基于认知无线电的OFDM智能侦察监测系统

汤新广

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081)

0 引言

OFDM系统利用自适应调制技术对电磁环境和信道传输特性进行感知与探测,自适应地调整OFDM各个子载波上的负荷,并随着空闲频谱和信道质量的改变,动态地改变OFDM所使用的子载波频率、子载波数目和子载波调制方式,将动态频谱分配和功率控制联合使用,可最大限度地提高OFDM通信系统的性能。因此,构建智能化自适应OFDM系统的特征参数进行智能识别和监测接收系统十分必要。

1 功能需求

传统通信侦察监测系统仅仅是针对固定调制方式的通信系统设计,监测信号的工作参数是固定的,此类监测设备往往不具备信道质量分析能力和自适应信号的盲检测识别功能,很难适应外界环境和信道传输特性的变化,同时也不具备系统重构的能力。

智能侦察监测系统最大的特点是“智能性”,这是与传统侦察接收系统最根本的不同点。其智能性主要表现在具备对电磁环境的感知能力、对无线信道特性变化的学习适应能力、对OFDM信号参数的盲检测和识别能力及系统重构和参数自动配置能力等几个方面。

1.1 自适应感知功能

电磁环境的自适应感知技术是指在预先不知道期望信号与周围电磁环境的统计特性情况下,可以从复杂电磁环境中提取期望信号,并且当期望信号的统计特性和周围电磁环境的统计特性变化时,电磁环境自适应技术能自适应的调节它的冲激响应来适应新的情况。目前日益复杂的电磁环境要求OFDM智能侦察监测系统既能够有效的抑制周围复杂电磁环境,同时又能够侦收到期望的信号,能够自动适应周围的电磁环境。因此,自动分析和监测电磁环境功能将是智能侦察监测系统正常工作的前提条件。

1.2 信道传输特性的分析功能

由于无线衰落信道多径传播造成的信号衰落将影响到信号参数的检测和识别性能,因此,OFDM智能侦察监测系统应具有对信道传输特性的分析与自适应能力,自适应监测失真信号的变化,保证系统具有稳定的检测和识别性能。

1.3 对OFDM信号的参数盲估计和盲识别功能

在自适应调制系统中,发射信号根据信道质量自适应地改变调制样式,在此通信环境中,要求侦察监测系统能够相应地检测和识别出多种调制体制信号的特征参数。这种接收方式不依赖于特定的信号形式,应具有较强的通用性,通用性恰是OFDM智能侦察监测系统所必须具备的基本特征之一。

1.4 可重构和参数可调整功能

智能侦察监测系统应采用开放的软件无线电为基础的通用平台,尽可能地通过软件升级和重配置实现不同的无线电监视功能。通过系统参数自动配置实现智能侦察监测系统良好的动态适应性,也是侦察接收系统向智能化发展的趋势。智能侦察监测系统的重构和参数自动配置技术通常根据预先确定好的实际经验规则和实时抽取的系统特征量确定系统的配置参数,不需要外加特殊的测试信号,但这种方法对信号的自动检测和盲识别要求比较高。

2 系统构建框架

2.1 电磁环境的自适应感知技术

在OFDM智能侦察监测系统无法预先知道期望侦收信号与周围电磁环境的统计特性情况,电磁频谱的自适应感知是获取信号频谱信息的主要手段。

首先可采用Welch周期图估计出信号的功率谱,对工作频段内的电磁信号进行全景扫描监测和统计,从频谱上估计出多个信号的信噪比、带宽、载频和功率等参数,完成对监测数据具有频谱占用度、信道占用度和信号持续时间的分析,并能实现对监测频段(或重点信道)的超标信号自动测量与报警。根据电磁频谱的监测分析结果,获得指导物理层传输参数重构的控制信息。可重构的参数包括工作频率、接收带宽和接收功率等。OFDM智能侦察接收系统功能模块1,即电磁环境自适应感知模块的实现原理如图1所示。图1中,用实线模块表示OFDM数字侦收通用硬件平台,虚线部分则表示采用软件无线电技术软件重配置来实现不同的无线电监测功能。图2、图3和图4均采用相同的图形描述方式。

在完成电磁信号全景监测的基础上,再利用参数估计和检测方法,对指定的信号有关参数进行测量分析,或逐个分析出每个信号的特征参数,如工作频率、符号速率和调制方式等重要的调制域参数,从而识别出待识别信号、干扰和频谱中的空闲信道。

图1 电磁环境自适应感知模块实现

2.2 无线信道质量的估计技术

OFDM智能侦察监测系统事先并不知道信道的冲激响应,信道盲估计是获取信道参数的主要手段。

在建立了多径衰落信道频域传输的数学模型和分析了传输衰落特性基础上,可采用基于子空间分解的方法实现对路径阶数和信道系数的盲估计;采用基于一步特征值分解的T-ESPRIT算法,通过对采样数据的列抽取数据实现了一种旋转不变的矩阵结构,只需一步特征分解即可求解出相对时延量。在多径信道环境中,OFDM智能侦察监测系统如果需要对信号进行正确解调恢复符号,必须首先准确估计每个子载波上的信道响应,对信道进行自适应均衡,补偿信道失真。OFDM智能侦察接收系统功能模块2,即无线信道估计模块的实现原理如图2所示。

图2 无线信道估计功能模块实现

2.3 OFDM信号特征参数提取技术

侦察监测系统需要通过信号盲检测和参数盲估计技术得到信号特征参数,根据获得的特征参数对接收信号进行解调。

OFDM信号的特征参数包括信号带宽、载波频率、符号速率、有效符号周期、CP长度、子载波频率集、导频频率点和子信道调制方式等。针对OFDM信号调制域的参数,之中提出了如何进行有序估计的系统方法,即按照带宽-＞载波频率-＞符号速率-＞子载波频率间隔-＞子载波数目-＞各个频率点的流程进行参数估计,形成一套系统可行的智能参数提取方案。图3给出了OFDM信号特征参数提取模块(OFDM智能侦察接收系统功能模块3)的实现原理。

图3 OFDM信号特征参数提取模块实现

图3中,射频预处理部分完成信号预选、通带滤波、放大和下变频等工作;子载波分选部分完成对OFDM信号的载波数目和频点提取;参数估计部分完成对OFDM信号的符号周期、CP长度、同步时刻估计、导频信号数量和频率等的提取;信号参数测量部分完成对信噪比、信号带宽和载波频率的测量。

2.4 信号接收同步技术

OFDM智能侦察监测系统的接收同步过程中需完成载波频率同步、帧同步和符号同步。载波频率同步设计牵涉到的问题是由于收发两端的本振之间的频差以及多普勒漂移所导致的接收机总的频率偏移误差,频率偏移会导致所有子载波上的邻道干扰(ICI),从而导致系统解调性能的急剧下降。因此,可采用基于长短时延匹配的多帧相位差测频方法,精确估计出各个导频信号的频率和多普勒频偏,从而保证子载波的估计精度。

3 结束语

目前,传统的监测接收机模式固定单一、缺乏智能特征(主要体现在感知、识别、学习、理解等方面),在兼容性、灵活性和适应性上都存在很多的局限性,难以根据信道条件自适应调整信号参量、实现最佳的检测和接收,这些将大大限制监测接收机的应用。因此,研究能实现自动分析和监测电磁环境、信道质量和信号形式的智能监测接收技术,将是未来监测通信系统的重要组成内容。给出对调制方式随信道质量而自适应变化的OFDM信号的智能监测接收实现框架,对工程实现具有很强的指导意义。

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