武器系統控制中的高可靠抗干擾信息傳輸研究

蘇飛 高軍軍 唐桂華 趙君

未來基于信息系統的體系作戰強調網絡信息體系,各個作戰節點高度協同、信息共享,對遠程控制系統和武器平臺的一體化水平要求非常高,使得遠程控制系統建設成為武器信息系統建設的重要組成部分[1].目前,武器系統中的遠程控制[2?4]主要采用有線的方式完成信息的傳輸,以確保信息傳輸的可靠性和安全性.隨著武器系統“迅即行動、隨機作戰、隨時能戰”的作戰使命要求越來越強烈,有線體制帶來的弊端日益突出.有線體制固有的展開撤收耗時、單兵負重大、保障條件高等缺點,已大幅影響武器系統方便使用與快速維修、影響武器系統快速反應作戰、影響武器系統信息化水平,最終限制武器系統的生存、隱蔽和戰斗能力[5].迅猛發展的無線互聯技術對世界的發展帶來了極為深刻的影響.將無線體制應用于武器系統中必然會創新性地改變武器平臺的集成方式和使用方式.在武器系統的遠程控制過程中,采用無線的方式進行信息的傳輸可以使得武器系統的使用更加便捷化、人性化,對于提高武器系統[6]的機動作戰能力和協同作戰能力有相當的促進作用,是網絡信息體系[7]下武器系統信息化發展的重要趨勢.然而,無線通信功率受限和帶寬受限,路徑損耗、陰影衰落和多徑延時使得無線信道異常復雜[8?10],加之戰場環境變化以及敵方針對性電磁干擾帶來的難以預測的影響,導致無線通信無法滿足網絡信息體系下武器系統高可靠、抗干擾[11]、低截獲的實戰要求.因此,針對武器系統控制中的無線遠程控制這一特殊應用場景,提出了一種以“認知融合的級聯型干擾抑制技術”、“高可靠信道編譯碼技術[12?15]”和“基于子帶調度正交頻分復用(Orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)的高效傳輸技術”為主的高可靠、抗干擾、低截獲無線信息傳輸方案.

1 無線遠程控制系統總體設計

1.1 主要研究內容

針對武器系統控制中的無線遠程控制這一特殊需求,提出的主要研究內容如圖1所示.

圖1 無線遠控系統總體技術框圖

1.2 高可靠抗干擾設計

無線遠程控制系統面臨的外界環境主要包括:

1)地面障礙物的反射和散射;

2)我方軍用、民用通信設施引入的非有意干擾;

3)強敵機載式或投擲式針對性電磁干擾.

為了提高無線遠程控制系統的抗干擾能力、保證其高可靠性,提出了如圖2所示的技術路線,其中還標出了各個技術模塊所能夠實現的高可靠、抗干擾及低截獲效果.

下面將詳細闡述其中的關鍵技術解決途徑,并給出相應的仿真結果及理論分析.

2 認知融合的級聯型干擾抑制技術

圖2 高可靠抗干擾技術方案

提出認知融合的級聯型干擾抑制技術,如圖3所示.通過認知干擾檢測,獲得干擾源定位信息、干擾信號類型以及信號強度、到達時間、干擾信道等干擾信號參數,融合認知干擾檢測的結果,將空時聯合自適應調零作為前級干擾抑制技術,基于信干比的迭代干擾消除作為后級干擾抑制技術.

圖3 認知融合的級聯型干擾抑制技術

2.1 空時聯合自適應調零技術

自適應調零技術是在陣列天線和陣列信號處理基礎上發展起來的一項技術.實際的干擾環境中,不同方向的干擾可能同時包含寬帶干擾和窄帶干擾信號.傳統的自適應調零技術只能從空域對抗M-1個寬帶干擾,而空時聯合自適應調零技術通過引入時間自由度,可以抑制額外的窄帶干擾.接收機利用窄帶干擾的信號相關性,通過時域濾波設計濾除窄帶干擾.空時聯合自適應調零技術是從空、時兩個維度進行聯合處理,從而可以抑制大于陣元個數M的干擾信號.抑制干擾的數量和效果與濾波器的設計優化有關.認知干擾檢測所獲得的干擾信號相關信息,用于約束和優化聯合處理則可以獲得更好的系統性能.提出基于認知檢測的空時聯合自適應調零技術,如圖4所示,通過天線陣元、認知干擾檢測獲得空域、時域和干擾信息的聯合約束,自適應計算和調整波束合成的權重.

圖4 基于認知檢測的空時聯合自適應調零技術

相比于傳統的自適應調零,上述提出的干擾抑制技術能夠增加兩個優點:

1)基于認知干擾檢測,獲得干擾源定位、干擾類型以及干擾信號參數等關鍵信息,從而約束和優化調零權值計算,獲得最優的干擾抑制性能.其中,基于多點認知獲知的干擾信息,優先抑制強干擾信號和敏感干擾信號.首先,從干擾信號功率上看,強干擾是重點需要抑制的干擾;其次,從信號類型上看,不同類型干擾信號的干擾原理不同,實際的抗干擾接收機很難做到對抗所有類型的干擾信號,因此,對接收機干擾效果明顯的敏感干擾信號是另一種需要優先抑制的干擾.因此,上述提出的自適應調零能夠融合認知的結果,有選擇性地抑制干擾.

2)理論上講,空時處理由于自由度的增加,如接收天線陣元個數為M,可以產生大于陣元M個的零陷,為抑制大于等于陣元M個干擾提供了可能.它抑制干擾的效果和數量隨時域濾波器階數的增加而改善.

定義天線陣接收到的信號為其中,s(t)表示空間有用信號矢量,A表示有用信號的導向矢量.ji(t)、ai分別表示第i個干擾和其相應的導向矢量,n(t)表示噪聲,P為干擾個數.

天線陣列t時刻輸出信號為

其中,{wml}為天線加權系數,M為天線陣元個數,L為時間延遲單元數.定義自相關矩陣R=E(xxH),以及權重設計準則Wopt=argminWHRW,可以得到

其中,? ={?s??t|Ψ}表示基于認知干擾檢測 Ψ的空時二維導向矢量, ?s=[1,e?jφ2,···,e?jφM]T為空間方向矢量,φm與干擾導向矢量相關;?t=[1,e?jw?T,···,e?jw(N?1)?T]T為時間方向矢量,代表信號時延,N為濾波器階數.根據認知的結果,不同時刻、位置的干擾信號強度不同,根據強干擾和敏感干擾的方向,設置表示干擾信號來波方向的空間向量以及表示信號到達時間的時間向量,達到所需的抑制效果.其中,濾波器階數N影響著空時處理消除干擾的性能.

空時聯合自適應調零技術可以抑制3個方向的干擾,如圖5所示,節點a擬采用Y型天線的天線陣列,通過認知干擾檢測和估計,接收機預估干擾源位置和強度等參數,并通過自適應調整權重來調節波束抑制方向.實際中3個強干擾方向的抑制已經足夠抑制獲得理想的抗干擾性能,殘留的干擾信號和弱干擾信號可以通過干擾消除技術和干擾對抗技術進行二級抑制.

接收機誤碼率是最終檢測抗干擾算法以及自適應調零天線性能的手段.圖6仿真了當接入節點信號的SNR為–23dB,干擾信號為寬帶干擾信號時接收機的誤碼率性能.

從圖6中可看出,當采用基于干擾檢測的空時聯合自適應調零算法時,干擾信號比通信信號強67dB以下時,接收機的誤碼率都小于10?4,說明空時算法保護信號的效果很好.當干信比大于65dB,隨著干信比的提高,誤碼率逐漸變大,這說明,干擾信號的強度超過了空時處理的動態范圍,導致接收機性能急劇下降.而相比之下傳統的空域自適應調零技術只能使接收端抗干擾的能力達到55dB,在抗干擾以及保護通信信號的能力方面相對弱些.上圖的結果只針對自適應調零模塊而言,描述了10?4量級誤碼率性能時的抗干擾能力.對于實際的無線遠控系統,考慮到實際信道的影響以及系統所采用高可靠編譯碼的性能,在整個系統10?8量級誤碼率的情況下,自適應調零模塊擬實現每個方向的對抗干擾能力為25dB(即接收到的干擾比通信信號強25dB).

圖5 三方向干擾抑制

圖6 BER隨干信比(J/S)變化曲線

2.2 基于信干比的迭代干擾消除技術

在前級的自適應調零后,輸出信號仍存在部分的殘余干擾,采用基于信干比的干擾消除技術對殘留干擾進行二次抑制.此處提出的干擾消除技術是基于認知檢測、結合時頻多點平均的加權接收和串行干擾消除的迭代干擾消除技術,整體框圖如圖7所示.通過基于導頻的信號估計獲得信道信息,由加權接收進行初次殘留干擾信號消除,之后進行基于認知干擾檢測的串行干擾消除,反饋調整合并權值,迭代優化達到最優的消除性能.

圖7 基于信干比的迭代干擾消除技術

以最大信干噪比準則為標準,第k個子載波個OFDM符號的接收信號表示為:其中?M表示殘留干擾信號的個數,s0(k,l)為期望的接收信號.H?m(k,l)為信道響應,包括信號接收信道和干擾信號信道,n(k,l)為噪聲向量.信號協方差矩陣RS和干擾加噪聲協方差矩陣R?m+n分別為:

此處提出的干擾消除算法是基于信干比進行設計,其目的是使系統的輸出信干噪比最大,即:

式中:w為權值,表示選擇最優的w使得[·]中的函數最大.

根據《膝關節功能評價標準》[3]中的相關內容對兩組的康復效果進行評估：（1）優：，關節活動度超過100°。（2）良：關節活動度為81°～100°。（3）中：關節活動度為51°～80°。（4）差：關節活動度小于50°。

這時得到最優權值向量矩陣為:

權值向量的精度依賴于信道估計的精度和協方差矩陣的精度.因此對估計的準確性會對干擾抑制合并的性能產生很大的影響.為了獲得精確的協方差矩陣,協方差矩陣需要利用同一資源塊的采樣值和高相關的相同信道矩陣的平均化.采用減去導頻信號估計的干擾與噪聲來計算其協方差矩陣,即y(k,l)?H0(k,l)sp(k,l),sp(k,l)為導頻信號.為了獲得更精確的統計性能,兩種方法都要進行時域和頻域上的多點平均,時頻多點平均后協方差矩陣估計為:

根據干擾檢測情況和信令交互自適應調整所要平均的OFDM符號數目Nt和相鄰子載波數目Nf,從而獲得最優的權重向量矩陣.在最初階段,無法利用先驗信息.接收信號通過一系列初始的合并權值處理,只能基于導頻估計干擾協方差,利用干擾抑制合并技術計算出合并的權值.結合干擾檢測獲得干擾信道的估計和干擾參數,輸出經過符號檢測機而獲得最強信號的估計(可能是干擾或期望信號),然后從接收信號中減去估計信號來構造一個處理后的接收信號.干擾抑制合并的權值基于處理后的接收信號進行重新計算.隨后,處理后的接收信號供應給干擾抑制合并接收機來更新合并權值,然后將輸出傳遞給符號檢測器來獲得信號強度第2位的信號.按照上面方式迭代進行直至接收信號有效或者達到最大迭代次數.在該方法中,假設期望信號的軟信息被傳送來進行譯碼.

在第x次迭代,已更新的對

的無偏估計可以表示為:

單干擾源存在情況下,系統的誤幀率仿真曲線如圖8所示.可以看出,在干擾較強的存在下,采用干擾消除的性能明顯優于不采用干擾消除的最大比合并(MRC).所提的迭代干擾消除技術的性能要好于基于MMSE的干擾抑制合并(MMSE-IRC)和基于信干比的干擾抑制合并(MSINR-IRC).采用所提的迭代干擾消除技術,在前級經過空時自適應調零技術抑制之后,對殘留的干擾信號進行二次抑制,有望進一步提升信干比5dB以上.

3 高可靠信道編譯碼技術

高可靠信息傳輸無論對于業務信道還是控制信道都是非常重要的,采用高可靠的信道編譯碼技術來保證信號的可靠傳輸.下面分別針對業務信道和控制信道說明信道編譯碼的改進方案.

3.1 業務信道高可靠信道編譯碼技術

傳統的Turbo碼存在明顯的錯誤平臺問題.對于1000以內的碼長,錯誤平臺一般出現在10?6左右,對于1000至6000的碼長,錯誤平臺一般出現在10?7左右,很難滿足無線遠控系統10?8誤碼率要求.為了降低錯誤平臺,提高傳輸可靠性,提出將CRC的檢錯操作引入到Turbo譯碼過程當中,將二者有機結合起來,有效地降低錯誤平臺.

圖8 單干擾源的抗干擾性能

該技術的實現方案如圖9所示.

圖9 CRC輔助的Turbo碼譯碼流程圖

這種技術方案要求Turbo譯碼器不能只輸出具有最大可靠度的序列作為判決序列,而要求Turbo譯碼器必須生成幾個具有較高可靠度的序列集合作為備選.可以采用軟輸出SOVA譯碼算法或序列譯碼算法作為分量碼譯碼算法,產生備選數據序列.將這些備選數據序列按照可靠度大小依次排序,先對可靠度最高的符號序列進行CRC校驗,若校驗未通過,則把該序列保存下來,并從有序集合中取下一個序列,再次進行CRC校驗,若校驗不通過則丟棄.重復上述操作直至CRC校驗通過或集合中無候選序列為止.如果CRC校驗通過則把通過校驗的輸出作為最終的輸出,如果所有序列都無法通過CRC校驗,則仍將具有最高可靠度的序列作為輸出.

采用這種算法對于Turbo碼錯誤平臺的改善效果如圖10所示.從圖中可以發現,基于CRC校驗輔助的自檢錯高可靠信道編譯碼技術將Turbo碼的錯誤平層降低到10?8以下,提高了傳輸可靠性.

圖10 有無CRC輔助的Turbo譯碼性能比較

3.2 控制信道高可靠信道編譯碼技術

高可靠傳輸無論對于業務信道還是控制信道都是非常重要的.對控制信道,由于無法采用干擾躲避措施,需要對抗窄帶和寬帶干擾,必然需要采用擴頻的方式.如果把寬帶干擾看作白噪聲,直接序列擴頻本身并不能提高信息傳輸的功率效率,即:擴頻前后以Eb/(N0+I0)為橫坐標的誤碼率性能曲線保持不變,這里的N0為白噪聲的功率譜密度,I0為寬帶干擾的功率譜密度.如果通過信號設計使得帶寬擴展部分形成信號空間上的冗余,則能夠獲得附加的編碼增益,能夠同時獲得擴頻增益和附加編碼增益的信號形式是低碼率信道編碼.

Turbo哈達瑪碼是一種極低碼率信道編碼,它既具有Turbo碼通過迭代譯碼逼近準最大似然譯碼的特性,也具有哈達瑪碼可以利用快速哈達瑪變換簡化計算復雜度的優點,通過構造Turbo哈達瑪編碼,可以獲得低于1/16的極低碼率信道編碼.Turbo哈達瑪編碼內包含了多個交織器,這些交織器的存在也可以進一步提高控制信道信息的抗截獲能力.

擬采用的Turbo哈達瑪碼參數如下:碼率為1/16、碼塊長度640,迭代次數15次,其誤碼率性能曲線見圖11,在Eb/N0為1.6dB左右誤碼率可達10?8以下,而同等碼長的傳統1/2 Turbo碼則需要4dB才能獲得類似性能,這種信道編譯碼方式在10?8誤碼率下可以獲得約2.4dB的編碼增益.

圖11 Turbo哈達瑪碼誤碼率性能

4 基于子帶OFDM的高效傳輸技術

在數據信道傳輸方案中,基于子帶調度的OFDM與自適應調制是提高傳輸效率的關鍵.在傳統的OFDM通信系統中,大部分采用子載波連續映射的方式,而且各個子載波之間一般采用同樣的調制方式.

在武器系統無線遠程控制的應用場景中,可能存在窄帶干擾、梳狀干擾和多徑傳播效應,這些因素的存在會造成傳輸帶寬內不同頻率分量的信道條件嚴重不平衡.應當對這種不平衡性進行實時測量,通過子載波調度和自適應調制技術獲得更高的傳輸效率和抗干擾能力.但是,對于每個子載波分別進行信干噪比評估、調度和自適應調制,對干擾測量、調度和自適應調制和控制信道開銷等3個方面都帶來了過高要求,不易實現.

在很多情況下,干擾相對于100M帶寬是窄帶的,它們相對于OFDM的子載波而言可能是寬帶的,相鄰的子載波所受到的干擾具有很強的相關性,因此,可以將它們組合成子帶進行調度和自適應調制.這樣做雖然犧牲了調度和自適應的靈活性,但是能夠降低控制開銷,降低對控制信道傳輸速率的要求.

圖12給出了子帶OFDM技術的基本實現框架.

根據所測得的干擾情況對每個子帶的信干噪比進行分析,實現自適應調制.干擾電平大于某一門限時,相應的子帶不承載調制符號;信干噪比能夠支持一定速率的傳輸,但是仍然較低時,采用QPSK調制方式進行傳輸;信干噪比較高時,則選用16QAM調制方式,信干噪比在20dB以上時,則選擇64QAM調制方式,從而最大化傳輸效率.

為了能夠對當前通信子帶的質量進行有效地評估,需要將干擾統一地建模成高斯隨機變量,從而能夠分析各個子帶的等效信干噪比,根據等效信干噪比的大小選擇最好的調制方式.

圖12 子帶OFDM實現框架圖

系統支持的最高調制方式為64QAM調制,與1/2Turbo編碼相結合,最高頻譜效率可達到3bps/Hz.當系統遭受多個強窄帶干擾時,即使有多達一半的子帶受到干擾,仍可以獲得超過100Mbps的傳輸速率.而在系統受到寬帶干擾時,由于干擾源距離接收機有一定的距離,干擾功率譜密度低于信號功率譜密度,此時至少可以在幾乎所有子帶上以QPSK方式進行傳輸,結合1/2Turbo碼可以獲得約1bps/Hz的傳輸效率,在100MHz帶寬內的傳輸速率約為100Mbps,滿足系統要求.

子帶OFDM可以與跳頻技術[16]相結合獲得更高的抗截獲能力.子帶OFDM以子帶為單元進行調度和自適應調制,跳頻也以子帶間隔為單位改變業務信道傳輸的中心頻率,兩者統一起來,為干擾測量帶來便利.以子帶間隔為單位的跳頻與傳統的以信道帶寬為單位的跳頻相比,在同樣的可用帶寬范圍內能獲得更多的跳頻點,可以大幅度提高抗截獲能力.

5 結論

在武器系統無線遠程控制過程中采用高可靠、抗干擾的信息傳輸技術,對于其提高信息化作戰水平具有重要意義.針對上述特殊應用場景,提出了以干擾抑制技術、高可靠信道編譯碼技術及高效的調制技術為主的無線信息傳輸方案.仿真及理論分析表明,無線通信系統的誤碼率可顯著降低,同時干擾抑制能力大幅提高,能夠滿足系統的高可靠和抗干擾要求.