1、 年 无线电工程 第 卷 第 期：引用格式：班亚明，王宝宝，孙文宇，等基于与注意力机制的卫星透明转发器频率干扰规避方法无线电工程，（）：，（）：基于与注意力机制的卫星透明转发器频率干扰规避方法班亚明，王宝宝，孙文宇，付垒朋，刘秀芳，贾慧燕（中国电科网络通信研究院，河北 石家庄；航天系统部装备部军事代表局驻石家庄军事代表室，河北 石家庄）摘要：针对卫星通信系统中的透明转发器频率资源干扰问题，设计了基于的卫星透明转发器频率干扰规避方法。通过模型识别频率干扰类别并进行分层处置，同时实现了将长期和短期频率干扰规避相结合的优化策略。策略利用载波监视采样的卫星频谱干扰信息，通过运控、网管和网控系统进行干扰
2、处置，实验结果表明，该方法有效降低了网络的可分资源受扰率的同时提高了正常可用资源量。该干扰规避策略具有实时性高、受扰率低、可有效提高资源利用效率的优势。关键词：干扰规避；注意力机制；透明转发器；卫星通信中图分类号：文献标志码：开放科学（资源服务）标识码（）：文 章 编 号：（），（，；，）：，：；收稿日期：引言卫星通信系统具有覆盖范围广、通信距离远、传输容量大等显著特征，有广阔的应用前景，但是极易受到其他系统或敌对势力的频率干扰，导致业务通信质量下降甚至通信中断。卫星通信系统的干扰检测和抗干扰是领域内的热点问题之一，等研究了宽带卫星的干扰及干扰消除方法。李炯等进行了基于遗传算法的卫星通信抗干扰
3、引擎研究，能够根据干扰状态和用户需求自适应调整链路传输参数。近年来，深度学习算法不断发展，并逐渐应用到卫星通信及抗干扰领域。文献提出了基于和的无线网络环境中的抗干扰算法。文献提出了一种基于注意力机制的深度复数卷积循环网络在频域实现干扰抑制。等提出一种基于强化学习的工程与应用 频率域智能抗干扰算法。以上方法多从基于信号处理的干扰压制和干扰消除角度进行抗干扰的方法研究，仅适用于单一干扰源类型的问题，且无法对长期和短期干扰类型进行辨别。本文针对透明转发器的载波频率干扰问题提出和设计了基于的卫星透明转发器频率干扰规避模型，通过模型实现长期和短期频率干扰的判断识别，并针对长期和短期干扰分别设计处置策略，
4、实现不同类型的频率受扰优化调整，干扰规避策略过程示意如图所示。本文方法可以提高卫星通信业务通信质量，显著提升卫通业务受扰能力。图干扰规避策略过程示意 频率干扰分析与建模 卫星通信系统频率资源管理架构卫星通信系统的透明转发器资源自上而下由运控系统、网管系统和网控系统共同控制，多层协同针对长期和短期频率干扰实施自动处置，系统频率资源管理架构如图所示。运控系统实现通信卫星频率的一体化管理与控制，是整个卫通系统的顶层，统管卫星资源和卫通网任务，它接收用户发起的组网申请，分配卫星资源并调度网管系统实现卫通网的开通。网管系统是卫通系统的中层管理中枢，接收运控系统的组网计划，生成网络配置参数并下发到网控系统
5、，完成配置管理、性能管理、资源管理及故障管理等功能。网管系统能够利用性能数据和载波干扰数据分析结果，发起网络内卫星资源的优化调整。网控系统是卫通系统的底层卫星资源分配执行核心，根据网络配置参数实现组网开通，接收卫星通信地球站业务申请和释放请求，完成卫星资源的实时分配和通信业务接续功能。载波监视是卫星无线频率监测的一种手段，其监测结果能够作为卫星资源管理和规划的重要依据，对于提高卫星通信系统运行管理水平、改善卫星资源利用效率、净化电磁环境具有重要作用。图卫星通信系统频率资源管理架构 卫星通信频率干扰（）频率干扰检测干扰信号产生的原因包括设备故障、操作错误、故意干扰、资源盗用、邻星干扰和自然现象等
6、。设备故障由通信设备不稳定造成，如带外杂散、频率漂移等；操作错误指设置了错误的工作参数，如天线指向错误、功率超限和发送频率错误等；故意干扰是敌对方发射干扰信号阻碍正常通信；资源盗用是指非注册用户私自占用透明转发器资源进行通信；邻星干扰由天线指向偏离或天线口径过小导致；自然干扰包括雨衰、雪衰、日凌、星蚀和电离层闪烁等。载波监视能够分析卫星干扰信号特征、识别干扰样式、进行干扰告警；载波监视能够识别的干扰包括单音干扰、多音干扰、扫频干扰、宽带阻塞干扰和脉冲式干扰等。（）频率干扰处置当载波监视发现干扰信号后，需针对不同干扰的特点提出有针对性的处置策略。干扰信号的处置策略主要分为种：通信参数调整、干扰规
7、避、干扰压制和干扰消除。对于较低强度干扰信号，若正常通信业务并未中断，可以采取通信参数调整策略，如增大发射功率或降低符号速率等以满足业务对通信质量要求；对于强干扰信号，正常业务载波的通信质量恶化较剧烈，可以采取干扰规避策略。工程与应用 年 无线电工程 第 卷 第 期 对于在未分配的频率资源范围内出现的非法用频，当信号功率电平较高足够进行信号解调时，可以考虑采用干扰压制的策略。对于干扰压制无效的干扰信号，如果星上天线具有自适应调零能力，可实施干扰消除，即对干扰信号进行自适应调零。透明转发器频率干扰处置策略如表所示。本文主要针对干扰处置中的干扰规避策略进行研究和设计。表透明转发器频率干扰处置策略
8、处置策略处置方法干扰特点参数调整增大发射功率或降低符号速率较低强度的干扰续表处置策略处置方法干扰特点干扰规避 使用其他频点进行通信较低和较高强度的干扰干扰压制利用特种设备对干扰信号进行功率压制空闲频 带 内 非 法用频干扰消除若星上天线具有自适应调零能力，可对干扰信号进行自适应调零干扰压制无效模型结构设计 网络结构总体设计本节对基于的卫星透明转发器频率干扰规避方法的网络结构总体设计进行介绍。干扰规避模型网络结构整体设计结构示意如图所示。图干扰规避模型网络结构整体设计结构示意 在训练阶段，本文利用带有标签的受干扰信号与正常信号对网络模型进行训练，采用有监督训练的方式，数据经过预处理后，输入经过深
9、度学习网络模型（）输出预测信号类型，包括正常信号、强干扰信号、弱干扰信号类，详细的模型结构将在下面进行阐述。在推理阶段，通过训练完成的网络模型对载波监视系统采样得到的原始信号对进行预测，输出原始信号的预测值。随后运控系统、网管系统和网控系统分别针对不同预测结果进行处置，若预测结果为正常信号，则系统不做任何额外处理；若预测结果为弱干扰信号，则系统作出参数调整，可通过功率调整或降低符号速率进行抗干扰；若预测结果为强干扰信号，则根据长、短期干扰分别执行规避策略，详细的规避策略将在 节进行阐述。基于注意力机制的模型本文所使用的模型结构是基于文献提出的和模型所做的改进，使其适应于当前任务的干扰规避模型网
10、络，具体的基于注意力机制的模型网络结构示意如图所示。通过载波监视采样得到的原始输入信号，经过后作为模型的输入，本文模型保留了位置编码的作用，用于对频率资源进行定位。随后通过编码模块来进行特征表示，该模块改进自中的编码器结构。进入编码模块后，通过自注意力层实现（）对输入的序列提供全局关系学习的能力，保留工程与应用 对频率资源定位的作用，再通过全连接（，）层进行非线性变换。进一步地，经过网络对编码后的特征进行干扰信号识别，并通过层和层输出得到最终的预测结果。图基于注意力机制的模型网络结构示意 干扰规避策略设计通过模型识别频率干扰类别并进行分层处置，同时实现了将长期和短期频率干扰规避相结合的优化策略
11、，下面分别介绍长期干扰规避策略和短期干扰规避策略。（）长期干扰规避策略运控系统和网管系统根据载波监视检测的干扰信号日志，结合判别规则进行长期干扰信号判别，并实施相应的干扰规避措施。运控系统针对系统内空闲卫星资源，识别长期干扰并处置。网管系统针对现有卫通网内资源进行干扰分析，识别长期干扰，并实施卫通网的资源受扰替换。长期干扰规避主要步骤如下：接收载波监视发送的频率干扰信息。当系统运行到分析周期时刻，发起干扰分析，从本地数据库中查询当前时刻所有的干扰数据。基于基本频带进行长期干扰分析，带宽分析粒度，将受扰频带分为段基本频带，依次判断基本频带是否受扰，得出长期受扰的基本频带集合，受扰判断如下：（）（
12、），（）式中：为干扰记录编号，为长期干扰记录数量，（）、（）分别为干扰记录的开始时间和结束时间，为干扰记录与基本频带的重叠带宽，为长期频率干扰分析周期，为载波频带受扰率阈值。分析长期受扰的基本频带集合，当多个基本频带相邻时聚合为一个频带，最终生成长期受扰频段。基于基本频带的长期干扰分析方法示意如图所示。经分析，波束内存在个长期干扰频段（，）和（，）。图基于基本频带的长期干扰分析方法示意 运控系统根据长期干扰，将影响的卫星资源段置为不可用，不再分配给新的卫星通信网，当长期干扰消失后，将对应卫星资源置为可用；网管系统针对存在长期干扰的卫通网，发起网络卫星资源调整，分配空闲卫星资源，替换受扰的资源段
13、。（）短期干扰规避策略网控系统根据干扰数据和处置策略进行实时资源分配过程优化，受扰的卫星资源不再分配给地球站，主要处置过程如下：依次判断接收到干扰信息的信噪比（）是否超过阈值环境设定阈值，如果是，则将该资源段加入不可用频集合。网控系统接收到地球站资源请求后不再分配不可用频段集合中的受扰频率段。针对网内不可用频段进行分析，当干扰频率段超时，判定干扰信号消失，将该频段从不可用频段集合中剔除。当网络允许载波搬移时，实施载波受扰分析并发起载波受扰搬移，首先判断网内载波是否受扰，然后，网控系统在网内可用空闲资源池中为受扰载波分配资源，实施载波受扰搬移，载波是否受扰的判断如下：工程与应用 年 无线电工程
14、第 卷 第 期 ，（）式中：为干扰频段编号，为短期干扰记录数量，为第个干扰频段与待分析载波重叠的带宽，为载波带宽，为载波频带受扰率阈值。最后，运控、网管和网控系统根据上述优化长期和短期干扰策略对卫星通信网络进行资源配置，实现干扰规避。实验设置与结果分析 评价指标和参数设置对模型以及卫星通信网实施干扰规避策略情况下的网内资源使用情况评价指标进行分析。其中模型网络评价指标包括和前向推理速度，定义为精确率与召回率的调和平均数，前向推理速度定义为模型训练后算力相同条件下前向传播一次的平均时间。网内资源使用情况评价指标定义如下，若网内资源带宽为，统计时间为；网内有条长期干扰，（）为第条干扰信号带宽；网内
15、有条短期干扰，（）为第条干扰信号带宽；长期干扰判定周期，短期干扰判定周期，则网内资源使用情况统计信息如下：资源总量，指卫通网管理的资源总量：。（）可分资源受扰量，指卫通网可以分配给地球站的网内受扰资源，会影响正常业务通信：（）（）。（）可分资源量，指卫通网判定干扰，不可分的网内资源：（）（）（）。（）正常可用资源量，指卫星网内可分配且未干扰的资源：。（）可分资源受扰率：。（）卫星通信网参数配置条件如下：卫星通信网内频率资源带宽为，假设存在一个 的长期干扰，存在多个时长为 的 带宽的短期干扰，其出现概率服从泊松分布。系统验证统计周期为，实验将从无受扰优化、长期优化、短期优化和长期短期优化种策略进
16、行分析对比，分析可分资源受扰率。实验结果与分析为了对比提出的基于的卫星透明转发器频率干扰规避算法，本文首先对与 模型的预测结果进行对比，验证本文基于注意力机制的模型的有效性，如表所示。表模型预测结果评价指标 模型前向推理速度 由表可以看出，本文提出的基于注意力机制的模型与不使用注意力机制的模型相比可以有效提高指标（），原因在于注意力机制弥补了模型对长序列的信息缺失能力，并且模型在参数量和运行速率上相比仅有较少的增加，额外的前向推理时间几乎可以忽略不计。进一步，本文对比了不同模型与干扰规避策略，结果如表所示。表不同模型与干扰规避策略的结果对比 模型干扰规避策略可分资源受扰率 无无 长期 长期短期
17、 长期 长期短期 由表可以明显看出，长期短期的干扰规避策略相比仅使用长期干扰规避策略可以有效降低可分资源受扰率。同时，模型相比有更为明显的效果，这得益于注意力机制对干扰特征的有效提取。进一步地，本文在最优的干扰规避模型中分析了不同干扰规避策略的影响，基于的干扰规避模型网络进行的实验仿真数据，统计各策略的正常可用资源量、可分资源受扰量、资源总量、不可分资源量和可分资源受扰率共个指标，统计数据如表所示。工程与应用 表不同干扰规避策略的各类资源量结果 统计值正常可用资源量（）可分资源受扰量（）不可分资源量（）资源总量（）可分资源受扰率 无 长期 短期 长期短期 统计数据显示，短期优化策略可以大幅降低
18、可分资源的受扰率（），长期优化策略可以提升网内正常可用资源量（），长期短期优化策略综合了二者的优势，既降低了可分资源的受扰率，又提高了网内正常可用资源量。在实施过程中，可以通过调整长期干扰判定规则、干扰优化周期等，使各优化策略有机结合，提升卫星资源使用质量。结束语本文针对卫星通信系统的透明转发器资源受扰问题，设计基于的卫星透明转发器频率干扰规避方法，利用模型对频率干扰类别进行识别和处置，实现了长期和短期频率干扰规避相结合的优化策略。利用载波监视采样的卫星频谱干扰信息，通过运控、网管和网控系统进行干扰处置。结果表明，该干扰规避策略降低了卫通网可分资源受扰率，提高了网内正常可用资源量，具有实时性高
19、、受扰率低、可有效提高资源利用效率的优势。?参考文献孙晨华，章劲松，赵伟松，等高低轨宽带卫星通信系统特点对比分析无线电通信技术，（）：易克初，李怡，孙晨华，等卫星通信的近期发展与前景展望通信学报，（）：郑士伟，史占武，韩刚军事卫星通信中干扰形式的判断与应对措施研究通信技术，（）：陈新来，闫晓晖基于体系结构的卫星通信系统抗干扰能力研究通信技术，（）：，：，：李炯，郭道省，张东基于遗传算法的卫星通信抗干扰引擎研究军事通信技术，（）：朱佳璐，马永涛，刘开华基于及的多用户联合抗干扰决策算法传感技术学报，（）：吴秋雨，高勇基于注意力机制和深度复数卷积循环网络的汽车雷达干扰抑制 无线电工程：，（）：，（）
20、：，：闫肃，刘海洋卫星频段常见干扰类型及其监测、查找方法中国无线电，（）：夏利元卫星传输系统中的干扰因素与应对策略分析无线互联科技，（）：杨伟娟卫星通信的常见干扰分析和处理措施数字技术与应用，（）：鲁娜卫星通信抗干扰及其性能评估指标体系研究长沙：国防科学技术大学，刘聪锋，赵梓越自适应调零天线对抗效能层次分析评估方法西安电子科技大学学报，（）：，：，：，：，：，（）：作者简介班亚明男，（），硕士，高级工程师。王宝宝男，（），工程师。主要研究方向：航天测运控装备、通信导航装备等领域质量监督。（通信作者）孙文宇男，（），博士，工程师。付垒朋男，（），硕士，高级工程师。刘秀芳女，（），硕士，工程师。主要研究方向：航天测运控装备、通信导航装备等领域质量监督。贾慧燕女，（），工程师。主要研究方向：航天测运控装备、通信导航装备等领域质量监督。工程与应用