基于認知無線電抗干擾技術分析

魏 奇

(中國人民解放軍92941部隊,遼寧葫蘆島125000)

0 引言

傳統的通信抗干擾技術可以分為擴頻抗干擾和非擴頻抗干擾2類,擴頻抗干擾包括直接序列擴頻、跳頻、跳時以及它們的混合;非擴頻類抗干擾包括自適應天線技術、猝發通信技術等。這2類抗干擾技術各有優缺點,但都屬于“盲抗干擾”方式,抗干擾能力在系統設計之初確定,一旦敵方針對性的干擾超出其干擾容限就會造成通信中斷。

隨著戰場通信環境日益復雜,對通信設備造成的干擾有2個方面：一是外部有意或無意的干擾,這是設備能否正常生存的關鍵因素,是由戰場電子對抗的性質決定的;二是來自系統網絡內部的干擾,是由日益擁擠的頻譜資源造成的。隨著系統組網、協同的需求進一步增強,系統網絡內部之間的頻譜分配和使用問題將更加突出?；谡J知無線電的抗干擾技術為解決這個問題提供了一條有效途徑,通過感知工作區域的電磁環境信息,分析干擾信號特征,發現頻譜“空穴”,并據此實時動態地調整通信系統工作參數,規避有害干擾,從而達到可靠通信的目的。

1 認知抗干擾系統架構

基于認知無線電技術的認知抗干擾系統架構如圖1所示,由通信設備和認知設備組成。

圖1 認知抗干擾系統架構

通信設備包括編解碼、調制解調、上下變頻和功放濾波等模塊,認知設備包括頻譜感知、認知決策、頻譜動態分配和自適應參數調整等模塊。認知設備是該架構的核心,通過對環境信息的分析、判決和決策,自適應地調整系統的通信參數(如工作頻率、傳輸速率、編碼方式和調制體制等),以適應外部戰場環境的變化。

1.1 頻譜感知模塊

認知無線電首要工作就是對電磁環境參數的快速感知,并標示出當前沒有被使用或被干擾的頻譜資源。此處頻譜感知模塊的功能主要是無線環境的分析,包括對無線傳播環境干擾度的估計以及頻譜空穴的檢測。頻譜感知模塊利用提取出外部信號頻譜特征,為認知決策模塊提供依據,目前較常采用的頻譜感知方法是功率譜分析法,功率譜分析可采用FFT、小波分析以及時頻分析等手段實現。

由于通信系統所處的電磁環境越來越復雜,為了進一步提高頻譜檢測的時效性和正確性,可采用多節點用戶協同感知的方法,通過將多個節點的感知數據進行融合、綜合而做出判決。與單節點用戶感知方法相比,多節點協同頻譜檢測的時效性和正確性大大提高,設備的抗干擾性也大大提高,但必須考慮各節點之間如何協同等網絡相關傳輸技術。

1.2 認知決策模塊

決策是由發現問題、確定目標、收集情報、探索方案、方案選定和決策執行等組成的一種過程。認知決策模塊功能就是利用頻譜感知模塊提供的無線傳播環境干擾度的估計以及頻譜空穴數據,根據可用頻譜信息和干擾信號的特征,結合預先分配的頻譜資源、業務需求等信息,在決策庫中選擇最佳方案,實現頻譜動態分配和鏈路參數的自適應調整,進而控制編解碼、調制解調和上下變頻等模塊,實現測控鏈路的編碼方式、調制體制、工作頻率以及信道帶寬等參數的改變。

1.3 頻譜動態分配模塊

頻譜的動態分配模塊根據認知決策模塊傳遞的分配方案,為鏈路動態分配最佳的工作頻率。頻譜的動態分配是與頻譜靜態分配相對而言的,動態分配指根據系統所處戰場環境不同,實時動態地調整系統使用的頻率;靜態分配指系統在此次執行任務過程中只采用預先設置的頻率。頻譜動態分配方案實現了系統由被動抗干擾方式轉換為主動躲避干擾,提高了鏈路的可靠性和生存能力。

1.4 自適應參數調整模塊

自適應參數調整模塊根據認知決策模塊傳遞的分配信息,為通信鏈路選擇最佳的工作參數,包括數據速率、編碼方式和調制體制等。例如認知設備檢測到目前可用頻段較窄,不適宜傳輸寬帶偵察信息,將自動降低數據速率;當檢測到工作頻段內干擾電平較高時,鏈路設備會自動選擇與之相適應的工作方式,例如增加發射功率,改變調制體制,將抗干擾性能較差的調制體制更改為擴頻或擴跳頻體制等。

2 關鍵技術

2.1 寬頻帶實時頻譜感知技術

為了提取系統的可用工作頻段,需要對通信鏈路能夠使用的無線電資源實時感知和分析,即實現對無線信道的特征估計以及頻譜空穴的檢測,因此要求頻譜感知設備具有寬頻帶和實時頻譜檢測能力。針對寬頻帶實時頻譜感知技術,需要解決2個問題：一是寬頻帶射頻前端和高速數字采樣問題;二是無線信道的特征估計。

2.1.1 寬頻帶射頻前端和高速數字采樣

由于寬帶目標頻段較寬,可達數GHz,因此要求射頻前端具有寬頻帶特性,即要求增益平坦度、相位特性和群時延特性等信道參數具有寬頻帶特性,這對射頻前端的設計具有很大的挑戰性。折中的方法是在射頻前端增加頻段選擇模塊,實時改變接收頻段的中心頻率,快速實現寬頻帶檢測。

設計寬頻帶高速數字采樣存在的主要問題是要求A/D處理速度過高,而當前高速高分辨率的A/D轉換器非常昂貴,即使能夠采集到高速信號,要求后續的數據處理在短時間內完成也是不現實的。因此可采用多頻帶聯合檢測方案來提高檢測速度,多頻帶聯合檢測框圖如圖2所示。

圖2 多頻帶聯合檢測框圖

被檢測的射頻信號放大后輸入到頻段選擇單元,頻段選擇單元根據外部的控制指令,實時更換中心頻率,輸出接收頻段的工作信號,工作信號經下變頻、A/D轉換器和串并轉換后,通過FFT將信號處理分攤到多個能量檢測器上,最后根據相應的門限判決值得到相應的判決結果。與單頻帶檢測相比,多頻段檢測增加了硬件設備,卻大大提高了頻譜感知的速度,減低了硬件設計的難度。

2.1.2 無線信道的特征估計

寬頻譜感知接收機的設計的難點在于對弱信號的檢測和接收機的大動態范圍。弱信號檢測的門限應以不影響測控鏈路接收機正常工作為基準,大動態范圍應以能夠適應強干擾信號進行設計。為了能夠適應無線信道的這種變化特點,需要估計信道特征,利用估計的信道特征來自動調整接收機工作參數以滿足接收機大動態和弱信號檢測的需要。下面討論信道的最小均方誤差估計(MMSE)方法,假設含有待估參量的估計模型：

式中,h為待估參量;X為已知數據向量;n為噪聲向量;y為接收信號向量。通過最小化MMSE代價函數估計參量h。

最小均方誤差與最小二乘之間的關系：

式中,hLS=(XHX)-1XHy;Rhh=E(hhH)是估計參量h的自相關矩陣。

2.2 頻譜動態分配策略

頻譜動態分配策略主要針對單目標、多目標(群)工作方式。單目標工作時,頻譜分配策略主要是信道預搜索和頻率自適應跳變2種方式,信道預搜索指系統執行此次任務之前認知設備對當前電磁環境分析,選取質量較好的頻道作為通信鏈路此次任務的工作頻道;頻率自適應跳變指當前頻道受到干擾時,收發二端自動跳到下一個設定好的頻段。

多目標(群)工作方式屬于多節點網絡模式,此時頻譜動態分配策略是如何解決信息共享和交互的問題。目前認知無線電中常見頻譜分配模型有：基于圖論的頻譜分配模型、基于博弈論的頻譜分配模型、基于定價拍賣的頻譜分配模型和干擾溫度模型。下面對基于博弈論的分布式動態頻率選擇模型作一下說明。

分布式動態頻率選擇目標是：每個節點都以工作頻帶B內干擾最小為標準從可用的頻率集F中選擇使用的頻率。各節點通過階段博弈完成中心頻率的選擇,該博弈可表示為：

各博弈元素描述如下：

①參與者N,表示由n個節點組成的集合;

②行為空間 A,A=F1×F2×…Fn,Fj為節點j可用的頻譜資源;

在上述的模型下,多節點網絡目標函數為：

2.3 自適應參數優化調整技術

自適應參數優化調整技術要達到2個目的：一是能夠在不改變硬件設備并保證通信不中斷的情況下調整設備參數;另一個就是設備在正常工作的前提下,通過優化參數能夠得到最大的抗干擾和抗截獲性能。也就是說參數在調整過程中,鏈路不能失控,并要保證設備狀態的安全轉換。下面介紹基于遺傳算法的無線電參數優化調整技術,具有如下優點：①可根據具體要求,實現單目標或多目標的搜索和優化;②優化過程只需要適應度函數,不需要導函數和其它輔助信息;③具有極強的魯棒性;④具有全局尋優能力和隱含的并行性。

利用多目標遺傳算法的關鍵在于優化多目標適應性函數,而優化多目標適應性函數的主要問題在于對m個參數組成的集合與n個目標組成的集合之間建立正確的映射關系,即：

其約束條件為：

式中,x為決策變量集,X為參數空間,y為目標集合,Y為目標空間。

3 結束語

認知無線電作為抗干擾有效措施之一,其系統架構、工作體制和數據處理方式等與傳統抗干擾方式均不同,如何能夠使認知無線電技術更好地應用到通信抗干擾領域,還需要做大量、深入的研究工作。隨著認知抗干擾技術在軍事通信領域的廣泛應用,通信系統的抗干擾性、靈活性、適應性和魯棒性將會得到大力提升。

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