空域自適應抗干擾在數據鏈通信中的應用

吳 迪

(中國西南電子技術研究所，成都 610036)

空域自適應抗干擾在數據鏈通信中的應用

吳 迪*

(中國西南電子技術研究所，成都 610036)

(*通信作者電子郵箱tonywoo1983@163.com)

針對戰場復雜電磁環境下數據鏈系統容易受到干擾導致通信互聯互通能力下降的問題，提出了一種將智能天線陣空域陷波技術和數據鏈相對定位技術綜合應用的抗干擾方法，來輔助提升系統的通信抗干擾能力。該方法通過數據鏈相對定位獲取期望信號的來波方向，并對多天線陣列進行輻射方向圖自主重構，實現在通信信號方向保持增益恒定且在干擾信號方向形成零陷的目標，達到干擾信號抑制的目的。在實驗室環境下基于軟件無線電平臺對所提方法進行了仿真驗證，實驗結果表明，該方法可以提升40 dB以上的系統干擾抑制能力。該方法將數據鏈抗干擾手段從傳統的時/頻域拓展到空域，可以應用于相關系統抗干擾。

數據鏈；抗干擾；相對定位；輻射方向圖；軟件無線電

0 引言

外軍數據鏈系統對于實時的指揮、控制和通信十分重要，是信息化作戰的重要支撐[1]。由于人為干擾技術的發展，數據鏈系統面臨電磁環境惡化的嚴峻挑戰，愈發嚴重的干擾威脅會影響數據鏈系統的性能[2]。沒有抗干擾能力的通信系統很可能會失去效力，因此，需要為數據鏈系統配置抗干擾手段來保證其在未來戰爭中具有頑強的生存能力。數據鏈系統的抗干擾技術正成為通信領域被廣泛關注的研究方向。

近幾十年來，以擴頻通信技術和認知無線電技術為基礎的通信抗干擾技術得到了一定的發展。擴頻通信技術基于信道帶寬和信噪比可以相互轉換的原理，通過增加信道帶寬以確保在較低信噪比的條件下系統通信容量保持不變；認知無線電技術則是通過頻譜感知并利用“空穴”進行通信以達到“躲避”干擾信號的目的[3]。但是，上述兩種思路需要對通信系統的傳輸波形進行重設計，新波形和傳統波形之間幾乎無法實現互連互通[4]。

通信對象和干擾源目標的方向往往是不同的，干擾信號和期望信號來波方向不同是合理的假設[5]。因此，可以在天線端進行抗干擾設計，通過空間分集方式[6]來實現抗干擾，在不改變技術體制的前提下達到提升數據鏈系統的抗干擾性能的目的。

現有的自適應波束形成技術在實際應用中，需要有針對性地解決期望信號來波方向獲取和算法實效性的問題[7]。本文以數據鏈系統為應用目標，研究空域陷波技術和數據鏈相對定位技術在數據鏈系統抗干擾中的綜合應用，提出了自適應空域分集提升常規通信波形的抗干擾能力的方法。

應用本文方法能使天線陣列的波束在期望信號方向上形成主瓣，在干擾信號方向上產生零陷，從而達到抑制干擾來波的目的。該方法在天線端對干擾信號進行壓制，提升接收信干比。基于數據鏈抗干擾評估的功率準則，可以達到提升數據鏈抗干擾性能的目的。在不需要獲得先驗的干擾信號來波方向的前提下，基于通信方向自主計算出干擾方向并進行實時調整；同時，針對通信數據鏈系統對時延的高要求，對實現算法進行了改進優化設計，使算法具備快速收斂能力，滿足數據鏈通信高實時性的要求；并在實驗室環境下，以軟件無線電平臺為基礎，模擬外軍數據鏈系統并結合天線陣布局進行了波形的仿真和實驗驗證，驗證了本文方法的正確性和可行性。

1 系統模型與基本原理

在外軍典型的抗干擾通信中，可能是一個由幾架飛機組成的飛行編隊在任務區域內巡航，編隊內節點間進行數據鏈通信，干擾信號會影響其功率覆蓋范圍內的通信節點。編隊內通信對象和干擾源方向完全一致的可能性較低[8]，本文假設期望信號和干擾信號來自不同的方向，如圖1所示。

圖1 通信系統模型示意圖

本文旨在利用自適應波束形成技術調整天線陣的方向圖在期望信號和干擾信號方向上獲得不同的天線增益，達到對干擾信號進行抑制的目的，解決數據鏈系統中期望信號方向獲取和權值優化的問題。分析外軍數據鏈系統，可知其具有實時、組網、格式化消息交互的特征。數據鏈系統為基于數據鏈的通信對象的定位提供了技術基礎，可以利用基于數據鏈的相對導航手段來獲取通信對象的位置信息。假設空中有兩架飛機飛行，這兩架飛機之間互相數據鏈通信交換各自的絕對導航數據(例如：經度、緯度、高度、速度和航向)來實現相對定位[9]，也可以通過利用到達時間(Time Of Arrival, TOA)測量信息和到達方向(Direction Of Arrival, DOA)測量信息實現相對定位。數據鏈網內每架飛機可通過該原理計算出自己相對另一架飛機的相對位置，還能將估計值與觀測值進行比較，計算出定位誤差，不斷修正定位結果[10]。因此，本文認為在數據鏈系統中掌握通信對象的來波方向是可能的。

空域自適應干擾抑制的重點在于綜合應用數據鏈定位功能和波束形成方法，最優化天線陣權向量w的值，使天線陣列的波束在期望信號方向上形成主瓣，而在干擾信號方向上產生零陷，從而抑制干擾來波，達到有用信號選擇性接收的目的。

2 空域自適應干擾抑制方法

本文提出的空域自適應干擾抑制方法是自適應波束形成理論在數據鏈系統抗干擾領域的應用，其目標系統由發射端、接收端和干擾源組成。發射端配置的是全向天線，而接收端配置的是天線陣。假設發射端和接收端之間建立了某種數據鏈通信，接收端數據鏈系統獲取通信對象的位置信息并解算出期望信號的來波方向。

輸出功率可以與輸入信號自相關函數和權向量形成函數關系：P=wHRxxw/2，Rxx是包括期望信號、干擾和噪聲的輸入信號的自相關函數。假設q個窄帶信號入射到陣元數為n的天線陣上,入射角方向分別為θ1,θ2,…,θn。對陣列接收數據進行采樣，則數字域的第k次采樣數據表示為：

式中：Si(k)是第i個接收信號的復包絡,假設S1(k)為期望信號,S2(k),S3(k), …,Sn(k)為干擾;N(k)為陣列的接收噪聲矢量;a(θi)為入射角為θi的信號的導向矢量。當期望信號、干擾和噪聲互不相關時，接收數據的相關矩陣的理論表達式為：

空域自適應干擾抑制方法基于期望信號的來波方向和多個天線陣源的信號求出最優化的天線陣權值向量，并為信號加權，形成抑制干擾的信號。多天線的干擾抑制方法可以看成是基于特定準則算法[11]的自適應波束成型系統。天線陣波束形成算法的一般目的是選擇合適的權重使得干擾和噪聲對輸出的影響最小，而保持期望信號的貢獻。因此，波束形成器的權值向量w的最優化的問題可以表示為約束優化問題(Constrained Optimization Problems,COPs)。其數學模型表達如下：

wopt的求解依賴于天線陣中多路信號的自相關矩陣求逆[12]。由于協方差矩陣Rxx是正定Hennitian矩陣，其各階主子矩陣均為非奇異的Hennitian矩陣，因此在本文方法中使用了Hennitian矩陣求逆引理實現協方差矩陣的遞推求逆。

根據Hennitian矩陣求逆引理導出的逆陣遞推求解算法如下：

步驟1 輸入矩陣Rm+1初值。

步驟2 對于i=0,1,2,…,m，循環迭代求解Ri+1子陣的逆陣。

在目標系統中將天線方向圖優化和數據鏈相對定位結合空域自適應干擾抑制方法的工作流程如圖2所示。

圖2 本文系統實現流程

首先，從數據鏈系統中獲取通信目標的定位信息，計算出有用信號的來波方向的方向向量a(θ)；以天線陣元的采樣信號生成互相關矩陣Rxx并遞推求逆，構造wopt形成當前時刻的方向圖。整個流程是在數據鏈系統中按照一定周期循環運行，用于及時更新通信方向和干擾方向的變化。

3 系統仿真與分析

為了驗證本文所提方法的正確性和可行性，基于某軟件無線電硬件平臺仿真模擬了外軍數據鏈系統，并模擬構建了一個由干擾源、對通平臺組成的場景，仿真實驗環境由發射端、接收端和干擾端組成。發射端為全向單天線，在接收端構建一個四元天線陣，陣元之間距離可調。發射端發射的期望信號和模擬干擾源發射的干擾信號，由接收端天線陣面各陣元接收信號并饋入信道，在軟件無線電平臺的通用處理資源上完成抗干擾處理，并在仿真實驗環境中利用頻譜儀等儀器監測輸出功率。

因為數據鏈系統一個具備通信、指控、導航等多種功能的綜合系統，數據鏈網絡中的成員間的相對定位能力是其重要的能力組成，在時間嚴格統一系統中，基于時標信息的來波方向、達到時間和到達角度計算技術已經較為成熟。因此在本文仿真中假設期望信號的來波方向是系統給定的，以期望信號方向和天線陣接收信號集合為輸入。

3.1 硬件仿真平臺

該軟件無線電硬件平臺具備4路射頻信號的并行處理能力，采用DSP+FPGA+通用處理器的數字處理資源架構實現數字域的計算處理。本文所提方法在可編程門陣列(FieldProgrammableGateArray,FPGA) 和數字信號處理器(DigitalSignalProcessor,DSP) 上部署實現,如圖3所示。因為矩陣直接求逆復雜度高運算量大,本文利用相關矩陣為Hermitian矩陣的特性，對同一段采樣數據的相關矩陣，進行矩陣求逆的迭代運算，在TMS320C64xx的DSP器件開發驗證，權值收斂時間降為微秒級，保證了處理的實時性。

圖3 本文系統硬件實現示意圖

本文所提系統中天線陣采用如下形式：第一個陣元位于原點，其余三個陣元位于方位角φ分別為0°、120°和240°的半徑為a的圓環上。天線陣設計如圖4所示。

圖4 四元天線陣設計示意圖

該天線陣布局的優點在于：天線陣列所占空間小，“波束方向”和“零限方向”可全方向操縱，在任意方向上天線口徑相同并不易產生測向模糊。這樣的陣列也可以看作是一個均勻圓陣，可以用圓陣的矢量分析方法來進行分析。在本文仿真系統中，期望信號和干擾信號由四元天線陣接收，并經由獨立的四個信道進行預處理，得到獨立的四路疊加了干擾的基帶信號，經過線性約束最小方差準則(LinearlyConstraintMinimumVariance,LCMV)準則下的加權合并，濾除了干擾，獲得了通信的基帶信號。

3.2 仿真結果

圖5描述了在沒有干擾信號的情況下，不同的天線形式誤碼率(BitErrorRate,BER)值隨Eb/N0值的變化關系，其中Eb/N0是每比特信號能量與噪聲功率譜之比，用于表征信號質量。可見，相對于傳統單天線，四元天線陣能獲得更好的天線增益。這部分增益由來自于天線陣獲得的分集增益。

圖5 多天線系統誤碼率性能

圖6是四元天線陣自適應權向量收斂后形成的天線方向圖。模擬干擾信號和期望信號，且干擾信號和期望信號方向不同，干擾信號的方向是(-55°，22°)而期望目標信號的方向是(72°，33°)。在期望信號和干擾信號共存的環境下，本文方法形成天線方向圖顯示在干擾信號的來波方向(-55°，22°)形成了-20dB以上的抑制，同時在期望信號的來波方向(72°，33°)維持了+15dB左右的天線增益。

圖6 天線方向圖

天線陣自適應形成的在通信方向和干擾方向的增益差為系統的干擾抑制比，反映系統的抗干擾能力。表1給出了干擾抑制比和信噪比(SignaltoNoiseRatio,SNR)的關系。從仿真結果來看抑制比均值在40dB以上，并且SNR越高抑制比越好，抑制比方差穩定在5.5dB。由表1可以看出，結合本文方法的四天線陣對干擾信號的抑制較好。

在軟件無線電平臺上模擬外軍數據鏈通信波形驗證系統指標，測試在一定信干比條件下系統在不同信噪比下的誤碼性能。波形采用調制方式是二進制相移鍵控(BinaryPhaseShiftKeying,BPSK)，通信數據幀長度設置為30B。

圖7～8對比了不同干擾條件下，本文方法和傳統頻域抗干擾方法的效果。頻域抗干擾系統仿真采用隨機慢跳頻模式，跳頻頻點個數設定為50。圖7給出了在有干擾信號條件下，單天線系統、傳統頻域抗干擾系統和本文提出的基于天線陣的抗干擾系統的誤碼率性能隨SNR的變化趨勢。選取信干比(Signal-to-JammingRatio,SJR)為-50dB。從圖7可以看出，本文方法的誤碼率性能隨SNR增加而明顯下降，表明本文方法的性能要優于傳統的頻域抗干擾技術，具備較強的干擾抑制能力。

圖7 不同信噪比條件下不同方法的誤碼率性能

圖8給出了本文系統和不同跳頻點數的頻域抗干擾系統在干擾條件下干擾抑制增益和信干比之間的關系。設定SNR=10dB。由圖8可以看出，傳統頻域抗干擾系統的抗干擾增益由跳頻點數決定且增益在30dB以內；采用本文方法的系統的抗干擾能力由自適應天線方向圖提供，隨著干擾功率的增加，SJR降低，天線方向圖零陷點越深，使強干擾源電平降低到熱噪聲的水平，可以認為其抗干擾能力隨著干擾信號變強而增加，且比傳統頻域抗干擾方法具有更好的效果。

圖8 不同信干比條件下不同方法的干擾抑制增益

本文方法是一種獨立于數據鏈傳輸波形的系統抗干擾方法，表 2分析了系統對于不同波長信號的適用性。選取在SJR=-0dB的條件下進行實驗，通過r/λ表示陣元間隔r和信號波形λ之間的關系。實驗結果表明,在r/λ小于0.5也就是入射信號的波長大于2r時，系統抗干擾性能會降低；對于高頻段波形，波長λ較小，系統干擾抑制性能穩定。其原因是每個陣元接收到的干擾信號和有用信號相關性更強會影響算法的干擾抑制能力。因此，在實際應用時需要根據波形工作的頻段來設計天線陣的布局。

表2 波形適應情況分析

4 結語

本文以多天線陣自適應波束形成技術為理論基礎，將數據鏈系統的抗干擾手段從傳統的時頻域拓展到空域，提出一種可應用于數據鏈通信系統的空域陷波抗干擾抑制的實現方法。本文提出的干擾抑制算法不需要更改數據鏈波形，只需數據鏈系統提供其通信的大致方向，就可獨立自適應完成天線陣的方向圖調整，實現干擾的空域抑制。該方法可以作為一種獨立于傳輸波形設計的抗干擾技術手段，能夠在不改變傳輸波形的前提下，提升通信系統的抗干擾性能，減小了系統實現的難度。

本文方法通過天線增益自適應調整的方式實現干擾信號的抑制，后續可以進一步研究與認知無線電技術相結合，研究在頻域和空域相結合的綜合抗干擾模式。

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ThisworkispartiallysupportedbytheAnti-jammingTechnologyKeyLaboratoryNational-DefenseScienceandTechnologyFund(9140C020203150C02008)。

WU Di, born in 1983, M. S., engineer. His research interests include software defined radio, airborne communication system.

Application of space-domain adaptive anti-jamming technology in data-link communication

WU Di*

(SouthwestChinaInstituteofElectronicTechnology,ChengduSichuan610036,China)

The data-link system is easily subjected to interference under complex battlefield electromagnetic environment, so as to reduce the interconnectivity performance of the communication system. In order to solve the problem, a new anti-jamming method was proposed to improve the system performance of communication anti-jamming，which integrated the space trap technology with smart array-antenna and relative positioning technology with data-link. The Direction Of Arrival (DOA) of desired signal was firstly obtained through the relative positioning technology of data-link. Then, the radiation pattern of multi-antenna array was automatically rebuilt. The goals of keeping constant gain on the orientation of the desired communication signal and forming null steering on the orientation of jamming signal were implemented to suppress jamming signal. The proposed method was tested and validated on software defined radio platform in the laboratory environment. The experimental results show that, the proposed method has improved the interference suppression ability of system above 40 dB. The proposed method has extended the anti-jamming method of system data-link from traditional time/frequency domain to spatial domain, and it can be used for anti-jamming in the relevant communication system.

data-link; anti-jamming; relative positioning; radiation pattern；software defined radio

2016- 11- 18;

2017- 02- 20。 基金項目:抗干擾技術國防科技重點實驗室基金資助項目(9140C020203150C02008)。

吳迪(1983—)，男，北京人，工程師，碩士，主要研究方向：軟件無線電、機載通信系統。

1001- 9081(2017)06- 1569- 05

10.11772/j.issn.1001- 9081.2017.06.1569

TN911.7

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