海战场无线频谱资源管理策略研究

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无线通信技术是海战场建立通信连接的重要技术手段,作为无线通信技术核心的无线频谱资源,是一种不可再生的、有限而珍贵的资源,如何高效地分配和使用无线频谱资源,一直是影响无线通信技术效能发挥的重要因素。同时,随着无线通信技术,以及网络技术的发展,灵活多变的组网方式层出不穷,通信应用对带宽的需求也愈加增大,无线频谱资源的分配和使用已经成为无线通信技术发展的瓶颈之一,开始引起民用和军事领域的高度重视。对无线频谱资源的高效管理,将成为提高海战场通信系统性能的重要手段,对无线频谱资源管理策略的研究具有重大的学术意义和应用前景。无线频谱资源管理策略主要包括频谱资源的分配和频谱资源的最大限度利用两个方面。在海战场环境中,部分通信设备装配了有向天线、智能天线,并将成为趋势,另外,出于扩大通信联络范围和保障信息安全的目的,提出海战场多无线多跳网络架构的设想,这些因素都导致传统频率分配算法无法直接移植使用;同时,尚没有有效的方法改善由于发送错误造成的频谱资源无谓消耗现象,从而进一步提高无线频谱资源的利用率。针对以上问题,论文首先分析了无线频谱资源管理策略的原理和现状,总结了海战场无线频谱资源管理策略的研究热点和面临的挑战,然后分别针对这些挑战和问题,设计了相应的频率分配算法,提出了对应的管理策略和优化方法,并通过大量的仿真实验验证了它们的有效性。本文取得如下研究成果:(1)随着多波束智能天线在海战场中的应用,接收端干扰信号的数量得到了有效减少,导致网络中通信设备频率干扰计算模型的变化,论文针对这种情况,对数据链模式下的无线链路频率分配问题进行了分析。首先,针对应用智能天线的情况,修改了综合考虑同频干扰和邻频干扰时载干比的计算方法,增加了天线增益算子,改进了频率分配问题的干扰限制条件;然后,将指挥网、协同网中数据链模式下的无线链路频率分配问题建模为数学优化问题,针对不同的应用需求,提出两类优化目标;最后,针对不同的优化目标,设计了基于蚁群的频率分配算法。仿真验证了基于所提干扰限制条件的频率分配算法,在分配过程中适度的考虑了干扰信号的累积强度,减少了分配频率时消耗的频谱资源代价,节约了无线频谱资源。(2)针对海战场电磁环境信息复杂多变的情况,研究了多无线多跳网络的动态频谱资源管理策略。论文从动态规划理论出发,提出按通信单位承载的业务量、距离指挥级单位的跳数和搭载的无线通信设备数量,划分各通信单位的等级,然后根据通信单位的等级,由高到低,依次分配承载业务量最小的频率,最大化相同时间段内可以正常发射的通信设备数量,最小化网络内各节点的干扰信号强度;并设计了基于脉冲耦合神经网络的干扰判断模型和动态频谱资源分配策略,根据海战场变化的电磁环境信息,周期性的判断网络内的干扰状态,动态地调整和分配频谱资源,提高了为海战场多无线多跳网络分配频率的灵活性,从而提升了网络的整体性能。(3)针对无线通信系统中两种典型的频谱浪费现象,多跳网络中的隐终端问题和业务网中广播重传的效率问题,分别设计了有助于节约频谱资源的优化使用策略。论文首先分析了隐终端问题的基本原理,设计了基于物理层网络编码技术的解决方案,与传统的方法相比,该方案在克服隐终端问题影响的同时,减少了通信设备总的发送次数和占用频谱的时间,节约了无线频谱资源;然后,论文详细分析了广播重传现象,找出进一步提高频谱资源使用效率的可能,设计了基于Symbol级网络编码技术的广播重传策略,该重传策略可以根据链路状态动态调整编码数据包的尺寸,减少重发过程中数据块发生错误的次数,从而提高广播重传时的频谱资源利用率。本文的研究工作对海战场无线频谱资源管理策略面临的问题和挑战进行了分析,分别设计了相应的频率分配算法、使用策略和解决方案,具有一定的理论意义和实际应用前景。
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