短波组网协作频谱感知技术研究*

杨 敏,周治中

(中国电子科技集团公司第三十研究所,四川成都610041)

短波组网协作频谱感知技术研究*

杨 敏,周治中

(中国电子科技集团公司第三十研究所,四川成都610041)

短波通信由于通信距离远、顽存性强等优点而广泛应用于军事通信领域。为增强短波组网通信的抗干扰性能,将信道感知技术与短波组网相融合,提出了一种基于协作感知技术的网络频率自适应技术。该技术在初始组网时,能正确、快捷的从频率库中选出适用于整个网络的最佳工作频率;在网络运行过程中,根据频率的质量变化情况,及时地调整工作频率。OPNET仿真表明,该协作感知技术有效,对通信性能改善明显。

短波通信 认知无线电 协作感知 OPNET仿真

0 引 言

近十多年来,无线通信技术发展迅速,数量庞大的无线通信设备随之涌现,频谱资源日趋紧张。在现有的频率使用规则下,频谱资源分配给特定的授权用户,而非授权用户则无法使用。这种分配方式不尽合理,并一度给无线系统设计人员与电信规则制定方带来了困扰,但是联邦通信委员会(FCC)近期的一项频谱使用调查却表明:授权频段在大部分时段并未使用,而是处于空闲状态。

为有效解决频谱资源紧张与频谱利用率不高的矛盾,认知无线电技术(CR)应运而生[1]。

1999年,软件无线电奠基人、瑞典皇家理工学院J.Mitola博士在软件无线电(SR)的基础上提出了认知无线电的概念[2]。CR是一个智能无线通信系统。它能够感知外界环境,并使用人工智能技术从环境中学习,通过实时改变某些操作参数,如传输功率、载波频率和调制技术等,使其内部状态适应接收到的无线信号的变化,以达到在任何时间、任何地点都能可靠通信、有效利用频谱资源的目的[3]。

认知无线电的关键技术主要包括以下3个方面:即频谱感知检测技术、自适应传输技术、频谱资源管理技术(包括频谱分析和决定等),这些关键技术构成了认知无线电的核心功能[4]。

短波通信抗毁性强,设备简单,使用方便,无需中继便能实现中远距离通信,因此被广泛地用于军事通信[5]。美国把短波信道作为战略、战术的主干线和二级线路。北约也将短波通信作为超视距通信的重要手段。在某些特殊情况下,特别是在战争中短波通信是唯一的通信手段。但是,短波可用频段窄、容量小、用户多、干扰严重、可靠性差,所以短波工作频率的选择是短波通信的关键。

认知无线电技术具有感知外界环境,调整载波频率以提高通信效率、提高频率利用率等功能,因此认知技术在短波通信中具有很高的应用价值。

本文针对短波地波、海面波的应用环境,提出一种基于协作感知的网络频率自适应技术,并进行了OPNET仿真。

1 短波组网协作感知策略

1.1 现有技术分析

为克服短波不稳定、易受干扰的缺点,研究人员先后研制出了基于异步方式的第2代自动链路建立技术(2G-ALE)及网络容量更大组网更加快捷的第3代自动链路建立技术(3G-ALE)。

在短波网络中,工作频率的选取关系到网内各节点相互间的可达性及网内数据传输的效率。在3G-ALE中,广播或组播信道是由呼叫节点根据本地的侦听结果进行选取并通知[6],这种方式能识别某信道是否被占用,在一定程度上能避免网内的相互干扰。但是这种方式存在如下缺点:

1)呼叫节点指定的信道对于全网来说不一定是最佳的信道。

2)当工作频率质量变差时,无快速反应的频率更换机制。

本案提出的协作感知自适应技术能有效的解决上述问题[7]。

1.2 协作感知

对于地波或海面波而言,各台站信道条件类似,但由于存在友台或是敌台的干扰等,各节点的频率质量情况可能有差异。协作感知根据网络的运行阶段实现2个目标:网络初始信道选择、网络运行中信道更换。

(1)初始信道选择

网络初始信道选择是指在网络建立时,各个节点分别以空闲侦听或链路质量统计的方式进行本地信道感知。丛台站在扫描探测阶段将本地质量进行全网广播,因而在网内建立起节点对之间的信道质量表。主台站接收到各台站的信道质量广播后,对频率质量进行综合,根据信息融合算法选取一个最适合全网的工作频率。频率的选取应该参考各台站的频率质量分布情况以及网内的业务类型,选出的频率不一定对每个台站来说是最佳的频率,但是综合全网或是针对特定的业务(如声码话)考虑,该频率是最佳的信道。

信息融合时采取决策软融合策略,该策略考虑到了不同信道条件下各节点的检测结果可信度有差异,并且能够在协作增益和开销之间取得合理的折中,典型的算法包括2bit量化决策加权软融合算法、动态决策加权融合算法等。

主台站选出最佳工作频率后,进行全网频率分发。频率分发策略参考频率库中的频率个数:若频率库中频率较少则在每个频率上进行换频信息的冗余发送;若频率较多则根据频率的分布情况,每一小段选择若干频率进行发送。所以,对于每个丛台而言,只要频率库中有一个可通频率,则换频信息即可送达。

这种初始信道选择方式解决了依赖网内某节点信道质量进行频率选择的不足。

(2)网络运行频率更换

网络运行中频率的动态更换是短波组网频率策略的一个重点与难点。在3G-ALE中当频率不可用时时需要拆除链路重新选择工作频率;当频率库中有更好的频率时,本次业务也不会将其选用。

在此,提出一种伴随业务的频率动态更换的协作感知方法。

网络以TDMA的方式运行,依据时间划分出自适应时隙、业务时隙等。各台站以TDMA的方式占用自适应时隙。在自适应时隙,各台站完成对已知或未知信道的感知及汇聚,主台站对信息进行融合后作出频率更换决策。从台站接收到频率决策后,作为中继节点对该决策进行转发。

该协作感知过程如图1所示。

图1 网络运行频率更换协作感知示意Fig.1 Cooperative spectrum sensing of the frequency replace in net operation

上图以4个台站为例说明了频率动态更换的协作感知过程。

1)主台站每次连续使用2个自适应时隙,每隔两个自适应时隙使用一次;其余台站每次轮流使用一次自适应时隙。

2)在业务时隙,有业务传输时各接收台站进行链路质量统计;无业务传输时,各台进行信道侦听。

3)从台站接收到换频决策,且换频时刻尚未到来,则在自适应时隙将其进行转发,以增强频率信息传输的可靠性;若没有接收到换频决策,则发送本地的信道质量及侦听情况;网内其余台站均在自适应时隙中进行信道质量统计。

4)主台站在空闲及业务接收状态下进行信道感知,结合各从台站上报的信道质量情况进行信息融合,选出适合全网当前业务传输的最佳信道,并在自适应时隙中发送。频率决策信息发送多次后网内各节点同步更换频率。

换频信息的发送策略与初始信道选择时一致,频率库中有可用频率时换频即可成功。

2 OPNET仿真

2.1 仿真目的

针对上述协作感知思路,进行了基于OPNET的网络仿真。仿真的主要目的如下:

(1)验证协作感知协议的可行性

(2)明确在干扰情况下换频的反应时间

2.2 仿真模型

本仿真针对短波定频组网进行。按照OPNET三层建模机制,分别对网络模型、节点模型和进程模型建模。

对无线信道的建模,需要考虑信道频率、功率、视距以及干扰等,本仿真中,对短波信道特征进行抽象,通过不同速率、不同质量的信道误码率、信噪比来表征信道。本仿真物理层参考MIL-STD-188-110C波形指标。

仿真时采用满负荷的TDMA方式进行业务传输,网内16个节点均在TDMA业务时隙内发送业务。业务速率为2 400 bps,带宽为3 kHz,频率决策信息速率为75 bps。

2.3 统计量

最终收集的统计量为包通过率N。2 400 bps下包长定为960比特。

包通过率定义为:网内所有节点在单位时间内正确接收的数据包数。

Pn为节点n当前正确接收到的数据包数;sim_ time为当前逝去的时间,仿真开始时为0。

2.4 仿真结论

(1)协议的可行性验证

本仿真的场景为初始信道选择与网络运行频率更换功能均开启。任意指定若干信道及其质量值,等待网络建立。在网络运行中施加突发干扰。观察网络运行时包通过率的变化趋势。

协作感知机制工作时包通过率如图2。

图2 包通过率变化示意Fig.2 Packet throughput trend

初始工作频率确定后,网络包通过率急剧上升并趋于稳定。在第10分钟时,对工作频率及部分备用频率施加干扰,此时包通过率急剧下降,经过大约30秒后,工作频率被替换,此时包通过率稳步上升。在第20分钟时,再次对部分频率施加干扰,此时包通过率再次急剧下降。经过约70秒后,选用新的工作频率。此后,包通过率保持稳定。

协作感知能选出质量较好的初始工作频率;在网络运行过程中能够舍弃被干扰的工作频率,选择未被干扰的频率传输业务。该仿真证明了协作感知协议的可行性。

(2)自适应换频时间

本仿真的场景针对网络运行时的协作感知换频过程。仿真出信令信道、业务信道受到干扰时网络换频的反应时间。

仿真时,干扰的频率个数依次增加,分别占到总频率个数的12.5%、25%、50%、75%,施加干扰后频率的信噪比为-8 dB、-9 dB。频率决策对应的信令波形误码率分别为0.002 9、0.15。

干扰施加间隔10分钟,干扰频率逐渐增多,包通过率的变化如下图所示。图中的两根曲线分别对应-8 dB与-9 dB下的包通过率。

图3 干扰12.5%的频率时包通过率示意Fig.3 Packet throughput trend in jamming 12.5%frequencies

图4 干扰25%的频率时包通过率示意Fig.4 Packet throughput trend in jamming 25%frequencies

图5 干扰50%的频率时包通过率示意Fig.5 Packet throughput trend in jamming 50%frequencies

图6 干扰75%的频率时包通过率示意Fig.6 Packet throughput trend in jamming 75%frequencies

根据上述图表统计得出换频反应时间,如表1。

表1 换频反应时间Table 1 Response time of changing frequency

在施加干扰的情况下,频率自适应功能有效的躲避干扰,改善通信性能,保障通信正常可靠进行。

3 结 语

认知无线电技术是一门新兴的前沿学科,其发展还处于初级阶段,目前对其理论性的研究较多,实用化的探索较少。本文将认知无线电基本技术与短波组网相结合,利用其灵活、智能、可重配置的特征,通过感知与学习,实时改变短波载波频率,从而实现了短波频谱资源的高效利用。本文在初步了解认知基本技术的基础上对其实用化进行了探索,也为短波组网下的频率控制策略提供了一种新的思路。认知无线电的链路控制技术将是下一步研究的重点,而基于此的短波正交跳频频率自适应技术也将提上重要的研究日程。

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[2] ITOLA J.M,MAQUIRE G Q Jr.Cognitive Radio:Making Software Radios More Personal[J].IEEE Personal Communications,1999(06):13-18.

[3] 周德全,李光辉.认知无线电及其关键技术[J].通信技术,2009,42(06):24-38.

ZHOU De-quan,LI Zhao-Hui.Cognitive Radio and Its Key Techniques[J].Communications Technology,2009, 42(6):24-38.

[4] 张志坚,关建新,张勤.基于认知无线电的军事通信抗

干扰研究[J].舰船电子工程,2009,29(01):1-4.

ZHANG Zhi-jian,GUAN Jian-xin,ZHANG Qin.Research on Military Communication Anti-jamming based on Cognitive Radio[J].Ship Electronic Engineering,2009, 29(1):1-4.

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ZHANG Er-yang,WANG Ying,LU Jun.HF Communication Technology[M].BeiJing:National Defense Industry Publishing Company,2002:3-4.

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[7] 刘全,高俊,关建新,郭云玮.认知无线电网络链路层关键技术的研究进展[J].电讯技术,2010,50(03):90-98.

LIU Quan,GAO Jun,GUAN Jian-xin,GUO Yun-wei. Survey on Linker Layer Key Technologies in Cognitive Radio Networks[J].Telecommunication Engineering, 2010,50(3):90-98.

YANG Min(1981-),male,M.Sci.,engineer,majoring in HF MAC control and HF adaptive technique.

周治中(1965—),男,研究员,主要研究方向为通信信号处理和短波通信。

ZHOU Zhi-zhong(1965-),male,research fellow,majoring in communication signal processing and HF communication.

Cooperative Spectrum Sensing Technology of HF Networking

YANG Min,ZHOU Zhi-zhong
(No.30 Institute of CETC,Chengdu Sichuan 610041,China)

HF(high frequency)communication is widely used in military communication for its advantages of long-distance communication,strong survivability and so on.In order to enhance the anti-jamming performance of HF networking,and by integrating channel sensing technology and HF networking,an adaptive technique of network frequency based on cooperative spectrum sensing is proposed.The proposed technique can quickly and correctly select an optimum frequency from frequency lab in the initial phase of networking and apply it to the entire network.And in the process of network operation,it can adjust the work frequency according to the quality variety of frequency.OPNET simulation shows that this cooperative spectrum sensing technique is effective and could obviously improve the communication performance.

HF communication;cognitive radio;cooperative sensing;OPNET simulation

TN924

A

1002-0802(2014)11-1318-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.11.016

杨 敏(1981—),男,硕士,工程师,主要研究方向为短波链路控制及自适应技术;

2014-07-02;

2014-09-25 Received date：2014-07-02;Revised date：2014-09-25