CN108696325B - 测控通信链路接入信道决策方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测控通信链路接入信道决策方法。利用本发明可以实际解决当前认知无线电领域中，以频谱感知到传输调整过程中的决策结果效率低、不稳定等问题。本发明通过以下方案予以实现：利用循环谱估计算法计算出整个频段内每个频率步进下的测控通信系统自身平均噪底能量值，求取感知系统噪声能量；在测控通信系统工作阶段的感知环节计算出每个频率步进下的平均信号能力值，根据感知实际系统的电磁频谱声能量与感知系统噪声能量之差，得到实际环境噪声；在决策环节，中心节点完成了数个应答帧的解析后，依次选择合适的上行信道，进行决策信道分配，通过广播帧与应答帧进行感知结果的交互，对接入无线电频率进行分配与调整，完成接入信道的决策。

Description

测控通信链路接入信道决策方法
技术领域
本发明涉及一种认知无线电通信系统中基于认知无线电的测控通信链路接入决策方法，属于认知无线电领域，在无线电抗干扰领域也可得到应用。
技术背景
随着测控通信技术的迅猛发展，测控通信领域中的各种语音、图像、视频等数字化业务大量增长，导致有限的频谱资源变得日益紧张和稀缺，认知无线电成为缓解频谱资源稀缺与日益增长的无线接入需求之间矛盾的有效手段。认知无线电技术通过智能的频谱管理来解决频谱资源短缺的问题，能够不断感知外界环境，通过实时改变某些工作参数(工作带宽、调制体制、传输功率等)，利用频谱感知、频谱分析、频谱决策三个步骤，完成频谱资源的有效利用及数据的高可靠传输。当认知用户检测到可用频谱时，需要即时进行接入。然而，如何接入、以怎样的方式接入，这是一个极具挑战性的问题。为解决这个问题，目前，已有不少学者研究了认知无线电频谱接入问题，提出了一种基于硬件约束的信道接入算法，该算法采用停时过程对感知信道数进行优化，从优化后的信道数中选择可用的信道。但上述算法中都未涉及利用主用户历史使用概率及信道统计特性来对主用户的行为进行预测。为此，现有技术提出了一种基于部分可观测马尔科夫过程(PartiallyObservableMarkovDecisionProcess，POMDP)的机会频谱接入算法，该算法充分利用频谱检测的先验知识和信道统计特性，使得每个次用户动态的搜寻频谱机会，提高系统的吞吐量和频谱利用率。然而，POMDP算法在信道数较多且频谱环境变化复杂的情况下其计算的复杂度将超出次用户可以承受的范围。马尔科夫决策过程的最优频谱接入算法计算复杂度较高，不能有效的提高频谱利用率。
卫星测控通信信道由上行链路和下行链路组成，它所面临的人为干扰威胁途径主要有：对测控通信上行链路的干扰上行干扰是干扰机瞄准某个上行通信链路的终端天线实施的干扰；对测控通信下行链路的干扰下行干扰是干扰机对准系统下行链路实施的干扰。由于地面站天线的方向性，使得干扰机必须接近接收地面站与飞行器的视线，使其干扰波束进入地面站的主波束或波束旁瓣内。对于宽带高速链路，如果不采取相应的抗干扰措施，哪怕是很小的干扰信号都将对下行高速链路造成严重的影响。
面对各种干扰并存的复杂环境，测控通信系统由于仅依靠扩频、跳频和定向天线等被动方式获得一定的干扰防护能力，手段单一且不够灵活。相比之下，主动自适应的干扰防护方式可根据干扰的类型、特性进行链路自适应主动防护，包括改变调制体制、切换工作频段、调整发射电平、改变传输速率等方式，使测控通信链路具备主动、自适应灵活对抗空间各类干扰的能力，确保测控通信链路的安全性和可靠性。然而认知无线电从频谱感知到传输调整过程存在决策结果效率低、不稳定等问题，未考虑实际环境中主要影响决策的因素，如接入用户距离远近、移动性、姿态变化等问题，造成了频繁盲目的链路切换。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足之处，提供认知结果更加准确，能够等效增加信道容量，可增强测控通信链路的安全性和可靠性的一种基于认知无线电的测控通信链路接入信道决策方法。
本发明的上述目的可以通过以下方案予以实现：一种测控通信链路接入信道决策方法，其特征在于包括如下步骤：基于认知无线电，将测控通信系统分为系统调试阶段和系统工作阶段，系统工作阶段分为感知环节、认知环节和决策环节；系统以射频链路为信道分配对象，以队列长度为权的射频链路吞吐量之和最大为目标,寻找自适应于网络拓扑和流量变化的分布式接口与信道联合分配方案；在系统调试阶段，感知环节进行频谱感知，感知实际系统的电磁频谱能量PS(nΔf)，在测控通信系统调试阶段，手动调节自动增益控制AGC的每个档位m，再利用循环谱估计算法，以Δf为频率步进，计算出整个频段内每个频率步进Δf下的感知系统的噪声能量PN(nΔf)；从感知系统调用出噪声能量PN(nΔf)，通过PS(nΔf)-PN(nΔf)计算得到实际环境噪声PA(nΔf)；在认知环节，在接收端通过认知模块对实际环境噪声PA(nΔf)进行认知，区分可用信道、临时受限信道和受限信道；在决策环节，结合第三方知识判决是否为可用频段，有接入需求的认知网节点通过应答帧进行响应，中心节点通过无线广播帧通知覆盖范围内的普通节点，中心节点完成了数个应答帧的解析后，依次选择合适的上行信道，再通过广播帧告知各节点，进行决策信道分配；当测控通信链路质量下降时，感知实际系统的电磁频谱能量PS(nΔf)，采用带内频谱感知的方式，若带内总频谱能量增加，则判决为受到宽带/窄带干扰，完成频率切换，如果带内总频谱能量减少，则判决为姿态或多径造成信号深衰落，决策为暂时不调整或者告知对端提高发射功率，否则不调整，然后通过广播帧与应答帧进行感知结果的交互，对接入无线电频率进行分配与调整，完成接入信道的决策，其中，n为测控通信系统带宽除以频率步进Δf的值。
本发明相比现有技术具有如下有益效果：
认知结果更加准确。本发明在隔离环境较好的条件下了解系统自身噪底；然后在实际环境中，去除噪底影响，并认知出网内自干扰和环境干扰；再次，分别对网内自干扰和环境干扰进行量化，结合第三方知识判决是否为可用频段；最后，通过广播帧与应答帧进行感知结果的交互，进行接入的无线电频率的分配与调整，增加了测量底噪环境，将环境噪声与设备噪声的影响解耦，使得认知结果更加准确，阈值设计更加合理。
等效增加信道容量。本发明在测控通信系统工作阶段的认知环节，在接收端通过认知模块对实际环境噪声PA(nΔf)进行认知，区分可用信道、临时受限信道和受限信道；增加了环境噪声的认知环节，定义了临时受限频段，将时变业务与时变信道紧密结合，增加了可用信道的范围，等效增加了信道容量。
减少盲目切换的过程浪费。本发明在中心节点完成了数个应答帧的解析后，依次选择合适的上行信道，再通过广播帧告知各节点，进行决策信道分配，完成接入信道的决策；最后，通过广播帧与应答帧进行感知结果的交互，进行接入的无线电频率的分配与调整。信道分配与切换的决策过程由端到端交互完成，将切换过程与链路状态，频谱感知相结合，提出了非干扰受限状态下的解决策略，减少了盲目切换的过程浪费。
利用本发明，可以实际解决当前认知无线电领域中，从频谱感知到传输调整过程中的决策结果效率低、不稳定等问题。
附图说明
图1是本发明基于认知无线电的测控通信链路接入信道决策流程示意图。
图2是基于循环谱估计的平均噪底能量值分布曲线图。
图3是基于认知无线电的信道类型划分示意图。
图4是基于循环谱估计的链路切换决策示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
参阅图1。根据本发明，基于认知无线电，将测控通信系统分为系统调试阶段和系统工作阶段，系统工作阶段分为感知环节、认知环节和决策环节；系统以射频链路为信道分配对象，以队列长度为权的射频链路吞吐量之和最大为目标,寻找自适应于网络拓扑和流量变化的分布式接口与信道联合分配方案；在系统调试阶段，感知环节进行频谱感知，感知实际系统的电磁频谱能量PS(nΔf)，在测控通信系统调试阶段，手动调节自动增益控制AGC的每个档位m，再利用循环谱估计算法，以Δf为频率步进，计算出整个频段内每个频率步进Δf下的感知系统的噪声能量PN(nΔf)；从感知系统调用出噪声能量PN(nΔf)，通过PS(nΔf)-PN(nΔf)计算得到实际环境噪声PA(nΔf)；在认知环节，在接收端通过认知模块对实际环境噪声PA(nΔf)进行认知，区分可用信道、临时受限信道和受限信道；在决策环节，结合第三方知识判决是否为可用频段，有接入需求的认知网节点通过应答帧进行响应，中心节点通过无线广播帧通知覆盖范围内的普通节点，中心节点完成了数个应答帧的解析后，依次选择合适的上行信道，再通过广播帧告知各节点，进行决策信道分配；当测控通信链路质量下降时，感知实际系统的电磁频谱能量PS(nΔf)，采用带内频谱感知的方式，若带内总频谱能量增加，则判决为受到宽带/窄带干扰，完成频率切换，如果带内总频谱能量减少，则判决为姿态或多径造成信号深衰落，决策为暂时不调整或者告知对端提高发射功率，否则不调整，然后通过广播帧与应答帧进行感知结果的交互，对接入无线电频率进行分配与调整，完成接入信道的决策，其中，n为测控通信系统带宽除以频率步进Δf的值。
在系统调试阶段，利用循环谱估计算法，计算得到整个频段内每个频率步进Δf下的平均噪底能量值PN(nΔf)；在测控通信系统调试阶段，手动调节自动增益控制AGC的每个档位m，再利用循环谱估计算法，以Δf为频率步进，计算出整个频段内每个频率步进Δf下的感知系统噪声能量PN(nΔf)，其中，n为测控通信系统带宽除以频率步进Δf，如此，一共计算得到了n×m个值。
在系统工作阶段的感知环节，同样利用循环谱估计算法，计算得到每个频率步进下的平均信号能力值PS(nΔf)，将PS(nΔf)-PN(nΔf)得到实际环境噪声PA(nΔf)；本实施例在测控通信系统工作阶段的感知环节，进行频谱感知时，需要首先利用循环谱估计方法得到每个频率步进下的电磁频谱能量PS(nΔf)，并且记录当前自动增益控制AGC档位m，调用出对应m的感知系统噪声能量PN(nΔf)，计算PS(nΔf)-PN(nΔf)得到实际环境噪声PA(nΔf)。
在系统工作阶段的认知环节，在接收端通过认知模块对实际环境噪声PA(nΔf)进行认知，区分可用信道、临时受限信道和受限信道；本实施例在系统工作阶段的认知环节，通过认知模块对PA(nΔf)进行认知，利用相关法区分认知网内干扰和环境干扰，若为网内干扰，则判定为受限频段；若为环境干扰，包络内功率高于干信比门限，则设为临时受限频段，包络内功率低于干信比门限则设置为可用频段。
在系统工作阶段的决策环节，中心节点通过无线广播帧通知覆盖范围内的普通节点，此时，有接入需求的节点通过应答帧进行响应；中心节点完成了数个应答帧的解析后，依次选择合适的上行信道，再通过广播帧告知各节点，完成接入信道的决策。中心节点第一次发射的广播帧中携带了中心节点在认知环节得到可用频段信息；普通节点第一次发射的应答帧中携带的普通节点在认知环节得到的可用频段和临时受限频段信息；中心节点在接收到应答帧后发射的广播帧中携带了每个普通节点所需的上下行频段信息。
在系统工作阶段的决策环节，当频段拥挤或业务速率要求不高时，可释放临时频段作为通信频段；当发起应答帧的普通节点数量超过可用频段的总数时，中心节点针对其距离相对较近或者业务传输能力较低的节点，决策阶段分配临时频段作为上行频段。
当测控通信链路质量下降时，感知模块判定是否为非干扰受限状态下的瞬时链路下降，如果是，则维持原态，如果不是，则由收端发起，改变收端通信频段；采用带内频谱感知的方式，若带内总能量增加，则判决为受到宽带/窄带干扰，决策通过频率切换；如果带内总能量减少，则判决为姿态或多径造成信号深衰落，决策为暂时不调整或者告知对端提高发射功率。
参阅图2。本实施例中的系统调试阶段，手动调节AGC的每个档位m(m一般为1～60，单位dB)，再利用循环谱估计算法，以Δf为频率步进，每个频率步进下的平均噪底能量值PN(nΔf)，其中，n表示总系统带宽除以频率步进Δf，如此，一共计算得到了n×m个值。在工作带宽W＝10MHz，m＝60dB，Δf＝10KHz，n＝1000条件下，对某测控设备的噪底能量值进行循环谱估计，在每个频率步进下的平均噪底能量值PN(nΔf)分布曲线如图2所示。
参阅图3。本实施例通过认知模块对PA(nΔf)进行认知，利用相关法区分网内干扰和环境干扰，若为网内干扰，则判定为受限频段；若为环境干扰，包络内功率高于干信比门限，则设为临时受限频段；包络内功率低于干信比门限则设置为可用频段。
本实施例中心节点第一次发射的广播帧中携带了中心节点在认知环节得到可用频段信息；普通节点第一次发射的应答帧中携带的普通节点在认知环节得到的可用频段和临时受限频段信息；中心节点在接收到应答帧后发射的广播帧中携带了每个普通节点所需的上下行频段信息。
本实施例中：当发起应答帧的普通节点数量超过可用频段的总数时，中心节点针对其距离相对较近或者业务传输能力较低的节点，决策阶段分配临时频段作为上行频段。
参阅图4。本实施例中：当测控通信链路质量下降时，感知实际系统的电磁频谱能量PS(nΔf)，采用带内频谱感知的方式，若带内总频谱能量增加，则判决为受到宽带/窄带干扰，完成频率切换；如果带内总频谱能量减少，则判决为姿态或多径造成信号深衰落，决策为暂时不调整或者告知对端提高发射功率，否则不调整。
以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种测控通信链路接入信道决策方法，其特征在于包括如下步骤：基于认知无线电，将测控通信系统分为系统调试阶段和系统工作阶段，系统工作阶段分为感知环节、认知环节和决策环节；系统以射频链路为信道分配对象，以队列长度为权的射频链路吞吐量之和最大为目标,寻找自适应于网络拓扑和流量变化的分布式接口与信道联合分配方案；在感知环节进行频谱感知，感知实际系统的电磁频谱能量PS(nΔf)，在测控通信系统调试阶段，手动调节自动增益控制AGC的每个档位m，再利用循环谱估计算法，以Δf为频率步进，计算出整个频段内每个频率步进Δf下的感知系统的噪声能量PN(nΔf)；从感知系统调用出噪声能量PN(nΔf)，通过PS(nΔf)-PN(nΔf)计算得到实际环境噪声PA(nΔf)；在认知环节，在接收端通过认知模块对实际环境噪声PA(nΔf)进行认知，区分可用信道、临时受限信道和受限信道；在决策环节，结合第三方知识判决是否为可用频段，有接入需求的认知网节点通过应答帧进行响应，中心节点通过无线广播帧通知覆盖范围内的普通节点，中心节点完成了数个应答帧的解析后，依次选择合适的上行信道，再通过广播帧告知各节点，进行决策信道分配；当测控通信链路质量下降时，感知实际系统的电磁频谱能量PS(nΔf)，采用带内频谱感知的方式，若带内总频谱能量增加，则判决为受到宽带/窄带干扰，完成频率切换，如果带内总频谱能量减少，则判决为姿态或多径造成信号深衰落，决策为暂时不调整或者告知对端提高发射功率，否则不调整，然后通过广播帧与应答帧进行感知结果的交互，对接入无线电频率进行分配与调整，完成接入信道的决策，其中，n为测控通信系统带宽除以频率步进Δf的值。
2.如权利要求1所述的测控通信链路接入信道决策方法，其特征在于：在感知环节进行频谱感知时，首先利用循环谱估计方法得到每个频率步进下的电磁频谱能量PS(nΔf)，并且记录当前自动增益控制AGC档位m，调用出对应m的感知系统噪声能量PN(nΔf)，计算PS(nΔf)-PN(nΔf)得到实际环境噪声PA(nΔf)。
3.如权利要求1所述的测控通信链路接入信道决策方法，其特征在于：为在测控通信系统调试阶段，解耦环境噪声与设备噪声，在隔离环境较好的条件下，认知出无线网状网络网内自干扰和环境干扰，利用循环谱估计算法计算出整个频段内每个频率步进下的测控通信系统自身平均噪底能量值，求取感知系统噪声能量，去除实际环境中的噪底影响。
4.如权利要求1所述的测控通信链路接入信道决策方法，其特征在于：在认知环节，通过认知模块对实际环境噪声PA(nΔf)进行认知，利用相关法区分认知网内干扰和环境干扰，若为网内干扰，则判定为受限频段；若为环境干扰、包络内功率高于干信比门限，则设为临时受限频段，如果包络内功率低于干信比门限，则设置为可用频段。
5.如权利要求1所述的测控通信链路接入信道决策方法，其特征在于：中心节点第一次发射的广播帧中携带了中心节点在认知环节得到可用频段信息；普通节点第一次发射的应答帧中携带的普通节点在认知环节得到的可用频段和临时受限频段信息。
6.如权利要求1所述的测控通信链路接入信道决策方法，其特征在于：中心节点在接收到应答帧后发射的广播帧中携带了每个普通节点所需的上下行频段信息。
7.如权利要求1所述的测控通信链路接入信道决策方法，其特征在于：当测控通信链路质量下降时，感知模块判定是否为非干扰受限状态下的瞬时链路下降，如果是，则维持原态，如果不是，则由收端发起，改变收端通信频段；采用带内频谱感知的方式，若带内总能量增加，则判决为受到宽带/窄带干扰，决策通过频率切换；如果带内总能量减少，则判决为姿态或多径造成信号深衰落，决策为暂时不调整或者告知对端提高发射功率。
8.如权利要求1所述的测控通信链路接入信道决策方法，其特征在于：当普通节点发起应答帧数量超过可用频段的总数时，中心节点对距离相对较近或者业务传输能力较低的节点，决策阶段分配临时频段作为上行频段。
9.如权利要求1所述的测控通信链路接入信道决策方法，其特征在于：在测控通信系统工作阶段的感知环节，同样利用循环谱估计算法计算出每个频率步进下的平均信号，根据感知实际系统的电磁频谱声能量与感知系统噪声能量之差，得到实际环境噪声；在测控通信系统工作阶段的认知环节，在接收端通过认知模块对实际环境噪声进行认知，区分可用信道、临时受限信道和受限信道；分别对认知网内自干扰和环境干扰进行量化。
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