一種基于迭代計算的短波有效壓制功率估計新方法

苑小華,羅武忠,鄭 輝

(盲信號處理國家重點實驗室,成都610041)

1 引 言

短波天波干擾具有隱蔽性好、安全性高的優點,一直是短波通信對抗的主要方式。通常對干擾發射功率的估算依靠經驗公式,但由于其傳輸媒介電離層是時變參數的信道,對電波傳播損耗估算與實際值存在較大偏差。為了保證干擾的可靠性,損耗常取最大值,干擾的發射功率遠大于實際需要的功率。這種干擾功率的確定方法不但增加了干擾設備的負擔,也增大了被跟蹤定位的概率。

隨著電離層探測技術的發展,有學者提出利用電離層探測設備探測干擾鏈路中點上空的電離層參數來估算傳輸損耗以提高估計精度。然而,電離層的不規則性使得由實測電離層參數計算的傳播損耗仍有5 ～10 dB的誤差,并且由于接收方通信信號場強未知,也無法準確估計有效壓制所需要的功率。

本文提出的有效壓制功率計算方法完全不同于鏈路損耗預算的方法,避免了鏈路預算中的不確定性。該方法利用短波通信系統的自適應調制(Adaptive Modulation,AM)和自動重傳請求(Automatic repeat request,ARQ)機制,通過迭代干擾搜索有效壓制功率。本文推導了算法的理論基礎和迭代干擾的基本原理,并給出了半功率迭代干擾算法仿真結果。

2 有效壓制功率的計算公式

在通信對抗系統中,當干擾目標位置和干擾樣式確定后,干擾的有效壓制系數Kj用場強表示為

式中,Es是通信信號的強度;Ej是干擾信號的強度,單位μV/m。所需要的干擾信號場強E′j為

對于天波干擾,信號場強的計算公式[4]為

式中, Pj是發射機的發射功率,單位kW;Gj是天線在干擾方向上的指向性增益,單位dB;Dx為經電離層反射的斜射距離,單位km;Li 是電離層的吸收損耗,單位是dB;Lg是地面反射損耗,單位是dB,天波干擾不考慮兩跳(含)以上情況其值為0;Ly是額外損耗,單位dB,通常由電離層造成的無法準確測量的損耗在5 ～10 dB。

將式(3)代入式(2),推導有效壓制功率lg Pj(單位dBW)的計算公式得

干擾樣式確定后,通信系統的解調高于規定誤碼率的信干比門限是確定的,即有效壓制系數Kj可以確定,Li、Dx在確定干擾目標位置后可以估算,Gj、Es、Ly完全未知,為保證干擾可靠只能按照最大值估算,使得干擾功率的估計值lg Pjlg Pj。

假設信號持續時間內電離層參數和通信信號接收場強是恒定不變的,則可以認為Es、Li、Dx、Gj、Ly是不變的,式(4)可簡化為

式中,A、B 是常量,如果能夠找出兩對lg Pj和Kj組成一個方程組,就能正確求解A、B 的值。

令方差σ2=(lg Pj-lg Pj)2,可采用一維搜索的方法求出lg Pj,并代入式(5)求解A、B 。

3 針對AM 和ARQ的迭代干擾方式

AM 和ARQ 技術是短波通信中為了保證不同信道條件下通信質量而制定的傳輸控制技術,這兩種機制的存在使得干擾中獲得多個壓制系數的值成為可能。

自適應調制技術根據信道質量自動選擇調制方式、子載波路數、調制速率、編碼方式等調制參數,控制傳輸速率以保證傳輸質量和可靠性。在采用自適應調制技術的短波通信系統中往往將傳輸速率分成若干等級,每個速率等級對應不同的調制參數,其正確解調所需要的信噪比門限不同。通信對抗中,對不同速率等級的數據傳輸有效壓制系數也不同。

設速率等級Si對應的有效壓制系數為Kj(Si),其中S i

時,通信方按照速率等級Si傳輸。

ARQ 技術是傳輸控制中通信雙方的協商技術。短波通信中往往將一段報文分成若干個數據包分別傳輸,每傳送完一包,接收方對接收情況(如信噪比、誤碼率等)進行評估,并將繼續發送下一包、重傳數據包、調整速率等級等信息反饋給發送方,如圖1 所示。

圖1 干擾方式示意圖Fig.1 Jamming process

假設數據包0 按照速率等級Si傳輸,選擇合適的干擾功率滿足

干擾數據包0 的接收,接收方解調誤碼率高于門限則反饋信息要求以速率等級Si重發數據包0,獲取該信息后, 干擾方降低發射功率滿足P

通過有效功率搜索算法得到兩組以上的Pj(Si)～Kj(Si),即可代入式(6)求得A、B 的值,進而求得最低速率等級對應的有效壓制功率Pj(S0),即得到干擾的最小有效壓制功率。

4 迭代計算的算法仿真

對最小有效壓制功率的估計的關鍵是通過調整發射功率,根據目標反應,搜索干擾功率的門限值,搜索算法的性能影響了搜索的效率,本節采用半功率值迭代搜索算法,并對算法進行了仿真。

設每次發射的干擾功率為P ,初始功率增量為δ,算法流程如圖2 所示。

圖2 半功率迭代算法流程Fig.2 Half-power iterative algorithm flow

下面通過計算機仿真檢驗半功率迭代搜索算法的估計精度和收斂速度。

假設某自適應調制通信系統有4 個速率等級分別采用2 400 bit/s的BPSK、QPSK、8PSK、16QAM 調制方式,干擾信號采用高斯白噪聲,經實驗其速率等級和解調誤碼率門限對應的信干比如表1 所示。

表1 速率等級和解調誤碼率門限對應表Table 1 Speed level parameter

干擾信號采用高斯白噪聲干擾。通信信號接收功率為-60 dBm,干擾信號傳輸損耗和增益之和為120 dB,設干擾功率的初始值為P =200 W和P =150 W,初始功率增量δ=50 W,設初始狀態傳輸速率等級為2,精度設為1 W。功率搜索的仿真結果如圖3 所示。

圖3 半功率迭代算法仿真結果Fig.3 Simulation of half-power iterative algorithm

干擾功率初始值為P=200 W時,經過8 次搜索找到速率等級1 的有效壓制功率229 W,再經過9 次找到速率等級2 的有效壓制功率141 W;P =150 W時,經過9 次搜索找到速率等級1 的有效壓制功率229 W,再經過9 次找到速率等級2 的有效壓制功率141 W。將上述搜索結果代入式(7),計算得到干擾的最小有效壓制功率值為對速率等級1 的有效壓制功率值229 W。

仿真結果表明,半功率迭代算法通過有限次迭代可以很快收斂,得到的估計值接近實際有效壓制功率。實際中為保證干擾的安全性,可以選用較小的初始功率。本算法以時間為代價換取估計精度,實際中可以通過犧牲估計精度來減少迭代次數,提高搜索效率。

5 結束語

本文提出的迭代干擾算法基于自適應調制機制中有效壓制功率和壓制系數間的線性對應關系,利用自動重傳請求機制中的反饋信息作為迭代調整的依據,通過有限次迭代搜索獲得有效壓制功率的估計值。相比早期的估算方法,新算法避免了鏈路損耗估計中的諸多不確定因素,使得有效壓制功率的估計精度大幅提高,滿足了干擾系統保證干擾效果的同時合理控制發射功率的要求。同時,搜索過程不破壞鏈路,具有很強的隱蔽性。

[1] 樊昌信, 曹麗娜.通信原理[M] .6 版.北京:國防工業出版社, 2011.

FAN Chang-xin,CAO Li-na.Communication theory[M] .6th ed.Beijing:National Defense Industry Press,2011.(in Chinese)

[ 2] 馮小平,李鵬, 楊紹全.通信對抗原理[M] .西安:西安電子科技大學出版社,2009.

FENG Xiao-ping, LI Peng, YANG Shao-quan.Principles of communication countermeasure[ M] .Xi′an:Xidian University Press, 2009.(in Chinese)

[ 3] 謝國新, 李新.短波干擾有效壓制距離的計算方法[ J] .航天電子對抗,2005,21(2):53-55.

XIE Guo-xin, LI Xin.A Computing method for jamming effective blanket distance in HF[ J] .Aerospace Electronic Warfare, 2005,21(2):53-55.(in Chinese)

[4] Yun J, Jeong W C, Kavehraqd M.Throughput performance analysis for automatic-repeat-request techniques as combined with adaptive rate transm ission[ C]//Proceedings of 2002 IEEE Radio and Wireless Conference.Boston, Massachusetts,USA:IEEE,2002:31-34.

[ 5] Liu Qingwen,Zhou Shengli,Giannakis G B.Combining adaptive modulation and coding with truncated ARQ enhances throughput[ C]//Proceedings of the 4th IEEE Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications.Rome, Italy:IEEE,2003:110-114.

[6] WU J L, HOU X L, YIN C C, et al.Variable packet size adaptive modulation SR-ARQ scheme for Rayleigh fading channels[ C]//Proceedings of 15th IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications.Barcelona,Spain:IEEE,2004:1283-1286.

[ 7] Roongta A, Moom J W, Shea J M.Reliability-based hybrid ARQ for partial-time jamming channels[ C]//Proceedings of 2004 IEEE Military Communication Conference.Monterey,CA:IEEE,2004:686-692.