基于認(rèn)知無線電抗干擾技術(shù)分析

魏 奇

(中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì),遼寧葫蘆島125000)

0 引言

傳統(tǒng)的通信抗干擾技術(shù)可以分為擴(kuò)頻抗干擾和非擴(kuò)頻抗干擾2類,擴(kuò)頻抗干擾包括直接序列擴(kuò)頻、跳頻、跳時(shí)以及它們的混合;非擴(kuò)頻類抗干擾包括自適應(yīng)天線技術(shù)、猝發(fā)通信技術(shù)等。這2類抗干擾技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn),但都屬于“盲抗干擾”方式,抗干擾能力在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初確定,一旦敵方針對(duì)性的干擾超出其干擾容限就會(huì)造成通信中斷。

隨著戰(zhàn)場(chǎng)通信環(huán)境日益復(fù)雜,對(duì)通信設(shè)備造成的干擾有2個(gè)方面：一是外部有意或無意的干擾,這是設(shè)備能否正常生存的關(guān)鍵因素,是由戰(zhàn)場(chǎng)電子對(duì)抗的性質(zhì)決定的;二是來自系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的干擾,是由日益擁擠的頻譜資源造成的。隨著系統(tǒng)組網(wǎng)、協(xié)同的需求進(jìn)一步增強(qiáng),系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部之間的頻譜分配和使用問題將更加突出?；谡J(rèn)知無線電的抗干擾技術(shù)為解決這個(gè)問題提供了一條有效途徑,通過感知工作區(qū)域的電磁環(huán)境信息,分析干擾信號(hào)特征,發(fā)現(xiàn)頻譜“空穴”,并據(jù)此實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地調(diào)整通信系統(tǒng)工作參數(shù),規(guī)避有害干擾,從而達(dá)到可靠通信的目的。

1 認(rèn)知抗干擾系統(tǒng)架構(gòu)

基于認(rèn)知無線電技術(shù)的認(rèn)知抗干擾系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示,由通信設(shè)備和認(rèn)知設(shè)備組成。

圖1 認(rèn)知抗干擾系統(tǒng)架構(gòu)

通信設(shè)備包括編解碼、調(diào)制解調(diào)、上下變頻和功放濾波等模塊,認(rèn)知設(shè)備包括頻譜感知、認(rèn)知決策、頻譜動(dòng)態(tài)分配和自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整等模塊。認(rèn)知設(shè)備是該架構(gòu)的核心,通過對(duì)環(huán)境信息的分析、判決和決策,自適應(yīng)地調(diào)整系統(tǒng)的通信參數(shù)(如工作頻率、傳輸速率、編碼方式和調(diào)制體制等),以適應(yīng)外部戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的變化。

1.1 頻譜感知模塊

認(rèn)知無線電首要工作就是對(duì)電磁環(huán)境參數(shù)的快速感知,并標(biāo)示出當(dāng)前沒有被使用或被干擾的頻譜資源。此處頻譜感知模塊的功能主要是無線環(huán)境的分析,包括對(duì)無線傳播環(huán)境干擾度的估計(jì)以及頻譜空穴的檢測(cè)。頻譜感知模塊利用提取出外部信號(hào)頻譜特征,為認(rèn)知決策模塊提供依據(jù),目前較常采用的頻譜感知方法是功率譜分析法,功率譜分析可采用FFT、小波分析以及時(shí)頻分析等手段實(shí)現(xiàn)。

由于通信系統(tǒng)所處的電磁環(huán)境越來越復(fù)雜,為了進(jìn)一步提高頻譜檢測(cè)的時(shí)效性和正確性,可采用多節(jié)點(diǎn)用戶協(xié)同感知的方法,通過將多個(gè)節(jié)點(diǎn)的感知數(shù)據(jù)進(jìn)行融合、綜合而做出判決。與單節(jié)點(diǎn)用戶感知方法相比,多節(jié)點(diǎn)協(xié)同頻譜檢測(cè)的時(shí)效性和正確性大大提高,設(shè)備的抗干擾性也大大提高,但必須考慮各節(jié)點(diǎn)之間如何協(xié)同等網(wǎng)絡(luò)相關(guān)傳輸技術(shù)。

1.2 認(rèn)知決策模塊

決策是由發(fā)現(xiàn)問題、確定目標(biāo)、收集情報(bào)、探索方案、方案選定和決策執(zhí)行等組成的一種過程。認(rèn)知決策模塊功能就是利用頻譜感知模塊提供的無線傳播環(huán)境干擾度的估計(jì)以及頻譜空穴數(shù)據(jù),根據(jù)可用頻譜信息和干擾信號(hào)的特征,結(jié)合預(yù)先分配的頻譜資源、業(yè)務(wù)需求等信息,在決策庫(kù)中選擇最佳方案,實(shí)現(xiàn)頻譜動(dòng)態(tài)分配和鏈路參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整,進(jìn)而控制編解碼、調(diào)制解調(diào)和上下變頻等模塊,實(shí)現(xiàn)測(cè)控鏈路的編碼方式、調(diào)制體制、工作頻率以及信道帶寬等參數(shù)的改變。

1.3 頻譜動(dòng)態(tài)分配模塊

頻譜的動(dòng)態(tài)分配模塊根據(jù)認(rèn)知決策模塊傳遞的分配方案,為鏈路動(dòng)態(tài)分配最佳的工作頻率。頻譜的動(dòng)態(tài)分配是與頻譜靜態(tài)分配相對(duì)而言的,動(dòng)態(tài)分配指根據(jù)系統(tǒng)所處戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境不同,實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地調(diào)整系統(tǒng)使用的頻率;靜態(tài)分配指系統(tǒng)在此次執(zhí)行任務(wù)過程中只采用預(yù)先設(shè)置的頻率。頻譜動(dòng)態(tài)分配方案實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)由被動(dòng)抗干擾方式轉(zhuǎn)換為主動(dòng)躲避干擾,提高了鏈路的可靠性和生存能力。

1.4 自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整模塊

自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整模塊根據(jù)認(rèn)知決策模塊傳遞的分配信息,為通信鏈路選擇最佳的工作參數(shù),包括數(shù)據(jù)速率、編碼方式和調(diào)制體制等。例如認(rèn)知設(shè)備檢測(cè)到目前可用頻段較窄,不適宜傳輸寬帶偵察信息,將自動(dòng)降低數(shù)據(jù)速率;當(dāng)檢測(cè)到工作頻段內(nèi)干擾電平較高時(shí),鏈路設(shè)備會(huì)自動(dòng)選擇與之相適應(yīng)的工作方式,例如增加發(fā)射功率,改變調(diào)制體制,將抗干擾性能較差的調(diào)制體制更改為擴(kuò)頻或擴(kuò)跳頻體制等。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 寬頻帶實(shí)時(shí)頻譜感知技術(shù)

為了提取系統(tǒng)的可用工作頻段,需要對(duì)通信鏈路能夠使用的無線電資源實(shí)時(shí)感知和分析,即實(shí)現(xiàn)對(duì)無線信道的特征估計(jì)以及頻譜空穴的檢測(cè),因此要求頻譜感知設(shè)備具有寬頻帶和實(shí)時(shí)頻譜檢測(cè)能力。針對(duì)寬頻帶實(shí)時(shí)頻譜感知技術(shù),需要解決2個(gè)問題：一是寬頻帶射頻前端和高速數(shù)字采樣問題;二是無線信道的特征估計(jì)。

2.1.1 寬頻帶射頻前端和高速數(shù)字采樣

由于寬帶目標(biāo)頻段較寬,可達(dá)數(shù)GHz,因此要求射頻前端具有寬頻帶特性,即要求增益平坦度、相位特性和群時(shí)延特性等信道參數(shù)具有寬頻帶特性,這對(duì)射頻前端的設(shè)計(jì)具有很大的挑戰(zhàn)性。折中的方法是在射頻前端增加頻段選擇模塊,實(shí)時(shí)改變接收頻段的中心頻率,快速實(shí)現(xiàn)寬頻帶檢測(cè)。

設(shè)計(jì)寬頻帶高速數(shù)字采樣存在的主要問題是要求A/D處理速度過高,而當(dāng)前高速高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器非常昂貴,即使能夠采集到高速信號(hào),要求后續(xù)的數(shù)據(jù)處理在短時(shí)間內(nèi)完成也是不現(xiàn)實(shí)的。因此可采用多頻帶聯(lián)合檢測(cè)方案來提高檢測(cè)速度,多頻帶聯(lián)合檢測(cè)框圖如圖2所示。

圖2 多頻帶聯(lián)合檢測(cè)框圖

被檢測(cè)的射頻信號(hào)放大后輸入到頻段選擇單元,頻段選擇單元根據(jù)外部的控制指令,實(shí)時(shí)更換中心頻率,輸出接收頻段的工作信號(hào),工作信號(hào)經(jīng)下變頻、A/D轉(zhuǎn)換器和串并轉(zhuǎn)換后,通過FFT將信號(hào)處理分?jǐn)偟蕉鄠€(gè)能量檢測(cè)器上,最后根據(jù)相應(yīng)的門限判決值得到相應(yīng)的判決結(jié)果。與單頻帶檢測(cè)相比,多頻段檢測(cè)增加了硬件設(shè)備,卻大大提高了頻譜感知的速度,減低了硬件設(shè)計(jì)的難度。

2.1.2 無線信道的特征估計(jì)

寬頻譜感知接收機(jī)的設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于對(duì)弱信號(hào)的檢測(cè)和接收機(jī)的大動(dòng)態(tài)范圍。弱信號(hào)檢測(cè)的門限應(yīng)以不影響測(cè)控鏈路接收機(jī)正常工作為基準(zhǔn),大動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)以能夠適應(yīng)強(qiáng)干擾信號(hào)進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了能夠適應(yīng)無線信道的這種變化特點(diǎn),需要估計(jì)信道特征,利用估計(jì)的信道特征來自動(dòng)調(diào)整接收機(jī)工作參數(shù)以滿足接收機(jī)大動(dòng)態(tài)和弱信號(hào)檢測(cè)的需要。下面討論信道的最小均方誤差估計(jì)(MMSE)方法,假設(shè)含有待估參量的估計(jì)模型：

式中,h為待估參量;X為已知數(shù)據(jù)向量;n為噪聲向量;y為接收信號(hào)向量。通過最小化MMSE代價(jià)函數(shù)估計(jì)參量h。

最小均方誤差與最小二乘之間的關(guān)系：

式中,hLS=(XHX)-1XHy;Rhh=E(hhH)是估計(jì)參量h的自相關(guān)矩陣。

2.2 頻譜動(dòng)態(tài)分配策略

頻譜動(dòng)態(tài)分配策略主要針對(duì)單目標(biāo)、多目標(biāo)(群)工作方式。單目標(biāo)工作時(shí),頻譜分配策略主要是信道預(yù)搜索和頻率自適應(yīng)跳變2種方式,信道預(yù)搜索指系統(tǒng)執(zhí)行此次任務(wù)之前認(rèn)知設(shè)備對(duì)當(dāng)前電磁環(huán)境分析,選取質(zhì)量較好的頻道作為通信鏈路此次任務(wù)的工作頻道;頻率自適應(yīng)跳變指當(dāng)前頻道受到干擾時(shí),收發(fā)二端自動(dòng)跳到下一個(gè)設(shè)定好的頻段。

多目標(biāo)(群)工作方式屬于多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)模式,此時(shí)頻譜動(dòng)態(tài)分配策略是如何解決信息共享和交互的問題。目前認(rèn)知無線電中常見頻譜分配模型有：基于圖論的頻譜分配模型、基于博弈論的頻譜分配模型、基于定價(jià)拍賣的頻譜分配模型和干擾溫度模型。下面對(duì)基于博弈論的分布式動(dòng)態(tài)頻率選擇模型作一下說明。

分布式動(dòng)態(tài)頻率選擇目標(biāo)是：每個(gè)節(jié)點(diǎn)都以工作頻帶B內(nèi)干擾最小為標(biāo)準(zhǔn)從可用的頻率集F中選擇使用的頻率。各節(jié)點(diǎn)通過階段博弈完成中心頻率的選擇,該博弈可表示為：

各博弈元素描述如下：

①參與者N,表示由n個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的集合;

②行為空間 A,A=F1×F2×…Fn,Fj為節(jié)點(diǎn)j可用的頻譜資源;

在上述的模型下,多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)函數(shù)為：

2.3 自適應(yīng)參數(shù)優(yōu)化調(diào)整技術(shù)

自適應(yīng)參數(shù)優(yōu)化調(diào)整技術(shù)要達(dá)到2個(gè)目的：一是能夠在不改變硬件設(shè)備并保證通信不中斷的情況下調(diào)整設(shè)備參數(shù);另一個(gè)就是設(shè)備在正常工作的前提下,通過優(yōu)化參數(shù)能夠得到最大的抗干擾和抗截獲性能。也就是說參數(shù)在調(diào)整過程中,鏈路不能失控,并要保證設(shè)備狀態(tài)的安全轉(zhuǎn)換。下面介紹基于遺傳算法的無線電參數(shù)優(yōu)化調(diào)整技術(shù),具有如下優(yōu)點(diǎn)：①可根據(jù)具體要求,實(shí)現(xiàn)單目標(biāo)或多目標(biāo)的搜索和優(yōu)化;②優(yōu)化過程只需要適應(yīng)度函數(shù),不需要導(dǎo)函數(shù)和其它輔助信息;③具有極強(qiáng)的魯棒性;④具有全局尋優(yōu)能力和隱含的并行性。

利用多目標(biāo)遺傳算法的關(guān)鍵在于優(yōu)化多目標(biāo)適應(yīng)性函數(shù),而優(yōu)化多目標(biāo)適應(yīng)性函數(shù)的主要問題在于對(duì)m個(gè)參數(shù)組成的集合與n個(gè)目標(biāo)組成的集合之間建立正確的映射關(guān)系,即：

其約束條件為：

式中,x為決策變量集,X為參數(shù)空間,y為目標(biāo)集合,Y為目標(biāo)空間。

3 結(jié)束語(yǔ)

認(rèn)知無線電作為抗干擾有效措施之一,其系統(tǒng)架構(gòu)、工作體制和數(shù)據(jù)處理方式等與傳統(tǒng)抗干擾方式均不同,如何能夠使認(rèn)知無線電技術(shù)更好地應(yīng)用到通信抗干擾領(lǐng)域,還需要做大量、深入的研究工作。隨著認(rèn)知抗干擾技術(shù)在軍事通信領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,通信系統(tǒng)的抗干擾性、靈活性、適應(yīng)性和魯棒性將會(huì)得到大力提升。

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