基于認(rèn)知無(wú)線電的OFDM智能偵察監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

湯新廣

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

OFDM系統(tǒng)利用自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)對(duì)電磁環(huán)境和信道傳輸特性進(jìn)行感知與探測(cè),自適應(yīng)地調(diào)整OFDM各個(gè)子載波上的負(fù)荷,并隨著空閑頻譜和信道質(zhì)量的改變,動(dòng)態(tài)地改變OFDM所使用的子載波頻率、子載波數(shù)目和子載波調(diào)制方式,將動(dòng)態(tài)頻譜分配和功率控制聯(lián)合使用,可最大限度地提高OFDM通信系統(tǒng)的性能。因此,構(gòu)建智能化自適應(yīng)OFDM系統(tǒng)的特征參數(shù)進(jìn)行智能識(shí)別和監(jiān)測(cè)接收系統(tǒng)十分必要。

1 功能需求

傳統(tǒng)通信偵察監(jiān)測(cè)系統(tǒng)僅僅是針對(duì)固定調(diào)制方式的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì),監(jiān)測(cè)信號(hào)的工作參數(shù)是固定的,此類(lèi)監(jiān)測(cè)設(shè)備往往不具備信道質(zhì)量分析能力和自適應(yīng)信號(hào)的盲檢測(cè)識(shí)別功能,很難適應(yīng)外界環(huán)境和信道傳輸特性的變化,同時(shí)也不具備系統(tǒng)重構(gòu)的能力。

智能偵察監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是“智能性”,這是與傳統(tǒng)偵察接收系統(tǒng)最根本的不同點(diǎn)。其智能性主要表現(xiàn)在具備對(duì)電磁環(huán)境的感知能力、對(duì)無(wú)線信道特性變化的學(xué)習(xí)適應(yīng)能力、對(duì)OFDM信號(hào)參數(shù)的盲檢測(cè)和識(shí)別能力及系統(tǒng)重構(gòu)和參數(shù)自動(dòng)配置能力等幾個(gè)方面。

1.1 自適應(yīng)感知功能

電磁環(huán)境的自適應(yīng)感知技術(shù)是指在預(yù)先不知道期望信號(hào)與周?chē)姶怒h(huán)境的統(tǒng)計(jì)特性情況下,可以從復(fù)雜電磁環(huán)境中提取期望信號(hào),并且當(dāng)期望信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性和周?chē)姶怒h(huán)境的統(tǒng)計(jì)特性變化時(shí),電磁環(huán)境自適應(yīng)技術(shù)能自適應(yīng)的調(diào)節(jié)它的沖激響應(yīng)來(lái)適應(yīng)新的情況。目前日益復(fù)雜的電磁環(huán)境要求OFDM智能偵察監(jiān)測(cè)系統(tǒng)既能夠有效的抑制周?chē)鷱?fù)雜電磁環(huán)境,同時(shí)又能夠偵收到期望的信號(hào),能夠自動(dòng)適應(yīng)周?chē)碾姶怒h(huán)境。因此,自動(dòng)分析和監(jiān)測(cè)電磁環(huán)境功能將是智能偵察監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正常工作的前提條件。

1.2 信道傳輸特性的分析功能

由于無(wú)線衰落信道多徑傳播造成的信號(hào)衰落將影響到信號(hào)參數(shù)的檢測(cè)和識(shí)別性能,因此,OFDM智能偵察監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具有對(duì)信道傳輸特性的分析與自適應(yīng)能力,自適應(yīng)監(jiān)測(cè)失真信號(hào)的變化,保證系統(tǒng)具有穩(wěn)定的檢測(cè)和識(shí)別性能。

1.3 對(duì)OFDM信號(hào)的參數(shù)盲估計(jì)和盲識(shí)別功能

在自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)中,發(fā)射信號(hào)根據(jù)信道質(zhì)量自適應(yīng)地改變調(diào)制樣式,在此通信環(huán)境中,要求偵察監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠相應(yīng)地檢測(cè)和識(shí)別出多種調(diào)制體制信號(hào)的特征參數(shù)。這種接收方式不依賴(lài)于特定的信號(hào)形式,應(yīng)具有較強(qiáng)的通用性,通用性恰是OFDM智能偵察監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所必須具備的基本特征之一。

1.4 可重構(gòu)和參數(shù)可調(diào)整功能

智能偵察監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)采用開(kāi)放的軟件無(wú)線電為基礎(chǔ)的通用平臺(tái),盡可能地通過(guò)軟件升級(jí)和重配置實(shí)現(xiàn)不同的無(wú)線電監(jiān)視功能。通過(guò)系統(tǒng)參數(shù)自動(dòng)配置實(shí)現(xiàn)智能偵察監(jiān)測(cè)系統(tǒng)良好的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性,也是偵察接收系統(tǒng)向智能化發(fā)展的趨勢(shì)。智能偵察監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重構(gòu)和參數(shù)自動(dòng)配置技術(shù)通常根據(jù)預(yù)先確定好的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)規(guī)則和實(shí)時(shí)抽取的系統(tǒng)特征量確定系統(tǒng)的配置參數(shù),不需要外加特殊的測(cè)試信號(hào),但這種方法對(duì)信號(hào)的自動(dòng)檢測(cè)和盲識(shí)別要求比較高。

2 系統(tǒng)構(gòu)建框架

2.1 電磁環(huán)境的自適應(yīng)感知技術(shù)

在OFDM智能偵察監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)法預(yù)先知道期望偵收信號(hào)與周?chē)姶怒h(huán)境的統(tǒng)計(jì)特性情況,電磁頻譜的自適應(yīng)感知是獲取信號(hào)頻譜信息的主要手段。

首先可采用Welch周期圖估計(jì)出信號(hào)的功率譜,對(duì)工作頻段內(nèi)的電磁信號(hào)進(jìn)行全景掃描監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì),從頻譜上估計(jì)出多個(gè)信號(hào)的信噪比、帶寬、載頻和功率等參數(shù),完成對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有頻譜占用度、信道占用度和信號(hào)持續(xù)時(shí)間的分析,并能實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)頻段(或重點(diǎn)信道)的超標(biāo)信號(hào)自動(dòng)測(cè)量與報(bào)警。根據(jù)電磁頻譜的監(jiān)測(cè)分析結(jié)果,獲得指導(dǎo)物理層傳輸參數(shù)重構(gòu)的控制信息。可重構(gòu)的參數(shù)包括工作頻率、接收帶寬和接收功率等。OFDM智能偵察接收系統(tǒng)功能模塊1,即電磁環(huán)境自適應(yīng)感知模塊的實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。圖1中,用實(shí)線模塊表示OFDM數(shù)字偵收通用硬件平臺(tái),虛線部分則表示采用軟件無(wú)線電技術(shù)軟件重配置來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的無(wú)線電監(jiān)測(cè)功能。圖2、圖3和圖4均采用相同的圖形描述方式。

在完成電磁信號(hào)全景監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上,再利用參數(shù)估計(jì)和檢測(cè)方法,對(duì)指定的信號(hào)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量分析,或逐個(gè)分析出每個(gè)信號(hào)的特征參數(shù),如工作頻率、符號(hào)速率和調(diào)制方式等重要的調(diào)制域參數(shù),從而識(shí)別出待識(shí)別信號(hào)、干擾和頻譜中的空閑信道。

圖1 電磁環(huán)境自適應(yīng)感知模塊實(shí)現(xiàn)

2.2 無(wú)線信道質(zhì)量的估計(jì)技術(shù)

OFDM智能偵察監(jiān)測(cè)系統(tǒng)事先并不知道信道的沖激響應(yīng),信道盲估計(jì)是獲取信道參數(shù)的主要手段。

在建立了多徑衰落信道頻域傳輸?shù)臄?shù)學(xué)模型和分析了傳輸衰落特性基礎(chǔ)上,可采用基于子空間分解的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)路徑階數(shù)和信道系數(shù)的盲估計(jì);采用基于一步特征值分解的T-ESPRIT算法,通過(guò)對(duì)采樣數(shù)據(jù)的列抽取數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了一種旋轉(zhuǎn)不變的矩陣結(jié)構(gòu),只需一步特征分解即可求解出相對(duì)時(shí)延量。在多徑信道環(huán)境中,OFDM智能偵察監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如果需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行正確解調(diào)恢復(fù)符號(hào),必須首先準(zhǔn)確估計(jì)每個(gè)子載波上的信道響應(yīng),對(duì)信道進(jìn)行自適應(yīng)均衡,補(bǔ)償信道失真。OFDM智能偵察接收系統(tǒng)功能模塊2,即無(wú)線信道估計(jì)模塊的實(shí)現(xiàn)原理如圖2所示。

圖2 無(wú)線信道估計(jì)功能模塊實(shí)現(xiàn)

2.3 OFDM信號(hào)特征參數(shù)提取技術(shù)

偵察監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要通過(guò)信號(hào)盲檢測(cè)和參數(shù)盲估計(jì)技術(shù)得到信號(hào)特征參數(shù),根據(jù)獲得的特征參數(shù)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。

OFDM信號(hào)的特征參數(shù)包括信號(hào)帶寬、載波頻率、符號(hào)速率、有效符號(hào)周期、CP長(zhǎng)度、子載波頻率集、導(dǎo)頻頻率點(diǎn)和子信道調(diào)制方式等。針對(duì)OFDM信號(hào)調(diào)制域的參數(shù),之中提出了如何進(jìn)行有序估計(jì)的系統(tǒng)方法,即按照帶寬-＞載波頻率-＞符號(hào)速率-＞子載波頻率間隔-＞子載波數(shù)目-＞各個(gè)頻率點(diǎn)的流程進(jìn)行參數(shù)估計(jì),形成一套系統(tǒng)可行的智能參數(shù)提取方案。圖3給出了OFDM信號(hào)特征參數(shù)提取模塊(OFDM智能偵察接收系統(tǒng)功能模塊3)的實(shí)現(xiàn)原理。

圖3 OFDM信號(hào)特征參數(shù)提取模塊實(shí)現(xiàn)

圖3中,射頻預(yù)處理部分完成信號(hào)預(yù)選、通帶濾波、放大和下變頻等工作;子載波分選部分完成對(duì)OFDM信號(hào)的載波數(shù)目和頻點(diǎn)提取;參數(shù)估計(jì)部分完成對(duì)OFDM信號(hào)的符號(hào)周期、CP長(zhǎng)度、同步時(shí)刻估計(jì)、導(dǎo)頻信號(hào)數(shù)量和頻率等的提取;信號(hào)參數(shù)測(cè)量部分完成對(duì)信噪比、信號(hào)帶寬和載波頻率的測(cè)量。

2.4 信號(hào)接收同步技術(shù)

OFDM智能偵察監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的接收同步過(guò)程中需完成載波頻率同步、幀同步和符號(hào)同步。載波頻率同步設(shè)計(jì)牽涉到的問(wèn)題是由于收發(fā)兩端的本振之間的頻差以及多普勒漂移所導(dǎo)致的接收機(jī)總的頻率偏移誤差,頻率偏移會(huì)導(dǎo)致所有子載波上的鄰道干擾(ICI),從而導(dǎo)致系統(tǒng)解調(diào)性能的急劇下降。因此,可采用基于長(zhǎng)短時(shí)延匹配的多幀相位差測(cè)頻方法,精確估計(jì)出各個(gè)導(dǎo)頻信號(hào)的頻率和多普勒頻偏,從而保證子載波的估計(jì)精度。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前,傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)接收機(jī)模式固定單一、缺乏智能特征(主要體現(xiàn)在感知、識(shí)別、學(xué)習(xí)、理解等方面),在兼容性、靈活性和適應(yīng)性上都存在很多的局限性,難以根據(jù)信道條件自適應(yīng)調(diào)整信號(hào)參量、實(shí)現(xiàn)最佳的檢測(cè)和接收,這些將大大限制監(jiān)測(cè)接收機(jī)的應(yīng)用。因此,研究能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析和監(jiān)測(cè)電磁環(huán)境、信道質(zhì)量和信號(hào)形式的智能監(jiān)測(cè)接收技術(shù),將是未來(lái)監(jiān)測(cè)通信系統(tǒng)的重要組成內(nèi)容。給出對(duì)調(diào)制方式隨信道質(zhì)量而自適應(yīng)變化的OFDM信號(hào)的智能監(jiān)測(cè)接收實(shí)現(xiàn)框架,對(duì)工程實(shí)現(xiàn)具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

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