認(rèn)知跳頻通信抗干擾性能分析

毛留俊，郭建新，姚 昆，王葉群

(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，陜西 西安 710077)

在電磁頻譜對抗中，跳頻通信因其具有良好的抗遠(yuǎn)近效應(yīng)、抗干擾和多址通信能力而備受關(guān)注，廣泛應(yīng)用于短波、超短波、數(shù)據(jù)鏈通信和衛(wèi)星通信[1]中。但是隨著電磁環(huán)境的日益復(fù)雜，常規(guī)跳頻(Frequency Hopping，F(xiàn)H)面臨越來越多的挑戰(zhàn)。一是常規(guī)FH系統(tǒng)存在“盲目”跳頻的弊端，為了保持收發(fā)兩端固定跳頻圖案的同步，仍然用那些被干擾的信道傳輸信息，產(chǎn)生了較多的誤碼，影響了通信質(zhì)量。二是由于日益復(fù)雜的電磁環(huán)境，常規(guī)FH通信在組網(wǎng)通信時(shí)跳頻點(diǎn)“碰撞”概率增高，制約了跳頻通信網(wǎng)容量的躍升。針對這些不足，J.Zander提出了自適應(yīng)跳頻技術(shù)，其原理是在接收端增加了一個(gè)實(shí)時(shí)信道質(zhì)量評估單元(Link Quality Analysis，LQA)，并通過反饋信道告知發(fā)送端，替換誤碼率較高的信道，但自適應(yīng)跳頻實(shí)時(shí)性較差，尤其在時(shí)變信道情況下抗干擾性能不佳，而且如果干擾頻率較多，穩(wěn)定持續(xù)時(shí)間太長[2]。1995年，美國Sanders公司發(fā)布的相關(guān)跳頻增強(qiáng)型擴(kuò)頻電臺——CHESS(Correlated Hopping Enhanced Spread Spectrum)電臺，從高速差分跳頻通信新體制出發(fā)，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸率并解決了常規(guī)跳頻系統(tǒng)抗跟蹤干擾和抗多徑衰落等問題，但是它組網(wǎng)通信時(shí)的多址干擾一直是難以解決的問題[3]。

認(rèn)知無線電(Cognitive Radio，CR)技術(shù)的出現(xiàn)，為解決跳頻通信的上述問題提供了新的思路，人們嘗試將CR的有關(guān)思想融入到FH通信中，提出了認(rèn)知跳頻(Cognitive Frequency Hopping，CFH)技術(shù)，其基本思想是將認(rèn)知無線電的動(dòng)態(tài)頻譜接入與跳頻抗干擾技術(shù)結(jié)合，通過感知周圍電磁環(huán)境，動(dòng)態(tài)遴選出若干個(gè)干擾噪聲較低的“頻譜空洞”作為跳頻信號的傳輸頻帶，然后在這些頻帶中進(jìn)行跳頻圖案設(shè)計(jì)，從而在復(fù)雜電磁環(huán)境中實(shí)現(xiàn)有效的抗干擾通信。

Stefa Geirhofer，Lang Tong[4]和美軍研究實(shí)驗(yàn)室合作，在ISM頻段研究WLAN系統(tǒng)的共存問題，采用基于干擾預(yù)測的認(rèn)知跳頻方案，開發(fā)了試驗(yàn)系統(tǒng)，在機(jī)會(huì)頻譜建模、認(rèn)知跳頻協(xié)議建立等方面取得了一定的研究成果。Rongxin Zhi等[5]研究了ISM波段不同設(shè)備間的共存，仿真對比了認(rèn)知跳頻技術(shù)與自適應(yīng)跳頻技術(shù)在藍(lán)牙和IEEE 802.11b設(shè)備共存時(shí)平均誤碼率。Philip J.和Colin Brown等[6]討論了認(rèn)知跳頻技術(shù)在225～400 MHz頻段的使用問題，提出了多頻段調(diào)制方案，并對系統(tǒng)在多音干擾下的性能進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。由于他們的研究側(cè)重于設(shè)備間的共存以及對各種具體干擾樣式的抗干擾性能的深入研究較少，該文正是基于認(rèn)知FH通信這一新的通信體制在不同干擾樣式下的抗干擾性能做出較為具體的理論分析和仿真驗(yàn)證，從而為跳頻通信的抗干擾通信研究提供一定的理論依據(jù)。

1 認(rèn)知FH通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在分析研究認(rèn)知FH實(shí)現(xiàn)功能的基礎(chǔ)之上，本文提出一種認(rèn)知FH通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，其基本結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，主要由跳頻單元和認(rèn)知單元組成。認(rèn)知FH系統(tǒng)與常規(guī)FH的不同之處在于其跳頻圖案不像常規(guī)FH那樣事先規(guī)劃好[7]，在整個(gè)通信中幾乎不變，而是在認(rèn)知單元中頻譜檢測模塊的控制下來動(dòng)態(tài)變化和更新的，這種不同正是為了保證信息在更好的信道上傳輸而存在的。而本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)與以往的認(rèn)知FH系統(tǒng)的最大創(chuàng)新就是設(shè)置了發(fā)送頻率集和接收頻率集兩種頻率工作表，并且均是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化的，主要目的是為了系統(tǒng)最大化地利用現(xiàn)有的頻譜資源和實(shí)現(xiàn)最可靠的信息傳輸。

圖1 認(rèn)知FH通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從圖1可以看出，在發(fā)送端，待傳信息經(jīng)過編碼之后進(jìn)行調(diào)制，再與頻率合成器輸出的載波頻率進(jìn)行上變頻處理，經(jīng)發(fā)送單元發(fā)送出去。在接收端，一方面，認(rèn)知單元獲取來自接收單元的射頻信號，通過檢測和相應(yīng)處理，認(rèn)知單元給出整個(gè)工作頻段內(nèi)的頻譜感知結(jié)果，按照一定準(zhǔn)則遴選出若干個(gè)干擾噪聲相對較低的“頻譜窗”，并在這些頻譜窗中進(jìn)行跳頻信道選取和跳頻圖案生成。根據(jù)跳頻圖案信息，跳頻序列產(chǎn)生器產(chǎn)生相應(yīng)的跳頻序列，控制頻率合成器產(chǎn)生對應(yīng)的載波信號，為下一時(shí)段跳頻發(fā)送做準(zhǔn)備。另一方面，接收端對當(dāng)前的有用信號進(jìn)行接收，由于接收信號載波頻率是跳變的，因此要求本地頻率合成器在同步電路的支持下與之同步，然后解調(diào)、譯碼，恢復(fù)出對方的發(fā)送信息。本文對認(rèn)知FH各模塊的工作原理不做詳細(xì)介紹，側(cè)重對認(rèn)知FH的抗干擾性能進(jìn)行分析與驗(yàn)證。

2 抗干擾性能分析

本文就認(rèn)知FH與常規(guī)FH在單頻、多頻和部分頻帶干擾等常見的干擾形式下的抗干擾性能進(jìn)行分析。為簡單起見，假設(shè)兩個(gè)系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)理想同步，傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)比特流未經(jīng)任何信道編碼和交織;信道為高斯白噪聲信道，所有的信道可用，且等概率使用。

1)單頻干擾

單頻干擾是在跳頻系統(tǒng)工作頻帶內(nèi)的某個(gè)信道上，用大功率干擾機(jī)連續(xù)發(fā)射信號進(jìn)行干擾，可以用落于跳頻系統(tǒng)頻帶內(nèi)某一信道的單頻正弦波作為仿真模型。

文獻(xiàn)[8]指出，在高斯白噪聲信道中，對于采用BFSK調(diào)制的常規(guī)FH系統(tǒng)，接收端采取非相干解調(diào)，且不存在外界干擾時(shí)的誤比特率為

高校機(jī)關(guān)工作人員作風(fēng)建設(shè)的難點(diǎn)在于長效和常態(tài)，很多高校在進(jìn)行機(jī)關(guān)工作人員作風(fēng)建設(shè)時(shí)，存在階段性、短期性、突擊性的特點(diǎn)，管理嚴(yán)格、監(jiān)管力度大則作風(fēng)情況好，反之則出現(xiàn)工作懈怠、效率低下的情況。要實(shí)現(xiàn)常態(tài)化的工作作風(fēng)管理和建設(shè)，可以嘗試從以下幾個(gè)方面著手，重點(diǎn)突出理念內(nèi)化、以技術(shù)管人、以制度管人的思想。

式中:Eb為每比特的信號能量;N0為高斯白噪聲功率譜密度。

在單頻干擾下，常規(guī)FH的平均誤比特率為

式中:N為跳頻的工作信道總數(shù);J為單頻干擾的干擾功率;Wsg為單頻干擾的帶寬。

在認(rèn)知FH系統(tǒng)中，認(rèn)知單元實(shí)時(shí)檢測到單頻干擾存在，避開該干擾頻點(diǎn)，選擇其他無干擾的跳頻點(diǎn)生成跳頻圖案進(jìn)行通信。因此，認(rèn)知FH系統(tǒng)的誤比特率就等同于在高斯白噪聲情況下的誤比特率，其表達(dá)式與式(1)相同。

2)多頻干擾

多頻干擾是在跳頻系統(tǒng)工作頻帶內(nèi)的多個(gè)頻點(diǎn)上，用大功率干擾機(jī)連續(xù)發(fā)射信號進(jìn)行干擾，可以用多個(gè)頻率點(diǎn)落于跳頻系統(tǒng)頻帶內(nèi)的正弦波作為仿真模型。假設(shè)常規(guī)FH系統(tǒng)和認(rèn)知FH系統(tǒng)在njam個(gè)離散的信道同時(shí)被多個(gè)連續(xù)波干擾，且每個(gè)信道的干擾功率相同。

在多頻干擾下，常規(guī)FH的平均誤比特率為

式中:N為跳頻的工作信道總數(shù);njam為多頻干擾占用的跳頻信道數(shù);J為多頻干擾的干擾功率;Wmu為多頻干擾的帶寬。

3)部分頻帶干擾

部分頻帶干擾是在跳頻系統(tǒng)工作頻帶內(nèi)的連續(xù)多個(gè)相鄰信道上，用大功率干擾機(jī)連續(xù)發(fā)射信號進(jìn)行干擾，可以用一個(gè)零均值的寬平穩(wěn)高斯過程作為仿真模型。根據(jù)是否存在干擾，可以將系統(tǒng)的工作帶寬劃分為受干擾的頻帶和未受干擾的頻帶。假設(shè)系統(tǒng)的工作跳頻信道數(shù)為N，其中受部分頻帶干擾的跳頻信道數(shù)為m，假定部分頻帶干擾的干擾功率J均勻分布在這m個(gè)跳頻信道上。定義干擾因子，干擾功率譜密度，則。下面分別對常規(guī)FH和認(rèn)知FH的抗部分頻帶干擾性能進(jìn)行分析。

由于常規(guī)FH不能有效甄別出哪些信道已經(jīng)被干擾，所以仍然會(huì)在這m個(gè)被干擾的信道上傳輸信息。在常規(guī)FH中，被干擾信道處的誤碼率為，而在未受干擾信道處的誤碼率為，因此，常規(guī)FH系統(tǒng)的平均誤碼率為

在認(rèn)知FH中，系統(tǒng)利用頻譜檢測模塊找出干擾頻段，避開選擇位于干擾頻段中的信道作為工作信道，而選擇無干擾或者干擾較低的信道生成跳頻圖案進(jìn)行通信，從而有效地降低了誤碼率。假設(shè)t時(shí)刻從N個(gè)跳頻信道中選取Na(Namin≤Na＜N，Namin為認(rèn)知FH正常工作時(shí)所需的最小信道數(shù))個(gè)信道作為跳頻信道，然后以這些選出的信道生成跳頻圖案進(jìn)行偽隨機(jī)跳變。

為簡單起見，假定在干擾因子ρ的作用下，未被干擾的信道數(shù)能夠始終滿足認(rèn)知FH正常工作時(shí)所需的最小信道數(shù)，即N－m≥Namin，認(rèn)知FH肯定能避開全部m個(gè)干擾信道，因此，其誤比特率的表達(dá)式與式(1)相同。

3 性能仿真分析

仿真參數(shù):系統(tǒng)采取FSK調(diào)制，跳頻信道數(shù)N=80，信道帶寬為1 MHz，跳速為1600 hop/s(跳/s)，信息速率為1600 bit/s，常規(guī)FH系統(tǒng)工作信道數(shù)為N=80，其工作帶寬為80 MHz。認(rèn)知FH的工作信道數(shù)的最小值為Namin=40。

1)抗單頻干擾性能

假設(shè)常規(guī)FH和認(rèn)知FH在第60個(gè)信道f60=60 MHz上都受到單頻干擾，認(rèn)知FH與常規(guī)FH在不同信干比下誤比特率隨信噪比SNR變化的曲線如圖2所示。

圖2 單頻干擾下認(rèn)知FH與常規(guī)FH的誤比特率曲線

從圖2可以看出，從SNR=6 dB之后，認(rèn)知FH較常規(guī)FH具有更低的誤比特率，此后隨著SNR的不斷增大，常規(guī)FH的誤比特率一直穩(wěn)定在10－2數(shù)量級，而認(rèn)知FH的誤比特率則在13 dB時(shí)可以達(dá)到10－5數(shù)量級。因此，認(rèn)知FH具有比常規(guī)FH更良好的抗單頻干擾性能。

2)抗多頻干擾性能

假設(shè)認(rèn)知 FH系統(tǒng)與常規(guī) FH系統(tǒng)在30 MHz，40 MHz，50 MHz，60 MHz，70 MHz等 5 個(gè)信道處受到多頻干擾，其誤比特率隨信噪比SNR變化的曲線如圖3所示。

圖3 多頻干擾下認(rèn)知FH與常規(guī)FH的誤比特率曲線

從圖3可以看出，從SNR=2 dB之后，認(rèn)知FH較常規(guī)FH具有更低的誤比特率，此后隨著SNR的不斷增大，常規(guī)FH的誤比特率一直穩(wěn)定在10－1數(shù)量級左右，而認(rèn)知FH的誤比特率在信噪比為10 dB時(shí)就達(dá)到10－3數(shù)量級，在信噪比為13 dB時(shí)達(dá)到10－5數(shù)量級。因此，認(rèn)知FH具有比常規(guī)FH更佳的抗多頻干擾性能。

3)抗部分頻帶干擾性能

假設(shè)認(rèn)知FH與常規(guī)FH受到干擾因子分別為ρ=0.3和ρ=0.5的部分頻帶干擾，且信干比均為20 dB，其誤比特率隨信噪比SNR變化的曲線如圖4所示。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，在同等干擾條件下，常規(guī)FH的誤比特率為10－1數(shù)量級，已不能滿足通信時(shí)需要的10－4～10－3數(shù)量級要求;而認(rèn)知FH由于規(guī)避了干擾的信道，其誤比特率在信噪比為9 dB之后就達(dá)到了10－3數(shù)量級，在13 dB時(shí)達(dá)到10－5數(shù)量級，表現(xiàn)出良好的抗部分頻帶干擾性能。

圖4 部分頻帶干擾下認(rèn)知FH與常規(guī)FH在不同干擾因子ρ下的誤比特率曲線

假設(shè)在干擾因子ρ大小一定、信干比不同的情況下，認(rèn)知FH和常規(guī)FH的誤比特率隨信噪比變化的曲線如圖5所示。

圖5 部分頻帶干擾下認(rèn)知FH與常規(guī)FH在不同信干比下的誤比特率曲線

從圖5中可以看出，常規(guī)FH的誤比特率隨著信干比的增大而增加，而認(rèn)知FH的性能則不受信干比的影響，其抗干擾性能在信噪比為10 dB之后就維持在10－3的數(shù)量級以下，并隨著信噪比的增大而不斷減小，表現(xiàn)出良好的抗干擾性能。

4 小結(jié)

本文首先研究了認(rèn)知FH通信系統(tǒng)的一種實(shí)現(xiàn)方案，并對其在單頻干擾、多頻干擾和部分頻帶干擾下的抗干擾性能進(jìn)行了理論分析，并進(jìn)行了性能仿真。通過仿真發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)跳頻相比，這種新的通信方案在同等的干擾條件下具有更低的誤比特率。由于本文是假定對周圍頻譜已經(jīng)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確感知和通信過程已實(shí)現(xiàn)理想同步和感知信息共享，因此，下一步將針對如何實(shí)現(xiàn)干擾實(shí)時(shí)而準(zhǔn)確的感知和通信雙方感知信息的交互作深入研究。

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