認知跳頻通信抗干擾性能分析

毛留俊，郭建新，姚 昆，王葉群

(空軍工程大學信息與導航學院，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近效應、抗干擾和多址通信能力而備受關注，廣泛應用于短波、超短波、數據鏈通信和衛星通信[1]中。但是隨著電磁環境的日益復雜，常規跳頻(Frequency Hopping，FH)面臨越來越多的挑戰。一是常規FH系統存在“盲目”跳頻的弊端，為了保持收發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，產生了較多的誤碼，影響了通信質量。二是由于日益復雜的電磁環境，常規FH通信在組網通信時跳頻點“碰撞”概率增高，制約了跳頻通信網容量的躍升。針對這些不足，J.Zander提出了自適應跳頻技術，其原理是在接收端增加了一個實時信道質量評估單元(Link Quality Analysis，LQA)，并通過反饋信道告知發送端，替換誤碼率較高的信道，但自適應跳頻實時性較差，尤其在時變信道情況下抗干擾性能不佳，而且如果干擾頻率較多，穩定持續時間太長[2]。1995年，美國Sanders公司發布的相關跳頻增強型擴頻電臺——CHESS(Correlated Hopping Enhanced Spread Spectrum)電臺，從高速差分跳頻通信新體制出發，大大提高了數據傳輸率并解決了常規跳頻系統抗跟蹤干擾和抗多徑衰落等問題，但是它組網通信時的多址干擾一直是難以解決的問題[3]。

認知無線電(Cognitive Radio，CR)技術的出現，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的有關思想融入到FH通信中，提出了認知跳頻(Cognitive Frequency Hopping，CFH)技術，其基本思想是將認知無線電的動態頻譜接入與跳頻抗干擾技術結合，通過感知周圍電磁環境，動態遴選出若干個干擾噪聲較低的“頻譜空洞”作為跳頻信號的傳輸頻帶，然后在這些頻帶中進行跳頻圖案設計，從而在復雜電磁環境中實現有效的抗干擾通信。

Stefa Geirhofer，Lang Tong[4]和美軍研究實驗室合作，在ISM頻段研究WLAN系統的共存問題，采用基于干擾預測的認知跳頻方案，開發了試驗系統，在機會頻譜建模、認知跳頻協議建立等方面取得了一定的研究成果。Rongxin Zhi等[5]研究了ISM波段不同設備間的共存，仿真對比了認知跳頻技術與自適應跳頻技術在藍牙和IEEE 802.11b設備共存時平均誤碼率。Philip J.和Colin Brown等[6]討論了認知跳頻技術在225～400 MHz頻段的使用問題，提出了多頻段調制方案，并對系統在多音干擾下的性能進行了仿真驗證。由于他們的研究側重于設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。

1 認知FH通信系統結構

在分析研究認知FH實現功能的基礎之上，本文提出一種認知FH通信系統的實現方案，其基本結構組成如圖1所示，主要由跳頻單元和認知單元組成。認知FH系統與常規FH的不同之處在于其跳頻圖案不像常規FH那樣事先規劃好[7]，在整個通信中幾乎不變，而是在認知單元中頻譜檢測模塊的控制下來動態變化和更新的，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。而本文設計的系統與以往的認知FH系統的最大創新就是設置了發送頻率集和接收頻率集兩種頻率工作表，并且均是實時動態變化的，主要目的是為了系統最大化地利用現有的頻譜資源和實現最可靠的信息傳輸。

圖1 認知FH通信系統結構

從圖1可以看出，在發送端，待傳信息經過編碼之后進行調制，再與頻率合成器輸出的載波頻率進行上變頻處理，經發送單元發送出去。在接收端，一方面，認知單元獲取來自接收單元的射頻信號，通過檢測和相應處理，認知單元給出整個工作頻段內的頻譜感知結果，按照一定準則遴選出若干個干擾噪聲相對較低的“頻譜窗”，并在這些頻譜窗中進行跳頻信道選取和跳頻圖案生成。根據跳頻圖案信息，跳頻序列產生器產生相應的跳頻序列，控制頻率合成器產生對應的載波信號，為下一時段跳頻發送做準備。另一方面，接收端對當前的有用信號進行接收，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、譯碼，恢復出對方的發送信息。本文對認知FH各模塊的工作原理不做詳細介紹，側重對認知FH的抗干擾性能進行分析與驗證。

2 抗干擾性能分析

本文就認知FH與常規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行分析。為簡單起見，假設兩個系統已實現理想同步，傳輸的信息數據比特流未經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工作頻帶內的某個信道上，用大功率干擾機連續發射信號進行干擾，可以用落于跳頻系統頻帶內某一信道的單頻正弦波作為仿真模型。

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

高校機關工作人員作風建設的難點在于長效和常態，很多高校在進行機關工作人員作風建設時，存在階段性、短期性、突擊性的特點，管理嚴格、監管力度大則作風情況好，反之則出現工作懈怠、效率低下的情況。要實現常態化的工作作風管理和建設，可以嘗試從以下幾個方面著手，重點突出理念內化、以技術管人、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FH的平均誤比特率為

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

在認知FH系統中，認知單元實時檢測到單頻干擾存在，避開該干擾頻點，選擇其他無干擾的跳頻點生成跳頻圖案進行通信。因此，認知FH系統的誤比特率就等同于在高斯白噪聲情況下的誤比特率，其表達式與式(1)相同。

2)多頻干擾

多頻干擾是在跳頻系統工作頻帶內的多個頻點上，用大功率干擾機連續發射信號進行干擾，可以用多個頻率點落于跳頻系統頻帶內的正弦波作為仿真模型。假設常規FH系統和認知FH系統在njam個離散的信道同時被多個連續波干擾，且每個信道的干擾功率相同。

在多頻干擾下，常規FH的平均誤比特率為

式中:N為跳頻的工作信道總數;njam為多頻干擾占用的跳頻信道數;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工作頻帶內的連續多個相鄰信道上，用大功率干擾機連續發射信號進行干擾，可以用一個零均值的寬平穩高斯過程作為仿真模型。根據是否存在干擾，可以將系統的工作帶寬劃分為受干擾的頻帶和未受干擾的頻帶。假設系統的工作跳頻信道數為N，其中受部分頻帶干擾的跳頻信道數為m，假定部分頻帶干擾的干擾功率J均勻分布在這m個跳頻信道上。定義干擾因子，干擾功率譜密度，則。下面分別對常規FH和認知FH的抗部分頻帶干擾性能進行分析。

由于常規FH不能有效甄別出哪些信道已經被干擾，所以仍然會在這m個被干擾的信道上傳輸信息。在常規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FH系統的平均誤碼率為

在認知FH中，系統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行通信，從而有效地降低了誤碼率。假設t時刻從N個跳頻信道中選取Na(Namin≤Na＜N，Namin為認知FH正常工作時所需的最小信道數)個信道作為跳頻信道，然后以這些選出的信道生成跳頻圖案進行偽隨機跳變。

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

3 性能仿真分析

仿真參數:系統采取FSK調制，跳頻信道數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FH系統工作信道數為N=80，其工作帶寬為80 MHz。認知FH的工作信道數的最小值為Namin=40。

1)抗單頻干擾性能

假設常規FH和認知FH在第60個信道f60=60 MHz上都受到單頻干擾，認知FH與常規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 單頻干擾下認知FH與常規FH的誤比特率曲線

從圖2可以看出，從SNR=6 dB之后，認知FH較常規FH具有更低的誤比特率，此后隨著SNR的不斷增大，常規FH的誤比特率一直穩定在10－2數量級，而認知FH的誤比特率則在13 dB時可以達到10－5數量級。因此，認知FH具有比常規FH更良好的抗單頻干擾性能。

2)抗多頻干擾性能

假設認知 FH系統與常規 FH系統在30 MHz，40 MHz，50 MHz，60 MHz，70 MHz等 5 個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 多頻干擾下認知FH與常規FH的誤比特率曲線

從圖3可以看出，從SNR=2 dB之后，認知FH較常規FH具有更低的誤比特率，此后隨著SNR的不斷增大，常規FH的誤比特率一直穩定在10－1數量級左右，而認知FH的誤比特率在信噪比為10 dB時就達到10－3數量級，在信噪比為13 dB時達到10－5數量級。因此，認知FH具有比常規FH更佳的抗多頻干擾性能。

3)抗部分頻帶干擾性能

假設認知FH與常規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可以發現，在同等干擾條件下，常規FH的誤比特率為10－1數量級，已不能滿足通信時需要的10－4～10－3數量級要求;而認知FH由于規避了干擾的信道，其誤比特率在信噪比為9 dB之后就達到了10－3數量級，在13 dB時達到10－5數量級，表現出良好的抗部分頻帶干擾性能。

圖4 部分頻帶干擾下認知FH與常規FH在不同干擾因子ρ下的誤比特率曲線

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

圖5 部分頻帶干擾下認知FH與常規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FH的誤比特率隨著信干比的增大而增加，而認知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的數量級以下，并隨著信噪比的增大而不斷減小，表現出良好的抗干擾性能。

4 小結

本文首先研究了認知FH通信系統的一種實現方案，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行了理論分析，并進行了性能仿真。通過仿真發現，與常規跳頻相比，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實現準確感知和通信過程已實現理想同步和感知信息共享，因此，下一步將針對如何實現干擾實時而準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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