自適應跳頻技術在無線通信抗干擾中的應用

韓子龍，馬壯壯

（1.青島農業大學，山東 青島 266109；2.青島虛擬現實研究院有限公司，山東 青島 266000）

0 引 言

無線通信對各種形式的電磁干擾較為敏感，相關干擾的具體表現為通信質量下降和系統故障率升高。在對電磁干擾機制進行分析的基礎上，采取硬隔離方式能夠有效提升無線通信系統的可靠性與穩定性，但效果依然不夠理想。基于此，將以自適應跳頻技術為代表的軟隔離技術與其配合，從而確保無線通信系統處于正常工作狀態。

1 無線通信系統概述

傳統有線通信技術的推廣應用對環境有著較高的要求，而這與人們在復雜環境下的便捷通信需求之間存在矛盾。自1896年意大利人伽利爾摩·馬可尼實現第一次真正意義上的無線通信之后，無線通信技術快速發展，并在300多年的時間里完成了技術迭代。目前，無線通信技術已經相對成熟，根據其覆蓋范圍可以分為廣域無線通信技術和局域無線通信技術兩種類型，不同無線通信技術的頻譜授權情況也存在著較大差異。無線通信技術對比如表1所示。

表1 無線通信技術分類表

由表1可知，無線通信系統的技術體系較為復雜，在選擇無線通信技術時，需要綜合考慮傳輸距離、速率、安全性以及穩定性等多方面的因素，以保證通信系統設計與使用的費效比最低[1]。

2 無線通信系統干擾分析

無線通信系統是以電磁波為載體實現信息在不同路徑上的傳輸，極易受到空間其他電磁信號的干擾。根據無線通信干擾形成機制與影響效果，主要對同頻干擾和鄰頻干擾進行分析。

2.1 同頻干擾

當無線干擾信號的載波頻率與無線通信系統有用信號的載波頻率相同時，干擾信號將疊加在有用信號中，經接收機、解調單元、放大電路等處理后，通信系統終端將無法準確提供有用信號內容。一般情況下，同頻干擾多出現在相同載波頻率的無線通信系統之間，這也是無線通信干擾中較為常見的一種干擾類型[2]。

2.2 鄰頻干擾

基于無線信號的特點，無線通信的載波頻率是固定的，整個信號包括多個邊頻分量。隨著邊頻信號與載頻距離的增加，邊頻分量的功率將呈現明顯的衰減。當兩個無線信號載頻相近時，其邊頻分量將出現重合，重合的變頻分量所造成的干擾現象就被稱為鄰頻干擾，如圖1所示。

圖1 鄰頻干擾示意圖

除載波頻率大小外，鄰頻干擾所造成的影響與存在干擾的兩個系統發射、接收單元之間的距離也存在關系。隨著距離的增加，邊頻信號的能量不斷衰減，當邊頻信號能量低于閾值時，干擾信號無法進入接收端，變頻干擾現象也將消失。

3 基于自適應跳頻技術的無線通信抗干擾研究

電磁干擾信號是影響無線通信質量的重要因素之一，結合無線通信技術原理和針對電磁干擾的作用機制，可以利用跳頻技術應對多類型的無線干擾，從而提高無線通信質量[3]。

3.1 自適應跳頻技術原理分析

無線通信系統之間的信息傳輸需要通過不同頻率的載波才能實現，當有用信號載波頻譜信息發生變化時，則可能存在同頻干擾、鄰頻干擾等多種類型的干擾現象。為了提高無線通信質量，無線通信系統對經過調制后的信號進行解調和變換，在獲取有用信號載波的頻譜特征后確定干擾頻率與跳頻機制。自適應調頻機制執行流程如圖2所示。

圖2 自適應調頻機制執行流程

相較于傳統跳頻技術，自適應跳頻技術能夠更好地節約有限的頻譜資源。由于采用了信噪比檢測技術，因此當信噪比大于某一數值時，跳頻機制不會啟動。此外，自適應跳頻技術并未采用周期性跳頻機制，而是通過遍歷可用頻點選擇最佳頻率，這也避免了無線通信系統在多個頻點中反復橫跳。為了應對復雜空間電磁環境下的各種干擾現象，研究人員通過對接收機頻譜信息進行分析來確定信噪比的變化情況，并動態啟動自適應調頻機制，以保證無線通信系統處于正常工作狀態。

3.2 頻點自適應跳頻技術

為了提高無線通信系統的可靠性和穩定性，在無線通信機制的選擇方面強調差異化頻點的設計。當某一頻點信噪比低于臨界值時，無線通信管理系統將終止該頻點的使用，并借助無線通信應答機制向通信對象發送下一頻點的參數信息，實現同步調頻和握手成功。結合信噪比計算和自適應跳頻響應機制，其控制公式為

式中：Sk+1為在第k個頻點受到干擾后跳頻至第k+1個頻點的頻率；Qk為第k個頻點的干擾頻率；ΔPk為第Ck個頻點有用信號的發射功率與干擾信號功率差值；Ck為第k個頻點的系統干擾常數。當Sk+1≥1時，無線通信系統將執行跳頻機制；否則，系統將繼續保持該通信頻率。

根據無線通信系統的頻率覆蓋范圍選擇最佳的頻點，由于所選中的頻點無法在系統工作過程中進行調整，因此當完成頻點遍歷后，頻點自適應跳頻技術在應對無線通信干擾方面的能力將明顯下降。雖然通過擴大頻點集合的方式能夠延長頻點遍歷周期，但是由于鄰頻干擾現象的普遍存在，相鄰頻點之間的干擾問題并不能在跳頻后得到顯著改善，因此頻點自適應跳頻技術主要應用于電磁環境相對純凈的區域[4]。

3.3 功率自適應跳頻技術

為了保證無線通信的穩定性，跳頻通信系統會對載波的頻譜范圍進行區分，同時設定每一次跳頻的頻率。除了工作頻點之外，所有頻點都處于待機狀態，功率分配相對合理，由此能夠解決傳統頻點自適應跳頻技術的資源和功率浪費問題。當無線通信系統檢測到系統誤碼率增加時，將對無線通信系統中對應頻點的信噪比等進行檢測，通過自適應技術動態調整頻點發射功率，從而提升衰落信道的信息傳輸質量[5]。功率自適應跳頻機制流程如圖3所示。

圖3 功率自適應跳頻機制流程

功率自適應跳頻技術是被動跳頻技術的一種，當外部干擾信號疊加至有用信號載波時，無線通信系統將能夠識別輸入信號的功率變化，并通過發送驗證報文進行視頻分析和頻譜檢測（功率檢測），并將此作為跳頻依據。在無線通信系統設計中，功率自適應跳頻技術適用于安全等級較高的無線通信場景，可以應對不同類型的無線監聽和干擾行為。

3.4 速率自適應跳頻技術

速率自適應跳頻技術是一種基于時間的無線通信抗干擾技術，通過隨機設定跳頻周期，可以提高無線通信系統的可靠性與安全性。尤其是對于遍歷頻率跟蹤系統來說，速率自適應跳頻技術的無規律性增加了解析難度。以船岸無線通信系統為例，由于近岸同頻無線信號較多，且不同信號均在請求與港務中心通信管理平臺的握手，為了提高進出港管理效率和船舶航行安全，可以利用速率自適應跳頻技術實現對多個終端的同步指揮，將通信時間進行編碼，實現基于時間戳的無線通信系統速率自適應跳頻管理。速率自適應跳頻時間編碼如圖4所示。

圖4 速率自適應跳頻時間編碼

3.5 智能自適應跳頻技術

為了提高無線通信系統的抗干擾能力，在傳統自適應跳頻技術的基礎上融合人工智能技術對無線信號頻譜資源進行管理，通過優化跳頻算法合理配置信道資源，實現智能跳頻。智能自適應跳頻技術具有自動識別能力，能夠根據不同頻譜范圍內的資源占用情況和信噪比動態變化與誤碼率之間的關系等確定最佳頻點，并完成與通信單元的同步跳頻。

智能自適應跳頻技術的構成較為復雜，其需要結合無線通信系統的實際情況，根據最大化網絡效益策略、最大化瓶頸用戶頻率效益策略、最大化網絡支持用戶策略、最大化網絡公平性策略以及最大化頻率利用策略等實現頻譜資源的系統化配置。智能自適應跳頻技術靈活性較強，為了保證通信質量，需要嚴格執行信道同步機制，并根據實際情況選擇最佳的解決方案。智能自適應跳頻信道同步機制分類如表2所示。

表2 智能自適應跳頻信道同步機制分類

4 結 論

自適應跳頻技術的應用解決了無線通信系統可靠性低、安全性差等問題，推動了現代無線通信技術的發展。基于無線通信干擾問題的產生機理和無線通信技術的特點，在不斷優化完善自適應跳頻技術的同時，還需要結合電磁屏蔽、電磁兼容等多種抗干擾技術全面提高無線通信質量，從而構建更加安全的無線通信環境。