李少謙，程郁凡，董彬虹，唐雪梅

(1.電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都611731;2.中國(guó)人民解放軍95486部隊(duì)，四川成都610043)

0 引言

信息戰(zhàn)是現(xiàn)代和未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的關(guān)鍵作戰(zhàn)方式，在信息戰(zhàn)中，誰(shuí)贏得通信的主動(dòng)權(quán)，誰(shuí)就可以取得戰(zhàn)爭(zhēng)的勝利，但隨著信息化程度的提高，電磁干擾環(huán)境日益復(fù)雜，要保障信息的可靠傳輸，對(duì)通信設(shè)備、系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力提出了更高、更嚴(yán)的要求。

隨著信號(hào)處理技術(shù)和芯片技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有干擾設(shè)備的干擾能力越來(lái)越強(qiáng)，例如美國(guó)的EA-18G“咆哮者”電子戰(zhàn)飛機(jī)包括全新的通信對(duì)抗系統(tǒng)、干擾裝置和干擾對(duì)消設(shè)備，在對(duì)敵方實(shí)施干擾的同時(shí)，又具有監(jiān)聽(tīng)能力和通信能力［1］;日益增強(qiáng)的偵察干擾設(shè)備對(duì)目前的抗干擾通信提出了空前挑戰(zhàn)。

抗干擾通信技術(shù)一方面向提高傳統(tǒng)抗干擾技術(shù)方向發(fā)展，例如高速跳頻、變速跳頻和自適應(yīng)跳頻等。另一方面，向綜合化、智能化和寬帶化方向發(fā)展。例如美國(guó)國(guó)防部DARPA于2003年提出的XG計(jì)劃，可根據(jù)環(huán)境頻譜的變化自適應(yīng)地改變發(fā)射波形。XG計(jì)劃充分體現(xiàn)了智能通信的思想——認(rèn)知環(huán)境頻譜，根據(jù)電磁環(huán)境智能地產(chǎn)生最佳的發(fā)射波形。智能抗干擾技術(shù)便是智能通信思想在抗干擾通信領(lǐng)域的應(yīng)用，即:根據(jù)電磁干擾環(huán)境智能地產(chǎn)生最佳抗干擾方式，大大提高系統(tǒng)的抗干擾能力和頻譜的利用率，實(shí)現(xiàn)高效可靠的抗干擾通信。

智能抗干擾通信技術(shù)既體現(xiàn)在通信設(shè)備上，也體現(xiàn)在整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)中，這里重點(diǎn)討論智能抗干擾通信設(shè)備在鏈路級(jí)的技術(shù)。

1 智能抗干擾通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)智能抗干擾的思想，其通信設(shè)備應(yīng)具有以下功能:①實(shí)時(shí)進(jìn)行干擾的快速檢測(cè)和識(shí)別;② 針對(duì)干擾，通過(guò)智能實(shí)時(shí)決策，重構(gòu)產(chǎn)生最佳抗干擾傳輸波形;③收發(fā)雙方有可靠的信令傳輸機(jī)制，同時(shí)基于重構(gòu)的波形，能完成信息的快速適變魯棒傳輸。

圖1描述了智能抗干擾通信技術(shù)的基本原理，在智能抗干擾通信中，干擾認(rèn)知是前提，實(shí)時(shí)決策是核心，波形重構(gòu)和快速適變的可靠傳輸是手段。

圖1 智能抗干擾通信環(huán)

在此基礎(chǔ)上，智能抗干擾通信底層協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖2所示。底層協(xié)議棧分為了3個(gè)層面:干擾認(rèn)知層面、信令傳輸層面和數(shù)據(jù)傳輸層面。

圖2 智能抗干擾通信底層協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

其中實(shí)時(shí)抗干擾通信智能決策模塊根據(jù)本地干擾檢測(cè)的結(jié)果、來(lái)自信令傳輸層面的其他節(jié)點(diǎn)的干擾檢測(cè)結(jié)果以及鏈路性能等指標(biāo)，實(shí)時(shí)智能決策當(dāng)前應(yīng)該采用的最佳抗干擾傳輸方式和相應(yīng)的參數(shù)配置(如頻率、功率和調(diào)制編碼方式等)，通過(guò)信令傳輸通道發(fā)送給相應(yīng)的接收節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)重構(gòu)產(chǎn)生抗干擾波形，并采用可靠的波形傳輸機(jī)制完成收發(fā)雙方的信息傳輸。

2 智能抗干擾通信中的關(guān)鍵技術(shù)

智能抗干擾通信中的關(guān)鍵技術(shù)主要包括:干擾認(rèn)知技術(shù)、抗干擾波形重構(gòu)技術(shù)、可靠信令傳輸技術(shù)、快速適變的波形傳輸技術(shù)和實(shí)時(shí)抗干擾通信智能決策技術(shù)等。

2.1 干擾認(rèn)知技術(shù)

對(duì)干擾的認(rèn)知是智能抗干擾系統(tǒng)的前提和基礎(chǔ)，包括干擾的實(shí)時(shí)檢測(cè)和快速識(shí)別。實(shí)時(shí)檢測(cè)要求從復(fù)雜電磁干擾環(huán)境中快速有效地檢測(cè)出干擾信號(hào)。當(dāng)干擾和信號(hào)在多域上共存時(shí)的檢測(cè)是一個(gè)難題，相反，如果干擾和信號(hào)在時(shí)域、頻域或空域是不相交的，對(duì)干擾的檢測(cè)相對(duì)簡(jiǎn)單。

干擾檢測(cè)算法除了常采用能量檢測(cè)外，還可以應(yīng)用循環(huán)譜檢測(cè)、基于特征值分解［2］以及統(tǒng)計(jì)協(xié)方差矩陣［3］等干擾檢測(cè)算法，每種算法都有各自所需的應(yīng)用條件以及優(yōu)缺點(diǎn)。循環(huán)譜檢測(cè)算法復(fù)雜度很高;后2種算法主要檢測(cè)干擾是否存在，不能給出干擾的頻譜分布情況。但在實(shí)際應(yīng)用中，不僅要檢測(cè)干擾是否存在，還要估計(jì)干擾參數(shù)，甚至識(shí)別出干擾類(lèi)型?；陬l域能量的干擾檢測(cè)算法更為實(shí)用，算法簡(jiǎn)單，并且不需要干擾信號(hào)的先驗(yàn)信息。但傳統(tǒng)的頻域能量干擾檢測(cè)算法性能的好壞直接受到設(shè)定的門(mén)限值影響，對(duì)噪聲比較敏感。

為了克服此缺點(diǎn)，連續(xù)均值去除(Consecutive Mean Excision，CME)和前向連續(xù)均值去除(Forward Consecutive Mean Excision，F(xiàn)CME)［4］被提出，與傳統(tǒng)的頻域干擾檢測(cè)算法相比，這幾種算法均基于迭代思想，其門(mén)限適應(yīng)了干擾的變化，對(duì)噪聲不太敏感。將各頻點(diǎn)分為噪聲頻點(diǎn)集和干擾頻點(diǎn)集，檢測(cè)門(mén)限由噪聲頻點(diǎn)集決定。CME算法是一個(gè)從噪聲頻點(diǎn)集中不斷刪除干擾頻點(diǎn)的過(guò)程，F(xiàn)CME算法是一個(gè)向噪聲頻點(diǎn)集中不斷增加噪聲頻點(diǎn)的過(guò)程，迭代結(jié)束時(shí)，噪聲頻點(diǎn)集和干擾頻點(diǎn)集已確定，由此可估計(jì)出噪聲功率和各干擾的頻點(diǎn)位置和功率。

圖3為頻域能量干擾檢測(cè)算法的簡(jiǎn)化模型。其中的加窗處理是為了降低大干擾頻點(diǎn)在經(jīng)過(guò)FFT變換后的頻譜擴(kuò)散和泄露，避免把一個(gè)單音或窄帶干擾檢測(cè)為寬帶干擾，提高干擾檢測(cè)的頻譜分辨率。

圖3 頻域能量干擾檢測(cè)的簡(jiǎn)化模型

門(mén)限因子T與虛警概率、迭代次數(shù)和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度有關(guān)，因?yàn)樵肼曨l點(diǎn)集不斷被更新，其檢測(cè)門(mén)限是一個(gè)自適應(yīng)的門(mén)限，大大提高了干擾檢測(cè)的性能。

在窄帶干擾條件下，CME和FCME算法的性能都接近理想的頻域能量檢測(cè)性能;在寬帶干擾條件下(例如干擾頻帶因子大于0.7)，由于干擾頻帶范圍很寬，這種依據(jù)噪聲統(tǒng)計(jì)特性的頻域能量干擾檢測(cè)算法性能將下降，同時(shí)在相同的檢測(cè)概率下，F(xiàn)CME比CME算法性能略好一些，這是由于FCME算法對(duì)噪聲功率的估計(jì)更為準(zhǔn)確［5］。

在用CME/FCME算法檢測(cè)部分頻帶干擾并進(jìn)行識(shí)別時(shí)，當(dāng)門(mén)限因子大時(shí)，可能會(huì)把一個(gè)部分頻帶干擾分成幾段干擾;另一方面，當(dāng)門(mén)限因子小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致虛警發(fā)生。因此在干擾分類(lèi)和識(shí)別時(shí)，可采用雙門(mén)限［6］:低門(mén)限和高門(mén)限，低門(mén)限用來(lái)避免把信號(hào)分成幾部分，高門(mén)限用來(lái)檢測(cè)干擾信號(hào)。

2.2 抗干擾波形重構(gòu)技術(shù)

“抗干擾波形重構(gòu)”利用波形基函數(shù)庫(kù)，生成匹配環(huán)境頻譜、滿(mǎn)足系統(tǒng)抗干擾容限和容量需求的抗干擾傳輸波形?？刹捎没谧儞Q域的方式產(chǎn)生抗干擾傳輸波形［7］，其表征方法如圖4所示。其基本思想是尋找合適的表示域，利用該域中基函數(shù)，通過(guò)有限的描述參數(shù)，提供這些抗干擾通信波形的一體化描述，表征多種現(xiàn)有抗干擾波形。由于這樣的表示框架是基于基函數(shù)的表示，可以通過(guò)重構(gòu)，生成新的波形，以匹配時(shí)變的無(wú)線(xiàn)通信環(huán)境和干擾模式。

圖4 抗干擾傳輸波形一體化表征方法

一般地，設(shè)在指定的表示域，通信波形可以用下式描述:

式中，符號(hào)“?”是廣義的運(yùn)算符，可以是卷積、相乘及相加等，取決于表示域和基函數(shù)集 { Bn}。對(duì)于每個(gè)基函數(shù)Bi，可以用一些特定參數(shù)描述如下:

這樣，實(shí)際傳輸?shù)娜我獠ㄐ危梢酝ㄟ^(guò)參數(shù)集{d，c，w，o，a，u，…} 統(tǒng)一描述。

利用設(shè)計(jì)的基函數(shù)集構(gòu)建波形庫(kù)，該波形庫(kù)包括適應(yīng)環(huán)境頻譜特性的多種抗干擾傳輸波形，將波形庫(kù)信息也要送至上層的智能決策模塊。在通信過(guò)程中，根據(jù)決策模塊送來(lái)的系統(tǒng)參數(shù)信息，選擇滿(mǎn)足抗干擾需求和最大化傳輸容量的波形輸出，當(dāng)波形庫(kù)中的所有波形不滿(mǎn)足系統(tǒng)需求時(shí)，決策模塊指示波形重構(gòu)模塊產(chǎn)生新的抗干擾波形添加到波形庫(kù)中，同時(shí)輸出該波形。

2.3 可靠信令傳輸技術(shù)

為了有效保證信令傳輸?shù)目煽啃?，可采用具有抗干擾和抗截獲性強(qiáng)的變換域通信技術(shù)(Transform Domain Communication System，TDCS)。TDCS采用類(lèi)似于噪聲的基函數(shù)進(jìn)行信息調(diào)制［8］，調(diào)制信號(hào)隱蔽性好，可在極低信噪比條件下通信，且能有效抵抗多種形式的干擾，可靠性和安全性高。

圖5為基于OFDM的TDCS收發(fā)結(jié)構(gòu)。收發(fā)雙方采用與干擾盡量正交的基函數(shù)，避免了干擾對(duì)系統(tǒng)性能的影響。這種TDCS基于成熟的OFDM方式，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，由于采用恒包絡(luò)的循環(huán)碼移鍵控(Cyclic Code Shift Keying，CCSK)調(diào)制，峰平比低，具有低截獲性。

圖5 基于OFDM的TDCS收發(fā)結(jié)構(gòu)

在信令交互初期，收發(fā)雙發(fā)各自檢測(cè)的干擾頻譜的差異導(dǎo)致收發(fā)的頻譜罩不一致，仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果表明，在AWGN信道下，收發(fā)雙方頻譜罩有3/16差異時(shí)，比收發(fā)頻譜罩一致時(shí)的性能約下降1～2 dB。由于TDCS具有擴(kuò)頻增益(可根據(jù)需求設(shè)計(jì))，在部分頻譜不可用且收發(fā)頻譜罩不一致的情況下，性能雖有損失，但仍能可靠傳輸信令，然后收發(fā)雙方在信令交互的過(guò)程中，不斷使收發(fā)的頻譜罩一致，主動(dòng)規(guī)避干擾，使信令的傳輸更為可靠，所以TDCS信令傳輸技術(shù)具有很強(qiáng)的魯棒性。

2.4 快速適變的波形傳輸技術(shù)

要保障在惡劣電磁干擾環(huán)境下抗干擾波形的可靠傳輸，則需要高效可靠的發(fā)射和接收處理技術(shù)，以適應(yīng)頻譜的動(dòng)態(tài)變化，對(duì)付多種干擾。主要包括:①自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù);②快速同步技術(shù);③快速信道估計(jì)技術(shù);④自適應(yīng)多域干擾抑制技術(shù);⑤ 快速迭代抗干擾檢測(cè)技術(shù)。即在收發(fā)雙方動(dòng)態(tài)重構(gòu)抗干擾波形的基礎(chǔ)上，接收端通過(guò)多域、多維的抗干擾聯(lián)合處理，進(jìn)一步保障信息的高效、可靠傳輸。

這些技術(shù)都是傳統(tǒng)接收處理技術(shù)的改進(jìn)，需要快速完成，適應(yīng)環(huán)境頻譜的變化和重構(gòu)波形的變化，既需要收發(fā)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的處理能力，又對(duì)算法的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)提出了更高的要求。

2.5 實(shí)時(shí)抗干擾通信智能決策技術(shù)

實(shí)時(shí)抗干擾通信智能決策模塊是智能抗干擾通信系統(tǒng)的核心，其輸入輸出如圖6所示。決策過(guò)程本質(zhì)上是根據(jù)環(huán)境信息和信道質(zhì)量，在一定的約束條件下(例如抗干擾容限與系統(tǒng)容量要求)，依據(jù)決策準(zhǔn)則(例如最小化功率或最大化傳輸速率或最小化誤碼率，或組合目標(biāo))，自適應(yīng)地在一個(gè)巨大的解空間中尋找到目標(biāo)函數(shù)(指定性能參數(shù)函數(shù))的最優(yōu)解組合策略的過(guò)程。可采用基于學(xué)習(xí)和優(yōu)化相結(jié)合的智能決策機(jī)制。

圖6 實(shí)時(shí)智能決策模塊的輸入輸出

3 結(jié)束語(yǔ)

該文從鏈路級(jí)的角度，給出了智能抗干擾通信環(huán)和底層協(xié)議棧，分析了智能抗干擾通信中的關(guān)鍵技術(shù):基于頻域能量迭代的干擾檢測(cè)、基于變換域的抗干擾一體化波形重構(gòu)，基于TDCS的信令傳輸、快速適變的波形傳輸收發(fā)處理技術(shù)、優(yōu)化與學(xué)習(xí)相結(jié)合的實(shí)時(shí)抗干擾通信智能決策等，對(duì)智能抗干擾通信技術(shù)的發(fā)展給出了一定的研究方向。當(dāng)然，除了這些鏈路級(jí)的技術(shù)，發(fā)展智能抗干擾通信系統(tǒng)還需要研究智能抗干擾網(wǎng)絡(luò)、頻譜資源的動(dòng)態(tài)規(guī)劃和管控機(jī)制等。

［1］李朝榮，郭寶錄，樂(lè)洪宇.電子戰(zhàn)飛機(jī)的發(fā)展動(dòng)向與分析［J］.艦船電子工程，2009，29(3)：32 －36.

［2］ZENG Y H，LIANG Y C.Eigenvalue-Based Spectrum Sensing Algorithms for Cognitive Radio［J］.IEEE Trans.Veh.Technol.，2009，57(6)：1784 －1793.

［3］ZENG Y H，LIANG Y C.Spectrum-sensing algorithms for cognitive radio based on statistical covariances［J］.IEEE Trans.Veh.Technol.，2009，58(4)：1804 －1815.

［4］PERTTI HENTTU，SAMI AROMAA.Consecutive Mean Excision Algorithm［C］∥IEEE 7 Int Symp.on Spread-Spectrum Tech＆ Appl.Prague，Sept.2 － 5.2002：51 －517.

［5］呂再興，程郁凡.基于頻域的盲干擾檢測(cè)算法研究［J］.現(xiàn)代軍事通信，2011，19(1)：15 －19.

［6］VARTIAINEN J，LEHTOMAKI J J，SAARNISAARI H.Doubule-Threshold Based Narrowband Signal Extraction［C］∥ Vehicular Technology Conference，2005 IEEE 61st，2：1288 －1292.

［7］ROBERTS M L，TEMPLE M A，RAINES R A，et al.Communication waveform design using an adaptive spectrally modulated，spectrally encoded (SMSE)framework［J］.IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing，2007，1(1)：203 －213.

［8］DILLARD G M，REUTER M，ZEIDLER J，et al.Cyclic Code Shift Keying：A Low Probability of Intercept Communication Technique ［J］.IEEE Transactionson Aerospaceand Electronic Systems，2003，39(3)：786－798.