CN116722940B - 数据链通信系统的时频域链路质量估计及闭环速率自适应方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种数据链通信系统的时频域链路质量估计及闭环速率自适应方法。采用时域估计和频域估计方法分别进行物理层信道质量测量，然后基于模糊区间准则进行二维量化估计，形成链路质量好坏的分级判据，根据链路分级判断结果进行数据链通信系统的闭环速率自适应决策。本发明提供的技术方案能够有效解决跳频抗干扰通信系统中的频谱质量估计及其对信道容量的影响问题，为干扰条件下的数据链通信系统提供速率自适应决策标准。
Description
技术领域
本发明涉及跳频通信技术领域，尤其涉及一种数据链通信系统的时频域链路质量估计及闭环速率自适应方法。
背景技术
数据链通信系统是按照规定的消息格式和通信协议，利用各种先进的调制解调、纠错编码、组网通信和信息融合技术，以面向比特的方式实时传输格式化数字信息的战术无线数据通信系统。相比于民用的移动通信系统，数据链通信系统对无线通信方式的可靠性、安全性和抗干扰有着更高的要求。
为有效应对无线信道衰落特性的变化，数据链通信系统通常采用速率自适应策略进行传输速率选择，减少数据分组的错误重传概率，实现传输速率和信道容量的最佳匹配。
速率自适应也称为自动编码调制（Adaptive Modulation and Coding，AMC），即通过调制无线链路传输的调制方式与编码速率，来确保链路传输质量。速率自适应的核心是通过合理的链路质量估计（Link Quality Assessment，LQA）获取实时变化的无线信道状态估计。
速率自适应包括开环策略和闭环策略2类：
（1）闭环速率自适应方法，是一种通过直接测量信道状态信息（Channel StateIndication，CSI）来实时估计链路质量，如接收信号强度（Received Signal StrengthIndication，RSSI）、信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）、误码率（Bit Error Rate、BER）等。
由于不同发送速率使用不同的调制编码方式，这些调制编码方式的抗噪能力不同，因此在满足一定误码率条件下，各种速率所需要的信噪比也不同。通过测量接收信号的信噪比，可以选择合适的发送速率。
（2）开环速率自适应方法，是通过计算一段时间内发送数据的统计信息获得参数，如误帧率、接收ACK个数以及吞吐量等，用于判断无线信道状态。
基于统计的速率自适应方法能够获得较长时间内的信道状态信息，但很难反映信道在短时间内的快速变化。目前主要有三种统计方法：吞吐量统计、FER统计和ACK统计，吞吐量统计方法对信道变化响应最慢，ACK统计方法对信道变化响应最快。
典型地，现有链路质量估计（LQA）方法包括以下4类：
（1）物理层信道测量方法，利用物理层测量指标估计信道质量，如信干噪比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）和接收信号强度指示，前者是指接收到的有用信号强度与接收到的干扰信号和噪声强度的比值，可以简单的理解为信噪比；后者是接收到的射频能量的测量值。
（2）连续帧估计方法，利用传送帧连续的连续成功和失败次数来估计信道质量，如自动速率降级算法（Automatic Rate Fallback，ARF），如果连续未收到两个连续的ACK确认，则降低一档速率；如果连续收到10帧或定时器时间到，则提高发送速率。连续成功或失败次数统计很难实时适应信道的快速变化。
（3）短时探测帧方法，每隔一段时间以不同速率发送探测帧，用来估计信道的表现。这种方法提高了信道实时估计能力，但是不能发送太多的探测帧，导致信道实时估计可能会有误判。
（4）离散统计窗口方法，利用一段时间内的数据帧统计特征决定发送速率，在窗口内统计丢帧率信息，并将其与相应门限进行比较。这种方法能够屏蔽因为随机丢帧导致的误判，但统计窗口的大小很难与信道变化率准确匹配。
现有基于物理层信道测量的闭环速率自适应方法通常针对噪声条件下的无线信道进行链路质量估计，能够实时响应信道质量的快速变化，但不能适应数据链通信系统的抗干扰需求。
特别地，在密集、复杂多变的电磁干扰环境中，需要针对频谱干扰特性对信道容量影响程度的链路质量估计方法。针对跳频体制的数据链通信系统，平均信噪比测量不能准确反映无线信道的频域阻塞特性，不能有效支持闭环速率自适应的速率决策。
传统数据链通信系统采用基于RSSI、SNR的物理层信道测量方法进行闭环速率自适应，可以反映噪声干扰对信道容量的影响。但是平均信噪比测量不能准确反映无线信道的频域阻塞特性，不能有效支撑跳频通信系统的速率自适应决策，因此需要一种能够反映频谱干扰特性对信道容量影响的链路质量估计及对应的闭环速率自适应方法。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种数据链通信系统的时频域链路质量估计及闭环速率自适应方法，采用时域估计和频域估计方法分别进行物理层信道质量测量，然后基于模糊区间准则进行二维量化估计，形成链路质量好坏的分级判据，根据链路分级判断结果进行数据链通信系统的闭环速率自适应决策。本发明提供的技术方案能够有效解决跳频抗干扰通信系统中的频谱质量估计及其对信道容量的影响问题，为干扰条件下的数据链通信系统提供速率自适应决策标准。
本发明提供了一种数据链通信系统的时频域链路质量估计及闭环速率自适应方法，包括以下步骤：
并行捕获多个窄带信道的跳频脉冲信号，通过跳频同步进行跳频脉冲信号解跳，输出每个跳频脉冲信号的数字采样信号；
对采样的每个跳频脉冲信号，进行接收信号能量测量和解调信噪比测量；
采用预设的能量门限值和信噪比门限值，进行双门限检测，判断当前跳频脉冲是否被干扰，若脉冲能量大于能量门限值且信噪比小于信噪比门限值，则判定当前脉冲被阻塞干扰；
对被阻塞干扰脉冲所在信道的接收数据帧，计算平均信噪比和频域干扰百分比，采用二维模糊区间量化准则，对时域测量指标和频域测量指标进行联合估计，形成链路质量估计结果。
进一步优选的，进行接收信号能量测量和解调信噪比测量时，包括：
对每个跳频脉冲信号，进行接收信号能量测量（RSSIf）和解调信噪比测量（SNRf）。其中，接收信号能量测量是对经过射频放大、AD输出的接收信号Yf（t）进行能量测量。可选地，RSSIf可以采用时域积分方式，对接收信号的多个样点值进行积分和均值量化，用公式表示如下：
(1)
式中，为跳频脉冲f在第i个采样点处捕获的接收信号；/>为跳频脉冲f的接收信号能量测量值；L为跳频脉冲的采样点数量，i为采样点序号。
跳频脉冲f的解调信噪比（SNRf）测量值可以基于已知的脉冲信号结构信息，区分脉冲驻留期和脉冲空闲期，分别进行信号能量和噪声能量的统计，二者之比即为信噪比。
(2)
式中，、/>分别为脉冲驻留期和脉冲空闲期能量均值，/>为跳频脉冲f的信噪比测量值。
进一步优选的，所述二维模糊区间量化准则包括：
在时域维度，对多速率档的解调信噪比阈值进行模糊区间量化；
在频域维度，对根据多速率档的频域干扰容限进行模糊区间量化；
以时域量化值为x轴、频域量化值为y轴，形成链路质量量化的二维分布空间。
再进一步，采用如下公式对时域测量指标和频域测量指标进行联合估计；
式中，LQI为链路质量估计结果，为时域测量的信噪比量化值，/>越大，表示链路质量越好可承载速率档越高，/>表示频域测量的干扰百分比量化值 ； 干扰百分比量化值越大，表示信道受干扰程度越大，信道质量越低，需更高抗干扰能力的速率档。
进一步优选的，所述在时域维度，对多速率档的解调信噪比阈值进行模糊区间量化时，包括：将多速率档的信噪比阈值进行分级，且设置每个信噪比阈值的间隔大于3dB；
所述在频域维度，对根据多速率档的频域干扰容限进行模糊区间量化时包括根据多速率档的干扰容限进行分级，且设置每级抗干扰容限区间间隔大于10% 。
本发明还提供一种闭环速率自适应调整方法，用于根据上述数据链通信系统的时频域链路质量估计方法的质量估计结果，进行闭环速率自适应调整，包括以下过程：
发送端根据业务传送需求，初始选择速率档，进行周期性的数据消息传送；
接收端接收发送端的数据消息，在接收过程中进行物理层信道测量，并在一个反馈周期内根据数据业务的接收频次，对测量值进行有限记忆过滤；
在已分配的广播时隙，接收端通过广播消息发送自身的状态和物理层信道测量结果，利用指定目的地址向发送端进行链路质量反馈；
发送端根据所述链路质量估计结果，对数据链通信系统进行闭环速率自适应决策调整；若链路质量不变，则发送端保持当前速率档，进行数据传送；若链路质量下降，则进行速率档下调；若链路质量上升，则提升速率档，进行高速率传输。
进一步优选的，所述物理层信道测量用于获取以下测量结果，包括：时域的接收信号能量估计值、信噪比估计值和频域的干扰百分比。
再进一步，所述对测量值进行有限记忆过滤包括有限记忆滤波器进行信噪比和频域的干扰百分比过滤，其中有限记忆滤波器中采用以2为底的幂指数进行系数选择。
再进一步，有限记忆滤波器进行信噪比过滤时，采用如下公式计算滤波值：
式中，表示当前时刻的信噪比估计值，/>表示第前i个时刻的信噪比估计值，/>表示当前时刻的信噪比滤波值，N为总的信号采样时刻。
再进一步；有限记忆滤波器进行频域的干扰百分比过滤时，采用如下公式计算滤波值：
式中，表示当前时刻的干扰百分比估计值，/>表示第前i个时刻的干扰百分比估计值，/>表示当前时刻的干扰百分比滤波值，N为总的信号采样时刻。
本申请公开的一种数据链通信系统的时频域链路质量估计和闭环速率自适应方法，相比于现有技术，至少具有以下优点：本申请提出的时频域链路质量估计方法，在物理信道时域测量和频域测量基础上，进行二维模糊度量化估计，形成链路质量好坏的分级判据，能够有效解决跳频抗干扰通信系统中的频谱质量估计及其对信道容量的影响问题，为干扰条件下的数据链通信系统提供速率自适应决策标准。
基于广播信道的闭环速率自适应方法，能够携带链路质量反馈信息，实现有记忆的信道质量反馈，提高速率自适应调整的鲁棒性。
附图说明
图1为本发明的一种数据链通信系统的时频域链路质量估计方法流程图。
图2为本发明的采用二维模糊区间量化准则进行链路质量估计的示意图。
图3为本发明提供的闭环速率自适应方法流程图。
具体实施方式
以下通过附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明一方面实施例提供的一种数据链通信系统的时频域链路质量估计及闭环速率自适应方法，包括以下步骤：
S1、跳频脉冲信号接收；具体包括并行捕获多个窄带信道的跳频脉冲信号，通过跳频同步进行跳频脉冲信号解跳，输出每个跳频脉冲信号的数字采样信号；
S2、脉冲能量、信噪比估计；具体包括对采样的每个跳频脉冲信号，进行接收信号能量测量和解调信噪比测量；在S2中，进行接收信号能量测量和解调信噪比测量时，包括：
对每个跳频脉冲信号，进行接收信号能量测量（RSSIf）和解调信噪比测量（SNRf）。其中，接收信号能量测量是对经过射频放大、AD输出的接收信号Yf（t）进行能量测量。可选地，RSSIf可以采用时域积分方式，对接收信号的多个样点值进行积分和均值量化，用公式表示如下：
(1)
式中，为跳频脉冲f在第i个采样点处捕获的接收信号；/>为跳频脉冲f的接收信号能量测量值；L为跳频脉冲的采样点数量，i为采样点序号。
跳频脉冲f的解调信噪比（SNRf）测量值可以基于已知的脉冲信号结构信息，区分脉冲驻留期和脉冲空闲期，分别进行信号能量和噪声能量的统计，二者之比即为信噪比。
(2)
式中，、/>分别为脉冲驻留期和脉冲空闲期能量均值，/>为跳频脉冲f的信噪比测量值。
S3、脉冲干扰检测；具体包括采用预设的能量门限值和信噪比门限值，进行双门限检测，判断当前跳频脉冲是否被干扰，若脉冲能量大于能量门限值且信噪比小于信噪比门限值，则判定当前脉冲被阻塞干扰；
(3)
式中，为能量检测阈值，/>为信噪比检测阈值，/>为跳频脉冲f的干扰检测结果。
S4、平均信噪比估计、频域干扰百分比估计；具体包括：对被阻塞干扰脉冲所在信道的接收数据帧，计算平均信噪比和频域干扰百分比；其中，计算平均信噪比的具体过程过下：
对接收数据帧的平均信噪比估计（SNR），采用有效接收信号的平均信噪比进行表示：
(4)
式中，为跳频脉冲f干扰检测结果的补码表示，SNR表示未被干扰的跳频脉冲的平均信噪比。
进一步，计算频域干扰百分比，采用如下公式5：
(5)
式中，为频点f干扰检测结果，且/>，FJR表示被干扰的频点数占总频点数的百分比。
S5、链路质量量化估计，具体包括根据得到的平均信噪比和频域干扰百分比，采用二维模糊区间量化准则，对时域测量指标和频域测量指标进行联合估计，形成链路质量估计结果。
所述二维模糊区间量化准则包括：
在时域维度，对多速率档的解调信噪比阈值进行模糊区间量化；
在频域维度，对根据多速率档的频域干扰容限进行模糊区间量化；
以时域量化值为x轴、频域量化值为y轴，形成链路质量量化的二维分布空间。
采用如下公式对时域测量指标和频域测量指标进行联合估计；
式中，LQI为链路质量估计结果，为时域测量的信噪比量化值，/>越大，表示链路质量越好可承载速率档越高，/>表示频域测量的干扰百分比量化值 ； 干扰百分比量化值越大，表示信道受干扰程度越大，信道质量越低，需更高抗干扰能力的速率档。
如图2所示，本申请采用如下实施例说明采用二维模糊区间量化准则，对时域测量指标和频域测量指标进行联合估计，形成链路质量估计结果的具体过程。
在时域维度，时域测量值的模糊区间量化，根据多速率档的解调信噪比阈值（）进行分级（SNR0,SNR1,......SNRn,），并保证每个信噪比区间的间隔大于3dB，确保信噪比估计精度有限条件下的区间可分辨性。链路质量的优良度（LQI）与信噪比区间量化值（Qsnr）呈正比关系，当信噪比测量值超过某一量化区间的阈值时（SNR≥/>），信噪比量化值（Qsnr）提升1级，相应地链路质量等级提升1级；反之，信噪比量化值（Qsnr）和链路质量（LQI）降低1级。
在频域维度，频域测量值（FJR）的模糊区间量化，根据多速率档的抗干扰容限值（）进行分级(FJR0,FJR1......FJRn)，并保证每个抗干扰容限区间间隔大于10%，确保干扰估计区间的可分辨性。链路质量的优良度（LQI）与频域干扰百分比区间量化值（Qfjr）呈反比关系，当频域干扰百分比测量超过某一个量化区间的阈值时（FJR≥/>），频域干扰量化值（Qfjr）降低1级，相应地链路质量等级降低1级；反之，频域干扰量化值（Qfjr）和链路质量（LQI）提升1级。
在时频域，链路质量量化估计（LQA）使用时域量化（Qsnr）和频域量化（Qfjr）标准的复合逻辑关系进行二维联合区间估计。链路质量优良度（LQI）对应于时域量化值减去频域量化的偏移量。
(6)
式中，为最佳频域量化值，/>表示在某信噪比等级条件下的信道受干扰程度，受干扰程度越大，则需更高抗干扰能力的速率档，因此速率档向下降级。
以时域量化（Qsnr）为x轴、频域量化（Qfjr）为y轴，链路质量量化估计形成第四象限的区间分布。根据多速率档的区间分级标准，链路质量优良度（LQI）使用优、良、好、一般、差、很差、极差等分级区间，用于匹配各速率档的信道工作条件。
如图3所示，本发明还提供一种闭环速率自适应调整方法，用于根据上述数据链通信系统的时频域链路质量估计方法的质量估计结果，进行闭环速率自适应调整，包括以下过程：
（1）发送端根据业务传送需求，初始选择速率档，进行周期性的数据消息传送；
（2）接收端接收发送端的数据消息，在接收过程中进行物理层信道测量，包括：时域的接收信号能量估计值、信噪比估计值和频域的干扰百分比。
并在一个反馈周期内根据数据业务的接收频次，对测量值进行有限记忆过滤；
（3）进一步，对测量值进行有限记忆过滤；包括有限记忆滤波器进行信噪比和频域的干扰百分比过滤，其中有限记忆滤波器中采用以2为底的幂指数进行系数选择。
式中，表示当前时刻的信噪比估计值，/>表示第前i个时刻的信噪比估计值，/>表示当前时刻的信噪比滤波值，N为总的信号采样时刻。
有限记忆滤波器进行频域的干扰百分比过滤时，采用如下公式计算滤波值：
式中，表示当前时刻的干扰百分比估计值，/>表示第前i个时刻的干扰百分比估计值，/>表示当前时刻的干扰百分比滤波值，N为总的信号采样时刻，代表总样本数。
（4）链路质量估计，在已分配的广播时隙，接收端通过广播消息发送自身的状态和物理层信道测量结果，利用指定目的地址向发送端进行链路质量反馈；
（5）速率自适应调整，发送端根据所述链路质量估计结果，对数据链通信系统进行闭环速率自适应决策调整；若链路质量不变，则发送端保持当前速率档，进行数据传送；若链路质量下降，则进行速率档下调；若链路质量上升，则提升速率档，进行高速率传输。
显然，上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (7)
1.一种数据链通信系统的时频域链路质量估计方法，包括如下步骤：
并行捕获多个窄带信道的跳频脉冲信号，通过跳频同步进行跳频脉冲信号解跳，输出每个跳频脉冲信号的数字采样信号；
对采样的每个跳频脉冲信号，进行接收信号能量测量和解调信噪比测量；
采用预设的能量门限值和信噪比门限值，进行双门限检测，判断当前跳频脉冲是否被干扰，若脉冲能量大于能量门限值且信噪比小于信噪比门限值，则判定当前脉冲被阻塞干扰；
对被阻塞干扰脉冲所在信道的接收数据帧，计算平均信噪比和频域干扰百分比，采用二维模糊区间量化准则，对时域测量指标和频域测量指标进行联合估计，形成链路质量估计结果；
所述二维模糊区间量化准则包括：
在时域维度，对多速率档的解调信噪比阈值进行模糊区间量化；
在频域维度，对根据多速率档的频域干扰容限进行模糊区间量化；
以时域量化值为x轴、频域量化值为y轴，形成链路质量量化的二维分布空间；
采用如下公式对时域测量指标和频域测量指标进行联合估计；
式中，LQI为链路质量估计结果，为时域测量的信噪比量化值，/>越大，表示链路质量越好可承载速率档越高，/>表示频域测量的干扰百分比量化值 ； 干扰百分比量化值越大，表示信道受干扰程度越大，信道质量越低，需更高抗干扰能力的速率档。
2.根据权要求1所述的数据链通信系统的时频域链路质量估计方法，其特征在于，所述在时域维度，对多速率档的解调信噪比阈值进行模糊区间量化时，包括：将多速率档的信噪比阈值进行分级，且设置每个信噪比阈值的间隔大于3dB；
所述在频域维度，对根据多速率档的频域干扰容限进行模糊区间量化时包括根据多速率档的干扰容限进行分级，且设置每级抗干扰容限区间间隔大于10% 。
3.一种闭环速率自适应调整方法，其特征在于，用于根据上述权利要求1- 2中任意一项所述的数据链通信系统的时频域链路质量估计方法的质量估计结果，进行闭环速率自适应调整，包括以下过程：
发送端根据业务传送需求，初始选择速率档，进行周期性的数据消息传送；
接收端接收发送端的数据消息，在接收过程中进行物理层信道测量，并在一个反馈周期内根据数据业务的接收频次，对测量值进行有限记忆过滤；
在已分配的广播时隙，接收端通过广播消息发送自身的状态和物理层信道测量结果，利用指定目的地址向发送端进行链路质量反馈；
发送端根据所述链路质量估计结果，对数据链通信系统进行闭环速率自适应决策调整；若链路质量不变，则发送端保持当前速率档，进行数据传送；若链路质量下降，则进行速率档下调；若链路质量上升，则提升速率档，进行高速率传输。
4.根据权利要求3所述的闭环速率自适应调整方法，其特征在于，所述物理层信道测量用于获取以下测量结果，包括：时域的接收信号能量估计值、信噪比估计值和频域的干扰百分比。
5.根据权利要求4所述的闭环速率自适应调整方法，其特征在于，所述对测量值进行有限记忆过滤包括有限记忆滤波器进行信噪比和频域的干扰百分比过滤，其中有限记忆滤波器中采用以2为底的幂指数进行系数选择。
6.根据权利要求5所述的闭环速率自适应调整方法，其特征在于，有限记忆滤波器进行信噪比过滤时，采用如下公式计算滤波值：
式中，表示当前时刻的信噪比估计值，/>表示第前i个时刻的信噪比估计值，/>表示当前时刻的信噪比滤波值，N为总的信号采样时刻。
7.根据权利要求6所述的闭环速率自适应调整方法，其特征在于；有限记忆滤波器进行频域的干扰百分比过滤时，采用如下公式计算滤波值：
式中，表示当前时刻的干扰百分比估计值，/>表示第前i个时刻的干扰百分比估计值，/>表示当前时刻的干扰百分比滤波值。
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