一種基于認知的動態頻譜抗干擾新技術

朱毅超，梁 亮，田 驊，畢文斌

0 引言

“通得好”與“抗干擾”是軍事無線通信所應解決的兩大關鍵問題。隨著現代信息化戰爭中高強度“電子戰”與“網絡電磁空間戰”威脅的與日俱增，傳統基于“固定頻譜”的通信體制面臨著越來越大的威脅。為了有效提升通信系統在未來信息化戰爭中的生存能力，實現惡劣電磁環境下的可靠通信，在現有固定頻譜通信體制的基礎上，研究能適應極端惡劣電磁環境下通信保障的抗干擾通信新體制，具有重要的理論與現實意義。

1 固定頻譜通信體制所面臨的挑戰

固定頻譜通信體制通常包含短波、超短波頻段的窄帶定頻通信，以及直擴、跳頻、跳時等寬帶擴頻通信及其混合體制。這類通信體制的主要特點是通信過程中載頻固定不變，調制方式不變，頻譜會重復出現。通過采用高性能的編碼與調制技術，固定頻譜通信體制可以在干擾帶寬小于通信帶寬30%的情況下保持可靠通信，實現GJB－6520－2008所定義的II級抗干擾能力。然而，隨著無線通信用戶數量的不斷增加，信道環境越來越惡劣，高強度的背景干擾對無線通信質量的影響越來越顯著。以短波夜間通信為例，由于夜間可通頻段窄，用戶數量多，使得整個短波頻段內具有低干擾強度的可通頻率數極為有限且頻率不斷變化。在這種情況下，固定頻譜通信體制的載頻常常位于可通頻段外，或位于可通頻段內但背景干擾強度大，因此通信質量難以保證。同時，隨著現代偵察干擾水平的飛速提升，干擾技術正在向寬帶化、精確化的方向發展，通過對無線通信信號的快速截獲及定位，干擾方可以實施有針對性的“靈巧”干擾，從而利用有限的干擾功率實現最大化的干擾效果［1］。由于固定頻譜通信體制不變的通信參數在通信過程中會形成持續出現的信號“指紋特征”，具有很強的可預測性，因此在這種智能化的干擾方式下，易被快速識別并實施高強度的壓制干擾和破壞。即使采用了自適應跳頻技術，由于其有限的備用頻率需預先設置，并且在更換了備用頻率或頻率集后，仍舊是固定頻譜通信方式，仍然無法避免被截獲和定位，因此也難以獲得明顯的抗干擾性能改善。由此可見，為了解決固定頻譜通信難以根據信道狀況設置通信參數，易被偵察與干擾的問題，必須使通信系統的頻譜使用由固定走向動態，通過智能調整通信參數，增大偵察與干擾的難度，有效提升系統在惡劣電磁環境下的可靠通信能力。

2 動態頻譜抗干擾技術

在認知無線電中，動態頻譜接入是提高信道頻譜利用率的一種重要方法［2］。在通信頻段已被分配的情況下，未授權用戶通過對頻段內電磁頻譜環境的感知與學習，利用智能決策對傳輸頻率、傳輸功率以及編碼調制方式等工作參數進行自適應調整，從而在不影響授權用戶的前提下實現頻譜共用。在各種動態頻譜接入方式中，機會頻譜接入是一種對授權用戶完全不產生干擾的接入方式，它通過實時感知工作頻段內授權用戶未使用的子頻段(即“頻譜空洞”)，并在其中傳輸信號，實現授權用戶與非授權用戶信號間的完全分離［3－4］。

動態頻譜抗干擾技術將機會頻譜接入的思想應用于抗干擾通信中。它將系統工作頻段內無干擾或干擾功率低于門限值的子頻段視為“頻譜空洞”，通信雙方實時感知和預測工作頻段內頻譜空洞的具體位置，并通過信令對頻譜空洞信息進行交互。收端根據本地“頻譜空洞”內的噪聲變化情況通知發方動態調整工作頻率或其它通信參數，在滿足接收性能需求的同時，將干擾對系統性能的影響減到最低，極大地提高系統的抗干擾能力。

具體而言，動態頻譜抗干擾在時、頻、空關聯的三維空間里靈活采用隱藏、躲避、對抗等三種方法進行通信，實現強干擾下的可靠信息傳輸。通信開始后，收發雙方均對本地電磁頻譜環境進行實時監測，確定無干擾或暫時空閑的頻譜空洞并建立不斷更新的頻譜池。頻譜空洞信息通過高效可靠的信令波形在收發雙方間進行交互。在數據信息傳輸過程中，發方在收方的頻譜空洞內傳輸信息，收方則根據信息接收質量對傳輸波形的編碼調制參數進行調整，以對抗當前信道內小干擾對傳輸性能的影響，保證傳輸的吞吐量。這些參數調整信息通過發方的頻譜空洞反饋回去，發方則利用調整后的通信參數進行后續信息傳輸。一旦強干擾出現導致通信質量嚴重下降，收發雙方則通過信令交互快速轉換到頻譜池內無干擾的頻譜空洞中繼續通信，實現對強干擾的躲避。由于動態頻譜抗干擾系統的頻譜監測范圍可以拓寬到信號帶寬的十倍甚至百倍以上，頻譜機動范圍大，且信號隨環境變化而變化，沒有固定的規律，因而大大降低了可預測性，提高了通信的抗截獲、抗干擾能力［1］。

3 性能分析

通過對動態頻譜抗干擾的實現過程進行適當的簡化，可以對其抗干擾性能改善進行理論分析。以編碼信道的信道容量作為性能指標。簡化的動態頻譜抗干擾系統框圖如圖1所示。

圖1 簡化的動態頻譜抗干擾系統框Fig．1 Simplified block diagram of dynamic spectrum anti－jamming system

系統編碼器輸出與譯碼器輸入之間的部分為編碼信道。考慮系統采用MFSK調制與非相干解調。在通信開始前，系統先進行頻帶劃分，將總帶寬劃分為Nt個相鄰且互不重疊的可用信道，每個信道的帶寬等于傳輸符號的帶寬，各信道的中心頻率作為系統的可用頻率集。為了實現MFSK調制，將每M(MFSK調制符號集的)個相鄰的可用信道合并為一個M進制信道，K個M進制信道合并為一個子頻段，系統總帶寬內共包含Nt/KM個子頻段。在通信過程中，系統收端每隔Tf秒進行頻譜空洞的檢測與更新，在這段時間內，假設頻譜空洞的狀態不發生變化。每次頻譜空洞檢測均在不同的子頻段內進行，子頻段的選取規則預先設定。系統將所選子頻段內具有最小干擾能量的M進制信道作為頻譜空洞，并將其信息反饋回發端，發端根據該信息更新MFSK調制的可用頻率集。頻譜空洞信息的反饋通過高性能的信令波形傳輸，假設傳輸過程是無差錯的。

傳輸信道模型為短波干擾模型。短波干擾描述由短波信道中的大量用戶對通信過程所產生的嚴重背景干擾。根據短波頻段95個1 kHz信道的擁塞度測量結果，短波干擾可以建模為一個平均功率隨機變化的高斯噪聲，其干擾平均功率的概率密度函數(PDF，Probability Density Function)為［5］

式中，干擾功率x的單位為dBm，α與B為由干擾觀測值擬合得到的參數，對不同的短波頻段，α有不同的取值，一般在－16～－9之間，B的取值約為－0．1，且干擾平均功率的均值E［I］(dBm)= －α/B。

假設系統每個M進制信道內的干擾平均功率均服從式(1)給定的概率分布，且具有相同的α值。頻譜空洞檢測單元檢測當前子頻段K個M進制信道內的干擾平均功率，將具有最小干擾功率的M進制信道確定為頻譜空洞。令K個M進制信道內所測得的平均干擾功率為{I1，I2，…，IK}，則頻譜空洞內干擾平均功率 Y=min{I1，I2，…，IK}的 PDF 為［6］

根據式(1)與式(2)，頻譜空洞內外的干擾功率采樣如圖2所示。

圖2 頻譜空洞內外的干擾功率采樣Fig．2 Samples of jamming power inside and outside the spectrum hole

圖2 中，采樣數均為1 000，α= －10，B= －0．1，K=10。從圖中可見，頻譜空洞外的干擾功率均值為－100 dBm(即－α/B)，而頻譜空洞內的干擾功率均值則約為－125 dBm，下降約25 dB。

式(2)中Y的單位仍為dBm。若要得到以瓦特為單位的 PDF，需對式(2)作變量代換 X=10(Y－30)/10，則隨機變量 X 的 PDF為

假設系統采用硬判決譯碼，在這種情況下，編碼信道的信道容量［7］

式中，Ps為針對具體調制解調方式的符號誤碼率。對于MFSK調制與非相干解調，當干擾平均功率為x 時，符號誤碼率［7］

式中，A2為信號功率。

定義頻譜空洞內的干擾平均功率為信道狀態信息(CSI，Channel State Information)。當系統無 CSI時，直接利用解調器輸出的硬判決符號進行譯碼。因此將式(5)對干擾平均功率x取平均，得到解調器的硬判決誤碼率

將式(3)代入式(6)

將式(7)代入式(4)，得到無CSI時的信道容量。

當系統有CSI時，根據解調器硬判決與干擾平均功率構造最優度量進行譯碼。因此先將式(5)代入式(4)，得到給定干擾功率x時的信道容量 C(x)。再將C(x)對x取平均，得到遍歷信道容量［8］

將式(3)及式(4)代入式(8)

式中，Ps(y)通過在式(5)中令y=lg x得到，P's(y)為Ps(y)對y的導數

對于固定頻譜通信系統，由于無頻譜空洞檢測單元，在短波干擾信道中通信時，其工作頻帶內背景噪聲的平均功率服從式(1)給出的分布。將式(1)中隨機變量x的單位由dBm變為瓦特，則該式可改寫為

假設固定頻譜通信系統也采用MFSK調制與非相干解調，則將式(11)代入式(5)，即可得到當系統無CSI時，解調器硬判決的平均符號誤碼率

將式(12)代入式(4)，即可得到硬判決譯碼時，固定頻譜系統的編碼信道容量。

當系統有CSI時，將式(11)代入式(8)，得到其遍歷信道容量

式中，Ps(y)通過在式(5)中令y=lg x得到，P's(y)的表達式仍由式(10)給出。

令Eb為編碼比特的能量，ˉNI為平均干擾單邊功率譜密度，則由定義，Eb/ˉNI=MA2/(E［I］lb M)。由于 E［I］(dBm)= － α/B，E［I］=10－α/(10B)－3，因此M進制信道內的平均對數信干比Eb/ˉNI(dB)與干擾參數α及B的關系為

當子頻段中的M進制信道數K=2時，采用4FSK調制、非相干解調及硬判決譯碼的動態頻譜抗干擾系統與固定頻譜系統，在短波干擾信道下的信道容量曲線如圖3所示。從圖中可見，無論系統有無CSI，動態頻譜抗干擾系統的信道容量均大于對應的固定頻譜系統的信道容量。而當信干比大于－10 dB時，無CSI的動態頻譜抗干擾系統的容量甚至可以超越有CSI的固定頻譜系統的容量，這充分表明了動態頻譜抗干擾系統相對于固定頻譜系統的抗干擾性能改善。

圖3 短波干擾信道下，硬判決譯碼的動態頻譜抗干擾系統與固定頻譜系統信道容量曲線Fig．3 Channel capacity curves of dynamic spectrum anti－jamming system and“fixed spectrum”system under HF interference channel

4 實現中需要解決的關鍵技術

動態頻譜抗干擾在實現中需要解決如下一些關鍵技術。

1)高性能的信令波形設計。動態頻譜抗干擾系統在通信過程中頻繁進行頻譜空洞以及其他通信參數的更新，這些更新信息都需要通過信令波形在收發雙方間進行交互。如果信令波形的性能不足，將會導致發方對收方反饋信息的錯誤接收，從而使得系統的參數調整無法實現閉環，傳輸吞吐量嚴重下降。通過在收發雙方均進行頻譜空洞檢測，使得參數更新信息在頻譜空洞內進行傳輸，可以在一定程度上提升傳輸的可靠性。但即使如此，在初始建鏈時雙方仍需在惡劣電磁環境下實現頻譜空洞信息的首次交互，尤其是在短波夜間通信時，建鏈波形的性能更為關鍵。由此可見，信令波形的性能直接決定了動態頻譜抗干擾系統能否正常工作。采用具有強糾錯能力的編碼并結合分集技術，是設計高性能信令波形的一種可能途徑。

2)通信頻率的準確選取。在頻譜空洞內通信是動態頻譜抗干擾系統實現抗干擾性能的首要因素。然而，無線通信的性能不僅與噪聲強度有關，還與信道的傳播特性有關，信道的衰落、多徑以及多普勒擴展也對數據傳輸的性能有著重要的影響。此外，在短波通信中，可通頻段的范圍也隨著時間不斷變化，只有選取可通頻段內的空洞，才能保證通信鏈路的建立。因此，動態頻譜抗干擾系統在通信過程中除了檢測頻譜空洞外，還應進行信道傳播特性，甚至可通頻段的探測，并根據頻譜空洞檢測與信道探測的結果共同確定通信頻率。在不顯著影響傳輸效率的前提下，收發雙方應利用通信間隙發送探測信號對本地可通頻段以及信道傳播特性進行探測，才能保證動態頻譜抗干擾系統的可靠工作。

3)多用戶通信時的頻譜管理。動態頻譜抗干擾在實際應用中往往要進行多用戶組網通信。在組網通信時，如果允許各用戶在整個通信頻段內任意選取頻譜空洞，則有可能造成用戶間的碰撞，而限制每個用戶的可用頻段范圍，又會降低動態頻譜抗干擾的效果。因此，在不違背頻譜使用政策的前提下，應綜合考慮網絡用戶的業務量需求以及優先級，結合動態頻譜接入的相關思想，設計相應的頻譜分配策略，并對其所能實現的網絡吞吐量進行分析與優化，得出最優的動態頻譜抗干擾網絡多址方案，在不造成網絡混亂的前提下，使網絡的整體吞吐量達到最大。

5 結語

動態頻譜抗干擾是一種基于認知的抗干擾通信新技術。在通信過程中，它可根據信道狀況自動選擇無干擾或干擾較小的頻段通信，同時針對信道變化對通信參數進行自適應調整。由于頻譜動態范圍大且缺乏可預測性，因此它可以有效應對智能化“靈巧”干擾的影響，其抗干擾能力相對于當前的“固定頻譜”通信體制有顯著提升。動態頻譜抗干擾是在未來信息化戰爭的復雜電磁環境下實現可靠通信的重要手段之一，具有廣闊的應用前景。

［1］ 陸建勛．信息對抗與智能無線通信［J］．現代軍事通信，2012，20(02):1－6．

LU J X．Information Countermeasures and Intelligent Wireless Communications［J］．Modern Military Communications，2012，20(02):1 －6．

［2］ 蔣師，屈代明，吳露露，等．動態頻譜接入技術的分類和研究現狀［J］．通信技術，2008，41(11):20 －22．

JIANGS，QU D M，WU L L，ZHONGGH．A Taxonomy of Dynamic Spectrum Access Technologies and Current Research Progress ［J］．Communications Technology，2008，41(11):20－22．

［3］ GOLDSMITH A，JAFAR SA，MARICI，et al．Breaking Spectrum Gridlock with Cognitive Radios:an Information Theoretic Perspective［J］．IEEE Proceedings，2009，97(05):894－914．

［4］ HAYKIN S．Cognitive Radio:Brain － empowered Wireless Communications［J］．IEEE Journals on Selected Areas in Communications，2005，23(2):201 －220．

［5］ BARK G．Performance comparison of spread－spectrum methods on an interference － limited HF channel［J］．IEE Proceedings on Communications，1999，146(1):23－28．

［6］ 朱毅超．動態頻譜抗干擾系統的比特誤碼率分析［J］．現代軍事通信，2012，20(02):20－24．

ZHU Y C．Bit Error Rate Analysis of Dynamic Spectrum Anti－jamming Systems［J］．Modern Military Communications，2012，20(02):20－24．

［7］ PROAKIS J G．Digital Communications［M］．Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2001．

［8］ STARK W E．Coding for Frequency－hopped Spreadspectrum Communication with Partial－band Interference－part I:Capacity and Cutoff Rate［J］．IEEE Transactions on Communications，COM －33(10):1036－1044，1985．