基于认知无线电抗干扰技术分析

魏 奇

(中国人民解放军92941部队,辽宁葫芦岛125000)

0 引言

传统的通信抗干扰技术可以分为扩频抗干扰和非扩频抗干扰2类,扩频抗干扰包括直接序列扩频、跳频、跳时以及它们的混合;非扩频类抗干扰包括自适应天线技术、猝发通信技术等。这2类抗干扰技术各有优缺点,但都属于“盲抗干扰”方式,抗干扰能力在系统设计之初确定,一旦敌方针对性的干扰超出其干扰容限就会造成通信中断。

随着战场通信环境日益复杂,对通信设备造成的干扰有2个方面：一是外部有意或无意的干扰,这是设备能否正常生存的关键因素,是由战场电子对抗的性质决定的;二是来自系统网络内部的干扰,是由日益拥挤的频谱资源造成的。随着系统组网、协同的需求进一步增强,系统网络内部之间的频谱分配和使用问题将更加突出。基于认知无线电的抗干扰技术为解决这个问题提供了一条有效途径,通过感知工作区域的电磁环境信息,分析干扰信号特征,发现频谱“空穴”,并据此实时动态地调整通信系统工作参数,规避有害干扰,从而达到可靠通信的目的。

1 认知抗干扰系统架构

基于认知无线电技术的认知抗干扰系统架构如图1所示,由通信设备和认知设备组成。

图1 认知抗干扰系统架构

通信设备包括编解码、调制解调、上下变频和功放滤波等模块,认知设备包括频谱感知、认知决策、频谱动态分配和自适应参数调整等模块。认知设备是该架构的核心,通过对环境信息的分析、判决和决策,自适应地调整系统的通信参数(如工作频率、传输速率、编码方式和调制体制等),以适应外部战场环境的变化。

1.1 频谱感知模块

认知无线电首要工作就是对电磁环境参数的快速感知,并标示出当前没有被使用或被干扰的频谱资源。此处频谱感知模块的功能主要是无线环境的分析,包括对无线传播环境干扰度的估计以及频谱空穴的检测。频谱感知模块利用提取出外部信号频谱特征,为认知决策模块提供依据,目前较常采用的频谱感知方法是功率谱分析法,功率谱分析可采用FFT、小波分析以及时频分析等手段实现。

由于通信系统所处的电磁环境越来越复杂,为了进一步提高频谱检测的时效性和正确性,可采用多节点用户协同感知的方法,通过将多个节点的感知数据进行融合、综合而做出判决。与单节点用户感知方法相比,多节点协同频谱检测的时效性和正确性大大提高,设备的抗干扰性也大大提高,但必须考虑各节点之间如何协同等网络相关传输技术。

1.2 认知决策模块

决策是由发现问题、确定目标、收集情报、探索方案、方案选定和决策执行等组成的一种过程。认知决策模块功能就是利用频谱感知模块提供的无线传播环境干扰度的估计以及频谱空穴数据,根据可用频谱信息和干扰信号的特征,结合预先分配的频谱资源、业务需求等信息,在决策库中选择最佳方案,实现频谱动态分配和链路参数的自适应调整,进而控制编解码、调制解调和上下变频等模块,实现测控链路的编码方式、调制体制、工作频率以及信道带宽等参数的改变。

1.3 频谱动态分配模块

频谱的动态分配模块根据认知决策模块传递的分配方案,为链路动态分配最佳的工作频率。频谱的动态分配是与频谱静态分配相对而言的,动态分配指根据系统所处战场环境不同,实时动态地调整系统使用的频率;静态分配指系统在此次执行任务过程中只采用预先设置的频率。频谱动态分配方案实现了系统由被动抗干扰方式转换为主动躲避干扰,提高了链路的可靠性和生存能力。

1.4 自适应参数调整模块

自适应参数调整模块根据认知决策模块传递的分配信息,为通信链路选择最佳的工作参数,包括数据速率、编码方式和调制体制等。例如认知设备检测到目前可用频段较窄,不适宜传输宽带侦察信息,将自动降低数据速率;当检测到工作频段内干扰电平较高时,链路设备会自动选择与之相适应的工作方式,例如增加发射功率,改变调制体制,将抗干扰性能较差的调制体制更改为扩频或扩跳频体制等。

2 关键技术

2.1 宽频带实时频谱感知技术

为了提取系统的可用工作频段,需要对通信链路能够使用的无线电资源实时感知和分析,即实现对无线信道的特征估计以及频谱空穴的检测,因此要求频谱感知设备具有宽频带和实时频谱检测能力。针对宽频带实时频谱感知技术,需要解决2个问题：一是宽频带射频前端和高速数字采样问题;二是无线信道的特征估计。

2.1.1 宽频带射频前端和高速数字采样

由于宽带目标频段较宽,可达数GHz,因此要求射频前端具有宽频带特性,即要求增益平坦度、相位特性和群时延特性等信道参数具有宽频带特性,这对射频前端的设计具有很大的挑战性。折中的方法是在射频前端增加频段选择模块,实时改变接收频段的中心频率,快速实现宽频带检测。

设计宽频带高速数字采样存在的主要问题是要求A/D处理速度过高,而当前高速高分辨率的A/D转换器非常昂贵,即使能够采集到高速信号,要求后续的数据处理在短时间内完成也是不现实的。因此可采用多频带联合检测方案来提高检测速度,多频带联合检测框图如图2所示。

图2 多频带联合检测框图

被检测的射频信号放大后输入到频段选择单元,频段选择单元根据外部的控制指令,实时更换中心频率,输出接收频段的工作信号,工作信号经下变频、A/D转换器和串并转换后,通过FFT将信号处理分摊到多个能量检测器上,最后根据相应的门限判决值得到相应的判决结果。与单频带检测相比,多频段检测增加了硬件设备,却大大提高了频谱感知的速度,减低了硬件设计的难度。

2.1.2 无线信道的特征估计

宽频谱感知接收机的设计的难点在于对弱信号的检测和接收机的大动态范围。弱信号检测的门限应以不影响测控链路接收机正常工作为基准,大动态范围应以能够适应强干扰信号进行设计。为了能够适应无线信道的这种变化特点,需要估计信道特征,利用估计的信道特征来自动调整接收机工作参数以满足接收机大动态和弱信号检测的需要。下面讨论信道的最小均方误差估计(MMSE)方法,假设含有待估参量的估计模型：

式中,h为待估参量;X为已知数据向量;n为噪声向量;y为接收信号向量。通过最小化MMSE代价函数估计参量h。

最小均方误差与最小二乘之间的关系：

式中,hLS=(XHX)-1XHy;Rhh=E(hhH)是估计参量h的自相关矩阵。

2.2 频谱动态分配策略

频谱动态分配策略主要针对单目标、多目标(群)工作方式。单目标工作时,频谱分配策略主要是信道预搜索和频率自适应跳变2种方式,信道预搜索指系统执行此次任务之前认知设备对当前电磁环境分析,选取质量较好的频道作为通信链路此次任务的工作频道;频率自适应跳变指当前频道受到干扰时,收发二端自动跳到下一个设定好的频段。

多目标(群)工作方式属于多节点网络模式,此时频谱动态分配策略是如何解决信息共享和交互的问题。目前认知无线电中常见频谱分配模型有：基于图论的频谱分配模型、基于博弈论的频谱分配模型、基于定价拍卖的频谱分配模型和干扰温度模型。下面对基于博弈论的分布式动态频率选择模型作一下说明。

分布式动态频率选择目标是：每个节点都以工作频带B内干扰最小为标准从可用的频率集F中选择使用的频率。各节点通过阶段博弈完成中心频率的选择,该博弈可表示为：

各博弈元素描述如下：

①参与者N,表示由n个节点组成的集合;

②行为空间 A,A=F1×F2×…Fn,Fj为节点j可用的频谱资源;

在上述的模型下,多节点网络目标函数为：

2.3 自适应参数优化调整技术

自适应参数优化调整技术要达到2个目的：一是能够在不改变硬件设备并保证通信不中断的情况下调整设备参数;另一个就是设备在正常工作的前提下,通过优化参数能够得到最大的抗干扰和抗截获性能。也就是说参数在调整过程中,链路不能失控,并要保证设备状态的安全转换。下面介绍基于遗传算法的无线电参数优化调整技术,具有如下优点：①可根据具体要求,实现单目标或多目标的搜索和优化;②优化过程只需要适应度函数,不需要导函数和其它辅助信息;③具有极强的鲁棒性;④具有全局寻优能力和隐含的并行性。

利用多目标遗传算法的关键在于优化多目标适应性函数,而优化多目标适应性函数的主要问题在于对m个参数组成的集合与n个目标组成的集合之间建立正确的映射关系,即：

其约束条件为：

式中,x为决策变量集,X为参数空间,y为目标集合,Y为目标空间。

3 结束语

认知无线电作为抗干扰有效措施之一,其系统架构、工作体制和数据处理方式等与传统抗干扰方式均不同,如何能够使认知无线电技术更好地应用到通信抗干扰领域,还需要做大量、深入的研究工作。随着认知抗干扰技术在军事通信领域的广泛应用,通信系统的抗干扰性、灵活性、适应性和鲁棒性将会得到大力提升。

[1]洪波.认知无线电系统中频谱分配综述[J].电信快报,2009(3)：11-13.

[2]王金龙,吴启晖,龚玉萍,等.认知无线网络[M].北京：机械工业出版社,2010.

[3]谢显中.感知无线电技术及其应用[M].北京：电子工业出版社,2008.