基于信道统计的数据链频谱感知和自适应变速技术

沈建飞

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

随着数据链在各国国防建设应用的不断深入和推广，数据链在全军武器平台的重要性也逐渐显现，作为通信技术的产物，数据链设备必然受制于静态频谱的有限频谱资源问题。一方面，由于战场环境的复杂多变性，数据链通信设备必须具备较强的抗干扰能力，另一方面在即便受到外部干扰且有限频谱资源的情况下，数据链设备要能够快速响应规避风险且进行正常通信，这就要求数据链必须考虑有限频谱的动态感知技术和速率可变的通信保障技术。

本文在研究认知无线电频谱感知技术的基础上，结合具体实际项目，研究并设计基于信道统计的数据链频谱感知策略和通信距离变化的自适应变速通信保障策略，并在数据链实物端机上进行验证与测试，实现干扰下的自动频谱感知，通信距离变化下的自适应速率变化，保障了正常通信，完全达到系统预期效果，可作为关键技术应用于后续相关数据链系统研制。

1 认知无线电

1.1 认知循环

1999年JosePh Mitola博士提出了认知无线电的概念，他认为软件无线电(Soft Define Radio,SDR)是认知无线电实现的基本平台，SDR在智能化方面的进化最终会并轨于认知无线电。通过使用无线电知识表示语言(Radio Knowledge Representation Language,RKRL)，认知无线电能够通过推理学习的方式与外界网络进行智能交互。认知无线电和普通无线电的最大区别在于应当具备学习和推理能力，认知无线电能够通过感知和学习周围的无线环境，自适应的对内部通信参数和传输参数进行动态调整，以适应无线环境的变化。因此，基于对认知无线电学习过程的研究，Mitola博士提出了认知循环的概念，如图1所示，认知循环由频谱感知、频谱分析、推理、学习和传输调整这五个认知步骤构成。

图1 认知循环

1.1.1 频谱感知

频谱感知作为认知无线电最重要的技术，其目的在于发现授权用户不在使用的空闲频谱，以便认知无线电动态的接入空闲频谱进行通信。外部无线环境复杂多变，整个电磁环境也随之不断变化，因此，认知无线电需要在整个感知频段内从多方面持续快速的对无线频谱资源进行感知，然后发现空闲频谱，上报授权用户频谱使用状况，进行下一步频谱分析与决策。

1.1.2 频谱分析

认知无线电在感知到空闲频谱后下一阶段就是进行频谱分析，按照Mitola博士认知无线电的内容，频谱分析是针对网络运行情况、外部环境因素（电磁环境监测信息和通信策略等）、自身性能和无线设备的Qos要求等相关信息的分析。通过分析，一方面能够对有效信息进行初步的处理，另一方面能够获得授权用户信道的统计信息，比如信道状态、授权用户的网络状况、频谱带宽和系统所容忍的最大干扰性能等。

1.1.3 推理和学习

因认知无线电通过对外界无线环境进行学习、推理和预测，能够给出复杂时变的无线电环境的最佳决策方案。通常推理和学习可分为三种：(1) 简单模型推理，采用固定的学习规则，对输出进行完全预测，这种推理方法简单但可靠性差；(2) 负责模型推理，采用一些模糊的学习规则，对输出进行不完全预测，这种推理方法可靠性高，但是环境适应性较差；(3) 基于学习的模型推理，认知无线电可以再工作中不断地调整模型的参数，从而获得适应当前环境的较好预测[1]。

1.1.4 传输调整

传输调整是完成无线传输的关键环节，认知无线电根据检测和分析获得的预测结果，通过无线电设备先进的功率控制技术、编解码和解调等技术，调整自身的发射参数，选择合适的频段和发射时机，从而成功的完成数据传输。这对认知无线电的协调性能提出了很高的要求，要求认知无线电能够根据感知信息在宽带频谱范围内无缝的变换传输模式，并且在突发信号消失和重现发生后能够快速做出停止和恢复操作，确保在不干扰授权用户的情况下获得最大限度的传输性能。

1.2 认知无线电关键技术

从图1认知循环能够看出，从频谱感知到频谱分析、推理学习再到最终的传输调整过程，四个环节紧密交联，从而实现了对无线电环境的智能认知过程。频谱感知的目的在于发现授权用户不在使用的空闲频谱，以便认知无线电动态的接入空闲频谱进行通信[1]。为了避免干扰授权用户，在授权频谱进行数据传输的时候，认知无线电需要快速精准的对出现信号进行探测，然后做出分析决策和新频段的切换，以便在网其他授权节点的通信保障。通过持续对外界无线环境进行探测，能够提高频谱感知的性能，其中，虚警概率和检测概率是衡量频谱感知性能的两个重要指标，虚警概率反映了认知无线电对频谱的利用能力，虚警概率越低，认知无线电的频谱利用率越高；检测概率则反映了认知无线电对授权用户的干扰，检测概率越高，认知无线电对授权用户的干扰越低[1]。针对数据链应用方面，数据链可使用的频带即包括已经授权给该数据链端机所能够使用的频段范围，因此，在有限的频谱资源环境和外界强干扰的环境下，如何保证在网成员稳定可靠的通信保障，这就需要使用频谱感知、分析和决策来选择当前可用的最佳频段，然后配置数据链系统进行频段切换。

频谱感知是认知无线电得以实现所有功能的前提，是为智能化分析决策做准备的基础环节[2]，尤其近年来数据链应用的不断发展，综合化一体化端机的研制需求，多链融合平台型谱统一已经是迫切需要解决的数据链系统难题，因此，研究有限频谱资源下数据链系统应用层面的频谱感知技术对于未来数据链发展有着重大意义。

2 频谱感知和自适应变速

2.1 数据链系统组成

如图2所示是本文所研究的某数据链系统硬件连接关系，包括显示控制电脑、数据链端机和天线。其中数据链端机主要由四部分组成，包括信息处理模块、信号处理模块、功放模块和电源模块。信息处理模块，一方面负责接收控制电脑下发数据并解析打包处理给信号处理模块，另一方面将来自信号处理模块的信息进行反解析调度上送给显示控制电脑；信号处理模块，一方面将信息处理模块下发的数据进行优先级调度排队按照与FPGA接口进行发射，另一方面从物理层接收消息解析处理再上送给信息处理模块，同时还包括校时、跳频跳时相关设置与维护等信息。

图2 系统连接关系图

数据流如图2箭头所示，显示控制电脑下发参数和发射数据，通过数据链端机信息信号处理后交给功放射频前端，在通过天线发射到无线空间中；然后经过无线链路，对端数据链端机天线接收到信号后通过射频前端功放交给信号信息处理模块处理，在通过接口上送给显示控制电脑进行结果显示。

2.2 时频域图案

在以网络为中心的信息战环境下，作战方式带有系统对抗的特征。从信息的侦察感知、安全传输、武器控制、精确打击到最后的可靠评估，信息的获取和有效利用成为敌我双方对抗的核心因素，制信息权和制空权、制海权一样，成为战争胜负的关键。对于夺取制信息权的信息战而言，C4ISR（Comand Control Communications Computers Intelligence Surveillance and Reconnaissance）是物质基础，通信系统是C4ISR的神经，也是最容易暴露和受攻击的环节。

数据链系统在设计阶段，就会根据技术水平、应用需求、使用场景和平台结构对信号处理和射频相关模块进行定制，限定该型数据链端机所工作的频段范围，一旦分配好频段后，该型数据链端机就只能够在该频段范围内进行通信，无法在其他频段进行通信。为了使信息能够安全可靠传输，必须在无线通信手段中采用各种抗干扰技术。数据链端机主要采用各种扩频的、非扩频的、时域的、频域的、功率域的抗干扰技术与措施，本文主要以时域和频域方面的抗干扰技术进行说明。

图3是固定跳频跳时图案和根据时间随机产生跳频跳时图案的示例图，数据链端机通常采用右侧的方式作为抗干扰方式，按照特定时间或密钥高速快变的随机产生跳频跳时值用于网络通信，可以保证即使敌方监听也难以轻松破解。

图3 跳频跳时图案示例图

图4 干扰下的频谱示意图

图4是根据设计好的通信图案发射的频谱示意图，假设当前敌方在1-4频点进行了干扰，如何自动侦察当前1-4频点被干扰，或者在更为严苛的条件下，敌方干扰是按照图4所示的滑动窗口进行左右滑动的，那么怎样有效的统计当前被干扰频点，并且进行相应的频谱决策，更改频点组合通信图案，保证尽量少用或不用被干扰频点，保障正常通信，这是本文要解决的重点。

2.3 频谱感知算法

针对某数据链通信系统网络运行及干扰情况下的跳频跳时图案设计方式，本文设计了一种基于物理层信道统计并结合嗅探消息机制的频谱感知算法，其算法流程如图5所示。

图5 频谱感知算法流程图

图6 自适应速率算法流程图

系统开机后，变频线程启动，判别当前数据链通信节点网络成员及模式状态，如果当前已入网且网络成员数大于1且是变频模式，根据时隙中断获取10ms的变频信号量，获取到信号量后，根据与FPGA的中断接口获取FPGA对信道干扰频点的统计，记录10次，然后对10次的统计数组按照滑窗策略解析干扰频点并统计 10次中每个干扰频点出现的次数，如果统计次数大于8次，将干扰频点放到本地统计结果集的16bit相应位上(代表的含义是某位置1则该频点80%概率受到干扰)，判断变频发起或应答方(变频请求发起方会生成频率感知请求消息并广播发送)，如果当前系统时间使 100ms倍数且不可发送请求和应答消息，则对发送接收标志和远端统计结果清零，结束流程；如果前系统时间是100ms倍数且可发送请求和接收应答为1或可发送应答和接收请求为 1，如果本地统计结果的平台类型是地面，则将本地统计结果赋值给最终统计结果，如果远端统计结果的平台类型是地面，用最终统计结果异或远端统计结果，从最终统计结果计算受干扰的频点且变频标志置 0，然后判断是否是变频的发起或应答方，如果接受的请求或应答数小于6次或接收请求或应答的次数不满足90%且干扰频点中有当前正在使用的频点，则需要变频，置变频标志为 1，否则变频标志置 0。判别变频标志，如果是1，则按照当前系统时间的十位数模8加上2计算出新的频点，根据新产生频点计算跳频跳时图案并更新到相应接口中，记录当前频点，对发送接收请求应答标志和远端统计值清零，结束流程。

2.4 自适应变速算法

传输速率作为衡量数据链系统数据传输能力的重要指标，主要依赖于传输设备的性能好坏。传输速率指标主要包括码元传输速率、比特传输速率和数据传输速率三种定义，其中比特传输速率较为常用。

比特传输速率指的是单位时间内传输二进制比特的个数，简称比特率，单位为bit/s或bps，计为Rb。

码元传输速率是信道上单位时间内传送的信号波形的个数，计为RB，单位为波特（Baud）。

比特传输速率与码元传输速率之间的关系为：Rb=RB*H(bps)，其中H是每个符号所包含的平均信息量，当各个符号等概率出现的时候，取最大值log2M，M为码元的进制数。

在数据链系统设计时，针对不同距离、可变距离和抗干扰等通信保障问题会设计支持多种速率的波形，如Link-16数据链的信息传输速率就包括28.8kbps、57.6kbps、115.2kbps三种速率，针对这三种速率Link-16可以选择性的配置，达到根据应用需求和不同距离下的正常通信。

本文假设涉及的某数据链系统波形包括2Mbps和500kbps两种速率，其中2Mbps速率传输信息容量大但传输距离近，500kbps速率传输信息容量小但是传输距离远，针对远距离无法通信和近距通信良好速率提升的需求，本文设计了一种在可变距离情况下基于嗅探消息机制的自适应变速算法，并在实验室模拟变距情况下进行了有线和无线测试，满足系统性能指标，其算法流程如图6所示。

系统开机后，变速线程启动，判别当前模式和下发业务消息每秒统计，如果大于0则是嗅探ACK发送方，同时设置消息速率为 500kbps，否则是嗅探消息发送方，获取500ms时隙中断释放的处理变速信号量，如果中断信号量异常结束本轮算法，否则获取当前信息传输速率。如果当前是2Mbps速率且单位时间接收到2Mbps统计大于0，计算（远端单位时间内接收消息个数/单位时间内收到的2Mbps应答数）的比率，如果远端接收状况达不到发送的 75%或单位时间内没接收到 2Mbps的应答消息，切换速率为 500kbps，否则切换为 2Mbps，如果当前是500kbps速率且单位时间接收到2Mbps统计大于0，计算（远端单位时间内接收消息个数/单位时间内收到的2Mbps应答数）的比率，如果远端接收状况达大于发送的80%，切换速率为2Mbps，否则切换为500kbps，结束算法流程。

3 结语

通过认知无线电频谱感知相关技术的研究，结合数据链系统应用和未来发展趋势，针对静态频谱分配策略下的有限频谱资源问题，设计了基于信道统计的数据链频谱感知算法和基于嗅探技术的自适应速率算法，实现有限频段干扰状态下的自动频谱感知和切换策略，实现多速率模式模拟拉距环境下自动速率变换策略，且通过某数据链系统多台组网测试，达到无线环境干扰和变距情况下的高效、自动、可靠通信保障。