遠距航空通信變換域通信系統設計

王桂勝，任清華，徐兵政，劉　洋

(1.空軍工程大學 信息與導航學院，西安 710077；　2.中國電子科技集團航天信息應用技術重點實驗室，石家莊 050081)(*通信作者電子郵箱wgsfuyun@163.com)

0　引言

變換域通信系統(Transform Domain Communication System, TDCS)作為一種典型的戰場認知無線電系統，能夠主動規避干擾，具有抗干擾、低截獲等傳輸特征，更適合對抗條件下的無人機數據鏈應用[1-2]。在遠距航空通信中，TDCS常面臨收發雙方電磁頻譜環境差距較大的問題，極易導致通信過程中誤碼率較高，嚴重影響整體通信質量[3]。因此，研究分析TDCS在遠距航空通信下的電磁頻譜環境，針對性設計遠距航空通信下系統模型對于提升TDCS整體通信性能具有重要意義。

目前，針對TDCS在復雜電磁環境下的研究較多，文獻[4]針對頻譜不一致下的通信干擾問題，設計了一種基于信令信道的遠距離航空型TDCS，能夠有效抵抗多音干擾；文獻[5]研究了TDCS在收發頻譜不一致條件下的基函數設計方法，實現了信噪比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)的次優解；文獻[6-7]則針對TDCS在幅度譜成型過程中存在的問題，利用功率譜翻轉和注水定理對基函數生成進行改進，提高了整體的抗干擾和低截獲性能。以上研究主要圍繞小范圍頻譜一致條件下的TDCS進行設計與仿真，沒有對遠距航空型TDCS通信進行針對性研究。針對不一致信息交互問題，常用的處理方案通常有建立專有信令信道或者直接信息交互。信令信道構造原理簡單，但信道利用率低，且在動態、廣域等實際應用中受限；而直接信息交互則利用較為復雜的技術和相關算法實現可靠傳輸，信道利用率高，實際應用較為廣泛。

針對這一現狀，本文針對遠距航空型TDCS通信過程中面臨的通信干擾問題，對其電磁頻譜環境及典型干擾進行分析建模，基于存儲轉發模式，設計適合遠距航空通信的TDCS模型及通信方案。仿真結果表明，本文建立的遠距航空型TDCS模型能夠適應收發雙方復雜的電磁頻譜環境，提出的通信方案與傳統TDCS相比，誤碼率較低，抗干擾性能顯著。

1　遠距航空通信電磁環境

在遠距航空通信過程中，我方通信平臺極易受到敵方機載或地面干擾平臺強烈的電磁干擾，通信有效范圍將主要受收發雙方天線位置、電波傳輸特性及地球曲率等因素影響。如圖1所示，機載干擾平臺B、C對地面電臺A、集群D的干擾效果受到視距傳播條件的限制，因此，基于收發雙方的相對位置不同，收發兩端的頻譜感知可能會受到各自周圍電磁環境的影響，從而導致雙方的頻譜感知結果不一致，通信能力下降。

圖1　遠距航空通信示意圖Fig. 1　Schematic diagram of long distance aeronautical communication

1.1　電磁頻譜環境分析

在遠距航空通信過程中，地面電臺和機載電臺將面臨復雜多變的電磁環境，根據干擾平臺的相對位置，對收發雙方各自的頻譜感知情況作具體分類，見圖2。因此，收發雙方的電磁頻譜感知結果決定著遠距航空通信過程中TDCS的整體性能好壞：收發雙方頻譜一致情況下，通過各自感知結果，實現干擾規避，完成正常通信；在不一致情況下，TDCS收發雙方需要交互頻譜感知信息，構建性能較優的基函數實現抗干擾通信。

圖2　通信電磁頻譜環境Fig. 2　Communication electromagnetic spectrum environment

1.2　典型干擾時頻特性分析

干擾信號通常包括自然干擾和人為干擾兩種[8]。本文主要研究人為干擾，按照頻率特性可分為單音、多音、部分頻帶干擾及線性調頻干擾等，具體分類模型如下：

單音干擾是針對某一特定的頻點的干擾，其干擾模型為：

J(n)=J0cos(2nπf0+θ0)

(1)

多音干擾由多個單音干擾組成，能同時對多個頻點進行干擾，其數學模型為：

(2)

部分頻帶干擾又稱為窄帶干擾，主要以瞄準式干擾和阻塞式干擾[9]為主：瞄準式干擾通常圍繞某一特定頻率，干擾輻射頻帶較窄，見圖3；阻塞式干擾(以梳狀譜干擾為例)中各干擾在頻域間斷輸出，干擾頻帶呈梳形，見圖4。由于實際干擾常以瞄準式干擾和梳狀譜干擾為主，故本文重點對這兩種干擾進行TDCS性能分析。

圖3　瞄準式干擾時頻關系Fig. 3　Time-frequency of spot jamming

圖4　梳形阻塞式干擾時頻關系Fig. 4　Time-frequency of comb jamming interference

2　遠距航空通信下的TDCS模型

目前，TDCS通信技術研究主要針對系統單個模塊或關鍵技術，但對特定應用場景下的系統研究和整體實現相對匱乏，加之收發兩端頻譜感知信息的獲取較為方便，對其頻譜是否一致的判決可直接進行頻譜信息比較或者利用對應基函數進行相關運算，通過相關性能的比較可判別[10-12]。針對遠距航空通信過程中可能面臨的復雜電磁環境及收發雙方存在的頻譜不一致現狀，需要在傳統TDCS基礎上進行改進，通過收發雙方的信息交互，設計適合遠距航空通信下的TDCS模型，從而實現安全可靠的信息通信。

2.1　頻譜一致條件下TDCS

頻譜一致條件下TDCS通過收發雙方聯合進行空閑頻譜感知，從而達到躲避干擾的目的，實現軍事航空通信的抗干擾。TDCS發射機和接收機原理分別如圖5、6所示。

TDCS發端首先對周圍電磁環境進行頻譜感知，得到基函數幅度譜Ak，然后利用循環移位寄存器產生偽隨機序列，并經相位映射產生隨機相位ejθ，從而生成基函數Bk：

Bk=Akejθk

(3)

經傅里葉逆變換后得到基函數的時域形式bn：

(4)

并利用該基函數對產生的隨機信號fn進行常用的循環碼移鍵控(Cyclic Code Shift Keying, CCSK)調制，得到發射信號sn：

(5)

其中:c代表功率調整因子，mi代表第i次發送的數據。

圖5　TDCS發射機原理圖Fig. 5　Schematic diagram of TDCS transmitter

圖6　TDCS接收機原理圖Fig. 6　Schematic diagram of TDCS receiver

發射信號后經高斯白噪聲信道傳至接收端，則接收信號rn為：

rn=sn+jn+zn;n=0,1,…,N-1

(6)

其中：zn是均值為0、方差為N0/2的高斯白噪聲；jn為接收端干擾。

考慮到收發雙方頻譜基本一致，收端仍對周圍環境進行頻譜感知生成自身基函數，利用基函數共軛形式進行近似相關接收處理，從而得到解調信號：

(7)

由于收發雙方的頻譜感知結果基本一致，接收端基函數幅度譜在對應的干擾各頻點處全為0，故∑JkAk≈0，再通過門限判決輸出即可消除噪聲的影響，從而保證傳輸信號的準確性。

2.2　頻譜不一致條件下TDCS

2.2.1系統整體設計

頻譜不一致條件下TDCS需要通過收發兩端的相互交互來實現安全可靠通信。為滿足通信的時效性，通信雙方應盡量保證全雙工工作方式(收發可同時進行通信，以保證雙方能在較短時間內交互信息)。期間，收發兩端的基函數生成模塊生成各自的基函數，而存儲轉發模塊用于將發(收)端傳遞的基函數進行調制或恢復處理，從而實現簡易可靠的基函數安全傳輸。TDCS原理如圖7所示。

圖7　TDCS原理圖Fig. 7　Schematic diagram of TDCS

2.2.2存儲轉發模塊

在此情景下，假設收發端通信的平均傳播時延τ一定，每組數據通信完成(發送-接收-解調)的時刻為…,ti-1,ti,ti+1,…，即：

ti-1+τ=ti

(8)

令b1(ti-1)、b2(ti-1+τ)和b2(ti)分別表示為ti-1時刻發端生成的基函數、ti-1+τ時刻收端解調發端信息的基函數以及ti時刻收端產生的基函數，則TDCS收發兩端的基函數生成-存儲轉發模塊的信息通信流程如圖8所示。

圖8　基函數生成-存儲轉發模塊Fig. 8　Basis function generate-store and forward model

步驟1假設在ti-1時刻TDCS收發兩端處于頻譜一致條件下，仍進行正常通信：

b1(ti-1)=b2(ti-1+τ)=b2(ti)

(9)

步驟2收發兩端將各自的基函數b2(ti)、b1(ti-1)進行存儲。

步驟3假設在ti時刻收端受到強干擾影響，導致收發頻譜不一致，令基函數頻譜相同部分為b0(ti)，則

b2(ti-1+τ)=b0(ti)+b1′(ti-1)=

(10)

步驟4收端將自身當前狀態反饋給發端，以便下一步發端進行調整。此時，收端反饋信息fb(ti)設定為收發雙方的基函數互相關函數：

fb(ti)=b2(ti-1+τ)*b2(-ti)

(11)

由于收發雙方的頻譜信息有較大程度相似，則反饋信息呈現沖激特性(相關性較強)，再通過相應的采樣、量化、編碼等步驟實現反饋信息的數字化。

步驟5收端生成新的基函數b2(ti)：

(12)

步驟6收端搜索前一時刻發端發送過來的基函數b2(ti-1+τ)。

步驟7收端利用舊基函數b2(ti-1+τ)將反饋信息和新基函數b2(ti)依次調制成類噪聲并發送給發端。

f2(ti+τ)=f2(ti)=

cb2(ti-1+τ)×fb(ti)+j0(ti)+z0(ti)=

(13)

s2(ti+τ)=s2(ti)=

cb2(ti)×b2(ti-1+τ)+j0(ti)+z0(ti)=

(14)

步驟8發端搜索前一時刻基函數b1(ti-1)，利用得到的基函數對接收到的反饋信息進行基函數共軛解調，從而得到反饋信息，并根據其能量檢測結果判斷收發雙發的狀態信息：

fb(ti)+j0(ti)+z0(ti)]×

(15)

步驟9發端接收到收端的反饋信息后，對收端發送信息進行解調：

(16)

步驟10恢復出收端的基函數b2(ti+τ)，再利用其重新進行信號調制并發送。

3　性能分析與仿真驗證

為驗證遠距航空通信TDCS模型及其通信流程的合理性，針對遠距航空通信電磁環境及典型干擾的時頻特性進行仿真實驗，并與傳統的TDCS模型進行對比。

仿真硬件平臺為配置Pentium Dual Core (3.06 GHz)CPU、2 GB內存的計算機，所有實驗均在Matlab R2010a環境下進行。仿真中假設信道為高斯白噪聲信道，采樣速率Fs=512 MHz，采用m序列生成基函數，調制方式采用碼移鍵控(Code Shift Keying, CSK)，干擾信號與基函數幅度譜采用共軛對稱頻譜，頻譜幅度取值參考文獻[16]。

本文仿真實驗中共選取兩種干擾類型作對比，其中:窄帶瞄準式干擾選取占頻比為25%，干擾頻點位置為3/8Fs～5/8Fs；梳狀譜干擾選取占頻比也為25%，各子帶寬為25 Hz。

根據設定的仿真參數，本文分別開展干擾頻譜仿真、收發頻譜一致TDCS通信及不一致TDCS通信等仿真實驗。

3.1　干擾頻譜仿真

針對干擾模型的時頻特性，結合設定的仿真參數，以窄帶和梳狀譜干擾為例，得到如圖9和圖10所示的干擾頻譜仿真結果。從圖9、10中可以看出，各干擾模型的頻譜設定均符合理論分析需要，基本能夠滿足下一步收發不同頻譜場景下TDCS的通信需求。

圖9　窄帶瞄準式干擾模型仿真結果Fig. 9　Simulation result of narrowband spot jamming model

圖10　梳狀譜干擾模型仿真結果Fig. 10　Simulation result of comb spectrum interference model

3.2　收發頻譜一致條件下TDCS性能驗證

收發端頻譜一致時通信以正常的遠距航空TDCS通信為主，干擾類型以窄帶干擾為例：通過對基函數的幅值進行設定，利用循環移位寄存器產生m序列，后經相位映射產生隨機相位，通過快速傅里葉變換(Fast Fourier Transformation, FFT)逆變換得到基函數的時域形式，并利用該基函數對產生的隨機信號進行CSK調制，經高斯白噪聲信道傳至接收端，利用基函數共軛形式進行相關解調，對比解調后信息與原始信息求得TDCS誤碼率。初始信息位數為1 000 bit，信干比(Signal to Interference Ratio, SIR)為-3 dB，信噪比為1～12 dB，進行100次蒙特卡羅實驗后，其仿真結果如圖11所示。從圖11中可以看出，在不同干擾下，基函數的類噪聲性能良好，且具有較好的自相關性能，便于解調；收發頻譜一致條件下TDCS性能與理想誤碼率比較接近，基本滿足遠距航空通信的需求。

3.3　收發頻譜不一致條件下TDCS性能驗證

收發頻譜不一致時，TDCS通信主要以受干擾強度較大的接收端頻譜為基準構建基函數，然后根據建立的基于存儲轉發機制的基函數調制解調，進行不一致條件下的通信。此時，干擾的影響主要體現在收發兩端頻譜不一致部分及其門限判決結果，可能影響因素有：占空比、相似度、頻點位置和判決門限等，本文采用較普遍的硬門限判決[4]，仿真參數設置如表1。

圖11　收發端頻譜一致時窄帶干擾下TDCS性能Fig. 11　TDCS performance in narrowband jamming under the consistent transmit and receive spectrum

表1　收發頻譜不一致時的仿真參數設置Tab. 1　Simulation parameters of inconsistent transmit and receive spectrum

將傳統TDCS收發各自基函數調制解調通信、通過建立信令信道取收發公共部分建立基函數以及本文提出的基于存儲轉發機制的基函數調制傳遞三種方法進行比較，分別在不同占空比、相似度和頻點位置進行系統性能的仿真實驗，得到如下仿真結果。

3.3.1時延分析

本文提出的基于存儲轉發模塊的遠距航空通信TDCS模型的關鍵模塊(存儲轉發)在頻譜一致條件下與傳統TDCS模型基本類似，各類性能差距較小，可作近似處理；而在頻譜不一致條件下，其存儲轉發機制的作用愈發突出，故本節主要在頻譜不一致條件下進行算法的時延分析。

不一致條件下TDCS的時延分析從頻譜感知開始分為兩個階段：基函數生成階段(幅度判決—隨機相位生成—基函數逆變換)和信號處理階段(信號調制—信道傳輸—相關解調)，最終實現信號的發送與接收過程。由于基函數處理階段不涉及信噪比的變化，且與信號長度無關，故不對其進行分析，主要比較信號處理階段的時延性能。

仿真中初始信號長度范圍為100～500 bit，信噪比范圍為8～12 dB(誤碼率低于10-2)，由于信號處理階段隨著信號長度的增加其時延會急劇增長，不便于數據表示，故對原始數據作進一步處理，采用時延率vt(單位：s/bit)來表征其延時性能，具體仿真結果如圖12所示。由圖12可以看出，本文設計的TDCS模型比信令信道傳輸模型的時延率受信噪比的影響較小，可近似忽略其影響；同時由于信令信道需要提前建立安全可靠的信道，成本較高，信道利用率較低，而本文設計的TDCS模型比信令信道傳輸模型時延略長，增加僅約20%，由于TDCS具有寬帶、高速傳輸特性，通過犧牲部分開銷來保證信息的可靠傳輸，具有一定的實用價值。

圖13是信噪比范圍內平均時延率與信號長度的關系，可以看出：平均時延率隨信號長度的增加而增加，基本呈線性增長關系，因此在通信過程中應控制數據分組的長度，以保證在時延可接受的范圍內提高信道利用率。

圖12　500 bit下時延率與信噪比關系Fig. 12　Relationship of time delay rate and SNR with 500 bit signal

圖13　平均時延率與信號長度的關系Fig. 13　Relationship between average time delay rate and signal length

3.3.2性能分析

如圖14～16所示，通過對比發現：由于梳狀譜干擾的干擾頻點較集中，因而收發兩端的基函數自相關及其互相關性能較好；本文提出基于存儲轉發機制的不一致條件下TDCS通信誤碼率與建立信令信道的通信方式基本相同，較傳統的TDCS通信誤碼率有較大程度降低，在信噪比1～12 dB范圍內，誤碼率平均降低24.48%，相同誤碼率下性能提升約1 dB，且隨信噪比的增加，性能提升越明顯。

4　結語

本文從遠距航空型TDCS面臨的通信干擾問題出發，對不同電磁頻譜環境分析建模，提出了遠距航空型TDCS模型及通信流程，改善了應對復雜電磁環境的系統性能。仿真表明，在不同干擾條件下，本文建立的干擾模型與頻譜設定基本滿足復雜電磁環境的理論分析需求，提出的遠距航空型TDCS模型相比傳統TDCS具有較低的誤碼率。

圖14　收發端基函數性能Fig. 14　Basic function performance of transmitter and receiver

圖15　收發端基函數互相關性能Fig. 15　Basic function correlation performance of transmitter and receiver

圖16　不同處理方式下的TDCS性能Fig. 16　TDCS performance under different communication modes

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