單音干擾對訓練序列同步的干擾效能仿真

陳曉杰　楊鐵新　張諾諾　董旭明

[摘要]無線局域網協議IEEE 802.11a是一種廣泛使用的數字通信協議，其不僅在民用領域有廣泛的應用，且在軍事通信領域也發揮著重要作用。因此從軍事電子對抗的角度出發，研究如何對其通信進行干擾，對于國家信息安全與國防安全有著重要意義。本文重點針對無線局域網協議IEEE 802.11a的訓練同步開展研究，通過建立IEEE 802.11a的通信過程仿真模型，特別是針對訓練序列同步的特點，專門設計了接收狀態機，對單音干擾作用下的訓練序列同步過程的影響進行分析，從而得出以特定頻率（T=2D）單音干擾壓制IEEE 802.11a通信，所需干信比（JSR）僅為-3dB的結論。此結果較其它干擾方式壓制IEEE 802.11a通信所需JSR少10-11dB左右。

[關鍵詞]電子對抗 通信干擾 單音信號 訓練序列同步 Matlab仿真 無線局域網協議 干信比 狀態機

一、引言

由于IEEE 802.11a的廣泛應用，因此從國家信息安全和軍事國防的高度來看，很有必要從電子對抗的角度去考慮如何對IEEE 802.11a通信進行干擾的問題。目前，人們對IEEE 802.1 1a的研究大多集中于其通信機理本身，少數從通信對抗角度進行研究的學者，也是主要針對于干擾信號對通信過程建立后的過程進行討論。

然而經過研究發現，IEEE 802.11a的通信信號與其它很多數字通信體制一樣，在通信過程建立之前，需要同步過程來協調各種參數指標，因而其同步過程也受各種干擾因素的影響，當干擾因素強度超過一定界限后，同步過程受到影響，從而使通信無法建立。而針對數字通信的同步進行干擾，其干擾效能往往要比干擾信號本身更為簡便。因此本文的研究重點正是通過研究干擾信號對IEEE 802.11a的同步過程影響，來評估干擾對其通信的影響。

二、理論分析

2.1定時粗同步原理

定時粗同步是PLCP到達接收機后第一步操作。接收機同步通過兩個寬度與短序列重復周期相同的判別窗，對接收到的短訓練序列數據進行采集，而后進行三步操作：

首先，兩個判別窗采集到的數據進行如式（1）的相關運算；（1）第二步，第二個判別窗中數據再進行一次自相關運算；（2）

最后，再由這兩個數據進行比例運算，從而得到定時粗同步的判別電平。（3）

當判決電平為高電平時，接收機判定信號到達，并記錄檢測到高電平的位置；反之當判決電平為低電平時，則接收機判斷信號沒有到達，因而接收機并不進行后續的操作。

2.2干擾對同步的影響分析

當干擾信號與數據信號疊加后，干擾信號勢必影響判決電平的數值大小，從而影響接收機對信號到達與否的判別。

設單音干擾影響下的接收信號為：

R_M（n）=R_B（n）+A'J（n） （4）

基帶信號的離散形式為R_B（n），干擾信號離散形式為，（n），A'為干擾信號的幅度系數。

從單音信號的自相關函數中可以得知，當延時τ=nT（n=0，1，2，3……）時，自相關函數為正最大值；當延時T=（n+0.5）T（n=0，1，2，3……）時，自相關函數為負最大值。

將此條件納入式（1）與式（2）中分析，即可得到推論：當單音信號的周期T=D/（n+0.5）時，C_n為負最大值，而式P_n由于τ=0，因而為正最大值。在這種情況下C_n與P_n在整體上的數值差異最大，從而使最終的結果最小化。

當短序列重復周期D=16、單音信號周期T=16/5.5時，M_n的數值非常小且穩定，因此當周期T=D/（n+0.5）的單音干擾信號隨短序列進入接收機時，很容易產生誤判，從而造成對后續OFDM通信活動的阻隔和壓制。

三、仿真程序介紹

本文的仿真程序除包含IEEE 802.11a協議所設計的從發射到接收過程中的一系列操作外，還重點針對訓練序列同步的特點，對接收存儲器和接收狀態機進行仿真，以使仿真程序從同步成功與同步失敗兩個方面，反映干擾信號對IEEE802.11a訓練序列同步過程的影響效能。

為了模擬干擾對整個IEEE 802.11a通信活動的影響，本文編寫了相關仿真程序，整個仿真程序從結構上分為三個部分：發射機部分、信道與干擾信號產生部分與接收機部分。發射機部分的主要功能，是產生一串隨機數據用以模擬要發送的有用數據，然后經過信道卷積、信道交織、QPSK調制、加入訓練訓練、插入導頻、降PAPR轉換、IFFY運算、插入循環前綴、濾波、數字上變頻等一系列操作后，最終形成射頻信號發送到信道部分。信道與干擾信號產生部分的功能有兩方面，一是模擬信道中自然存在的高斯白噪聲，二是產生干擾信號，并用過信號功率計算，得到需要的干擾信號功率比（JSR）。最終形成由信號、高斯白噪聲與干擾信號三部分組成的混合信號。接收機部分結構相對比較復雜，進入接收機的混合信號先經過數字下變頻與濾波器后，進入接收機的數據存儲器，接收機的同步，就從存儲器中調用數據。經過定時同步與頻率同步后，進行FFT運算，而后經過降PAPR逆變換、相位補償、QPSK解調、解交織、解編碼等與發射機部分相對應的逆操作后，得到還原后的數據信息。

四、程序仿真與結果

本文在仿真程序中，將短序列重復周期設為16，因此為了驗證之前的理論分析，應當設置一個周期T=16/（n+0.5）的基帶單音干擾信號。然而，由于仿真程序接收機部分設計有低通濾波器，因此為避免信號經過濾波器時產生功率損失，本文在仿真時將n設置為0，即單音周期T=32，此干擾信號經過濾波、上變頻后，在空間中與信號疊加，單音干擾與短序列信號疊加后的信號進入接收機進行解調，最終產生的誤碼率如下圖1所示：

由仿真結果可以看到單音周期T=32時的干擾效果。當干擾信號功率比（JSR）為-3dB時，接收誤碼率就達到0.1，而同步失敗率達到0.3左右。而使用噪聲調幅干擾方式進行仿真，要達到同等誤碼率水平，則JSR需要達到7-8dB左右。

五、結論

本文通過對IEEE 802.11a通信同步原理進行研究，分析特定頻率單音干擾方式對IEEE 802.11a訓練序列同步的干擾效能，最終通過仿真程序模擬，發現特定頻率（T=D/（n+0.5））單音干擾對于IEEE 802.11a訓練序列同步的干擾效率是一種比較有效的干擾方式，采用這種干擾方式時，當JSR達到-4dB時，就可以有效干擾IEEE 802.11a的通信，比其它干擾方式（如AM噪聲調制、FM噪聲調制等）達到同等干擾效果所需的JSR少10-11dB左右。

特定單音信號干擾具有硬件結構簡單、工程實現簡便、所需功率小等特點，因而在工程應用方面，實現手段較為靈活，成本較低。因此，本文的研究結論，對于國防與信息安全的工程實踐，具有一定的參考價值。