用户的监测节点收集正在通信的信道或频段信息,用于寻找“白空”[7](亦称为“频谱空洞”)。

频谱空洞本质上可以理解为一个在时间、频率、空间域上多维有界的区域。认知用户可以在时间、频率、空间上,以分集的形式实现与原有/授权用户的相互隔离,避免干扰。DSA技术企图在一定的频谱范围内增加容量,空间分集是其中的关键。若能保证原有/授权用户和认知用户间有足够的距离,即可将认知用户对原有/授权用户的潜在干扰控制在可接受的范围内。这一原理可以形象地理解为:一个装满石块的瓶子仍然有足够的空间可用于装填沙子。同样的,空间分集的目标也就是试图通过对频率的复用来增加系统容量。

在实际应用中,要想获得额外的容量,认知网络的设计必须避免对原有/授权网络的干扰并且其探测必须充分可靠。这一要求能否实现及其系统参数范围的确定,需要复杂的设计方法,其中最具挑战性的是对认知用户和授权用户之间各种路径损耗的估计。一般而言,路径损耗一定程度上随传播距离的增加而递增,然而这一结论对于短波通信几乎无效。因为对于除海平面之外的地波通信,不同的地形将极大地影响其路径损耗。对于天波问题则更严重,其信号覆盖区域常常是非连续的。基于这一原因,DSA在短波上的应用前景并不乐观。

根据上述讨论,显然不能将DSA技术中蕴含的认知无线电思想简单移植到短波系统,但是认知无线电思想不可避免会给短波通信带来新的机遇:1)软件无线电技术。该技术为短波通信系统的性能优化和指标提升带来了一系列的新的机遇;2)将电台作为一种可重构的信号处理平台的设计思想,可以通过增加学习推理模块和嵌入先验知识库的方法实现智能通信;3)增加电台的智能性可以极大改善系统性能,不仅是降低电台操作复杂性的需要,也可以结合智能学习功能极大地改善系统的可靠通性能。

4 新一代ALE系统

基于前面的讨论,本文认为新一代ALE系统应该重点改善短波通信的可用性,给用户提供更好的整体性能。具体可从以下四个方面入手:频率管理、信道选择、链路建立和链路维护。

频率管理和信道选择技术应该提供更高传输质量和更高通信容量的信道,这也是与频率资源的有效利用能力密不可分的。

链路建立机制的改进方向应该是减少建链时间,从而将更多的时间用于数据传输,增加可提供给用户的系统容量,同时还应更有效地提升冲突避免能力,以便支持大载荷的网络传输业务。

链路维护机制的改进应能提供简单而有效的快速改变信道的方法,以避免当前信道质量突然恶化。

在新一代ALE系统中,频率管理负责在网络部署时分配各电台可以使用的信道资源,其频率规划是根据网络拓扑结构确定的各节点联接关系来制定的。ALE的部署完成后,还要进行信道选择。主呼方需要确定双方之间通信效果最好的信道。目前大多数ALE系统实现时均采用针对信道和目标节点的评价机制来确定。一旦选定了信道,就可以开始呼叫、建链过程。在通信过程中链路的质量可以重新评估,并可以及时拆链,选用通信质量更好的信道重新建链。

表2列出了可能入选新一代ALE体制的技术设想,并给出了其优劣分析。

表2 新一代A LE系统可能的关键技术突破方向

续表2

5 结语

本文给出了2G和3G ALE的概述,探讨了认知无线电和DSA技术应用于短波通信的可行性,提出了以进一步改善短波系统可用性为整体目标的新一代ALE系统设想,并指出了新一代ALE可能的关键技术和发展方向。

[1]张尔扬,王莹,路军.短波通信技术[M].北京:国防工业出版社,2002:3

[2]MIL-STD-188-141A:Interoperability and Performance Standards for Medium and High Frequency Radio Systems

[3]M IL-STD-188-141B:Interoperability and Performance Standards for Medium and High Frequency Radio Systems[S]

[4]STANAG 4538.Technical Standards for an Automatic Radio Control System(ARCS)for HF Communication Links[S].Edition 1,North Atlantic Treaty Organization,2000

[5]Polson.Cognitive Radio:The Technologies Required[M].B.Fette(ed.),Cognitive Radio Technology,Burlington,M A:Elsevier,Inc.,2006

[6]M.McHenry.NSF Spectrum Occupancy Measurements Project Summary[M].Shared Spectrum Company,Aug.2005

[7]张雯.认知无线电中频谱检测的空域研究[D].西安:西安电子科技大学,2007