跳頻通信自適應(yīng)技術(shù)研究

李雨，程永茂，張潤(rùn)萍

(海軍航空大學(xué)，山東 煙臺(tái) 264000)

0 引言

常規(guī)跳頻規(guī)避干擾的方法是不停地變換跳頻頻率，然而由于跳變頻率表是事先安排好的，不能根據(jù)環(huán)境變化進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，這種通信方式已經(jīng)滿(mǎn)足不了當(dāng)代戰(zhàn)場(chǎng)電磁干擾劇烈、頻譜競(jìng)爭(zhēng)激烈的環(huán)境下對(duì)抗干擾的要求，這種通信方式也被稱(chēng)為“盲跳頻”[1]。很多專(zhuān)家提出將自適應(yīng)技術(shù)與跳頻通信相結(jié)合，即跳頻自適應(yīng)技術(shù)。自適應(yīng)跳頻通信收發(fā)雙方可以根據(jù)信道被干擾的實(shí)時(shí)情況判斷是否更換信道，使通信數(shù)據(jù)始終保持在沒(méi)有被干擾或干擾很少的信道上傳輸，增加了通信的靈活性、可靠性；根據(jù)信道質(zhì)量評(píng)估準(zhǔn)則，在保證通信質(zhì)量的前提下，使發(fā)射功率盡可能低，提高通信隱蔽性[2]。

1 跳頻通信概述

跳頻通信頻率按照一定的頻率變換規(guī)律跳變，采用“打一槍換一炮”的方式，使干擾信號(hào)難以偵察截獲。跳頻通信時(shí)，由通信網(wǎng)內(nèi)的主控制臺(tái)發(fā)出跳變指令，所有通信臺(tái)站根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的跳變圖案同步使發(fā)射信號(hào)在一個(gè)寬頻帶內(nèi)進(jìn)行頻率跳變，并在每個(gè)頻率上駐留一段很短的時(shí)間，接收端經(jīng)過(guò)解跳解調(diào)后恢復(fù)出原始信號(hào)。

1.1 跳頻通信工作原理

跳頻通信的原理框圖如圖1所示，其主要工作過(guò)程如下：

1.1.1 信號(hào)調(diào)制

發(fā)射機(jī)中的信息調(diào)制器對(duì)信號(hào)源產(chǎn)生的基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，將原始信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)母哳l已調(diào)信號(hào)。

1.1.2 跳頻調(diào)制

PN序列發(fā)生器產(chǎn)生偽隨機(jī)序列，通過(guò)頻率選擇器從具有偽隨機(jī)序列變化規(guī)律的跳頻頻率中選擇出頻率控制碼，使頻率合成器輸出跳頻本振信號(hào)作為跳頻載波，已調(diào)信號(hào)與跳頻載波經(jīng)過(guò)調(diào)制后，實(shí)現(xiàn)頻率擴(kuò)展，發(fā)射機(jī)將該擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)發(fā)送出去。

1.1.3 跳頻解跳

接收機(jī)中，通過(guò)偽碼同步得到與發(fā)送端偽隨機(jī)碼變化規(guī)律相同的本地偽隨機(jī)碼，本地頻率合成器在此偽碼控制下產(chǎn)生一個(gè)頻率變化規(guī)律與發(fā)射端相同的本振跳頻信號(hào)，與接收的跳頻信號(hào)之間相差一個(gè)中頻，兩個(gè)跳頻信號(hào)經(jīng)混頻后產(chǎn)生固定的中頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)跳頻解跳。

1.1.4 信號(hào)解調(diào)

解跳后輸出的中頻信號(hào)經(jīng)解調(diào)器后，恢復(fù)出發(fā)射端基帶信號(hào)。

圖1 跳頻通信原理框

1.2 跳頻通信的軍事應(yīng)用與局限

20世紀(jì)40年代，Hedy K.Markey最先提出用跳頻通信來(lái)對(duì)抗電子干擾，從20世紀(jì)60年代開(kāi)始西方國(guó)家首先對(duì)跳頻技術(shù)進(jìn)行了理論研究，20世紀(jì)70年代后各國(guó)引起重視，加大對(duì)跳頻戰(zhàn)術(shù)研究力度，加緊投入生產(chǎn)研制，跳頻技術(shù)逐步成熟。

1.2.1 跳頻通信在軍事上的應(yīng)用

跳頻通信技術(shù)面世之后，在實(shí)戰(zhàn)中應(yīng)用表現(xiàn)出色。1982年馬島戰(zhàn)爭(zhēng)中，英軍使用了跳頻技術(shù)，保障了通信暢通。1989年巴拿馬戰(zhàn)爭(zhēng)，美軍裝備了SINCGARS跳頻通信系統(tǒng)，作戰(zhàn)中幾乎未受干擾影響，對(duì)敵方通信網(wǎng)絡(luò)施加干擾，而巴軍通信裝備落后，因受到強(qiáng)大干擾，基本失去戰(zhàn)場(chǎng)控制能力，被迫投降。20世紀(jì)90年代開(kāi)始，越來(lái)越多的西方國(guó)家研制了各式軍用跳頻電臺(tái)，包括CHESS，ALCATEL-Ⅲ，SOTRIN等。1991年海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，法軍使用TRC.950跳頻電臺(tái)，英軍使用Jaguar-V跳頻電臺(tái)，美軍使用Sincgars.V跳頻電臺(tái)，跳頻的抗干擾能力保證了北約盟軍之間通信的可靠性。1999年科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)跳頻電臺(tái)應(yīng)用更加廣泛。美研制的JITIDS跳頻系統(tǒng)跳速可達(dá)每秒幾萬(wàn)跳，我國(guó)雖然起步較晚，但國(guó)內(nèi)目前研制的跳頻系統(tǒng)已經(jīng)可以達(dá)到每秒上萬(wàn)跳的跳速。

1.2.2 跳頻通信局限

傳統(tǒng)的常規(guī)跳頻雖然具有抗干擾能力強(qiáng)、不易被截獲等優(yōu)點(diǎn)，但由于通信頻率按照規(guī)定的跳頻規(guī)律跳變，抗多頻段干擾以及抗跟蹤干擾能力差。提高頻率跳變速率是對(duì)抗跟蹤干擾的一個(gè)重要途徑，局限于目前技術(shù)現(xiàn)狀，產(chǎn)生跳速快、帶寬大、穩(wěn)定性強(qiáng)的跳頻信號(hào)還存在很大的難度。因此多功能、多頻段通信的自適應(yīng)跳頻成為目前跳頻通信的重點(diǎn)研究方向。

2 自適應(yīng)跳頻技術(shù)

1995年，Zander J博士最先對(duì)自適應(yīng)跳頻通信系統(tǒng)及其干擾模式建立了仿真模型，并分析了該系統(tǒng)性能。自適應(yīng)跳頻模式一經(jīng)提出，就吸引了國(guó)內(nèi)外很多專(zhuān)家的關(guān)注。自20世紀(jì)末開(kāi)始，美國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、以色列等國(guó)家就已經(jīng)將自適應(yīng)技術(shù)應(yīng)用于軍事通信[3-4]。表1是幾個(gè)主要國(guó)家的典型自適應(yīng)跳頻電臺(tái)及其簡(jiǎn)要介紹。

2.1 自適應(yīng)跳頻基本原理

與常規(guī)跳頻通信相比，自適應(yīng)跳頻系統(tǒng)增加的模塊是頻點(diǎn)實(shí)時(shí)質(zhì)量評(píng)估LQA[2]。自適應(yīng)跳頻系統(tǒng)原理框圖，如圖2所示，其工作過(guò)程主要分為以下三個(gè)部分。

圖2 自適應(yīng)跳頻系統(tǒng)原理框

(1)建立正向通信。通信雙方實(shí)現(xiàn)同步收發(fā)數(shù)據(jù)。

(2)全信道掃描。對(duì)跳頻系統(tǒng)所有信道進(jìn)行掃描。

(3)通信反饋調(diào)整。信道質(zhì)量評(píng)估單元在接收端對(duì)工作信道中每個(gè)信道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，將判決為被干擾的信道以信令的形式通過(guò)反饋信道返回給發(fā)送端，通信收發(fā)雙方根據(jù)預(yù)先約定的協(xié)議調(diào)整通信方式，增強(qiáng)通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸可靠性。

常用的頻點(diǎn)質(zhì)量評(píng)估方法主要是基于誤碼率、信噪比等參數(shù)。將信道傳輸中實(shí)際統(tǒng)計(jì)得到的數(shù)據(jù)與設(shè)定的門(mén)限值比較，低于門(mén)限值說(shuō)明該頻點(diǎn)通信質(zhì)量好，達(dá)到門(mén)限值則說(shuō)明該頻點(diǎn)通信質(zhì)量差。對(duì)于慢速跳頻系統(tǒng)而言，誤碼率是接收端解調(diào)后收到的錯(cuò)誤比特?cái)?shù)與總比特之比，而對(duì)于快速跳頻系統(tǒng)，由于每個(gè)頻點(diǎn)的誤碼率難以統(tǒng)計(jì)，因此，一般采用基于信噪比的頻點(diǎn)質(zhì)量評(píng)估法則。

表1 幾個(gè)主要國(guó)家的典型自適應(yīng)跳頻電臺(tái)

自適應(yīng)跳頻目前主要分為兩類(lèi)，即頻率跳頻自適應(yīng)和功率跳頻自適應(yīng)。

2.2 頻率自適應(yīng)跳頻

通信收發(fā)雙方建立同步之后，接收端對(duì)頻點(diǎn)質(zhì)量進(jìn)行判斷，將判定為被干擾的頻點(diǎn)作為信令傳輸給發(fā)送方，收發(fā)雙方利用頻點(diǎn)更新算法更新頻點(diǎn)集，更新后的頻點(diǎn)集不僅要滿(mǎn)足各頻點(diǎn)頻率均勻分布，跳頻圖案具有偽隨機(jī)性，且要使信號(hào)在未受電磁干擾或受干擾影響較小的頻道內(nèi)傳輸，其原理框圖如圖3所示[8]。頻率自適應(yīng)跳頻的工作過(guò)程一般分為五個(gè)部分：建立頻點(diǎn)集、頻點(diǎn)質(zhì)量評(píng)估、頻點(diǎn)信息反饋、頻點(diǎn)集調(diào)整、建立新的跳頻圖案[9]。

圖3 頻率自適應(yīng)

近年來(lái)，頻率自適應(yīng)跳頻技術(shù)得到了廣泛關(guān)注和深入研究，取得了許多有價(jià)值的研究成果。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)或仿真驗(yàn)證，許多新技術(shù)新算法都能在一定程度上提高跳頻通信的反偵察和抗干擾性能。自適應(yīng)頻率跳頻通信中，被干擾頻點(diǎn)越多，平均處理時(shí)間就越長(zhǎng)，但在提高系統(tǒng)抗阻塞干擾能力方面效果明顯[7]。在短波跳頻通信中，將載波頻點(diǎn)信噪比概率分布情況返回至發(fā)送方，發(fā)送方自動(dòng)調(diào)整頻點(diǎn)跳頻策略，按照受干擾程度小的頻點(diǎn)概率分布廣、受干擾程度大的頻點(diǎn)概率分布少的原則，進(jìn)行自適應(yīng)跳頻通信，可以明顯提高短波跳頻通信的誤碼性能[8]。然而，這種方法由于不使用所有信道，系統(tǒng)安全性低，為此提出了基于一維混沌圖的自適應(yīng)跳頻算法(ACFH)，單一的混沌跳頻均勻使用所有頻點(diǎn)，雖然能提升系統(tǒng)安全性，但系統(tǒng)誤碼率高，ACFH將混沌序列作為自適應(yīng)跳頻的偽隨機(jī)序列，可以結(jié)合混沌跳頻和自適應(yīng)跳頻兩種算法的優(yōu)點(diǎn)，既提高了系統(tǒng)安全性，又保證了系統(tǒng)誤碼性能。針對(duì)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)受干擾的問(wèn)題，提出一種基于藍(lán)牙且可感知干擾的跳頻(IAFH)自適應(yīng)算法。與傳統(tǒng)自適應(yīng)頻率跳頻方法的相同之處在于，根據(jù)預(yù)定的閾值，將頻點(diǎn)分為質(zhì)量好的和質(zhì)量不好的兩類(lèi)，而不同之處在于，IAFH算法頻點(diǎn)質(zhì)量評(píng)估是動(dòng)態(tài)的，根據(jù)信道的干擾程度自動(dòng)調(diào)整頻點(diǎn)分類(lèi)，使用質(zhì)量好的頻點(diǎn)概率更大，通過(guò)仿真證明，IAFH抗干擾能力更強(qiáng)[9]。基于干擾統(tǒng)計(jì)的跳頻算法，通過(guò)統(tǒng)計(jì)信道內(nèi)干擾出現(xiàn)的概率，分析獲得受干擾影響少的信道，以此調(diào)整可用頻點(diǎn)的概率分布，也具有較好的抗干擾效果。

可以看出，頻率跳頻自適應(yīng)算法分為“剔除法”和“概率法”兩種。“剔除法”指的是根據(jù)信道質(zhì)量判決原則在頻率集中剔除質(zhì)量不好的頻點(diǎn)，僅使用質(zhì)量好的頻點(diǎn)。“概率法”指的是對(duì)質(zhì)量不好的頻點(diǎn)不是完全不使用，而是使用的概率小。

2.3 功率自適應(yīng)跳頻

跳頻通信系統(tǒng)的每條信道內(nèi)都有信號(hào)，且信道存在衰落，每條信道衰落程度不同。在信道平均衰落程度很小的時(shí)候，每條信道內(nèi)只要比較小的發(fā)射功率就可以保證系統(tǒng)對(duì)誤碼率的要求；在信道平均衰落程度很大的時(shí)候，系統(tǒng)誤碼率迅速上升，個(gè)別衰落程度特別大的信道甚至無(wú)法正常傳輸信號(hào)。給每條信道分配相同的發(fā)射功率是不合理的，且有的時(shí)候會(huì)造成很大的浪費(fèi)，因此功率自適應(yīng)跳頻得到研究者們的關(guān)注。

在跳頻系統(tǒng)通信質(zhì)量得到保證的前期下，根據(jù)信道衰落程度和系統(tǒng)誤碼率情況，使系統(tǒng)每條信道的發(fā)射功率盡量低，增強(qiáng)通信隱蔽性。功率自適應(yīng)跳頻系統(tǒng)信道質(zhì)量評(píng)估單元一般是基于信噪比，通過(guò)設(shè)定信噪比閾值，將實(shí)際信噪比檢測(cè)值與閾值比較，產(chǎn)生功率控制命令，通過(guò)反饋信道傳送給發(fā)送方，發(fā)送方對(duì)各信道發(fā)射功率進(jìn)行調(diào)整，形成一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)，其原理框圖如圖4所示。

圖4 功率自適應(yīng)

為了提高功率自適應(yīng)跳頻系統(tǒng)的通信可靠性，使之更具實(shí)用價(jià)值，近年來(lái)研究者們?cè)谠S多方面提出了大量改進(jìn)方案。為了改進(jìn)RS編碼跳頻擴(kuò)頻多址(FH/SSMA)通信性能，還可以利用一種混合的功率/頻率自適應(yīng)算法，對(duì)于信道流量和信道衰落，其傳輸功率和頻率同時(shí)自適應(yīng)，得到在給定誤差且所需信噪比最小時(shí)的最優(yōu)傳輸策略。針對(duì)數(shù)字化短波功率自適應(yīng)系統(tǒng)，通過(guò)在發(fā)射端產(chǎn)生反向功率，并實(shí)時(shí)控制，防止反向功率過(guò)大。同時(shí)在DSP中，通過(guò)BDPC算法分析接收端的誤碼率、信噪比等信息，控制發(fā)射端的發(fā)射功率，在反向功率保護(hù)下實(shí)現(xiàn)功率自適應(yīng)[10]。一種基于再生中繼的正交頻分復(fù)用(OFDM)接入系統(tǒng)，作為功率自適應(yīng)跳頻系統(tǒng)的資源分配方案，其基站和中繼器之間屬于第一跳鏈路，中繼器之間屬于第二跳鏈路，通過(guò)比例公平調(diào)度算法分配子信道，保證了各用戶(hù)數(shù)據(jù)傳輸速率的公平性，并通過(guò)降低傳輸功率節(jié)約能源。通過(guò)研究正交頻分復(fù)用通信系統(tǒng)受總功率約束的自適應(yīng)功率分配算法，將傳統(tǒng)的兩跳系統(tǒng)模型推廣到三跳結(jié)構(gòu)中，用對(duì)偶法實(shí)現(xiàn)功率自適應(yīng)跳頻，使傳輸速率達(dá)到最大，且信道功率得到最優(yōu)分配。在放大轉(zhuǎn)發(fā)鏈路的正交頻分復(fù)用選頻信道基礎(chǔ)上，運(yùn)用子載波兩步功率分配算法，一方面，引入虛擬直連實(shí)現(xiàn)次優(yōu)子載波匹配，降低了功率分配的維數(shù)；另一方面，將中繼網(wǎng)絡(luò)的分配問(wèn)題簡(jiǎn)化為傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的分配問(wèn)題。通過(guò)一維搜索得到虛擬直接鏈路的最優(yōu)功率分配，提高了能量效率。

可見(jiàn)，功率自適應(yīng)跳頻技術(shù)的研究和應(yīng)用，目前主要集中于對(duì)各傳輸信道進(jìn)行最優(yōu)功率分配，在節(jié)約能源的前提下，使資源盡可能合理配置。

2.4 自適應(yīng)跳頻特點(diǎn)

頻率自適應(yīng)和功率自適應(yīng)技術(shù)使跳頻通信的性能得到擴(kuò)展和提高。目前，自適應(yīng)跳頻系統(tǒng)的作用和特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

(1)抗衰落能力強(qiáng)。信號(hào)在信道內(nèi)傳輸受自然電磁干擾影響會(huì)有衰落現(xiàn)象，影響通信質(zhì)量，自適應(yīng)跳頻可以選擇在質(zhì)量好的信道內(nèi)傳輸，使信號(hào)傳輸更加穩(wěn)定。

(2)抗干擾能力強(qiáng)。自適應(yīng)跳頻系統(tǒng)可以通過(guò)自適應(yīng)選擇合適的頻點(diǎn)，避開(kāi)敵方電磁干擾的頻點(diǎn)；自適應(yīng)調(diào)整發(fā)射功率，保證通信免遭干擾壓制，提高通信可靠性。

(3)抗截獲能力強(qiáng)。自適應(yīng)跳頻系統(tǒng)不僅具有跳頻圖案不可預(yù)測(cè)、頻率停留時(shí)間短等跳頻通信固有特點(diǎn)，還可以根據(jù)信道質(zhì)量靈活的變換信道，使敵方干擾信號(hào)偵察跟蹤截獲難度大大增加。

3 自適應(yīng)跳頻技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)前，跳頻通信正朝著高跳速、寬頻譜、多頻點(diǎn)的方向發(fā)展，為了在未來(lái)信息化戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境下激烈的電子戰(zhàn)中取得主動(dòng)權(quán)，必須充分發(fā)揮自適應(yīng)跳頻技術(shù)的作用和優(yōu)勢(shì)，并不斷改進(jìn)和提高技術(shù)水平。未來(lái)自適應(yīng)跳頻技術(shù)的研究和發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)隨著5g網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)信息指揮體系將實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、一體化、實(shí)時(shí)化。通信系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸流量大，流量密度和節(jié)點(diǎn)密度大幅提高，成本更低的反饋機(jī)制是未來(lái)自適應(yīng)技術(shù)的熱點(diǎn)問(wèn)題。

(2)未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)通信終端將會(huì)朝高速移動(dòng)方向發(fā)展，高速移動(dòng)通信中，信道變性問(wèn)題對(duì)自適應(yīng)跳頻系統(tǒng)的影響將會(huì)進(jìn)一步加大，設(shè)計(jì)高速移動(dòng)下的自適應(yīng)算法，將是一個(gè)無(wú)法回避的研究重點(diǎn)。

(3)在通信對(duì)抗中，干擾敵方通信系統(tǒng)，使之通信網(wǎng)絡(luò)陷入癱瘓，對(duì)己方贏得戰(zhàn)場(chǎng)主動(dòng)權(quán)至關(guān)重要，對(duì)于慢速自適應(yīng)跳頻系統(tǒng)，采用跟蹤干擾和阻塞干擾可以達(dá)到很好的效果，而對(duì)于快速自適應(yīng)跳頻系統(tǒng)，其有效干擾樣式還有待進(jìn)一步研究。

(4)自適應(yīng)跳頻通信中，如何剔除“壞頻點(diǎn)”，產(chǎn)生“好頻點(diǎn)”，是一個(gè)十分重要的關(guān)鍵技術(shù)。因此，研究頻率集改良算法，也是當(dāng)前及未來(lái)提高自適應(yīng)跳頻通信性能的重要方向。

(5)自適應(yīng)技術(shù)兼容性強(qiáng)，可以與其他抗干擾技術(shù)組合，融合出抗干擾能力更強(qiáng)的集成抗干擾技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸可靠性，提高通信質(zhì)量。因此，有必要開(kāi)展自適應(yīng)技術(shù)與多種其他技術(shù)相結(jié)合的研究，以大大擴(kuò)展跳頻通信技術(shù)的威力。

(6)日益增長(zhǎng)的通信需求使通信網(wǎng)絡(luò)的能耗不斷增加。為了減少發(fā)射功率，節(jié)約能源，應(yīng)充分發(fā)揮功率自適應(yīng)跳頻技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，保證通信有效性前提下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源最優(yōu)配置。因此，對(duì)功率自適應(yīng)跳頻技術(shù)的研究將會(huì)有廣闊的發(fā)展空間。

4 結(jié)語(yǔ)

自適應(yīng)技術(shù)與跳頻技術(shù)結(jié)合，不僅是提高通信系統(tǒng)抗干擾性、抗截獲性的重要手段，而且順應(yīng)了未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)無(wú)人化、智能化作戰(zhàn)的發(fā)展趨勢(shì)。因此，自適應(yīng)跳頻通信在軍事通信中地位不容小覷。隨著進(jìn)一步研究與改進(jìn)，自適應(yīng)跳頻技術(shù)在軍用通信、無(wú)線(xiàn)通信和移動(dòng)通信等領(lǐng)域，將會(huì)體現(xiàn)出重要的應(yīng)用價(jià)值，得到長(zhǎng)遠(yuǎn)的推動(dòng)和發(fā)展。