阻塞式干擾環(huán)境下LDPC編碼跳頻通信優(yōu)化方案*

劉士平 ，馬林華 ，2，孫康寧 ，胡 星 ，黃天宇

（1.空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院，西安 710038；2.西安電子科技大學(xué)綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)國家重點實驗室，西安 710071）

0 引言

現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中，通信對抗在整場戰(zhàn)爭中扮演著相當(dāng)重要的一環(huán)。一方要破壞對方的有效通信，另一方則要盡力擺脫對方的干擾。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和擴頻技術(shù)的問世，通信對抗發(fā)展到了一個全新的高度。通信采用跳頻方式，其頻率不斷地、隨機地跳變，加大了干擾的難度。而干擾方采用不同的干擾方式如轉(zhuǎn)發(fā)式干擾、阻塞式干擾等針對對方的信息傳輸以及反干擾。

隨著迭代譯碼方法的出現(xiàn)和發(fā)展，低密度校驗碼逐漸成為信道編碼研究的熱點，應(yīng)用也日益廣泛。LDPC碼具有性能接近香農(nóng)理論極限、誤碼平層低、譯碼器實現(xiàn)簡單等優(yōu)點，在碼長足夠長時性能更加優(yōu)異［1-4］。跳頻技術(shù)是目前通信抗干擾領(lǐng)域應(yīng)用范圍最廣的一種通信方式，但受系統(tǒng)參數(shù)限制，僅提高跳頻帶寬或者跳速的方法，對系統(tǒng)抗干擾能力提高有限，必須考慮采用先進的波形設(shè)計方法進一步提高跳頻系統(tǒng)的抗干擾能力。結(jié)合交織、信道編碼與高效調(diào)制技術(shù)等波形設(shè)計方法，可在跳頻處理增益的基礎(chǔ)上進一步提高系統(tǒng)的抗干擾性能［5］。隨著對LDPC碼編譯碼方法研究的日益增多，基于LDPC碼的跳頻抗干擾系統(tǒng)研究逐漸受到重視［6-7］。

阻塞式干擾環(huán)境下的跳頻通信信道可視為混合信道。孫康寧等［8］提出了一種在混合信道下LDPC碼度序列優(yōu)化，但是沒有指出在跳頻環(huán)境下，針對不同刪除概率的優(yōu)化度序列在相應(yīng)刪除概率的混合信道下具有較好的糾錯性能［9］。本文利用空-空通信中帶有阻塞式干擾的跳頻通信環(huán)境來模擬現(xiàn)實中的混合信道，針對目前存在的跳頻環(huán)境下系統(tǒng)抗干擾能力有限的現(xiàn)狀，進一步提出了在阻塞式干擾的跳頻通信環(huán)境下，LDPC編碼的度序列優(yōu)化方案并進行了仿真實驗。同時也進行了作戰(zhàn)使用分析，提出了LDPC碼編碼在阻塞式干擾跳頻通信中始終使用40%刪除概率的混合信道優(yōu)化度序列的想法，并通過仿真論證了此方案的可行性與實用價值。

1 阻塞式跳頻干擾環(huán)境

阻塞式跳頻干擾是指同時覆蓋全部或部分跳頻通信頻率的干擾方式，干擾頻率不跟蹤跳頻通信頻率的跳變。阻塞式干擾在時域上可覆蓋跳頻通信信號，目的是敵方調(diào)頻圖樣未知情況下盡可能地壓制其在某頻率范圍下的全部信道［10］。

阻塞干擾的基本原理是先通過偵查判斷出欲干擾的敵方跳頻通信最低及最高頻率，得出跳頻通信頻段。然后再對跳頻通信全頻段進行無縫隙的固定或輪流功率壓制干擾。對于跳頻通信系統(tǒng)，由于跳頻系統(tǒng)是在一個頻率段中的一些頻率點間跳變，而且在偵查判斷通信頻段時也會存在誤差，因此，阻塞式干擾更多的效果是覆蓋部分?jǐn)撤降耐ㄐ蓬l率以達到阻塞敵方信息傳遞的目的［11］。阻塞干擾一般不要求復(fù)雜的偵察系統(tǒng)配合，在技術(shù)上較跟蹤式干擾響度簡單。此干擾方式對電子偵察系統(tǒng)的主要依賴是需要偵察系統(tǒng)提供敵方跳頻頻段和信號功率信息，以確定干擾頻段和干擾功率。

只要掌握了敵接收機的信號能量與跳頻帶寬內(nèi)的平均等效功率譜密度之比即信干比，并采用相應(yīng)的干擾頻帶系數(shù)，可使敵方接收信號時產(chǎn)生一定的誤碼率。另外，阻塞式干擾的干擾功率與帶寬成正比，隨著跳頻頻譜增寬，寬帶阻塞式干擾機的干擾頻帶和干擾功率也將增大，才能達到有效干擾，使得誤碼率最大［12］。由此可見，跳頻阻塞式干擾是非常常見的一種干擾手段，在信息傳輸中造成了極大的干擾，產(chǎn)生了不小的誤碼率。所以，對己方而言選擇一個抗干擾能力更為出色的信道編碼形式是相當(dāng)重要的。

2 度序列在混合信道下的優(yōu)化

孫藝、李森等人［13-14］提出利用一種混合隨機粒子群算法，能確保解為全局最優(yōu)解的情況下，在高斯信道下尋找到了更接近香農(nóng)限的度序列。而孫康寧等［8］將此方法用于尋找混合信道下優(yōu)化的度序列。其基本思想就是將隨機粒子群算法與模擬退火算法結(jié)合，對停止進化的粒子以高斯變異的方法產(chǎn)生一個鄰域內(nèi)的變異點，以此進行模擬退火尋找最優(yōu)點［15-16］。通過在高斯噪聲和隨機刪除同時存在的背景下，理論證明了高斯信道下性能較好的度序列在混合信道下不一定是最優(yōu)的，尤其是在高刪除概率條件下。高斯信道下閾值較高的度序列不適用于混合信道。將隨機粒子群算法和模擬退火算法相結(jié)合，不同刪除概率下尋找到了一些高閾值混合信道的度序列，刪除概率為40%時，度序列信噪比閾值最大可提高1.615 9 dB，適用于光記錄、伴隨窄帶阻塞干擾的跳頻通信等混合信道環(huán)境。

阻塞式干擾環(huán)境下的跳頻通信信道可視為混合信道，本文在仿真驗證度序列在上述跳頻信道中的優(yōu)越性，以及跳頻通信優(yōu)化方案時均基于上述混合信道和高斯信道優(yōu)化的度序列。

3 干擾環(huán)境下LDPC編碼跳頻系統(tǒng)仿真建模

為了驗證混合信道下優(yōu)化的度序列的優(yōu)越性，本文利用空-空通信中帶有阻塞式干擾的跳頻通信環(huán)境來模擬現(xiàn)實中的混合信道，如下頁圖1所示?？?空通信在沒有阻塞式干擾時信道環(huán)境可被視為高斯信道，阻塞頻點數(shù)與通信總頻點數(shù)之比代表混合信道的刪除概率。默認(rèn)系統(tǒng)所使用的信道估計手段可以準(zhǔn)確判斷頻點是否被阻塞，并且在被阻塞頻點上傳輸?shù)谋忍刂眯哦刃畔⒕暈?，由于系統(tǒng)中采取了交織的手段，因此，被干擾的比特是隨機分布的。仿真碼長為1024和2048，碼率為0.5，采用PEG構(gòu)造方法嚴(yán)格按照所選度序列構(gòu)造校驗矩陣，校驗矩陣均消除了長度為4的環(huán)，采用LLR-BP譯碼算法，最大譯碼迭代次數(shù)為100次，當(dāng)出現(xiàn)100個錯誤幀時停止譯碼，并計算誤碼率。

實驗1：阻塞頻點占比：40%

40%刪除混合信道優(yōu)化的序列：

高斯信道優(yōu)化的序列：

誤碼率仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 40%刪除的混合信道下誤碼率性能

從圖2中可以看出，與高斯信道下優(yōu)化的度序列相比，采用了40%刪除概率下優(yōu)化度的序列的碼字糾錯性能不論是在1024碼長還是2048碼長均具有一定優(yōu)勢。1024碼長時10-4誤碼率混合信道優(yōu)化度序列性能提升達到0.5 dB；2048碼長時10-5誤碼率混合信道優(yōu)化度序列性能提升約0.62 dB。

實驗2：阻塞頻點占比：30%，誤碼率仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 30%刪除的混合信道下誤碼率性能

從圖3中可以看出，與高斯信道下優(yōu)化的度序列相比，采用了30%刪除概率下優(yōu)化度的序列的碼字糾錯性能仍具有一定優(yōu)勢。1024碼長時10-4誤碼率混合信道優(yōu)化度序列性能提升達到0.12 dB；2048碼長時10-6誤碼率混合信道優(yōu)化度序列性能提升約0.3 dB。

實驗3：阻塞頻點占比：20%，誤碼率仿真結(jié)果見下頁圖4。

從圖4中可以看出，與高斯信道下優(yōu)化的度序列相比，采用了20%刪除概率下優(yōu)化度的序列的碼字糾錯性能雖然仍具有一定優(yōu)勢，但是1024碼長低信噪比（信噪比小于3.5 dB）時性能優(yōu)勢已不太明顯。1024碼長時10-4誤碼率混合信道優(yōu)化度序列有0.11 dB的信噪比增益；2048碼長時10-5誤碼率混合信道優(yōu)化度序列性能提升約0.4dB。

圖4 20%刪除的混合信道下誤碼率性能

實驗4：阻塞頻點占比：10%，誤碼率仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 10%刪除的混合信道下誤碼率性能

從圖5中可以看出，與高斯信道下優(yōu)化的度序列相比，1024與2048碼長時二者性能幾乎沒有差別，僅有的0.017 2 dB的譯碼門限差距只有當(dāng)碼字長度更加長的時候才能體現(xiàn)。

仿真結(jié)果：從以上4個實驗的仿真結(jié)果來看，針對不同刪除概率優(yōu)化的度序列在相應(yīng)刪除概率的混合信道下性能提升較為明顯，尤其是在高刪除概率的時候。在較低刪除概率（10%）時，由于碼字長度較短并且譯碼的信噪比門限提升有限，因此，仿真結(jié)果并無明顯差別，只有當(dāng)碼字長度較長的時候才能體現(xiàn)出，這種現(xiàn)象在文獻［17］中也被提到。

4 作戰(zhàn)使用分析

上述提出針對不同刪除概率的優(yōu)化度序列在相應(yīng)刪除概率的混合信道下具有較好的糾錯性能，尤其是在高刪除概率的時候優(yōu)勢體現(xiàn)得更加明顯，這在理論上是具有一定意義的。然而在實際應(yīng)用中，比如在空-空跳頻通信中，敵方的阻塞式干擾可能會不斷地調(diào)整頻帶覆蓋率，此時如果根據(jù)干擾的頻帶覆蓋率實時動態(tài)地調(diào)整收端和發(fā)端的度序列，無疑會增加硬件復(fù)雜度。針對實際使用中的問題，本文是否可以不考慮敵方的干擾頻帶覆蓋率，0.5碼率時在收發(fā)兩端始終使用較高刪除概率（如40%）下優(yōu)化度序列，以期在高頻帶覆蓋率時擁有較大的編碼增益，在低頻帶覆蓋率時糾錯性能也足夠保證正常的通信業(yè)務(wù)。下面對2048碼長時，40%刪除概率優(yōu)化的度序列在不同刪除概率的混合信道下的性能進行仿真實驗，譯碼方法及參數(shù)與上節(jié)相同。

實驗5：阻塞頻點占比：30%

40%刪除混合信道優(yōu)化的序列：

30%刪除混合信道優(yōu)化的序列：

高斯信道優(yōu)化的序列：

誤碼率仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 30%刪除的混合信道下誤碼率性能

由圖6可見，40%刪除概率下優(yōu)化的度序列在30%刪除的混合信道時，較高斯信道下優(yōu)化的度序列始終保持一定的性能優(yōu)勢，10-6誤碼率時的信噪比增益可達0.23 dB；與30%刪除概率下優(yōu)化的度序列相比，性能略有退化，但并不嚴(yán)重。

實驗6：阻塞頻點占比：20%，誤碼率仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 20%刪除的混合信道下誤碼率性能

由圖7可見，仿真環(huán)境為20%刪除的混合信道時，20%刪除的條件下優(yōu)化的度序列性能優(yōu)于40%刪除下優(yōu)化的度序列以及高斯信道優(yōu)化的度序列，但40%優(yōu)化的度序列仍對高斯信道優(yōu)化度序列保持一定優(yōu)勢，由此證明此環(huán)境下40%優(yōu)化的度序列也是適用的。

實驗7：阻塞頻點占比：10%，誤碼率仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 10%刪除的混合信道下誤碼率性能

從圖8中可以看出，當(dāng)信道的刪除概率為10%時，仿真的3個度序列中，40%刪除條件下優(yōu)化的度序列性能最差，但較10%刪除優(yōu)化與高斯信道優(yōu)化的度序列差距不大。

實驗8：阻塞頻點占比：0%（即高斯信道）

40%刪除混合信道優(yōu)化的序列：

高斯信道優(yōu)化的序列：

誤碼率仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 高斯信道下誤碼率性能

從圖9中可以看出，40%刪除優(yōu)化的度序列在高斯信道下性能較差，但2 dB以下誤碼率仍能滿足10-5，這對于語音和圖像傳輸業(yè)務(wù)來說已經(jīng)足夠，因此，40%度序列在高斯信道下也是可行的。

從上述4個仿真實驗可以看出，40%刪除的混合信道優(yōu)化的度序列在40%刪除的混合信道環(huán)境中性能提升較大；該序列在30%刪除的混合信道中性能雖然沒有針對30%優(yōu)化的度序列優(yōu)異，但差別不大，且優(yōu)于高斯信道下優(yōu)化的度序列；該序列在20%刪除的混合信道中性能仍然優(yōu)于高斯信道優(yōu)化度序列，但差于20%刪除優(yōu)化的度序列；該序列在10%刪除的混合信道中糾錯性能不如高斯信道優(yōu)化，以及10%刪除優(yōu)化的度序列，但從仿真中可以看出三者的性能差距不大。在高斯信道下，該度序列性能雖然不如高斯信道優(yōu)化度序列的性能，但由于沒有刪除噪聲，因此，高斯信道中該度序列仍然可以在信噪比2 dB時滿足10-5的誤碼率。

5 結(jié)論

本文通過實驗仿真驗證了跳頻環(huán)境下，針對不同刪除概率的優(yōu)化度序列在相應(yīng)刪除概率的混合信道下具有較好的糾錯性能。提出了在阻塞式干擾環(huán)境下的跳頻通信，0.5碼率的LDPC碼編碼跳頻通信中始終使用40%刪除概率的混合信道優(yōu)化度序列的想法，并仿真驗證了這種思想在實際作戰(zhàn)使用中的合理性。

主要理由有以下幾點：1）使用該度序列可提高強阻塞式干擾環(huán)境下鏈路的通信質(zhì)量，提高鏈路在復(fù)雜電磁環(huán)境下的生存能力。2）在無阻塞干擾的高斯信道環(huán)境，以及阻塞覆蓋率較低的混合信道環(huán)境中性能并非最優(yōu)，但其性能退化并不嚴(yán)重，混合信道中信噪比為自然噪聲時仍可以滿足正常的通信業(yè)務(wù)。