苑小華,羅武忠,鄭 輝

(盲信號(hào)處理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn),一直是短波通信對(duì)抗的主要方式。通常對(duì)干擾發(fā)射功率的估算依靠經(jīng)驗(yàn)公式,但由于其傳輸媒介電離層是時(shí)變參數(shù)的信道,對(duì)電波傳播損耗估算與實(shí)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(shí)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(cè)技術(shù)的發(fā)展,有學(xué)者提出利用電離層探測(cè)設(shè)備探測(cè)干擾鏈路中點(diǎn)上空的電離層參數(shù)來(lái)估算傳輸損耗以提高估計(jì)精度。然而,電離層的不規(guī)則性使得由實(shí)測(cè)電離層參數(shù)計(jì)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(hào)場(chǎng)強(qiáng)未知,也無(wú)法準(zhǔn)確估計(jì)有效壓制所需要的功率。

本文提出的有效壓制功率計(jì)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(dòng)重傳請(qǐng)求(Automatic repeat request,ARQ)機(jī)制,通過(guò)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(jì)算公式

在通信對(duì)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(chǎng)強(qiáng)表示為

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

對(duì)于天波干擾,信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的計(jì)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(wú)法準(zhǔn)確測(cè)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(jì)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(jì)值lg Pjlg Pj。

假設(shè)信號(hào)持續(xù)時(shí)間內(nèi)電離層參數(shù)和通信信號(hào)接收?qǐng)鰪?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(jiǎn)化為

式中,A、B 是常量,如果能夠找出兩對(duì)lg Pj和Kj組成一個(gè)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(duì)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(gè)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(dòng)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(jí),每個(gè)速率等級(jí)對(duì)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(duì)抗中,對(duì)不同速率等級(jí)的數(shù)據(jù)傳輸有效壓制系數(shù)也不同。

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

時(shí),通信方按照速率等級(jí)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(bào)文分成若干個(gè)數(shù)據(jù)包分別傳輸,每傳送完一包,接收方對(duì)接收情況(如信噪比、誤碼率等)進(jìn)行評(píng)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(jí)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(jí)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(jí)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(guò)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(jí)對(duì)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(jì)算的算法仿真

對(duì)最小有效壓制功率的估計(jì)的關(guān)鍵是通過(guò)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(duì)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(guò)計(jì)算機(jī)仿真檢驗(yàn)半功率迭代搜索算法的估計(jì)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(gè)速率等級(jí)分別采用2 400 bit/s的BPSK、QPSK、8PSK、16QAM 調(diào)制方式,干擾信號(hào)采用高斯白噪聲,經(jīng)實(shí)驗(yàn)其速率等級(jí)和解調(diào)誤碼率門限對(duì)應(yīng)的信干比如表1 所示。

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

干擾信號(hào)采用高斯白噪聲干擾。通信信號(hào)接收功率為-60 dBm,干擾信號(hào)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(jí)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(shí),經(jīng)過(guò)8 次搜索找到速率等級(jí)1 的有效壓制功率229 W,再經(jīng)過(guò)9 次找到速率等級(jí)2 的有效壓制功率141 W;P =150 W時(shí),經(jīng)過(guò)9 次搜索找到速率等級(jí)1 的有效壓制功率229 W,再經(jīng)過(guò)9 次找到速率等級(jí)2 的有效壓制功率141 W。將上述搜索結(jié)果代入式(7),計(jì)算得到干擾的最小有效壓制功率值為對(duì)速率等級(jí)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(guò)有限次迭代可以很快收斂,得到的估計(jì)值接近實(shí)際有效壓制功率。實(shí)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(shí)間為代價(jià)換取估計(jì)精度,實(shí)際中可以通過(guò)犧牲估計(jì)精度來(lái)減少迭代次數(shù),提高搜索效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

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(duì)應(yīng)關(guān)系,利用自動(dòng)重傳請(qǐng)求機(jī)制中的反饋信息作為迭代調(diào)整的依據(jù),通過(guò)有限次迭代搜索獲得有效壓制功率的估計(jì)值。相比早期的估算方法,新算法避免了鏈路損耗估計(jì)中的諸多不確定因素,使得有效壓制功率的估計(jì)精度大幅提高,滿足了干擾系統(tǒng)保證干擾效果的同時(shí)合理控制發(fā)射功率的要求。同時(shí),搜索過(guò)程不破壞鏈路,具有很強(qiáng)的隱蔽性。

[1] 樊昌信, 曹麗娜.通信原理[M] .6 版.北京:國(guó)防工業(yè)出版社, 2011.

FAN Chang-xin,CAO Li-na.Communication theory[M] .6th ed.Beijing:National Defense Industry Press,2011.(in Chinese)

[ 2] 馮小平,李鵬, 楊紹全.通信對(duì)抗原理[M] .西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2009.

FENG Xiao-ping, LI Peng, YANG Shao-quan.Principles of communication countermeasure[ M] .Xi′an:Xidian University Press, 2009.(in Chinese)

[ 3] 謝國(guó)新, 李新.短波干擾有效壓制距離的計(jì)算方法[ J] .航天電子對(duì)抗,2005,21(2):53-55.

XIE Guo-xin, LI Xin.A Computing method for jamming effective blanket distance in HF[ J] .Aerospace Electronic Warfare, 2005,21(2):53-55.(in Chinese)

[4] Yun J, Jeong W C, Kavehraqd M.Throughput performance analysis for automatic-repeat-request techniques as combined with adaptive rate transm ission[ C]//Proceedings of 2002 IEEE Radio and Wireless Conference.Boston, Massachusetts,USA:IEEE,2002:31-34.

[ 5] Liu Qingwen,Zhou Shengli,Giannakis G B.Combining adaptive modulation and coding with truncated ARQ enhances throughput[ C]//Proceedings of the 4th IEEE Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications.Rome, Italy:IEEE,2003:110-114.

[6] WU J L, HOU X L, YIN C C, et al.Variable packet size adaptive modulation SR-ARQ scheme for Rayleigh fading channels[ C]//Proceedings of 15th IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications.Barcelona,Spain:IEEE,2004:1283-1286.

[ 7] Roongta A, Moom J W, Shea J M.Reliability-based hybrid ARQ for partial-time jamming channels[ C]//Proceedings of 2004 IEEE Military Communication Conference.Monterey,CA:IEEE,2004:686-692.