阻塞式干扰环境下LDPC编码跳频通信优化方案*

刘士平 ，马林华 ，2，孙康宁 ，胡 星 ，黄天宇

（1.空军工程大学航空航天工程学院，西安 710038；2.西安电子科技大学综合业务网国家重点实验室，西安 710071）

0 引言

现代化战争中，通信对抗在整场战争中扮演着相当重要的一环。一方要破坏对方的有效通信，另一方则要尽力摆脱对方的干扰。随着科学技术的发展和扩频技术的问世，通信对抗发展到了一个全新的高度。通信采用跳频方式，其频率不断地、随机地跳变，加大了干扰的难度。而干扰方采用不同的干扰方式如转发式干扰、阻塞式干扰等针对对方的信息传输以及反干扰。

随着迭代译码方法的出现和发展，低密度校验码逐渐成为信道编码研究的热点，应用也日益广泛。LDPC码具有性能接近香农理论极限、误码平层低、译码器实现简单等优点，在码长足够长时性能更加优异［1-4］。跳频技术是目前通信抗干扰领域应用范围最广的一种通信方式，但受系统参数限制，仅提高跳频带宽或者跳速的方法，对系统抗干扰能力提高有限，必须考虑采用先进的波形设计方法进一步提高跳频系统的抗干扰能力。结合交织、信道编码与高效调制技术等波形设计方法，可在跳频处理增益的基础上进一步提高系统的抗干扰性能［5］。随着对LDPC码编译码方法研究的日益增多，基于LDPC码的跳频抗干扰系统研究逐渐受到重视［6-7］。

阻塞式干扰环境下的跳频通信信道可视为混合信道。孙康宁等［8］提出了一种在混合信道下LDPC码度序列优化，但是没有指出在跳频环境下，针对不同删除概率的优化度序列在相应删除概率的混合信道下具有较好的纠错性能［9］。本文利用空-空通信中带有阻塞式干扰的跳频通信环境来模拟现实中的混合信道，针对目前存在的跳频环境下系统抗干扰能力有限的现状，进一步提出了在阻塞式干扰的跳频通信环境下，LDPC编码的度序列优化方案并进行了仿真实验。同时也进行了作战使用分析，提出了LDPC码编码在阻塞式干扰跳频通信中始终使用40%删除概率的混合信道优化度序列的想法，并通过仿真论证了此方案的可行性与实用价值。

1 阻塞式跳频干扰环境

阻塞式跳频干扰是指同时覆盖全部或部分跳频通信频率的干扰方式，干扰频率不跟踪跳频通信频率的跳变。阻塞式干扰在时域上可覆盖跳频通信信号，目的是敌方调频图样未知情况下尽可能地压制其在某频率范围下的全部信道［10］。

阻塞干扰的基本原理是先通过侦查判断出欲干扰的敌方跳频通信最低及最高频率，得出跳频通信频段。然后再对跳频通信全频段进行无缝隙的固定或轮流功率压制干扰。对于跳频通信系统，由于跳频系统是在一个频率段中的一些频率点间跳变，而且在侦查判断通信频段时也会存在误差，因此，阻塞式干扰更多的效果是覆盖部分敌方的通信频率以达到阻塞敌方信息传递的目的［11］。阻塞干扰一般不要求复杂的侦察系统配合，在技术上较跟踪式干扰响度简单。此干扰方式对电子侦察系统的主要依赖是需要侦察系统提供敌方跳频频段和信号功率信息，以确定干扰频段和干扰功率。

只要掌握了敌接收机的信号能量与跳频带宽内的平均等效功率谱密度之比即信干比，并采用相应的干扰频带系数，可使敌方接收信号时产生一定的误码率。另外，阻塞式干扰的干扰功率与带宽成正比，随着跳频频谱增宽，宽带阻塞式干扰机的干扰频带和干扰功率也将增大，才能达到有效干扰，使得误码率最大［12］。由此可见，跳频阻塞式干扰是非常常见的一种干扰手段，在信息传输中造成了极大的干扰，产生了不小的误码率。所以，对己方而言选择一个抗干扰能力更为出色的信道编码形式是相当重要的。

2 度序列在混合信道下的优化

孙艺、李森等人［13-14］提出利用一种混合随机粒子群算法，能确保解为全局最优解的情况下，在高斯信道下寻找到了更接近香农限的度序列。而孙康宁等［8］将此方法用于寻找混合信道下优化的度序列。其基本思想就是将随机粒子群算法与模拟退火算法结合，对停止进化的粒子以高斯变异的方法产生一个邻域内的变异点，以此进行模拟退火寻找最优点［15-16］。通过在高斯噪声和随机删除同时存在的背景下，理论证明了高斯信道下性能较好的度序列在混合信道下不一定是最优的，尤其是在高删除概率条件下。高斯信道下阈值较高的度序列不适用于混合信道。将随机粒子群算法和模拟退火算法相结合，不同删除概率下寻找到了一些高阈值混合信道的度序列，删除概率为40%时，度序列信噪比阈值最大可提高1.615 9 dB，适用于光记录、伴随窄带阻塞干扰的跳频通信等混合信道环境。

阻塞式干扰环境下的跳频通信信道可视为混合信道，本文在仿真验证度序列在上述跳频信道中的优越性，以及跳频通信优化方案时均基于上述混合信道和高斯信道优化的度序列。

3 干扰环境下LDPC编码跳频系统仿真建模

为了验证混合信道下优化的度序列的优越性，本文利用空-空通信中带有阻塞式干扰的跳频通信环境来模拟现实中的混合信道，如下页图1所示。空-空通信在没有阻塞式干扰时信道环境可被视为高斯信道，阻塞频点数与通信总频点数之比代表混合信道的删除概率。默认系统所使用的信道估计手段可以准确判断频点是否被阻塞，并且在被阻塞频点上传输的比特置信度信息均视为0，由于系统中采取了交织的手段，因此，被干扰的比特是随机分布的。仿真码长为1024和2048，码率为0.5，采用PEG构造方法严格按照所选度序列构造校验矩阵，校验矩阵均消除了长度为4的环，采用LLR-BP译码算法，最大译码迭代次数为100次，当出现100个错误帧时停止译码，并计算误码率。

实验1：阻塞频点占比：40%

40%删除混合信道优化的序列：

高斯信道优化的序列：

误码率仿真结果如图2所示。

图2 40%删除的混合信道下误码率性能

从图2中可以看出，与高斯信道下优化的度序列相比，采用了40%删除概率下优化度的序列的码字纠错性能不论是在1024码长还是2048码长均具有一定优势。1024码长时10-4误码率混合信道优化度序列性能提升达到0.5 dB；2048码长时10-5误码率混合信道优化度序列性能提升约0.62 dB。

实验2：阻塞频点占比：30%，误码率仿真结果如图3所示。

图3 30%删除的混合信道下误码率性能

从图3中可以看出，与高斯信道下优化的度序列相比，采用了30%删除概率下优化度的序列的码字纠错性能仍具有一定优势。1024码长时10-4误码率混合信道优化度序列性能提升达到0.12 dB；2048码长时10-6误码率混合信道优化度序列性能提升约0.3 dB。

实验3：阻塞频点占比：20%，误码率仿真结果见下页图4。

从图4中可以看出，与高斯信道下优化的度序列相比，采用了20%删除概率下优化度的序列的码字纠错性能虽然仍具有一定优势，但是1024码长低信噪比（信噪比小于3.5 dB）时性能优势已不太明显。1024码长时10-4误码率混合信道优化度序列有0.11 dB的信噪比增益；2048码长时10-5误码率混合信道优化度序列性能提升约0.4dB。

图4 20%删除的混合信道下误码率性能

实验4：阻塞频点占比：10%，误码率仿真结果如图5所示。

图5 10%删除的混合信道下误码率性能

从图5中可以看出，与高斯信道下优化的度序列相比，1024与2048码长时二者性能几乎没有差别，仅有的0.017 2 dB的译码门限差距只有当码字长度更加长的时候才能体现。

仿真结果：从以上4个实验的仿真结果来看，针对不同删除概率优化的度序列在相应删除概率的混合信道下性能提升较为明显，尤其是在高删除概率的时候。在较低删除概率（10%）时，由于码字长度较短并且译码的信噪比门限提升有限，因此，仿真结果并无明显差别，只有当码字长度较长的时候才能体现出，这种现象在文献［17］中也被提到。

4 作战使用分析

上述提出针对不同删除概率的优化度序列在相应删除概率的混合信道下具有较好的纠错性能，尤其是在高删除概率的时候优势体现得更加明显，这在理论上是具有一定意义的。然而在实际应用中，比如在空-空跳频通信中，敌方的阻塞式干扰可能会不断地调整频带覆盖率，此时如果根据干扰的频带覆盖率实时动态地调整收端和发端的度序列，无疑会增加硬件复杂度。针对实际使用中的问题，本文是否可以不考虑敌方的干扰频带覆盖率，0.5码率时在收发两端始终使用较高删除概率（如40%）下优化度序列，以期在高频带覆盖率时拥有较大的编码增益，在低频带覆盖率时纠错性能也足够保证正常的通信业务。下面对2048码长时，40%删除概率优化的度序列在不同删除概率的混合信道下的性能进行仿真实验，译码方法及参数与上节相同。

实验5：阻塞频点占比：30%

40%删除混合信道优化的序列：

30%删除混合信道优化的序列：

高斯信道优化的序列：

误码率仿真结果如图6所示。

图6 30%删除的混合信道下误码率性能

由图6可见，40%删除概率下优化的度序列在30%删除的混合信道时，较高斯信道下优化的度序列始终保持一定的性能优势，10-6误码率时的信噪比增益可达0.23 dB；与30%删除概率下优化的度序列相比，性能略有退化，但并不严重。

实验6：阻塞频点占比：20%，误码率仿真结果如图7所示。

图7 20%删除的混合信道下误码率性能

由图7可见，仿真环境为20%删除的混合信道时，20%删除的条件下优化的度序列性能优于40%删除下优化的度序列以及高斯信道优化的度序列，但40%优化的度序列仍对高斯信道优化度序列保持一定优势，由此证明此环境下40%优化的度序列也是适用的。

实验7：阻塞频点占比：10%，误码率仿真结果如图8所示。

图8 10%删除的混合信道下误码率性能

从图8中可以看出，当信道的删除概率为10%时，仿真的3个度序列中，40%删除条件下优化的度序列性能最差，但较10%删除优化与高斯信道优化的度序列差距不大。

实验8：阻塞频点占比：0%（即高斯信道）

40%删除混合信道优化的序列：

高斯信道优化的序列：

误码率仿真结果如图9所示。

图9 高斯信道下误码率性能

从图9中可以看出，40%删除优化的度序列在高斯信道下性能较差，但2 dB以下误码率仍能满足10-5，这对于语音和图像传输业务来说已经足够，因此，40%度序列在高斯信道下也是可行的。

从上述4个仿真实验可以看出，40%删除的混合信道优化的度序列在40%删除的混合信道环境中性能提升较大；该序列在30%删除的混合信道中性能虽然没有针对30%优化的度序列优异，但差别不大，且优于高斯信道下优化的度序列；该序列在20%删除的混合信道中性能仍然优于高斯信道优化度序列，但差于20%删除优化的度序列；该序列在10%删除的混合信道中纠错性能不如高斯信道优化，以及10%删除优化的度序列，但从仿真中可以看出三者的性能差距不大。在高斯信道下，该度序列性能虽然不如高斯信道优化度序列的性能，但由于没有删除噪声，因此，高斯信道中该度序列仍然可以在信噪比2 dB时满足10-5的误码率。

5 结论

本文通过实验仿真验证了跳频环境下，针对不同删除概率的优化度序列在相应删除概率的混合信道下具有较好的纠错性能。提出了在阻塞式干扰环境下的跳频通信，0.5码率的LDPC码编码跳频通信中始终使用40%删除概率的混合信道优化度序列的想法，并仿真验证了这种思想在实际作战使用中的合理性。

主要理由有以下几点：1）使用该度序列可提高强阻塞式干扰环境下链路的通信质量，提高链路在复杂电磁环境下的生存能力。2）在无阻塞干扰的高斯信道环境，以及阻塞覆盖率较低的混合信道环境中性能并非最优，但其性能退化并不严重，混合信道中信噪比为自然噪声时仍可以满足正常的通信业务。