艦船多信道無線網絡抗干擾算法設計

邢小東，侯 飛

(山西大同大學，山西 大同 037009)

0 引 言

艦船多信道無線網絡是傳遞各種消息的渠道[1]，隨著艦船無線通信設備不斷升級，通信系統趨于陳列化和集成化，在接收信號時在艦船信道中經常會受到干擾[2,3]，影響信號質量，從而無法接收準確的信息，因此，確保艦船通信設備可以正常的通信具有重要意義。

針對此問題，很多學者對此進行了研究。如劉春玲等[4]提出一種基于多域聯合的抗干擾算法，通過感知環境頻譜情況確定干擾信道，結合Stackelberg 博弈理論，對艦船信道中中度干擾的信號通過功率域進行抑制，縮短艦船信道的開銷時間，由于一個頻譜感知的效果并不理想而產生艦船信道決策出現不成功的情況，因此，采用引入簇頭協助的方法處理此問題，實現艦船的抗干擾。楊世武等[5]提出一種基于改進D n C N N 的抗干擾算法，該方法將卷積神經網絡（CNN）進行優化，針對卷積神經網絡中堆疊的單一尺度卷積核，將其轉變成多尺度卷積核，不僅提高了網絡能力，而且減少了網絡深度，結合殘差網絡估計出噪聲分布，將頻帶中的噪聲采用對消的方法進行抑制，最大化信號的低頻幅值，形成去噪卷積神經網絡（DnCNN），降低噪聲，實現抗干擾的效果。但是這2 種方法容易浪費網絡能耗，無法及時地進行抗干擾，導致艦船多信道無線通信的抗干擾效果較差。

瞄準式定向方法可以準確定位干擾信號，阻塞式抗干擾方法可以對艦船通信信號頻率進行覆蓋干擾，自適應非線性預測濾波算法能夠計算出信號的要頻，從而對其進行編碼錯誤的糾正。基于此，本文設計一種艦船多信道無線網絡抗干擾算法，保證艦船通信的穩定性。

1 艦船多信道無線網絡抗干擾

1.1 抗干擾總體流程

由于艦船的多信道無線網絡受干擾信號的影響[6]，容易造成艦船網絡內部消耗過多的CPU，從而影響通信質量。為了增強多信道無線網絡的抗干擾能力，延長艦船的使用壽命，設計了艦船多信道無線網絡抗干擾流程，如圖1 所示。具體內容如下：

圖1 艦船多信道無線網絡抗干擾流程Fig.1 Anti-interference process of multi-channel wireless network on ships

1）采集信號：通過建立多信道無線網絡模型采集艦船多信道引入的大量信號。

2）干擾信號的挖掘：將采集到的大量信號進行檢測，判斷是否為干擾信號，挖掘干擾信號。

3）干擾信號的處理：將挖掘出的干擾信號輸入到改進小波閾值算法中進行抗干擾處理。

4）信號輸出：將沒有受到干擾的信號和已經處理后的干擾信號輸出給艦船的顯示中心，以便更好地跟蹤艦船狀態。

1.2 建立艦船多信道模型

依據艦船系統的特殊性，需要建立對應的多信道模型，獲取艦船多信道網絡信號，為實現艦船多信道無線網絡的抗干擾處理做鋪墊。通過相關矩陣建模法建立艦船的多信道模型，建立過程如圖2 所示。

圖2 艦船多信道模型的建立過程Fig.2 Establishment process of ship multi-channel model

設艦船的多信道無線網絡通信方式為下行鏈路通信，天線數量為nt，可收到的天線數據量為nT，艦船多信道的天線規?？杀硎緸閚t×nT，多信道無線網絡矩陣可表示為：

式中：r為艦船多信道中可以辨別的路徑；Gr為路徑r的多信道傳輸矩陣；M為艦船多信道的可以忽略不計的延遲；Mr為信號傳輸的延遲。

艦船多信道模型可表示為：

式中：k為萊斯因子；GN為直徑視距的艦船多道天線矩陣；GM為瑞利矩陣。

通過構建的艦船多信道模型獲取艦船多信道無線網絡信號。

1.3 干擾信號的挖掘

依據采集的艦船多信道無線網絡信號，利用異常檢測(LOF)算法進行干擾信號挖掘，挖掘流程如下：

步驟1 將獲取的艦船多信道無線網絡信號中異常信號節點的特征均值記作 α=(α1,α2,···,αm)T，m表示異常信號節點特征均值的總數T。從而獲得艦船多信道無線網絡的干擾信號特征為：

步驟2 求出各個干擾信號特征對象p的距離，設定艦船多信道無線網絡的干擾信號特征集合為O，在集合O中求出全部信號與特征信號對象p的距離，篩選j個不同的最近距離，將其中的最遠距離值作為干擾信號特征對象p的距離。

步驟3 求出干擾信號特征對象p的鄰域距離，設干擾信號特征對象p中包含c個近鄰，將全部不大于p的距離信號記作集合H，在H中存在信號對象h，則：

式中，D(p,h)為最小距離。

步驟4 求出p的可到達距離，對其求解可得密度ρ。

步驟5 求出p的局部異常因子，即為均值 ξ (ρ)。

步驟6 依據求出p的局部異常因子結果進行從大到小排序，其中，前y個較大的信號就表示艦船多信道無線網絡中存在的干擾信號。

1.4 艦船多信道無線網絡的干擾抑制

為了實現艦船多信道無線網絡抗干擾并提升抗干擾效果，采用改進的小波閾值算法挖掘的艦船多信道無線網絡的干擾信號進行抗干擾處理。將獲取的船多信道無線網絡的干擾信號視為觀測信號，表示為：

式中：s(t)為原信號；n(t)為信號干擾。

雖然艦船多信道無線網絡中的信號比較平穩，但是當存在信號干擾時，會產生較多的高頻信號，因此，需要設定閾值對艦船多信道無線網絡的信號干擾進行量化：

通過對干擾信號進行抑制，實現艦船多信道無線網絡的抗干擾，提升了艦船設備的通信質量。

2 結果分析

為了驗證本文算法的艦船多信道無線網絡抗干擾算法的有效性，將某港口的艦船作為實驗對象，該艦船功率為6 300 kW，艦船長度為96 m，艦船寬度為15.8 m，艦船深度6.5 m，排水量為4 268 t。通過實驗平臺搭建該艦船的擴頻通信系統進行實驗。應用本文算法處理艦船多信道無線網絡干擾的結果如圖3 所示?？梢钥闯觯捎帽疚乃惴▽ε灤嘈诺罒o線網絡進行抗干擾處理后，隨著時間的增加，無線網絡的頻率變化都比較穩定，沒有發生較大的頻率變化，說明本文算法的艦船多信道無線網絡抗干擾性能較強。

圖3 抗干擾性能的測試結果Fig.3 Test results of anti-interference performance

為了驗證本文算法挖掘艦船多信道無線網絡干擾信號的能力，設計在8 種不同的干擾信號下，本文算法可挖掘出干擾信號的數量，并將文獻[4]雙差波束的艦船通信抗干擾算法和文獻[5]基于小波變換的艦船主干網絡抗干擾算法作為本文算法的對比算法，驗證結果如表1 所示?？芍?，針對艦船多信道無線網絡中8 種不同種類的干擾信號，文獻[4]算法可挖掘出的干擾信號平均值為7 075 個，挖掘干擾信號的能力較差，文獻[5]算法對于不同種類的干擾信號，可以挖掘出的干擾信號平均值為8 413 個，雖然對干擾信號的挖掘能力優于文獻[5]算法，但是挖掘出的干擾信號同樣較少，艦船多信道無線網絡干擾信號的挖掘能力并不理想，而本文算法挖掘出的艦船多信道無線網絡干擾信號數量約為9 577 個，均高于其他2 種算法，說明本文算法具有較高的艦船多信道無線網絡干擾信號挖掘能力。

表1 不同算法挖掘干擾信號的能力Tab.1 Ability of different algorithms to mine interference signals

為驗證本文算法的艦船多信道無線網絡抗干擾能力，將本文算法應用到該艦船的擴頻通信系統觀察系統的發送信號和接收信號的波形是否一致，如果波形一致，表示艦船多信道無線網絡沒有受到干擾信號的影響；若不一致，表示艦船多信道無線網絡受干擾信號影響，產生艦船多信道無線網絡通信異常。實驗結果如圖4 所示?？梢钥闯?，因受到干擾導致接收端接收波形存在約為20 ms 延遲，但最終接收到的信號波形幾乎與發送信號波形一致，說明雖然艦船多信道無線網絡中存在干擾信號，但是艦船多信道無線網絡通信的接收端仍可以接收到發射端發射的信號，并且信號穩定，說明本文算法設計的艦船多信道無線網絡抗干擾能力較強。

圖4 發送接收信號波形圖Fig.4 Waveform diagram of sending and receiving signal

3 結 語

為提升艦船的通信質量，提出艦船多信道無線網絡抗干擾算法設計，通過對艦船采集的信號進行特征提取，挖掘出干擾信號，再對其干擾信號采用改進的小波閾值算法進行抑制，實現艦船多信道無線網絡的抗干擾。并對該設計的應用效果展開測試，結果表明：本文算法挖掘干擾信號的能力較強，提升了艦船多信道無線網絡的抗干擾效果。