淺談太空中無線電通信干擾問題

太空仿佛是空曠無垠的，因此，似乎是無線電通信的理想環(huán)境。實(shí)際卻并非如此，太空中有很多東西會干擾無線電通信。地球上變化不定的電離層會破壞衛(wèi)星與地面站之間的鏈接。天線材料在受熱和遇冷時(shí)會變形。在這個(gè)近乎真空的空間里，充滿了被稱為宇宙噪聲的低等級環(huán)境無線電輻射，這些輻射來自遙遠(yuǎn)的類星體、太陽以及我們銀河系的中心。這種噪聲還包括宇宙微波背景輻射，它是宇宙大爆炸的幽靈，雖然很微弱，但這些宇宙源會破壞行星之間的無線信號。?在某些航天器任務(wù)中，甚至某些任務(wù)的特定階段，例如最大限度地提高數(shù)據(jù)吞吐量、最小化功率使用或確保某些關(guān)鍵數(shù)據(jù)的傳輸?shù)?，鏈路質(zhì)量所有不同也許是令人滿意的。為了保持連通性，通信系統(tǒng)需要不斷地根據(jù)周圍環(huán)境調(diào)整其操作。

假設(shè)火星上有一群宇航員。為了與地球上的地面站連接，他們將依靠一顆圍繞火星的中繼衛(wèi)星。隨著空間環(huán)境的變化和行星之間的相對運(yùn)動，地面站、環(huán)繞火星的衛(wèi)星和火星著陸器上的無線電設(shè)置需要不斷調(diào)整。宇航員可能要等8到40分鐘的往返時(shí)間，以便從任務(wù)控制中心獲得如何調(diào)整設(shè)置的指示。也有更好的選擇，即讓無線電使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)時(shí)調(diào)整其設(shè)置。即使是在極端條件下（如火星軌道），神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仍然能夠保持和優(yōu)化無線電的通信能力。

如果等待地球上的人來指示如何調(diào)整無線電系統(tǒng)，指令可能早已過時(shí)，而具有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的無線電可以立刻進(jìn)行調(diào)整。 這種裝置名為認(rèn)知無線電。它的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會自動感知環(huán)境的變化并相應(yīng)地調(diào)整設(shè)置，最重要的是，它能從經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)。這意味著認(rèn)知無線電可以在新的情況下嘗試新的配置，使其在未知環(huán)境中比傳統(tǒng)的無線電更強(qiáng)大。因此，認(rèn)知無線電是空間通信的理想選擇，尤其是在環(huán)境相對未知的地球軌道以外的地方，那里無法進(jìn)行人為干預(yù)，保持連通性至關(guān)重要。 伍斯特理工學(xué)院和賓夕法尼亞州立大學(xué)與NASA合作，最近測試了首臺認(rèn)知無線電設(shè)備，該無線電設(shè)備的目的是在太空中運(yùn)行、使任務(wù)執(zhí)行者與地球保持聯(lián)系。

在我們的測試中，即使是最基本的認(rèn)知無線電也能確保在國際空間站（ISS）與地面站之間保持清晰的信號。我們相信，隨著進(jìn)一步的研究，更先進(jìn)、功能更強(qiáng)大的認(rèn)知無線電未來會在成功的深空任務(wù)中發(fā)揮不可或缺的作用，屆時(shí)將不會有任何誤差。 未來登上月球和火星的宇航員將能夠充分收集實(shí)地樣本、進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn)和陸地勘測，并保持設(shè)備正常工作。認(rèn)知無線電將使這些機(jī)組人員從維護(hù)通信鏈路的任務(wù)中解脫出來。更重要的是，認(rèn)知無線電將有助于確保深空發(fā)生的意外事件不會切斷連接，以防機(jī)組人員與數(shù)百萬公里外的地球失去最后聯(lián)系。

1998年，約瑟夫?米多拉三世在斯德哥爾摩的瑞典皇家理工學(xué)院首次提出了認(rèn)知無線電。從那時(shí)起，就出現(xiàn)了許多認(rèn)知無線電項(xiàng)目，但大多數(shù)項(xiàng)目的范圍有限，或者只是作為系統(tǒng)的一部分被測試。迄今為止最強(qiáng)大的認(rèn)知無線電是美國國防部制造的。 設(shè)計(jì)傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)時(shí)，工程師通常會使用數(shù)學(xué)模型來表示無線電及其運(yùn)行的環(huán)境。這些模型試圖描述信號是如何在建筑物上反射或在潮濕空氣中傳播的，但即使是最好的模型也無法比擬真實(shí)環(huán)境的復(fù)雜性。 認(rèn)知無線電和使其工作的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是從環(huán)境本身中學(xué)習(xí)的，而不是從數(shù)學(xué)模型中學(xué)習(xí)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會接收有關(guān)環(huán)境的數(shù)據(jù)，例如哪些信號調(diào)制運(yùn)行效果最好、哪些頻率傳播得最遠(yuǎn)，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以確定最佳鏈路的無線電設(shè)置。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)是它可以隨著時(shí)間的推移優(yōu)化輸入和結(jié)果之間的關(guān)系。這個(gè)過程稱為訓(xùn)練。

針對認(rèn)知無線電的訓(xùn)練如下：在信號無法傳輸?shù)泥须s環(huán)境中，無線電首先可能會嘗試提高傳輸功率，之后確定接收到的信號是否更清晰；如果是，無線電會進(jìn)一步提高發(fā)射功率，看看能否能進(jìn)一步改善接收效果。如果信號并無改善，無線電會嘗試另一種方法，例如轉(zhuǎn)換頻率。不管是哪種情況，無線電都能學(xué)習(xí)如何在當(dāng)前環(huán)境中傳輸信號。訓(xùn)練認(rèn)知無線電意味著不斷調(diào)整傳輸功率、數(shù)據(jù)速率、信號調(diào)制或其他設(shè)置，以便學(xué)習(xí)如何更好地完成工作。 任何認(rèn)知無線電發(fā)射前都需要進(jìn)行初步訓(xùn)練。這項(xiàng)訓(xùn)練是今后改進(jìn)無線電的指南。一旦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)接受了訓(xùn)練，進(jìn)入太空后，無論處于太陽系中哪個(gè)位置，它都可以根據(jù)需要自動調(diào)整無線電的設(shè)置以維持緊密的聯(lián)系。

為了控制基本設(shè)置，認(rèn)知無線電使用了一種叫做軟件定義無線電的無線系統(tǒng)。傳統(tǒng)無線電中用硬件實(shí)現(xiàn)的主要功能，用軟件定義無線電中的軟件就可以實(shí)現(xiàn)，包括濾波、放大和檢測信號。這種靈活性對于認(rèn)知無線電來說至關(guān)重要。

不過，認(rèn)知無線電試驗(yàn)的范圍仍然有限，有幾個(gè)基本原因。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的核心是復(fù)雜的算法，需要大量的數(shù)據(jù)才能正常運(yùn)作。此外，還需要大量的計(jì)算能力才能快速得出結(jié)論。無線電硬件的設(shè)計(jì)必須足夠靈活以適應(yīng)這些結(jié)論。任何成功的認(rèn)知無線電都需要讓這些組件協(xié)同工作。只有在國際空間站上最先進(jìn)的空間通信和導(dǎo)航（SCaN）試驗(yàn)臺上，我們才有可能建造用于空間通信的概念驗(yàn)證的認(rèn)知無線電。

━━━━ NASA的格倫研究中心設(shè)計(jì)了專門研究軟件定義無線電在太空中的使用情況的SCaN試驗(yàn)臺。該試驗(yàn)臺由日本宇宙航空探索廳發(fā)射，并于2012年7月安裝在空間站的主架上。在2019年6月退役之前，研究人員借助SCaN試驗(yàn)臺測試了軟件定義無線電能在多大程度上滿足太空無線電的預(yù)期需求，例如軌道運(yùn)行的實(shí)時(shí)重新配置、定制空間網(wǎng)絡(luò)新軟件的開發(fā)和驗(yàn)證，以及與我們小組最為相關(guān)的認(rèn)知通信。 ?

試驗(yàn)臺由3個(gè)軟件定義無線電設(shè)備組成，在S波段（2~4千兆赫）和Ka波段（26.5~40千兆赫）廣播，并在L波段（1~2千兆赫)）接收。SCaN試驗(yàn)臺可以與NASA的近地軌道跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)以及克利夫蘭的NASA格倫研究中心的一個(gè)地面站通信。

在此之前，還沒有人在太空任務(wù)中使用過認(rèn)知無線電系統(tǒng)，而且在這項(xiàng)技術(shù)通過徹底審查之前，人們也不會這么做。SCaN試驗(yàn)臺提供了一個(gè)理想的平臺，可以在接近地球的不那么惡劣的環(huán)境中進(jìn)行技術(shù)測試。我們在2017年搭建了一個(gè)認(rèn)知無線電系統(tǒng)，用于地面調(diào)制解調(diào)器和試驗(yàn)臺之間的通信。我們的試驗(yàn)將是有史以來第一個(gè)在太空中進(jìn)行的認(rèn)知無線電試驗(yàn)。

在我們的試驗(yàn)中，SCaN試驗(yàn)臺是深空探測器上無線電的替代品。對于深空探測器來說，保持與地球的聯(lián)系至關(guān)重要，否則，整個(gè)任務(wù)就可能會失敗。因此，我們的主要目標(biāo)是證明無線電可以通過自動調(diào)整其無線電設(shè)置來維持通信鏈路，保持高數(shù)據(jù)速率或穩(wěn)定信號的優(yōu)先級則較低。 地面站的認(rèn)知無線電會選定無線電的一個(gè)“動作”或一組操作參數(shù)，并將其發(fā)送給試驗(yàn)臺發(fā)射機(jī)和地面站的兩個(gè)調(diào)制解調(diào)器。該動作規(guī)定了測試臺發(fā)射機(jī)和地面站調(diào)制解調(diào)器的特定數(shù)據(jù)速率、調(diào)制方案和功率電平，這些數(shù)據(jù)速率、調(diào)制方案和功率電平很有可能有效維持無線鏈路。 2017年5月，我們在兩周的窗口期內(nèi)完成了首批測試。我們的時(shí)間不寬裕，通常每天只有2次通路，每次持續(xù)8到9分鐘。國際空間站在軌運(yùn)行時(shí)每次經(jīng)過地球上的點(diǎn)都不同，所以與特定位置保持視線連接的機(jī)會有限。

盡管通路次數(shù)不多，但我們的無線電系統(tǒng)還是經(jīng)歷了許多動態(tài)和具有挑戰(zhàn)性的連接條件，包括大氣和天氣的波動。通常，國際空間站上的太陽能板和其他突出物會產(chǎn)生大量的回聲和反射，這些都是我們的系統(tǒng)要考慮的。 在每次通路中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會將通信鏈路的質(zhì)量與之前通路中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，然后將與當(dāng)前通路條件最相似的前一次通路作為設(shè)置無線電的起點(diǎn)。就像扭動調(diào)頻收音機(jī)上的旋鈕一樣，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會將無線電的設(shè)置調(diào)整到最適合當(dāng)前通路條件的狀態(tài)。這些設(shè)置包含了無線信號的所有元素，如數(shù)據(jù)速率和調(diào)制。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并不僅僅是借鑒前一次通路數(shù)據(jù)。如果采用多次通路的比特和片段來創(chuàng)建定制的解決方案最好，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也可以做到。 在測試中，認(rèn)知無線電清楚地展示了它可以學(xué)習(xí)如何維護(hù)通信鏈路。無線電會自動選擇設(shè)置以避免失聯(lián)，即使是無線電進(jìn)行自我調(diào)整，鏈路也可以保持穩(wěn)定。它還擁有強(qiáng)大的信號傳輸能力，不過這不是我們的主要目標(biāo)。

━━━━ 總的來說，我們在SCaN試驗(yàn)臺上的試驗(yàn)成功地表明，認(rèn)知無線電可以用于深空任務(wù)。不過，我們的試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)了一些問題，將無線電發(fā)射到另一個(gè)行星之前必須解決這些問題。 我們遇到的最大問題是“災(zāi)難性遺忘”。當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)過快地接收到太多新信息，因而忘記了它已經(jīng)擁有的大量信息時(shí)，就會發(fā)生這種情況。比如，你正在從教科書上學(xué)習(xí)代數(shù)，到最后就忘記了前半部分內(nèi)容，所以又得從頭開始學(xué)習(xí)。在我們的試驗(yàn)中發(fā)生這種現(xiàn)象時(shí)，認(rèn)知無線電的能力顯著下降，因?yàn)樗鼘?shí)際上是在不斷地自我訓(xùn)練，以應(yīng)對不斷被覆蓋的環(huán)境條件。 我們的解決方案是在認(rèn)知無線電中實(shí)施一種叫做“集成學(xué)習(xí)”的策略。集成學(xué)習(xí)是一種偏向于試驗(yàn)性的技術(shù)，它使用一批“學(xué)習(xí)者”神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)在有限的條件下針對特定類型的通信鏈路進(jìn)行訓(xùn)練。一個(gè)學(xué)習(xí)者可能最適合有嚴(yán)重太陽粒子干擾的國際空間站通路，而另一個(gè)學(xué)習(xí)者可能最適合有雷暴造成的大氣扭曲時(shí)的通路。其中會有一個(gè)總體的元神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)決定在當(dāng)前情況下選擇使用哪種學(xué)習(xí)者神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。這種情況下，即使一個(gè)學(xué)習(xí)者神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了災(zāi)難性遺忘，認(rèn)知無線電仍然可以發(fā)揮作用。

要理解其中的原因，我們可以假設(shè)你正在學(xué)習(xí)開車。一種練習(xí)方法是花100個(gè)小時(shí)來開車，前提是你能在這個(gè)過程中學(xué)會所有需要學(xué)會的東西。這就是目前認(rèn)知無線電的訓(xùn)練方式；我們希望訓(xùn)練中所學(xué)到的知識能運(yùn)用到認(rèn)知無線電遇到的任何情況中。不過，當(dāng)認(rèn)知無線電在現(xiàn)實(shí)世界中遇到的環(huán)境與訓(xùn)練環(huán)境明顯不同會怎樣呢？這就好比是你在高速公路上練習(xí)駕駛了100小時(shí)，之后找到了一份在市區(qū)做貨車司機(jī)的工作。你可能擅長在高速公路上駕駛，卻忘記了在充滿壓力的城市環(huán)境中駕駛的基本知識。

現(xiàn)在假設(shè)你正在練習(xí)以準(zhǔn)備參加駕駛考試。你也許能確定自己可能會在哪些場景下進(jìn)行考試，然后確保自己擅長應(yīng)對這些場景。如果你知道自己不擅長平行停車，你一定會優(yōu)先練習(xí)這項(xiàng)，而不是練習(xí)在四向停車標(biāo)志處開車。問題的關(guān)鍵在于確定你需要學(xué)習(xí)的內(nèi)容，而不是拼命練習(xí)直到最終學(xué)會所有東西。在集成學(xué)習(xí)中，這就是元神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作。 例如，元神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以識別無線電所處環(huán)境中是否有大量電離輻射，它會選擇適合這種環(huán)境的學(xué)習(xí)者神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。因此，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會從一個(gè)更接近現(xiàn)實(shí)的基線開始。它不需要快速取代信息就能大大降低“災(zāi)難性遺忘”發(fā)生的可能性。 在2018年8月的第二輪試驗(yàn)中，我們在認(rèn)知無線電中采用了一個(gè)非?；镜募蓪W(xué)習(xí)版本，然后發(fā)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)減少了災(zāi)難性遺忘的發(fā)生。不過集成學(xué)習(xí)仍然存在許多問題。首先，如何訓(xùn)練元神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來為一個(gè)場景選擇最佳學(xué)習(xí)者？如何確保選中的學(xué)習(xí)者確實(shí)掌握被選中的場景？這些問題還沒有確切的答案。

為了提高無線電的性能，減少災(zāi)難性遺忘，伍斯特理工學(xué)院碩士生馬克斯●李宏明( Max Hongming Li)對認(rèn)知無線電的算法進(jìn)行了調(diào)整，為2018年第二輪測試做準(zhǔn)備。

2019年5月，SCaN試驗(yàn)臺退役，為X射線通信試驗(yàn)讓路，我們失去了在ISS進(jìn)一步測試認(rèn)知無線電的機(jī)會。幸運(yùn)的是，NASA正在計(jì)劃建造一個(gè)三立方體衛(wèi)星星座，以進(jìn)一步論證認(rèn)知空間通信。如果這項(xiàng)任務(wù)獲得批準(zhǔn)，這個(gè)星座將在未來幾年內(nèi)發(fā)射。該項(xiàng)目的目標(biāo)是將此星座作為中繼系統(tǒng)，以了解多個(gè)認(rèn)知無線電是如何協(xié)同工作的。 計(jì)劃未來登月和進(jìn)行火星任務(wù)的人所需要的通信和導(dǎo)航方法要比我們目前已有的更智能。宇航員也不是總能直接與地球通信。例如，從月球背面的射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)出的信號需要通過中繼衛(wèi)星才能到達(dá)地球。

NASA計(jì)劃中的軌道月球門戶（Lunar Gateway）除了作為月面任務(wù)的整備區(qū)外，還會是一個(gè)主要的通信中繼。 月球門戶正是那種會通過認(rèn)知無線電受益的空間通信系統(tǒng)。地球和月球之間的信號往返延遲約為2.5秒。將無線電操作交給月球門戶上的認(rèn)知無線電設(shè)備，可以在時(shí)間寶貴的重要情況下（例如與正在著陸的機(jī)器人著陸器保持聯(lián)系時(shí)）節(jié)省時(shí)間。 我們的SCaN試驗(yàn)臺的試驗(yàn)表明，認(rèn)知無線電會在未來的深空通信中占有一席之地。人類再次探索月球、火星和其他星球時(shí)，保證行星之間的可靠連接至關(guān)重要。太陽系的空間很大，但是沒有通話中斷的余地。

作者：Sven Bilén、Dale Mortensen、Richard Reinhart、Alexander Wyglinski

審核編輯：黃飛

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