遠(yuǎn)距航空通信變換域通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王桂勝，任清華，徐兵政，劉　洋

(1.空軍工程大學(xué) 信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安 710077；　2.中國電子科技集團(tuán)航天信息應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(tǒng)(Transform Domain Communication System, TDCS)作為一種典型的戰(zhàn)場認(rèn)知無線電系統(tǒng)，能夠主動(dòng)規(guī)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(jī)數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用[1-2]。在遠(yuǎn)距航空通信中，TDCS常面臨收發(fā)雙方電磁頻譜環(huán)境差距較大的問題，極易導(dǎo)致通信過程中誤碼率較高，嚴(yán)重影響整體通信質(zhì)量[3]。因此，研究分析TDCS在遠(yuǎn)距航空通信下的電磁頻譜環(huán)境，針對性設(shè)計(jì)遠(yuǎn)距航空通信下系統(tǒng)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(fù)雜電磁環(huán)境下的研究較多，文獻(xiàn)[4]針對頻譜不一致下的通信干擾問題，設(shè)計(jì)了一種基于信令信道的遠(yuǎn)距離航空型TDCS，能夠有效抵抗多音干擾；文獻(xiàn)[5]研究了TDCS在收發(fā)頻譜不一致條件下的基函數(shù)設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了信噪比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)的次優(yōu)解；文獻(xiàn)[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(zhuǎn)和注水定理對基函數(shù)生成進(jìn)行改進(jìn)，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(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真，沒有對遠(yuǎn)距航空型TDCS通信進(jìn)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(gòu)造原理簡單，但信道利用率低，且在動(dòng)態(tài)、廣域等實(shí)際應(yīng)用中受限；而直接信息交互則利用較為復(fù)雜的技術(shù)和相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)可靠傳輸，信道利用率高，實(shí)際應(yīng)用較為廣泛。

針對這一現(xiàn)狀，本文針對遠(yuǎn)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(huán)境及典型干擾進(jìn)行分析建模，基于存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)模式，設(shè)計(jì)適合遠(yuǎn)距航空通信的TDCS模型及通信方案。仿真結(jié)果表明，本文建立的遠(yuǎn)距航空型TDCS模型能夠適應(yīng)收發(fā)雙方復(fù)雜的電磁頻譜環(huán)境，提出的通信方案與傳統(tǒng)TDCS相比，誤碼率較低，抗干擾性能顯著。

1　遠(yuǎn)距航空通信電磁環(huán)境

在遠(yuǎn)距航空通信過程中，我方通信平臺(tái)極易受到敵方機(jī)載或地面干擾平臺(tái)強(qiáng)烈的電磁干擾，通信有效范圍將主要受收發(fā)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(jī)載干擾平臺(tái)B、C對地面電臺(tái)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(fā)雙方的相對位置不同，收發(fā)兩端的頻譜感知可能會(huì)受到各自周圍電磁環(huán)境的影響，從而導(dǎo)致雙方的頻譜感知結(jié)果不一致，通信能力下降。

圖1　遠(yuǎn)距航空通信示意圖Fig. 1　Schematic diagram of long distance aeronautical communication

1.1　電磁頻譜環(huán)境分析

在遠(yuǎn)距航空通信過程中，地面電臺(tái)和機(jī)載電臺(tái)將面臨復(fù)雜多變的電磁環(huán)境，根據(jù)干擾平臺(tái)的相對位置，對收發(fā)雙方各自的頻譜感知情況作具體分類，見圖2。因此，收發(fā)雙方的電磁頻譜感知結(jié)果決定著遠(yuǎn)距航空通信過程中TDCS的整體性能好壞：收發(fā)雙方頻譜一致情況下，通過各自感知結(jié)果，實(shí)現(xiàn)干擾規(guī)避，完成正常通信；在不一致情況下，TDCS收發(fā)雙方需要交互頻譜感知信息，構(gòu)建性能較優(yōu)的基函數(shù)實(shí)現(xiàn)抗干擾通信。

圖2　通信電磁頻譜環(huán)境Fig. 2　Communication electromagnetic spectrum environment

1.2　典型干擾時(shí)頻特性分析

干擾信號(hào)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(diào)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(diǎn)的干擾，其干擾模型為：

J(n)=J0cos(2nπf0+θ0)

(1)

多音干擾由多個(gè)單音干擾組成，能同時(shí)對多個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行干擾，其數(shù)學(xué)模型為：

(2)

部分頻帶干擾又稱為窄帶干擾，主要以瞄準(zhǔn)式干擾和阻塞式干擾[9]為主：瞄準(zhǔn)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(shí)際干擾常以瞄準(zhǔn)式干擾和梳狀譜干擾為主，故本文重點(diǎn)對這兩種干擾進(jìn)行TDCS性能分析。

圖3　瞄準(zhǔn)式干擾時(shí)頻關(guān)系Fig. 3　Time-frequency of spot jamming

圖4　梳形阻塞式干擾時(shí)頻關(guān)系Fig. 4　Time-frequency of comb jamming interference

2　遠(yuǎn)距航空通信下的TDCS模型

目前，TDCS通信技術(shù)研究主要針對系統(tǒng)單個(gè)模塊或關(guān)鍵技術(shù)，但對特定應(yīng)用場景下的系統(tǒng)研究和整體實(shí)現(xiàn)相對匱乏，加之收發(fā)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(jìn)行頻譜信息比較或者利用對應(yīng)基函數(shù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，通過相關(guān)性能的比較可判別[10-12]。針對遠(yuǎn)距航空通信過程中可能面臨的復(fù)雜電磁環(huán)境及收發(fā)雙方存在的頻譜不一致現(xiàn)狀，需要在傳統(tǒng)TDCS基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，通過收發(fā)雙方的信息交互，設(shè)計(jì)適合遠(yuǎn)距航空通信下的TDCS模型，從而實(shí)現(xiàn)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(fā)雙方聯(lián)合進(jìn)行空閑頻譜感知，從而達(dá)到躲避干擾的目的，實(shí)現(xiàn)軍事航空通信的抗干擾。TDCS發(fā)射機(jī)和接收機(jī)原理分別如圖5、6所示。

TDCS發(fā)端首先對周圍電磁環(huán)境進(jìn)行頻譜感知，得到基函數(shù)幅度譜Ak，然后利用循環(huán)移位寄存器產(chǎn)生偽隨機(jī)序列，并經(jīng)相位映射產(chǎn)生隨機(jī)相位ejθ，從而生成基函數(shù)Bk：

Bk=Akejθk

(3)

經(jīng)傅里葉逆變換后得到基函數(shù)的時(shí)域形式bn：

(4)

并利用該基函數(shù)對產(chǎn)生的隨機(jī)信號(hào)fn進(jìn)行常用的循環(huán)碼移鍵控(Cyclic Code Shift Keying, CCSK)調(diào)制，得到發(fā)射信號(hào)sn：

(5)

其中:c代表功率調(diào)整因子，mi代表第i次發(fā)送的數(shù)據(jù)。

圖5　TDCS發(fā)射機(jī)原理圖Fig. 5　Schematic diagram of TDCS transmitter

圖6　TDCS接收機(jī)原理圖Fig. 6　Schematic diagram of TDCS receiver

發(fā)射信號(hào)后經(jīng)高斯白噪聲信道傳至接收端，則接收信號(hào)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(fā)雙方頻譜基本一致，收端仍對周圍環(huán)境進(jìn)行頻譜感知生成自身基函數(shù)，利用基函數(shù)共軛形式進(jìn)行近似相關(guān)接收處理，從而得到解調(diào)信號(hào)：

(7)

由于收發(fā)雙方的頻譜感知結(jié)果基本一致，接收端基函數(shù)幅度譜在對應(yīng)的干擾各頻點(diǎn)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(hào)的準(zhǔn)確性。

2.2　頻譜不一致條件下TDCS

2.2.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

頻譜不一致條件下TDCS需要通過收發(fā)兩端的相互交互來實(shí)現(xiàn)安全可靠通信。為滿足通信的時(shí)效性，通信雙方應(yīng)盡量保證全雙工工作方式(收發(fā)可同時(shí)進(jìn)行通信，以保證雙方能在較短時(shí)間內(nèi)交互信息)。期間，收發(fā)兩端的基函數(shù)生成模塊生成各自的基函數(shù)，而存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)模塊用于將發(fā)(收)端傳遞的基函數(shù)進(jìn)行調(diào)制或恢復(fù)處理，從而實(shí)現(xiàn)簡易可靠的基函數(shù)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(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)模塊

在此情景下，假設(shè)收發(fā)端通信的平均傳播時(shí)延τ一定，每組數(shù)據(jù)通信完成(發(fā)送-接收-解調(diào))的時(shí)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(shí)刻發(fā)端生成的基函數(shù)、ti-1+τ時(shí)刻收端解調(diào)發(fā)端信息的基函數(shù)以及ti時(shí)刻收端產(chǎn)生的基函數(shù)，則TDCS收發(fā)兩端的基函數(shù)生成-存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)模塊的信息通信流程如圖8所示。

圖8　基函數(shù)生成-存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)模塊Fig. 8　Basis function generate-store and forward model

步驟1假設(shè)在ti-1時(shí)刻TDCS收發(fā)兩端處于頻譜一致條件下，仍進(jìn)行正常通信：

b1(ti-1)=b2(ti-1+τ)=b2(ti)

(9)

步驟2收發(fā)兩端將各自的基函數(shù)b2(ti)、b1(ti-1)進(jìn)行存儲(chǔ)。

步驟3假設(shè)在ti時(shí)刻收端受到強(qiáng)干擾影響，導(dǎo)致收發(fā)頻譜不一致，令基函數(shù)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(dāng)前狀態(tài)反饋給發(fā)端，以便下一步發(fā)端進(jìn)行調(diào)整。此時(shí)，收端反饋信息fb(ti)設(shè)定為收發(fā)雙方的基函數(shù)互相關(guān)函數(shù)：

fb(ti)=b2(ti-1+τ)*b2(-ti)

(11)

由于收發(fā)雙方的頻譜信息有較大程度相似，則反饋信息呈現(xiàn)沖激特性(相關(guān)性較強(qiáng))，再通過相應(yīng)的采樣、量化、編碼等步驟實(shí)現(xiàn)反饋信息的數(shù)字化。

步驟5收端生成新的基函數(shù)b2(ti)：

(12)

步驟6收端搜索前一時(shí)刻發(fā)端發(fā)送過來的基函數(shù)b2(ti-1+τ)。

步驟7收端利用舊基函數(shù)b2(ti-1+τ)將反饋信息和新基函數(shù)b2(ti)依次調(diào)制成類噪聲并發(fā)送給發(fā)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(fā)端搜索前一時(shí)刻基函數(shù)b1(ti-1)，利用得到的基函數(shù)對接收到的反饋信息進(jìn)行基函數(shù)共軛解調(diào)，從而得到反饋信息，并根據(jù)其能量檢測結(jié)果判斷收發(fā)雙發(fā)的狀態(tài)信息：

fb(ti)+j0(ti)+z0(ti)]×

(15)

步驟9發(fā)端接收到收端的反饋信息后，對收端發(fā)送信息進(jìn)行解調(diào)：

(16)

步驟10恢復(fù)出收端的基函數(shù)b2(ti+τ)，再利用其重新進(jìn)行信號(hào)調(diào)制并發(fā)送。

3　性能分析與仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證遠(yuǎn)距航空通信TDCS模型及其通信流程的合理性，針對遠(yuǎn)距航空通信電磁環(huán)境及典型干擾的時(shí)頻特性進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并與傳統(tǒng)的TDCS模型進(jìn)行對比。

仿真硬件平臺(tái)為配置Pentium Dual Core (3.06 GHz)CPU、2 GB內(nèi)存的計(jì)算機(jī)，所有實(shí)驗(yàn)均在Matlab R2010a環(huán)境下進(jìn)行。仿真中假設(shè)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(shù)，調(diào)制方式采用碼移鍵控(Code Shift Keying, CSK)，干擾信號(hào)與基函數(shù)幅度譜采用共軛對稱頻譜，頻譜幅度取值參考文獻(xiàn)[16]。

本文仿真實(shí)驗(yàn)中共選取兩種干擾類型作對比，其中:窄帶瞄準(zhǔn)式干擾選取占頻比為25%，干擾頻點(diǎn)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(jù)設(shè)定的仿真參數(shù)，本文分別開展干擾頻譜仿真、收發(fā)頻譜一致TDCS通信及不一致TDCS通信等仿真實(shí)驗(yàn)。

3.1　干擾頻譜仿真

針對干擾模型的時(shí)頻特性，結(jié)合設(shè)定的仿真參數(shù)，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(jié)果。從圖9、10中可以看出，各干擾模型的頻譜設(shè)定均符合理論分析需要，基本能夠滿足下一步收發(fā)不同頻譜場景下TDCS的通信需求。

圖9　窄帶瞄準(zhǔn)式干擾模型仿真結(jié)果Fig. 9　Simulation result of narrowband spot jamming model

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

3.2　收發(fā)頻譜一致條件下TDCS性能驗(yàn)證

收發(fā)端頻譜一致時(shí)通信以正常的遠(yuǎn)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(shù)的幅值進(jìn)行設(shè)定，利用循環(huán)移位寄存器產(chǎn)生m序列，后經(jīng)相位映射產(chǎn)生隨機(jī)相位，通過快速傅里葉變換(Fast Fourier Transformation, FFT)逆變換得到基函數(shù)的時(shí)域形式，并利用該基函數(shù)對產(chǎn)生的隨機(jī)信號(hào)進(jìn)行CSK調(diào)制，經(jīng)高斯白噪聲信道傳至接收端，利用基函數(shù)共軛形式進(jìn)行相關(guān)解調(diào)，對比解調(diào)后信息與原始信息求得TDCS誤碼率。初始信息位數(shù)為1 000 bit，信干比(Signal to Interference Ratio, SIR)為-3 dB，信噪比為1～12 dB，進(jìn)行100次蒙特卡羅實(shí)驗(yàn)后，其仿真結(jié)果如圖11所示。從圖11中可以看出，在不同干擾下，基函數(shù)的類噪聲性能良好，且具有較好的自相關(guān)性能，便于解調(diào)；收發(fā)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(yuǎn)距航空通信的需求。

3.3　收發(fā)頻譜不一致條件下TDCS性能驗(yàn)證

收發(fā)頻譜不一致時(shí)，TDCS通信主要以受干擾強(qiáng)度較大的接收端頻譜為基準(zhǔn)構(gòu)建基函數(shù)，然后根據(jù)建立的基于存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制的基函數(shù)調(diào)制解調(diào)，進(jìn)行不一致條件下的通信。此時(shí)，干擾的影響主要體現(xiàn)在收發(fā)兩端頻譜不一致部分及其門限判決結(jié)果，可能影響因素有：占空比、相似度、頻點(diǎn)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(shù)設(shè)置如表1。

圖11　收發(fā)端頻譜一致時(shí)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(fā)頻譜不一致時(shí)的仿真參數(shù)設(shè)置Tab. 1　Simulation parameters of inconsistent transmit and receive spectrum

將傳統(tǒng)TDCS收發(fā)各自基函數(shù)調(diào)制解調(diào)通信、通過建立信令信道取收發(fā)公共部分建立基函數(shù)以及本文提出的基于存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制的基函數(shù)調(diào)制傳遞三種方法進(jìn)行比較，分別在不同占空比、相似度和頻點(diǎn)位置進(jìn)行系統(tǒng)性能的仿真實(shí)驗(yàn)，得到如下仿真結(jié)果。

3.3.1時(shí)延分析

本文提出的基于存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)模塊的遠(yuǎn)距航空通信TDCS模型的關(guān)鍵模塊(存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā))在頻譜一致條件下與傳統(tǒng)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(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制的作用愈發(fā)突出，故本節(jié)主要在頻譜不一致條件下進(jìn)行算法的時(shí)延分析。

不一致條件下TDCS的時(shí)延分析從頻譜感知開始分為兩個(gè)階段：基函數(shù)生成階段(幅度判決—隨機(jī)相位生成—基函數(shù)逆變換)和信號(hào)處理階段(信號(hào)調(diào)制—信道傳輸—相關(guān)解調(diào))，最終實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)送與接收過程。由于基函數(shù)處理階段不涉及信噪比的變化，且與信號(hào)長度無關(guān)，故不對其進(jìn)行分析，主要比較信號(hào)處理階段的時(shí)延性能。

仿真中初始信號(hào)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(hào)處理階段隨著信號(hào)長度的增加其時(shí)延會(huì)急劇增長，不便于數(shù)據(jù)表示，故對原始數(shù)據(jù)作進(jìn)一步處理，采用時(shí)延率vt(單位：s/bit)來表征其延時(shí)性能，具體仿真結(jié)果如圖12所示。由圖12可以看出，本文設(shè)計(jì)的TDCS模型比信令信道傳輸模型的時(shí)延率受信噪比的影響較小，可近似忽略其影響；同時(shí)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(shè)計(jì)的TDCS模型比信令信道傳輸模型時(shí)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(shí)用價(jià)值。

圖13是信噪比范圍內(nèi)平均時(shí)延率與信號(hào)長度的關(guān)系，可以看出：平均時(shí)延率隨信號(hào)長度的增加而增加，基本呈線性增長關(guān)系，因此在通信過程中應(yīng)控制數(shù)據(jù)分組的長度，以保證在時(shí)延可接受的范圍內(nèi)提高信道利用率。

圖12　500 bit下時(shí)延率與信噪比關(guān)系Fig. 12　Relationship of time delay rate and SNR with 500 bit signal

圖13　平均時(shí)延率與信號(hào)長度的關(guān)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(fā)現(xiàn)：由于梳狀譜干擾的干擾頻點(diǎn)較集中，因而收發(fā)兩端的基函數(shù)自相關(guān)及其互相關(guān)性能較好；本文提出基于存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)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(tǒng)的TDCS通信誤碼率有較大程度降低，在信噪比1～12 dB范圍內(nèi)，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(jié)語

本文從遠(yuǎn)距航空型TDCS面臨的通信干擾問題出發(fā)，對不同電磁頻譜環(huán)境分析建模，提出了遠(yuǎn)距航空型TDCS模型及通信流程，改善了應(yīng)對復(fù)雜電磁環(huán)境的系統(tǒng)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(shè)定基本滿足復(fù)雜電磁環(huán)境的理論分析需求，提出的遠(yuǎn)距航空型TDCS模型相比傳統(tǒng)TDCS具有較低的誤碼率。

圖14　收發(fā)端基函數(shù)性能Fig. 14　Basic function performance of transmitter and receiver

圖15　收發(fā)端基函數(shù)互相關(guān)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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