淺談太空中無(wú)線電通信干擾問(wèn)題

太空仿佛是空曠無(wú)垠的，因此，似乎是無(wú)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(huì)干擾無(wú)線電通信。地球上變化不定的電離層會(huì)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(huì)變形。在這個(gè)近乎真空的空間里，充滿(mǎn)了被稱(chēng)為宇宙噪聲的低等級(jí)環(huán)境無(wú)線電輻射，這些輻射來(lái)自遙遠(yuǎn)的類(lèi)星體、太陽(yáng)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(huì)破壞行星之間的無(wú)線信號(hào)。?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(mǎn)意的。為了保持連通性，通信系統(tǒng)需要不斷地根據(jù)周?chē)h(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(duì)運(yùn)動(dòng)，地面站、環(huán)繞火星的衛(wèi)星和火星著陸器上的無(wú)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(wú)線電使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)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(wú)線電的通信能力。

如果等待地球上的人來(lái)指示如何調(diào)整無(wú)線電系統(tǒng)，指令可能早已過(guò)時(shí)，而具有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線電可以立刻進(jìn)行調(diào)整。 這種裝置名為認(rèn)知無(wú)線電。它的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會(huì)自動(dòng)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(wú)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(wú)線電更強(qiáng)大。因此，認(rèn)知無(wú)線電是空間通信的理想選擇，尤其是在環(huán)境相對(duì)未知的地球軌道以外的地方，那里無(wú)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(cè)試了首臺(tái)認(rèn)知無(wú)線電設(shè)備，該無(wú)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(cè)試中，即使是最基本的認(rèn)知無(wú)線電也能確保在國(guó)際空間站（ISS）與地面站之間保持清晰的信號(hào)。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(wú)線電未來(lái)會(huì)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(huì)有任何誤差。 未來(lái)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(cè)，并保持設(shè)備正常工作。認(rèn)知無(wú)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(lái)。更重要的是，認(rèn)知無(wú)線電將有助于確保深空發(fā)生的意外事件不會(huì)切斷連接，以防機(jī)組人員與數(shù)百萬(wàn)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(wú)線電。從那時(shí)起，就出現(xiàn)了許多認(rèn)知無(wú)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(cè)試。迄今為止最強(qiáng)大的認(rèn)知無(wú)線電是美國(guó)國(guó)防部制造的。 設(shè)計(jì)傳統(tǒng)無(wú)線通信系統(tǒng)時(shí)，工程師通常會(huì)使用數(shù)學(xué)模型來(lái)表示無(wú)線電及其運(yùn)行的環(huán)境。這些模型試圖描述信號(hào)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(wú)法比擬真實(shí)環(huán)境的復(fù)雜性。 認(rèn)知無(wú)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(huì)接收有關(guān)環(huán)境的數(shù)據(jù)，例如哪些信號(hào)調(diào)制運(yùn)行效果最好、哪些頻率傳播得最遠(yuǎn)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以確定最佳鏈路的無(wú)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(guò)程稱(chēng)為訓(xùn)練。

針對(duì)認(rèn)知無(wú)線電的訓(xùn)練如下：在信號(hào)無(wú)法傳輸?shù)泥须s環(huán)境中，無(wú)線電首先可能會(huì)嘗試提高傳輸功率，之后確定接收到的信號(hào)是否更清晰；如果是，無(wú)線電會(huì)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(hào)并無(wú)改善，無(wú)線電會(huì)嘗試另一種方法，例如轉(zhuǎn)換頻率。不管是哪種情況，無(wú)線電都能學(xué)習(xí)如何在當(dāng)前環(huán)境中傳輸信號(hào)。訓(xùn)練認(rèn)知無(wú)線電意味著不斷調(diào)整傳輸功率、數(shù)據(jù)速率、信號(hào)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(wú)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(wú)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(wú)論處于太陽(yáng)系中哪個(gè)位置，它都可以根據(jù)需要自動(dòng)調(diào)整無(wú)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(wú)線電使用了一種叫做軟件定義無(wú)線電的無(wú)線系統(tǒng)。傳統(tǒng)無(wú)線電中用硬件實(shí)現(xiàn)的主要功能，用軟件定義無(wú)線電中的軟件就可以實(shí)現(xiàn)，包括濾波、放大和檢測(cè)信號(hào)。這種靈活性對(duì)于認(rèn)知無(wú)線電來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

不過(guò)，認(rèn)知無(wú)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(wú)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(wú)線電都需要讓這些組件協(xié)同工作。只有在國(guó)際空間站上最先進(jìn)的空間通信和導(dǎo)航（SCaN）試驗(yàn)臺(tái)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(wú)線電。

━━━━ NASA的格倫研究中心設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)研究軟件定義無(wú)線電在太空中的使用情況的SCaN試驗(yàn)臺(tái)。該試驗(yàn)臺(tái)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(tái)測(cè)試了軟件定義無(wú)線電能在多大程度上滿(mǎn)足太空無(wú)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(kāi)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(tái)由3個(gè)軟件定義無(wú)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(tái)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(méi)有人在太空任務(wù)中使用過(guò)認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)，而且在這項(xiàng)技術(shù)通過(guò)徹底審查之前，人們也不會(huì)這么做。SCaN試驗(yàn)臺(tái)提供了一個(gè)理想的平臺(tái)，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(cè)試。我們?cè)?017年搭建了一個(gè)認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)，用于地面調(diào)制解調(diào)器和試驗(yàn)臺(tái)之間的通信。我們的試驗(yàn)將是有史以來(lái)第一個(gè)在太空中進(jìn)行的認(rèn)知無(wú)線電試驗(yàn)。

在我們的試驗(yàn)中，SCaN試驗(yàn)臺(tái)是深空探測(cè)器上無(wú)線電的替代品。對(duì)于深空探測(cè)器來(lái)說(shuō)，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(huì)失敗。因此，我們的主要目標(biāo)是證明無(wú)線電可以通過(guò)自動(dòng)調(diào)整其無(wú)線電設(shè)置來(lái)維持通信鏈路，保持高數(shù)據(jù)速率或穩(wěn)定信號(hào)的優(yōu)先級(jí)則較低。 地面站的認(rèn)知無(wú)線電會(huì)選定無(wú)線電的一個(gè)“動(dòng)作”或一組操作參數(shù)，并將其發(fā)送給試驗(yàn)臺(tái)發(fā)射機(jī)和地面站的兩個(gè)調(diào)制解調(diào)器。該動(dòng)作規(guī)定了測(cè)試臺(tái)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(wú)線鏈路。 2017年5月，我們?cè)趦芍艿拇翱谄趦?nèi)完成了首批測(cè)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(guó)際空間站在軌運(yùn)行時(shí)每次經(jīng)過(guò)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(huì)有限。

盡管通路次數(shù)不多，但我們的無(wú)線電系統(tǒng)還是經(jīng)歷了許多動(dòng)態(tài)和具有挑戰(zhàn)性的連接條件，包括大氣和天氣的波動(dòng)。通常，國(guó)際空間站上的太陽(yáng)能板和其他突出物會(huì)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(huì)將通信鏈路的質(zhì)量與之前通路中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)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(wú)線電的起點(diǎn)。就像扭動(dòng)調(diào)頻收音機(jī)上的旋鈕一樣，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會(huì)將無(wú)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(wú)線信號(hào)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(lái)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(cè)試中，認(rèn)知無(wú)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(wú)線電會(huì)自動(dòng)選擇設(shè)置以避免失聯(lián)，即使是無(wú)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(hào)傳輸能力，不過(guò)這不是我們的主要目標(biāo)。

━━━━ 總的來(lái)說(shuō)，我們?cè)赟CaN試驗(yàn)臺(tái)上的試驗(yàn)成功地表明，認(rèn)知無(wú)線電可以用于深空任務(wù)。不過(guò)，我們的試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，將無(wú)線電發(fā)射到另一個(gè)行星之前必須解決這些問(wèn)題。 我們遇到的最大問(wèn)題是“災(zāi)難性遺忘”。當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)過(guò)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(huì)發(fā)生這種情況。比如，你正在從教科書(shū)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(kāi)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(wú)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(duì)不斷被覆蓋的環(huán)境條件。 我們的解決方案是在認(rèn)知無(wú)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(duì)特定類(lèi)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(yáng)粒子干擾的國(guó)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(huì)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(wú)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(kāi)車(chē)。一種練習(xí)方法是花100個(gè)小時(shí)來(lái)開(kāi)車(chē)，前提是你能在這個(gè)過(guò)程中學(xué)會(huì)所有需要學(xué)會(huì)的東西。這就是目前認(rèn)知無(wú)線電的訓(xùn)練方式；我們希望訓(xùn)練中所學(xué)到的知識(shí)能運(yùn)用到認(rèn)知無(wú)線電遇到的任何情況中。不過(guò)，當(dāng)認(rèn)知無(wú)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(huì)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(chē)司機(jī)的工作。你可能擅長(zhǎng)在高速公路上駕駛，卻忘記了在充滿(mǎn)壓力的城市環(huán)境中駕駛的基本知識(shí)。

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(huì)在哪些場(chǎng)景下進(jìn)行考試，然后確保自己擅長(zhǎng)應(yīng)對(duì)這些場(chǎng)景。如果你知道自己不擅長(zhǎng)平行停車(chē)，你一定會(huì)優(yōu)先練習(xí)這項(xiàng)，而不是練習(xí)在四向停車(chē)標(biāo)志處開(kāi)車(chē)。問(wèn)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(huì)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(shí)別無(wú)線電所處環(huán)境中是否有大量電離輻射，它會(huì)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(huì)從一個(gè)更接近現(xiàn)實(shí)的基線開(kāi)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?cè)谡J(rèn)知無(wú)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(guò)集成學(xué)習(xí)仍然存在許多問(wèn)題。首先，如何訓(xùn)練元神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)為一個(gè)場(chǎng)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(chǎng)景？這些問(wèn)題還沒(méi)有確切的答案。

為了提高無(wú)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(duì)認(rèn)知無(wú)線電的算法進(jìn)行了調(diào)整，為2018年第二輪測(cè)試做準(zhǔn)備。

2019年5月，SCaN試驗(yàn)臺(tái)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(cè)試認(rèn)知無(wú)線電的機(jī)會(huì)。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(lái)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(wú)線電是如何協(xié)同工作的。 計(jì)劃未來(lái)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(hào)需要通過(guò)中繼衛(wèi)星才能到達(dá)地球。

NASA計(jì)劃中的軌道月球門(mén)戶(hù)（Lunar Gateway）除了作為月面任務(wù)的整備區(qū)外，還會(huì)是一個(gè)主要的通信中繼。 月球門(mén)戶(hù)正是那種會(huì)通過(guò)認(rèn)知無(wú)線電受益的空間通信系統(tǒng)。地球和月球之間的信號(hào)往返延遲約為2.5秒。將無(wú)線電操作交給月球門(mén)戶(hù)上的認(rèn)知無(wú)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(tái)的試驗(yàn)表明，認(rèn)知無(wú)線電會(huì)在未來(lái)的深空通信中占有一席之地。人類(lèi)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(yáng)系的空間很大，但是沒(méi)有通話(huà)中斷的余地。

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

審核編輯：黃飛

?