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        一種基于迭代計算的短波有效壓制功率估計新方法

        2012-03-18 08:10:06苑小華羅武忠
        電訊技術(shù) 2012年8期
        關(guān)鍵詞:發(fā)射功率電離層壓制

        苑小華,羅武忠,鄭 輝

        (盲信號處理國家重點實驗室,成都610041)

        1 引 言

        短波天波干擾具有隱蔽性好、安全性高的優(yōu)點,一直是短波通信對抗的主要方式。通常對干擾發(fā)射功率的估算依靠經(jīng)驗公式,但由于其傳輸媒介電離層是時變參數(shù)的信道,對電波傳播損耗估算與實際值存在較大偏差。為了保證干擾的可靠性,損耗常取最大值,干擾的發(fā)射功率遠(yuǎn)大于實際需要的功率。這種干擾功率的確定方法不但增加了干擾設(shè)備的負(fù)擔(dān),也增大了被跟蹤定位的概率。

        隨著電離層探測技術(shù)的發(fā)展,有學(xué)者提出利用電離層探測設(shè)備探測干擾鏈路中點上空的電離層參數(shù)來估算傳輸損耗以提高估計精度。然而,電離層的不規(guī)則性使得由實測電離層參數(shù)計算的傳播損耗仍有5 ~10 dB的誤差,并且由于接收方通信信號場強(qiáng)未知,也無法準(zhǔn)確估計有效壓制所需要的功率。

        本文提出的有效壓制功率計算方法完全不同于鏈路損耗預(yù)算的方法,避免了鏈路預(yù)算中的不確定性。該方法利用短波通信系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)制(Adaptive Modulation,AM)和自動重傳請求(Automatic repeat request,ARQ)機(jī)制,通過迭代干擾搜索有效壓制功率。本文推導(dǎo)了算法的理論基礎(chǔ)和迭代干擾的基本原理,并給出了半功率迭代干擾算法仿真結(jié)果。

        2 有效壓制功率的計算公式

        在通信對抗系統(tǒng)中,當(dāng)干擾目標(biāo)位置和干擾樣式確定后,干擾的有效壓制系數(shù)Kj用場強(qiáng)表示為

        式中,Es是通信信號的強(qiáng)度;Ej是干擾信號的強(qiáng)度,單位μV/m。所需要的干擾信號場強(qiáng)E′j為

        對于天波干擾,信號場強(qiáng)的計算公式[4]為

        式中, Pj是發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率,單位kW;Gj是天線在干擾方向上的指向性增益,單位dB;Dx為經(jīng)電離層反射的斜射距離,單位km;Li 是電離層的吸收損耗,單位是dB;Lg是地面反射損耗,單位是dB,天波干擾不考慮兩跳(含)以上情況其值為0;Ly是額外損耗,單位dB,通常由電離層造成的無法準(zhǔn)確測量的損耗在5 ~10 dB。

        將式(3)代入式(2),推導(dǎo)有效壓制功率lg Pj(單位dBW)的計算公式得

        干擾樣式確定后,通信系統(tǒng)的解調(diào)高于規(guī)定誤碼率的信干比門限是確定的,即有效壓制系數(shù)Kj可以確定,Li、Dx在確定干擾目標(biāo)位置后可以估算,Gj、Es、Ly完全未知,為保證干擾可靠只能按照最大值估算,使得干擾功率的估計值lg Pjlg Pj。

        假設(shè)信號持續(xù)時間內(nèi)電離層參數(shù)和通信信號接收場強(qiáng)是恒定不變的,則可以認(rèn)為Es、Li、Dx、Gj、Ly是不變的,式(4)可簡化為

        式中,A、B 是常量,如果能夠找出兩對lg Pj和Kj組成一個方程組,就能正確求解A、B 的值。

        令方差σ2=(lg Pj-lg Pj)2,可采用一維搜索的方法求出lg Pj,并代入式(5)求解A、B 。

        3 針對AM 和ARQ的迭代干擾方式

        AM 和ARQ 技術(shù)是短波通信中為了保證不同信道條件下通信質(zhì)量而制定的傳輸控制技術(shù),這兩種機(jī)制的存在使得干擾中獲得多個壓制系數(shù)的值成為可能。

        自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)根據(jù)信道質(zhì)量自動選擇調(diào)制方式、子載波路數(shù)、調(diào)制速率、編碼方式等調(diào)制參數(shù),控制傳輸速率以保證傳輸質(zhì)量和可靠性。在采用自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)的短波通信系統(tǒng)中往往將傳輸速率分成若干等級,每個速率等級對應(yīng)不同的調(diào)制參數(shù),其正確解調(diào)所需要的信噪比門限不同。通信對抗中,對不同速率等級的數(shù)據(jù)傳輸有效壓制系數(shù)也不同。

        設(shè)速率等級Si對應(yīng)的有效壓制系數(shù)為Kj(Si),其中S i

        時,通信方按照速率等級Si傳輸。

        ARQ 技術(shù)是傳輸控制中通信雙方的協(xié)商技術(shù)。短波通信中往往將一段報文分成若干個數(shù)據(jù)包分別傳輸,每傳送完一包,接收方對接收情況(如信噪比、誤碼率等)進(jìn)行評估,并將繼續(xù)發(fā)送下一包、重傳數(shù)據(jù)包、調(diào)整速率等級等信息反饋給發(fā)送方,如圖1 所示。

        圖1 干擾方式示意圖Fig.1 Jamming process

        假設(shè)數(shù)據(jù)包0 按照速率等級Si傳輸,選擇合適的干擾功率滿足

        干擾數(shù)據(jù)包0 的接收,接收方解調(diào)誤碼率高于門限則反饋信息要求以速率等級Si重發(fā)數(shù)據(jù)包0,獲取該信息后, 干擾方降低發(fā)射功率滿足P

        通過有效功率搜索算法得到兩組以上的Pj(Si)~Kj(Si),即可代入式(6)求得A、B 的值,進(jìn)而求得最低速率等級對應(yīng)的有效壓制功率Pj(S0),即得到干擾的最小有效壓制功率。

        4 迭代計算的算法仿真

        對最小有效壓制功率的估計的關(guān)鍵是通過調(diào)整發(fā)射功率,根據(jù)目標(biāo)反應(yīng),搜索干擾功率的門限值,搜索算法的性能影響了搜索的效率,本節(jié)采用半功率值迭代搜索算法,并對算法進(jìn)行了仿真。

        設(shè)每次發(fā)射的干擾功率為P ,初始功率增量為δ,算法流程如圖2 所示。

        圖2 半功率迭代算法流程Fig.2 Half-power iterative algorithm flow

        下面通過計算機(jī)仿真檢驗半功率迭代搜索算法的估計精度和收斂速度。

        假設(shè)某自適應(yīng)調(diào)制通信系統(tǒng)有4 個速率等級分別采用2 400 bit/s的BPSK、QPSK、8PSK、16QAM 調(diào)制方式,干擾信號采用高斯白噪聲,經(jīng)實驗其速率等級和解調(diào)誤碼率門限對應(yīng)的信干比如表1 所示。

        表1 速率等級和解調(diào)誤碼率門限對應(yīng)表Table 1 Speed level parameter

        干擾信號采用高斯白噪聲干擾。通信信號接收功率為-60 dBm,干擾信號傳輸損耗和增益之和為120 dB,設(shè)干擾功率的初始值為P =200 W和P =150 W,初始功率增量δ=50 W,設(shè)初始狀態(tài)傳輸速率等級為2,精度設(shè)為1 W。功率搜索的仿真結(jié)果如圖3 所示。

        圖3 半功率迭代算法仿真結(jié)果Fig.3 Simulation of half-power iterative algorithm

        干擾功率初始值為P=200 W時,經(jīng)過8 次搜索找到速率等級1 的有效壓制功率229 W,再經(jīng)過9 次找到速率等級2 的有效壓制功率141 W;P =150 W時,經(jīng)過9 次搜索找到速率等級1 的有效壓制功率229 W,再經(jīng)過9 次找到速率等級2 的有效壓制功率141 W。將上述搜索結(jié)果代入式(7),計算得到干擾的最小有效壓制功率值為對速率等級1 的有效壓制功率值229 W。

        仿真結(jié)果表明,半功率迭代算法通過有限次迭代可以很快收斂,得到的估計值接近實際有效壓制功率。實際中為保證干擾的安全性,可以選用較小的初始功率。本算法以時間為代價換取估計精度,實際中可以通過犧牲估計精度來減少迭代次數(shù),提高搜索效率。

        5 結(jié)束語

        本文提出的迭代干擾算法基于自適應(yīng)調(diào)制機(jī)制中有效壓制功率和壓制系數(shù)間的線性對應(yīng)關(guān)系,利用自動重傳請求機(jī)制中的反饋信息作為迭代調(diào)整的依據(jù),通過有限次迭代搜索獲得有效壓制功率的估計值。相比早期的估算方法,新算法避免了鏈路損耗估計中的諸多不確定因素,使得有效壓制功率的估計精度大幅提高,滿足了干擾系統(tǒng)保證干擾效果的同時合理控制發(fā)射功率的要求。同時,搜索過程不破壞鏈路,具有很強(qiáng)的隱蔽性。

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