電磁頻譜傘罩自干擾抑制實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

郭文博,宋長慶,張譯丹,趙宏志,邵士海,唐友喜

(電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 611731)

0 引 言

電子戰(zhàn)是電子戰(zhàn)場的核心,在作戰(zhàn)過程中期望己方電磁頻譜能夠?qū)κ跈?quán)平臺(tái)進(jìn)行保護(hù),并對(duì)非授權(quán)平臺(tái)實(shí)施電子攻擊[1]。基于此目標(biāo),文獻(xiàn)[2]提出一種電磁頻譜傘罩系統(tǒng),在發(fā)生電子戰(zhàn)的區(qū)域內(nèi)放置電磁波干擾設(shè)備,實(shí)現(xiàn)電磁頻譜傘罩的構(gòu)建,即在期望的經(jīng)度、緯度以及海拔高度范圍內(nèi)形成強(qiáng)電磁波干擾區(qū)域,用以阻塞傘罩內(nèi)非授權(quán)用戶的通信設(shè)備,并保證授權(quán)用戶設(shè)備的正常通信,進(jìn)而提高授權(quán)通信的安全性[2]。對(duì)于傘罩內(nèi)的授權(quán)用戶,只需在解碼前將傘罩自干擾消除模塊添加至現(xiàn)有的設(shè)備上即可,無需重新設(shè)計(jì)信號(hào)波形就能添加到受傘罩保護(hù)的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中,對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的兼容性強(qiáng)。

目前,與傘罩自干擾相關(guān)的研究大多集中在干擾策略或資源調(diào)度上[3-9]。文獻(xiàn)[3]表明,可以在源節(jié)點(diǎn)、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)上單獨(dú)或同時(shí)發(fā)送傘罩自干擾信號(hào)。文獻(xiàn)[4]表明,全方位傘罩自干擾更容易混淆被動(dòng)竊聽者,而定向傘罩自干擾更適用于干擾主動(dòng)竊聽者。考慮到用于發(fā)射信號(hào)和傘罩自干擾的總功率預(yù)算有限,文獻(xiàn)[5-7]中分別給出了一跳、二跳和多跳無線網(wǎng)絡(luò)中傘罩自干擾功率的最優(yōu)分配方案,從而實(shí)現(xiàn)保密容量最大化或通信中斷概率最小化。此外,基于模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter,ADC)分辨率有限這一局限性,文獻(xiàn)[8]提出了一種在模擬域中利用傘罩自干擾阻塞非授權(quán)設(shè)備ADC模塊的方案。近年來,隨著無線能量傳輸技術(shù)的發(fā)展,無線能量傳輸協(xié)同干擾的概念被提出,從而使得低功率設(shè)備作用于傘罩干擾機(jī)成為可能[9]。

需要注意的是,上述算法的前提條件均為授權(quán)接收機(jī)處的傘罩自干擾能夠被完美抑制,然而在現(xiàn)有的文獻(xiàn)中并沒有明確提及如何抑制傘罩自干擾,并且缺乏可靠的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

因此,針對(duì)現(xiàn)有研究的不足,本文以電磁頻譜傘罩系統(tǒng)中的一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信場景為例,研究了傘罩自干擾抑制架構(gòu),并搭建設(shè)計(jì)了一個(gè)傘罩自干擾抑制實(shí)驗(yàn)平臺(tái),為傘罩自干擾算法提供了實(shí)驗(yàn)支持與硬件平臺(tái)。

1 系統(tǒng)模型

電磁頻譜傘罩的三維結(jié)構(gòu)如圖1所示,包含傘罩干擾機(jī)、授權(quán)通信設(shè)備和非授權(quán)通信設(shè)備。

圖1 電磁頻譜傘罩的三維結(jié)構(gòu)Fig.1 Three-dimensional structure of electromagnetic spectrum umbrella

圖1中,傘罩干擾機(jī)釋放大功率干擾信號(hào)用于切斷非授權(quán)通信,而授權(quán)通信設(shè)備與傘罩干擾機(jī)屬于協(xié)作關(guān)系,其預(yù)先知曉傘罩自干擾的先驗(yàn)信息,可以通過一定的手段對(duì)傘罩自干擾實(shí)施抑制。

本文提出的電磁頻譜傘罩自干擾抑制架構(gòu)的系統(tǒng)模型如圖2所示。傘罩自干擾信號(hào)被設(shè)計(jì)成均值為0、周期為L個(gè)符號(hào)的循環(huán)偽隨機(jī)序列,便于在存在時(shí)延的情況下進(jìn)行頻率同步。

圖2 電磁頻譜傘罩自干擾抑制系統(tǒng)模型Fig.2 Model of self-interference suppression system in electromagnetic spectrum umbrella

(1)

r(n)=hcc(n-Dc)ej2πFcn+rs(n)+wr(n)

(2)

式中：Dc和Fc分別表示接收傘罩自干擾的歸一化傳播時(shí)延和歸一化頻偏;rs(n)和wr(n)分別表示授權(quán)接收機(jī)處的基帶期望信號(hào)和等效基帶噪聲。

1.1 頻率同步

由于c(n)是周期為L個(gè)符號(hào)的循環(huán)偽隨機(jī)序列,因此可以在未進(jìn)行時(shí)間同步的情況下直接進(jìn)行頻率同步。本文中,頻偏由導(dǎo)引輔助估計(jì)器估計(jì)得到[10],其表達(dá)式為

(3)

利用式(3)的結(jié)果對(duì)授權(quán)接收機(jī)處的數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行頻率補(bǔ)償,可得

(4)

1.2 時(shí)間同步

在消除頻偏的影響后,利用頻偏補(bǔ)償后的數(shù)字基帶接收信號(hào)rf(n)進(jìn)行時(shí)間同步。首先,利用自相關(guān)法使rf(n)和本地參考傘罩自干擾c(n)進(jìn)行符號(hào)級(jí)對(duì)齊[11],即同步誤差控制在1/2個(gè)符號(hào)以內(nèi)。符號(hào)級(jí)同步后的本地參考傘罩自干擾信號(hào)可以表示為

cs(n)=c(n-〈Dc〉)

(5)

式中:〈·〉表示四舍五入操作。

隨后,利用互功率譜的相位來估計(jì)分?jǐn)?shù)級(jí)時(shí)延D0=Dc-〈Dc〉[12]。rf(n)與cs(n)的互功率譜為

(6)

(7)

式中:θ0是由信道增益hc和殘余頻偏δc引起的綜合相位偏移。

利用最小二乘法,可以計(jì)算出分?jǐn)?shù)級(jí)時(shí)延的估計(jì)值為

(8)

得到時(shí)延估計(jì)值后,利用文獻(xiàn)[13]中提出的可變分?jǐn)?shù)級(jí)時(shí)延濾波器將時(shí)延補(bǔ)償給本地參考傘罩自干擾cs(n)[13],表達(dá)式為

(9)

式中:Cl,m為可變分?jǐn)?shù)級(jí)時(shí)延濾波器的系數(shù);*表示卷積操作。

1.3 信道估計(jì)

時(shí)頻同步后,通過最大似然估計(jì)方法實(shí)現(xiàn)信道估計(jì)[14]。信道增益可估計(jì)為

(10)

利用式(10)的結(jié)果對(duì)時(shí)間同步后的本地參考傘罩自干擾信號(hào)進(jìn)行信道補(bǔ)償,補(bǔ)償后的信號(hào)可表示為

(11)

由此,傘罩自干擾重建完成。利用式(4)和式(11)進(jìn)行傘罩自干擾抑制,可得

(12)

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

如圖3所示,使用一個(gè)基于軟件定義的無線電(software defined radio,SDR)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),用于驗(yàn)證本文提出的傘罩自干擾抑制架構(gòu)的有效性,圖3(a)和圖3(b)分別表示的是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的原理框圖與實(shí)物照片。其中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)由數(shù)字信號(hào)處理平臺(tái)定為U2和數(shù)據(jù)采集卡定為FMC102組成,如圖4所示。定為U2板卡包含賽靈思(Xilinx)XC7K325T-2-FFG676現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)[15],定為FMC102板卡包含兩個(gè)最大采樣率為1GSPS的16位德州儀器(TI)DAC5682的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(digital to analog converter,DAC)以及兩個(gè)最大采樣速率為250MSPS的12位亞諾德AD6913的ADC[16]。

圖3 電磁頻譜傘罩原理框圖和實(shí)物圖Fig.3 Principle block diagram and physical drawing of electromagnetic spectrum umbrella

圖4 電磁頻譜傘罩實(shí)驗(yàn)板卡實(shí)物圖Fig.4 Physical drawing of electromagnetic spectrum umbrella experiment board card

該實(shí)驗(yàn)步驟如下:首先,利用Matlab軟件生成基帶期望信號(hào)和傘罩自干擾,其功率由數(shù)字功率控制器分配;然后利用TCP/IP協(xié)議,通過網(wǎng)線將基帶信號(hào)下載到通信發(fā)射機(jī)和傘罩干擾機(jī)中相應(yīng)的同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器芯片;接下來,將基帶信號(hào)與基帶傘罩自干擾在FPGA中進(jìn)行數(shù)字上變頻,再送至DAC之后進(jìn)行發(fā)射;經(jīng)過信道后,混合信號(hào)被授權(quán)接收機(jī)和非授權(quán)接收機(jī)的天線捕獲,并送至ADC進(jìn)行數(shù)字下變頻;最后,混合基帶信號(hào)通過網(wǎng)線上傳至Matlab軟件。對(duì)于授權(quán)接收機(jī),先使用圖2所示的傘罩自干擾抑制架構(gòu)從混合接收信號(hào)中抑制傘罩自干擾,再對(duì)抑制后的殘余信號(hào)進(jìn)行解調(diào),從而恢復(fù)原始期望信號(hào)的比特信息。但是對(duì)非授權(quán)接收機(jī)而言,期望信號(hào)和傘罩自干擾的混合信號(hào)不經(jīng)過自干擾抑制,直接解調(diào)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中,傘罩自干擾使用均值為0、周期為1 024個(gè)符號(hào)的循環(huán)偽隨機(jī)序列,期望信號(hào)使用未編碼的二進(jìn)制相移鍵控信號(hào)表示。為了更好地觀察傘罩自干擾抑制性能,傘罩自干擾和期望信號(hào)的帶寬分別設(shè)置為100 kHz和50 kHz。在FPGA中,基帶傘罩自干擾和基帶期望信號(hào)被上變頻至100 MHz。公平起見,假設(shè)非授權(quán)接收機(jī)靠近授權(quán)接收機(jī),并考慮傘罩干擾機(jī)位于收發(fā)信機(jī)內(nèi)部區(qū)域和外圍區(qū)域兩種情形。于是,設(shè)置通信發(fā)射機(jī)和授權(quán)接收機(jī)之間的距離為1 m,傘罩干擾機(jī)與授權(quán)接收機(jī)之間的距離為0.5 m(對(duì)應(yīng)于內(nèi)部區(qū)域)和2 m(對(duì)應(yīng)于外圍區(qū)域)。總功率預(yù)算為P=Ps+Pc=20 dBm,其中Ps和Pc分別表示期望信號(hào)和傘罩自干擾的發(fā)射功率。此外,授權(quán)接收機(jī)與非授權(quán)接收機(jī)底噪的功率譜密度均為-95 dBm/Hz。

當(dāng)傘罩干擾機(jī)位于收發(fā)信機(jī)內(nèi)部區(qū)域,且期望信號(hào)和傘罩自干擾都以17 dBm的功率發(fā)射時(shí),傘罩自干擾抑制前后授權(quán)接收機(jī)接收信號(hào)的功率譜密度如圖5所示。為了便于對(duì)比,完美傘罩自干擾抑制的情況也在圖5中給出。觀察可知,接收期望信號(hào)先被淹沒在傘罩自干擾中,隨著頻率的增加,在傘罩自干擾抑制后能夠看到期望信號(hào)的頻譜輪廓,其中該結(jié)構(gòu)提供了51 dB的抑制能力。與無傘罩自干擾的純凈期望信號(hào)相比,所提出的傘罩自干擾抑制結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了5 dB的殘余傘罩自干擾,使得底噪提升約5 dB。

當(dāng)傘罩自干擾和期望信號(hào)以不同功率發(fā)射時(shí),圖6給出了電磁頻譜傘罩實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的保密容量,其定義為授權(quán)信道優(yōu)于非授權(quán)信道的通信容量。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中發(fā)現(xiàn),在傘罩自干擾的幫助下,系統(tǒng)的保密容量可以達(dá)到正值,意味著授權(quán)信道的質(zhì)量優(yōu)于非授權(quán)信道。此外,期望信號(hào)和傘罩自干擾的發(fā)射功率存在最優(yōu)分配策略,當(dāng)傘罩干擾機(jī)位于收發(fā)信機(jī)內(nèi)部區(qū)域時(shí),最優(yōu)保密容量在發(fā)射干信比為-5 dB時(shí)取得;當(dāng)傘罩干擾機(jī)位于收發(fā)信機(jī)外圍區(qū)域時(shí),最優(yōu)保密容量在發(fā)射干信比為0 dB時(shí)取得,這意味著當(dāng)傘罩干擾機(jī)位于收發(fā)信機(jī)外圍區(qū)域時(shí),應(yīng)將更多的功率用于發(fā)射傘罩干擾來阻斷非授權(quán)通信。另外,與完美傘罩自干擾抑制相比,由于不完美時(shí)頻同步、不完美信道估計(jì)、DAC和ADC的非線性等因素,導(dǎo)致所提出的傘罩自干擾抑制結(jié)構(gòu)存在約0.8 bps/Hz的保密容量損失。

圖5 授權(quán)接收機(jī)功率譜分析Fig.5 Power spectrum analysis of the authorized receiver

圖6 保密容量分析Fig.6 Secrecy capacity analysis

圖7給出了授權(quán)接收機(jī)和非授權(quán)接收機(jī)的誤碼率性能。由觀察可知,當(dāng)發(fā)射干信比較小時(shí),授權(quán)接收機(jī)和非授權(quán)接收機(jī)都能準(zhǔn)確地解碼期望信號(hào)。隨著發(fā)射干信比增大,非授權(quán)接收機(jī)的誤碼率逐漸增大,因?yàn)楦鼜?qiáng)的傘罩自干擾信號(hào)會(huì)嚴(yán)重降低非授權(quán)接收機(jī)處的信噪比。但對(duì)授權(quán)接收機(jī)而言,如果發(fā)射干信比小于30 dB,由于具備傘罩自干擾抑制能力,其仍有可能成功解碼期望信號(hào)。然而，當(dāng)進(jìn)一步增加傘罩自干擾功率時(shí),授權(quán)接收機(jī)處的誤碼率會(huì)增大,因?yàn)楫?dāng)總功率受限時(shí),增加傘罩自干擾功率會(huì)降低期望信號(hào)功率,從而導(dǎo)致授權(quán)接收機(jī)處的信噪比降低,限制誤碼率性能。此外,還可以觀察到,當(dāng)傘罩干擾機(jī)位于收發(fā)信機(jī)外圍區(qū)域時(shí),非授權(quán)接收機(jī)的誤碼率比傘罩干擾機(jī)位于收發(fā)信機(jī)內(nèi)部區(qū)域時(shí)更低,但授權(quán)接收機(jī)的誤碼率性能沒有變化,這意味著應(yīng)將更多的功率用于發(fā)射傘罩干擾來惡化非授權(quán)通信。

圖7 誤碼率性能分析Fig.7 Performance analysis of bit error rate

4 結(jié) 論

本文提出了一種傘罩自干擾抑制架構(gòu),并設(shè)計(jì)了FPGA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來驗(yàn)證該架構(gòu)的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文所提出的傘罩自干擾抑制結(jié)構(gòu)能夠充分抑制授權(quán)接收機(jī)處的傘罩自干擾,在切斷非授權(quán)通信的同時(shí),可以保障授權(quán)設(shè)備的正常通信,并且降低期望信號(hào)被截獲的風(fēng)險(xiǎn)。另外,本文可為電磁頻譜傘罩系統(tǒng)提供實(shí)驗(yàn)支撐和硬件平臺(tái)。