基于分布式自適應選頻的艦船通信傳輸抗干擾技術(shù)

金 芳，鄭緒剛

(中國人民解放軍91404 部隊，河北 秦皇島 066001)

0 引 言

自適應選頻技術(shù)是指在通信過程中，發(fā)信方對信道中的多個可用頻點進行周期性的探測，同時結(jié)合收信方對探測信號的回應來評估傳輸質(zhì)量，以確定信息傳輸?shù)淖罴杨l率。根據(jù)實時探測的結(jié)果，自適應選擇出最適合當前環(huán)境工作的頻率，以保證收發(fā)雙方永遠工作在最佳頻率上，這樣既可以將干擾降到最低，還能合理利用頻譜資源，提高通信傳輸?shù)男?，進而擴大網(wǎng)絡容量，保障通信傳輸網(wǎng)絡的高可靠通信[1]?；诳鐚痈兄淖赃m應綜合抗干擾技術(shù)示意圖如圖1 所示。

圖1 跨層綜合抗干擾技術(shù)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of cross-layer integrated anti-jamming technology

通過自適應選頻進行干擾躲避，可提高信息傳輸系統(tǒng)的抗干擾能力。實現(xiàn)高效率的頻率自動選擇和快速的干擾響應時間，才能達到干擾出現(xiàn)的情況下，通信鏈路不中斷[2]。

1 干擾探測

自適應選頻抗干擾技術(shù)的核心前提就是準確高效的干擾探測[3]，采用頻譜監(jiān)測的方式進行干擾探測，用于發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的干擾頻點，收集外部電磁環(huán)境情況下，每個頻點上的通信質(zhì)量[4]。頻譜探測流程如圖2所示。

圖2 干擾探測流程Fig. 2 Interference detection flow

首先由主控模塊根據(jù)用戶配置自適應選頻感知頻率集合；自適應選頻模塊收到配置信息后，根據(jù)MAC 當前幀結(jié)構(gòu)設計，配置主動感知頻率集合、廣播頻率集合及探測信息給MAC 調(diào)度模塊；對于主動感知頻率集合，MAC 根據(jù)時隙設計與物理層交互，實現(xiàn)具體感知操作；自適應選頻信道傳輸報文，MAC 只需按照交互控制報文規(guī)定的時隙、頻率發(fā)送報文即可。

2 信道感知反饋交互

信道感知反饋交互主要是反饋其感知的信道過程，告知鄰居節(jié)點本端節(jié)點探測報文接收質(zhì)量情況[5]；告知本端節(jié)點自動感知的頻點質(zhì)量情況。鄰居節(jié)點將自適應選頻交互信道接收的信息、信道質(zhì)量信息轉(zhuǎn)交給自適應選頻控制模塊；鄰居節(jié)點將上述信息與本時間段內(nèi)的本地感知信息進行融合分析，對當前自適應選頻頻表中的頻點質(zhì)量進行排序；鄰居節(jié)點將融合信息在自己的自適應選頻交互信道、固定TDMA 控制信道發(fā)送給本端，使用固定TDMA 控制信道的發(fā)送原因是提高信息傳輸?shù)募皶r性；本端節(jié)點根據(jù)每個鄰居匯報的狀態(tài)，形成自己可供使用的發(fā)送頻率集合；干擾感知反饋時，需考慮頻率瞬時偶發(fā)干擾不做異常判斷等機制。感知反饋是一個長期過程，整個過程如圖3所示。

圖3 感知反饋交互過程Fig. 3 The perceptual feedback interaction process

3 自適應選頻決策

自適應選頻決策過程主要用于節(jié)點根據(jù)鄰居上報的可用時隙中，選擇最優(yōu)的頻率發(fā)送控制信息過程。決策目的是，給自適應選頻頻率集的頻率質(zhì)量進行排序，選舉“最好”的頻率用于自己的控制信道數(shù)據(jù)發(fā)送。

自適應選頻決策的方法如下：

步驟1根據(jù)頻點的可用度、質(zhì)量進行分檔劃分，劃分為不可用、最低速率可通、基本可用、穩(wěn)定可用4 擋，每檔里面根據(jù)信道質(zhì)量排序；

步驟2信道質(zhì)量評估大致算法為新頻點質(zhì)量 = 舊頻點質(zhì)量×0.4 + 0.6×本次匯報質(zhì)量；

步驟3自適應選頻決策做出換頻決策的前提是只有在發(fā)生了當前頻率不可用、當前頻率只能最低速率可用的時候才考慮更換頻率；

步驟4自適應選頻決策出來的用頻在2×N個子幀后生效，N為在網(wǎng)節(jié)點數(shù)目，確保理論上每個節(jié)點都能收到一次決策信息。

4 基于子帶扣除的抗干擾技術(shù)

當通信傳輸過程具有高帶寬的通信需求時，可采用頻譜資源利用率較高的OFDM 技術(shù)體制，當信道中有效頻率范圍部分頻點、頻段存在干擾的情況下，會影響系統(tǒng)的通信性能，降低通信速率。如何提高OFDM 技術(shù)體制下的寬帶通信抗干擾通信能力，是本文需解決的一個重要問題。

由于采用OFDM 波形體制，當信道中有效頻率范圍部分頻點、頻段存在干擾，將對子載波的正交性造成破壞[6]，也會干擾信號的定時和頻率同步，導致誤幀、誤碼。通常的頻率選擇方案，只是避開中心干擾頻段，但是干擾信號還會在其他頻段引入噪聲，從而降低其他頻段的通信性能。

系統(tǒng)波形利用OFDM 調(diào)制完成多個正交子載波進行調(diào)制，實現(xiàn)高速率傳輸。然而，由于其占用帶寬較寬，干擾信號通常在通帶內(nèi)，這將直接影響其通信質(zhì)量。因此，需在通信頻帶內(nèi)進行自適應選頻，選用未受干擾的子載波進行有效數(shù)據(jù)傳輸。同時由于干擾信號會破壞OFDM 載波正交性，距離越近影響越大，為提升受干擾狀態(tài)下的通信性能，需結(jié)合擴頻、自適應編譯碼等多種抗干擾手段提升抗中通的效果。

本文研究的自適應選頻方案，有2 大優(yōu)勢。第一，高效率，如圖4 所示，將通信帶寬分為8 個子帶[7]，利用入網(wǎng)階段同步競爭信道的頻率掃描實現(xiàn)子帶干擾的識別，不要分配專門的頻譜掃描資源，實現(xiàn)靈活、高效的多子帶抗干擾設計方案。第二，提升抗中通性能，參考5G 技術(shù)的F-OFDM 技術(shù)[8]，結(jié)合MIMO 多天線技術(shù)，同時具備頻率分集、天線分集、時間分集效果，有效提升抗中通的性能。

圖4 子帶分配Fig. 4 Subband allocation

通過對寬帶內(nèi)子載波進行子帶劃分，剔除受干擾的頻段，達到躲避干擾的目的，如圖5 所示。基于子帶劃分的方式，通過BSNP 頻譜識別算法結(jié)合判決反饋的方式，具有干擾檢測準確的優(yōu)點。根據(jù)用戶需求和服務質(zhì)量，對不同子帶進行有效的資源分配，躲避干擾的子載波，提高子帶傳輸效率。

圖5 干擾子帶扣除Fig. 5 Interference subband deduction

利用系統(tǒng)初始同步過程和后續(xù)測距過程的控制通道交互過程，在多個子帶進行頻率掃描發(fā)送同步符號、FCH 符號，接收端在多個子帶并行進行FCH 解析，根據(jù)頻譜檢測結(jié)果、FCH 譯碼情況判斷哪些子帶被干擾，并將被干擾子帶信息報上層軟件，在同步交互消息告知向周圍節(jié)點。

5 結(jié) 語

研究通信抗干擾技術(shù)可極大改進通信質(zhì)量，尤其是本文提出的以干擾探測為前提。通過信道感知反饋交互和自適應選頻決策而完成分布式自適應選頻抗干擾技術(shù)，可有效扣除干擾子帶，提升通信抗干擾水平。