林　剛，程云鵬，江　漢，陳慧林，王志文

(1.解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院研究生3隊，江蘇 南京 210007；2.解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

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短波信道估計中的三狀態(tài)HMM性能分析

林剛1，程云鵬2，江漢2，陳慧林1，王志文1

(1.解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院研究生3隊，江蘇 南京 210007；2.解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

針對短波通信ALE協(xié)議中信道接入技術(shù)存在的不足，已有研究通過引入三狀態(tài)隱馬爾科夫模型(HMM)，將該模型用于預(yù)測短波信道可用性，選擇信道接入。在先前研究基礎(chǔ)上通過實測頻譜數(shù)據(jù)來進一步檢驗該模型的性能，首先考慮短波信道的使用規(guī)律，對各頻段實測頻譜功率進行二次量化得到信道的三狀態(tài)序列；然后計算三狀態(tài)HMM下信道狀態(tài)的預(yù)測準確率和空閑信道的利用率。仿真結(jié)果表明，三狀態(tài)HMM的準確率和利用率均在80%以上，而且除了在短波頻段表現(xiàn)很好外該模型在其他頻段同樣性能優(yōu)異，這在實際場景中具有很高的應(yīng)用價值。

HMM；短波ALE；信道估計；信道接入

0　引　言

短波通信[1]依靠1.5～30MHz的電磁波進行信號傳輸，具有無中繼遠程通信、抗毀性強、機動靈活、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)快捷等特點，在世界軍備競賽愈演愈烈的當今時代備受重視，是中遠距離無線通信的重要手段。

自動鏈路建立(ALE)[2-3]技術(shù)是現(xiàn)代短波通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，主要包括信道評估、鏈路建立和鏈路維持三個部分，主要任務(wù)是完成信道選擇和信道接入。短波信道條件惡劣，信道特性隨時間快速復(fù)雜變化；同時短波信道的開放性導(dǎo)致了通信干擾嚴重；另外短波信道受電離層傳播特點影響具有明顯的窗口效應(yīng)。因此，短波通信需要不斷地切換頻率，如何高效選頻也就顯得至關(guān)重要。

標準的短波ALE利用CSMA[4-5]協(xié)議的發(fā)前偵聽技術(shù)接入頻譜，并采用感知、探測和監(jiān)控技術(shù)評估信道使用狀況和信道質(zhì)量，但基站之間存在多種沖突，因為他們只在分配的根據(jù)經(jīng)驗統(tǒng)計的數(shù)量有限的可用的信道上傳輸信息，這些信道的可用性卻是時變的，因此使用ALE的老式的短波數(shù)據(jù)頻率方案不能以動態(tài)的方式充分利用短波通信中存在的大量的頻譜“空洞”。由于具有強大的理論基礎(chǔ)和非常好的可處理性，對于使用HMM進行數(shù)據(jù)預(yù)測的研究越來越多，包括語音識別、自然語言建模、生物序列分析(DNA、蛋白質(zhì)等)、股市預(yù)報、地區(qū)沖突分析、地震預(yù)報等等，也就是說該模型對有序數(shù)據(jù)有廣泛應(yīng)用。將HMM的預(yù)測本領(lǐng)運用到信道接入中來，可以在數(shù)據(jù)傳輸之前就發(fā)現(xiàn)真正可用的信道，有助于減少切換成本，降低沖突率，提高通信效率。

傳統(tǒng)的ALE優(yōu)點在于原理簡單，易于實現(xiàn)，但是并不能給出一個特定時間特定路徑的最優(yōu)信道。文獻[6]提出了一種兩狀態(tài)馬爾科夫基信道預(yù)測算法(MCPA)，與CSMA相比，MCPA的用戶沖突率大大減少。文獻[7]通過對928-948MHz頻段的實時數(shù)據(jù)測量來驗證了隱馬爾科夫模型的正確性。文獻[8]通過對短波頻譜的實測數(shù)據(jù)進行HMM建模分析，進一步驗證了HMM在信道預(yù)測接入方面具有很高的準確率。文獻[9]提出了一種新的三狀態(tài)HMM，通過仿真分別與兩狀態(tài)HMM和目前實際中應(yīng)用的CSMA技術(shù)進行了性能對比，結(jié)果表明，該模型優(yōu)于同類型的兩狀態(tài)模型，而且在信噪比較低、“部分可用”信道出現(xiàn)次數(shù)較多時較CSMA用戶沖突率更低、信道接入率更高。

本文在文獻[9]的工作基礎(chǔ)上，將研究采用的模擬數(shù)據(jù)替換為頻譜實測數(shù)據(jù)，將實際場景的數(shù)據(jù)映射為三狀態(tài)HMM可用的狀態(tài)序列，進一步檢驗該模型的性能。除了短波頻段的數(shù)據(jù)外，本文還同時研究了另外三組其它頻段的數(shù)據(jù)，仿真結(jié)果表明，無論是哪個頻段，在符合本頻段使用規(guī)律的前提下，三狀態(tài)HMM均能很好地預(yù)測信道狀態(tài)，具有很高的信道利用效率。

1　隱馬爾科夫模型(HMM)理論

圖1　HMM結(jié)構(gòu)

1.1HMM的參數(shù)定義

一個完整的HMM定義包括：隱狀態(tài)數(shù)目N和觀察狀態(tài)數(shù)目M、初始概率矩陣π以及轉(zhuǎn)移概率矩陣A和觀測概率矩陣B，具體定義如下：

1.2HMM要解決的三個問題

1.2.1評估問題

1.2.2解碼問題

已知某一觀測序列以及產(chǎn)生該觀測序列的HMM參數(shù)，確定對應(yīng)于該觀測序列的狀態(tài)序列。通常使用Viterbi算法來解決這一問題。

1.2.3參數(shù)訓(xùn)練問題

通過觀測序列對模型參數(shù)進行訓(xùn)練，得到該模型的最優(yōu)參數(shù)。通常使用Baum-Welch算法來進行訓(xùn)練。

1.3HMM中的常用算法

1.3.1Forward算法

算法運算量為N2T。

1.3.2Viterbi算法

Viterbi算法的具體據(jù)算步驟如下：

S1 遞歸初始化，

S2 遞歸計算，

1≤i≤N,2≤t≤T

S3 終止遞歸，

q*是最后一個決定的路線終點狀態(tài)編號。

1.3.3 Baum-Welch算法

迭代關(guān)系式為：

1≤i≤N,1≤t≤T-1，

進而可以得到：

定義變量：

S3 利用以下公式更新HMM參數(shù)：

(1)

(2)

(3)

2　三狀態(tài)HMM基短波信道預(yù)測模型

2.1頻譜數(shù)據(jù)采集

HMM算法中非常重要的一步就是觀測序列的獲取，目前的大部分研究或者采用假設(shè)序列，或者采取其它頻帶范圍內(nèi)的觀測數(shù)據(jù)，對于短波通信研究不具有實質(zhì)性的指導(dǎo)意義。由于國內(nèi)目前研究的大多是短波以外頻段的HMM選頻模型，對短波頻段系統(tǒng)采集的頻譜數(shù)據(jù)較少，故本文采用德國亞琛大學(xué)Dipl.-Ing. Matthias Wellens和Prof. Petri M?h?nen測量的頻譜數(shù)據(jù)來進行仿真研究，該數(shù)據(jù)除了短波頻段數(shù)據(jù)外，還包含了其他多各頻段的頻譜樣本，更具有對比性的研究價值，各項參數(shù)如表1所示。

表1　頻譜測量參數(shù)

從數(shù)據(jù)采集到模型應(yīng)用的過程如圖2所示。

圖2　數(shù)據(jù)采集及處理流程

首先利用Agilent E4440A頻譜分析儀天線采集20～1 520 MHz范圍內(nèi)的頻譜數(shù)據(jù)，并通過電腦存儲一周內(nèi)的數(shù)據(jù)并利用matlab進行轉(zhuǎn)換。接下來將功率樣本進行二次量化，最后利用量化后得到的狀態(tài)序列來檢驗HMM的性能。

2.2信道狀態(tài)劃分

本文短波信道可用性劃分的標準[3,8]是依據(jù)短波用戶傳輸數(shù)據(jù)幀所需要的最長時間(即最長信道占用時間)來決定。具體劃分方法文獻[9]中已詳細說明，本文不再贅述，劃分結(jié)果如圖3所示。

圖3　短波信道可用性劃分示意

計算每一個子時隙的接收功率值， 將感知功率值Pk與門限值Thr進行比較，量化如下：

統(tǒng)計1分鐘內(nèi)信道被使用的總時長，并按如下標準確定信道狀態(tài)：

假設(shè)信道被用戶占用的時間長度為ζ，單位為秒(s)。則信道可用性Y可表述為：

按照上述信道劃分方法，本文的信道預(yù)測模型的隱狀態(tài)和觀測狀態(tài)數(shù)均為3，預(yù)測流程如圖4所示。

圖4　短波信道可用性預(yù)測流程

3　仿真分析

本文仿真內(nèi)容共選取了24 MHz、91.8 MHz、538.6 MHz、1 036.4 MHz四個頻點的數(shù)據(jù)來進行仿真，主要為驗證24 MHz短波頻段的性能，同時考察該模型在其它頻段的應(yīng)用潛能。

3.1頻譜數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果

圖5給出的是20～1 520 MHz頻段的前1 000時間點內(nèi)的功率瀑布圖，可以看出在20頻點 、400頻點、2 600頻點和5 000頻點附近頻譜使用情況比較活躍，故本文仿真選取的也是這幾個頻點附近的數(shù)據(jù)，因為頻譜活躍程度對驗證模型的性能非常關(guān)鍵。

圖5　全頻段前1000時間點瀑布

圖6給出的是4個頻點一周內(nèi)的功率統(tǒng)計直方圖，可以看出所選取的頻點功率均存在兩個明顯的峰值。這是因為功率較低的峰值表明信道只存在噪聲，沒有被使用，處于空閑狀態(tài)；功率較高的峰值表明信道中既有噪聲又有信號，處于被占用狀態(tài)。峰值明顯可以便于設(shè)置閾值，在兩峰之間選取適當?shù)拈撝礣hr，即可將功率測量結(jié)果映射為01序列，進而再二次量化為三狀態(tài)序列。

(a)24 MHz功率統(tǒng)計

(b)91.8 MHz功率統(tǒng)計

(c)538.6 MHz功率統(tǒng)計

(d)1 036.4 MHz功率統(tǒng)計

3.2三狀態(tài)HMM性能仿真

3.2.1HMM參數(shù)訓(xùn)練

表2給出的是采用預(yù)處理得到的三狀態(tài)序列訓(xùn)練HMM的結(jié)果。利用得到的參數(shù)，即可通過前面列出的算法進行信道狀態(tài)預(yù)測和接入。

表2　三狀態(tài)HMM參數(shù)訓(xùn)練結(jié)果

3.2.2信道狀態(tài)預(yù)測準確率和空閑信道接入率分析

定義信道狀態(tài)預(yù)測準確率如下：

(4)

定義空閑信道利用率如下：

(5)

對于三狀態(tài)HMM，

圖7和圖8給出的是4個信道的狀態(tài)預(yù)測準確率曲線和空閑信道利用率曲線，可以看出二者均在80%以上。在實測數(shù)據(jù)的驗證下，三狀態(tài)HMM不僅僅是在24 MHz的短波頻段性能優(yōu)越，在其它頻段也同樣表現(xiàn)較好，這說明除了短波頻段外，HMM模型在其它頻段同樣適用。這也對下一代與頻譜感知相結(jié)合的ALE技術(shù)具有很高的參考價值。

圖7　三狀態(tài)HMM預(yù)測準確率曲線

圖8　三狀態(tài)HMM空閑信道利用率曲線

4　結(jié)　語

本文針對短波ALE系統(tǒng)中現(xiàn)有的信道接入技術(shù)存在的不足，結(jié)合已有的信道預(yù)測技術(shù)，引入了一種三狀態(tài)HMM基信道預(yù)測模型，通過實測頻譜數(shù)據(jù)來進行仿真分析。結(jié)果表明，三狀態(tài)HMM不僅僅是在的短波頻段性能優(yōu)越，在其它頻段也同樣表現(xiàn)較好，這也對下一代與頻譜感知相結(jié)合的ALE技術(shù)具有很高的參考價值。

本文所做研究是在把信道所受的干擾全部歸類為噪聲的假設(shè)下進行的，今后的工作中需要在考慮引入其他影響因素后的改進策略；另外當多個信道同時可用時的“優(yōu)中選優(yōu)”問題也是需要后續(xù)解決的。

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林剛(1990—)，男，碩士，主要研究方向為無線通信，頻譜預(yù)測；

程云鵬(1976—)，男，教授，主要研究方向為無線通信，信號處理；

江漢(1977—)，男，副教授，主要研究方向為無線通信技術(shù)與信息處理；

陳慧林(1991—)，男，碩士，主要研究方向為網(wǎng)絡(luò)編碼，移動通信；

王志文(1991—)，男，碩士，主要研究方向為認知無線電，寬帶頻譜感知。

NationalNaturalScienceFoundationofChina(No.61301160)

PerformanceAnalysisofThree-StateHMMinHFChannelEstimation

LINGang1,CHENGYun-peng2,JAINGHan2,CHENHui-lin1,WANGZhi-wen1

(1.PostgraduateTeam3CCE;2.CollegeofCommunicationsEngineering,PLAUniversityofScienceandTechnology,NanjingJiangsu21007,China)

AimingatthedrawbacksofspectrumaccessstrategyinHFALEprotocols,athree-stateHMMisintroducedtopredictthechannelavailabilityanddeterminethechannelaccessinthepreviousresearches.Basedonthepreviousresearch,theperformanceofthemodelisverifiedviatheactually-measureddata.Firstly,theusageregulationofHFchannelisfullyconsidered,andthesecondaryquantizationonthemeasuredspectrumpowerofeachbandisdone,thustoacquirethree-statesequenceofthechannel.Then,thepredictionaccuracyofchannelstatesandtheusagerateofidlechannelunderthree-stateHMMarecalculated.Simulationresultsshowthatboththepredictionaccuracyandtheusageratecouldreachavalueofover80percent.InadditiontoHFspectrum,thismodelcouldalsoexhibitexcellentperformanceinotherspectrum,andthusisoffairlyhighapplicationvalueinactualscene.

HMM;HFALE;channelestimation;spectrumaccess

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.03.008

2015-10-20；

2016-01-28Receiveddate:2015-10-20；Reviseddate：2016-01-28

TN92

A

1002-0802(2016)03-0286-07

國家自然科學(xué)基金資助項目(No.61301160)