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认知卫星通信网络的应用

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一、认知无线网络技术概述

认知无线网络技术的出现是无线通信的发展史中一个极为重要的里程碑,其最重要的贡献是将智能化利用频谱资源的思想融入其中,引导各类资源的综合优化利用。认知通信系统具有感知环境变化、主动学习、自适应调整参数等特点,可利用空闲的频谱资源,主动检测频谱空洞。此技术的出现是对传统频谱利用模式的挑战,赋予了传统无线通信理念更深层次的含义。认知无线网络技术的不断深入研究,推动现有无线网络向一种具备主动认知自身与周围环境变化发展,智能化地对业务、用户偏好、网络进行适变性的调整,进而解决资源的高效利用与无线网络异构化问题,形成一体化的以智能决策为基础的无线网络体系结构。

二、认知卫星通信网络

卫星通信网络主要由通信卫星和各种地球站组成,根据完成的功能划分,主要包括业务网络和管理网络。业务网络完成用户的业务通信需求;管理网络完成资源的分配和系统运行状态的监控。现有卫星网络中,上述2部分只是完成业务的呼叫处理、通信链路的维护等功能,功能组成较为简单,缺乏对环境信息的感知及用户信息、网络状态的获取等功能。不同卫星通信网是孤立的,并不进行信息的交互,使得通信资源很难高效利用,多网系融合、智能化决策难以实现。在卫星网络中引入认知技术与卫星通信网进行融合,形成认知卫星通信网络,是解决上述问题有效途径。认知卫星通信网络技术的关键技术组成可以总结为如下几部分[9]:环境域感知技术、用户域感知技术、网络域感知技术、终端重配置技术、异构网络融合技术、智能化决策技术。这几部分关键技术如何支撑认知卫星网络的应用,需要进行深入研究。

1用户域感知技术

用户域感知技术主要是指用户个人需求的特点与通信政策的要求。各类用户有不同的偏好,所以在不同条件下应当考虑用户的需求特点。卫星语音通信中,用户只需保障基本的语音业务。而在综合应用中,不仅要考虑用户的服务质量,还需要考虑抗干扰需求等。视频通信中要考虑用户对延迟等关键指标的要求,才能保证用户的需要。

2环境域感知技术

卫星信道环境中雨衰对Ku、Ka频段的信号有一定影响,尤其Ka频段受到的雨衰更加严重。中心站和远端站分别对本地雨衰信息进行感知,根据雨衰特性以及信道估计感知信息,信息汇总至中心站,并由中心站下发,为各站分配功率和带宽资源。业务建链后,通过远端站上报的感知信息,对链路特性进行评估,同时修正初始建链的数据库,实现资源分配的自我学习功能,提高系统的频谱资源利用率。其次,未来卫星通信电磁环境复杂多变,且卫星通信链路覆盖范围较广,转发器具有开放性的特点,卫星波束覆盖内的地球站都可以发射载波到转发器上,极易受到人为的恶意干扰及自然环境的电磁干扰侵扰,造成正常通信的中断。不论是军用还是民用卫星都要考虑抗干扰问题,因此,卫星通信系统除一般抗电磁噪声的干扰能力外,还需要具备对抗蓄意制造的强电磁干扰能力,可见环境感知技术具有十分重要的地位。为使卫星通信系统具备较强的抗干扰能力,保障卫星通信链路的可靠性,需要对电磁环境的频谱特征信息进行充分感知,充分掌握干扰特性,达到有效对抗干扰的目的。采用环境感知技术绘制了“干扰特性分布图”。对干扰特性的感知可以分为干扰强度、干扰密度、干扰分布、干扰类型。在多维域对干扰进行剖析,充分掌握干扰特性,进而建立干扰特性数据库,为抗干扰策略提供有力支持与保障。环境感知技术在卫星通信网络中的应用是今后的发展趋势。未来卫星异构网络,存在各类潜在的干扰用户,频谱感知不但要检测正常的通信信号,还要调整频谱资源的使用,避开受干扰的频段,并引导系统采取合适的抗干扰措施,才能保证传输信道的质量。

3网络域感知技术

卫星通信网络中,网络域感知技术主要包括网络特性感知分析和网络所承载业务特性的感知分析。网络特性感知主要包括资源占用情况感知和卫星网特性感知。资源占用情况感知:评估各通信网络中的带宽资源占用情况、用户终端在网及使用情况;根据资源使用特性,用户终端可优先考虑接入具有较多空闲带宽资源的网络,系统也可在各网络之间进行动态带宽资源协调。卫星网特性感知主要包括网络类型、业务协议支持、QoS保障情况等方面的感知,其作用是在网络层面对信息进行充分掌控。1)网络类型。主要包括点对点、1点对多点(星型网)、多点对多点(网状网)以及由逻辑关系引出的树状网。2)业务协议支持。主要包括基于电路交换的网络和基于分组交换的网络,基于电路交换的网络主要应用在一些支持小型化的终端领域、特殊通信需求的卫星网、极低速率和带宽保障的卫星网,而分组交换主要用在大容量、通用化的卫星网络中。3)QoS保障。每个卫星通信网络对业务的QoS保障能力不同,如上述的基于电路交换的网络对语音等实时业务的支持更好一些,而基于分组交换的网络对于业务即插即用的支持更好一些,因此,充分感知用户的QoS需求是一项十分重要的技术。业务感知主要功能为识别不同的业务数据(如数据、视频、语音等),根据不同业务得出所需要的资源、QoS等要求。

4智能化决策技术

认知无线网络区别于常规无线通信网络的特点之一就是智能化,通过智能化决策技术,对用户和环境特征进行检测、分析、推理、学习、决策、执行,都需要智能化的能力。卫星通信网络需要人工干预的因素很多,因此耗费较多的人力与物力成本,且降低系统的稳定性与灵活性,这对其发展造成了一定的影响。认知无线网络技术的引入可有效提高系统的智能化能力,整合利用现有资源,降低人为干预的影响。智能决策技术在认知卫星网络中功能具有射频环境、用户需求及政策的感知分析、信息的存储、认知学习和推理决策等,根据系统目标特性,分析历史数据去训练学习,最优化配置资源,自适应地匹配环境的改变,满足用户的个性化需要,这些功能的实现都需要智能化决策技术的支持。认知卫星通信网络中的智能化决策技术主要有3部分:感知信息存储、学习推理、决策调整,由此构成认知卫星通信网络智能化决策的应用流程,如图5所示。智能化决策的应用主要依靠人工智能技术,包括机器学习、专家系统、博弈论、智能决策、人工神经网络等,其核心是利用知识表示将感知信息合理地表示和存储,然后用神经网络、遗传算法等实现自适应的学习和推理[10]。

5卫星异构网络的融合技术

卫星通信网络向着异构化演进,如FDMA、TD-MA等网络的不断深入应用,且终端也是向着多模式的应用发展,加之卫星网之间、卫星网与地面网之间的不断深入交互,未来卫星通信网络的异构化融合是发展趋势。目前,卫星通信终端为了适应网络的多元化发展趋势,有效利用各种网络资源需要针对环境和自身软硬件条件的变化接入不同的网络。为了更好地实现网络接入与融合,需要感知技术提取网络特征与感知结果,与用户需要进行匹配,提高适配效能。卫星远端站根据本站感知信息以及中心站指令完成自适应入网以及业务接入。针对不同感知信息进行多目标分析,中心站生成不同决策方案,评估各个网络的负载情况,在满足用户需求的前提下,建立基于负载平衡的规则,为用户分配相应的网络资源。认知技术对异构网络环境进行感知,分析信道特性、用户特性、网络特性,进行资源的合理分配,为终端用户分配最合适的接入网络通信,达到资源利用最优化。

三、结束语

认知无线网络技术在地面无线通信中已经得到广泛研究,而在卫星通信领域中的研究起步较晚,因此,具有很大的发展空间。提出了认知无线网络技术在卫星通信网络中的一些应用思路与技术,认知技术的引入,必将对卫星通信网络的发展产生一系列深远影响,为提高系统的智能化、资源利用率、通信成功率,实现异构网路融合,提供一条很好的解决思路。(本文作者:张静、蒋宝强、郑霖单位:中国电子科技集团公司第五十四研究所、桂林电子科技大学信息与通信学院)

认知卫星通信网络的应用责任编辑:陈老师    阅读:人次