孫志遠(yuǎn) 潘申富 張 靜 郝 放

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所河北石家莊050081）

1 引言

在通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用軟件仿真技術(shù)已成為通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中所采用的最主要的技術(shù)手段。Math Works公司的圖形仿真工具-SIMULINK，是一種用來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可視化建模、動(dòng)態(tài)仿真與分析的集成環(huán)境，為用戶提供了用框圖進(jìn)行建模仿真的圖形接口，可以方便快捷的進(jìn)行系統(tǒng)建模。

本文通過SIMULINK仿真了一種有別于傳統(tǒng)衛(wèi)星通信中抗截獲通信的系統(tǒng)架構(gòu)。該抗截獲通信系統(tǒng)核心是融入了頻譜感知和頻譜分割技術(shù)。利用頻譜認(rèn)知技術(shù)對(duì)頻譜環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)地感知，獲取頻譜數(shù)據(jù)分布情況，并對(duì)頻譜空洞的分布、干擾、抗截獲性能進(jìn)行評(píng)估，然后指導(dǎo)寬帶信號(hào)頻譜自適應(yīng)分割成為不同寬度與數(shù)量的子譜，隱蔽在正常通信頻譜之中進(jìn)行通信，最后在接收端對(duì)子譜進(jìn)行合并，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的恢復(fù)，達(dá)到了抗截獲通信的目的。在SIMULINK環(huán)境下給出了簡化的基帶系統(tǒng)仿真模型，并對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行修改，高效地對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行全面分析。

2 系統(tǒng)模型

提出的智能化衛(wèi)星抗截獲通信體系架構(gòu)[1]由頻譜感知部分和頻譜分割聚合部分構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

頻譜感知部分對(duì)環(huán)境進(jìn)行感知，實(shí)現(xiàn)對(duì)信道以及星上轉(zhuǎn)發(fā)器頻譜資源利用情況的掌控。可以對(duì)正常業(yè)務(wù)與干擾信號(hào)進(jìn)行分析，得出頻譜空洞的分布情況以及可用性的評(píng)估預(yù)測。進(jìn)而，對(duì)各類參數(shù)進(jìn)行綜合，從歷史信息、信道可用度和抗截獲度分析頻譜空洞特性,利用決策算法，指導(dǎo)頻譜分割聚合設(shè)備參數(shù)重構(gòu)。

頻譜分割聚合[2,3]部分將根據(jù)從頻譜認(rèn)知決策設(shè)備得到的參數(shù)，對(duì)分割合并濾波器參數(shù)和頻譜搬移參數(shù)進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)子譜的精確分割、搬移和聚合，達(dá)到抗截獲通信的目的。如在圖1種，在發(fā)送端，首先將調(diào)制信號(hào)經(jīng)FFT變換到頻域上，然后根據(jù)頻譜感知設(shè)備提供的參數(shù)將信號(hào)頻譜分割成3個(gè)與頻譜空洞相適應(yīng)的子譜，再將這3個(gè)子譜分配到ABCD4個(gè)用戶之間的頻譜空隙中，隱蔽在其他用戶的信號(hào)頻譜中進(jìn)行傳輸。在接收端，頻譜分割聚合設(shè)備將接收到的3個(gè)子譜搬移合并到一起，再將信號(hào)經(jīng)IFFT變換再生出調(diào)制信號(hào)。

3 關(guān)鍵模塊分析

設(shè)計(jì)的抗截獲通信模型的建立是通過頻譜感知模塊和頻譜分割聚合模塊構(gòu)成的，其分別使用的頻譜感知技術(shù)和頻譜分割聚合技術(shù)形成對(duì)系統(tǒng)的整體支撐。

3.1 頻譜感知模塊

頻譜感知模塊利用頻譜感知技術(shù)[4]使認(rèn)知設(shè)備從周圍的無線環(huán)境中感知頻譜資源的相關(guān)信息，發(fā)現(xiàn)特定時(shí)域、頻域和空間域中未使用的頻譜資源，選擇最適當(dāng)?shù)墓ぷ黝l段和工作參數(shù)。認(rèn)知有3個(gè)主要的步驟：頻譜感知、頻譜分析和頻譜判決。頻譜感知主要是監(jiān)測目標(biāo)頻段，檢測頻譜空洞；頻譜分析是估計(jì)頻譜感知獲取的頻譜空洞特性；頻譜判決是根據(jù)頻譜空洞的特性和用戶需求選擇合適的頻段傳輸數(shù)據(jù)。

在此系統(tǒng)中，當(dāng)用戶入網(wǎng)后，終端啟動(dòng)頻譜感知決策設(shè)備，對(duì)星上頻譜占用情況和干擾情況進(jìn)行感知，檢測對(duì)頻譜占用和干擾的情況。具體包括對(duì)干擾的類和干擾的強(qiáng)度，與頻率分布特性進(jìn)行檢測，并進(jìn)行頻譜空洞鏈路特性的分析。

其中的干擾檢測[5]流程為，首先將接收的信號(hào)進(jìn)行頻域變換，得到頻域信息，然后對(duì)接收信號(hào)的譜線的能量進(jìn)行冒泡排序，選取譜線中最小的一部分（若干根譜線），假設(shè)這些譜線沒有受到干擾，并計(jì)算其均值：

利用（1）式計(jì)算出的乘以門限因子T得到檢測門限

把所有譜線與檢測門限進(jìn)行對(duì)比，小于門限值的譜線，則認(rèn)為沒有受到干擾，最后將接受信號(hào)頻譜中沒有受到干擾的譜線進(jìn)行存儲(chǔ)更新，然后重復(fù)進(jìn)行排序和選取譜線最小部分，直到?jīng)]有檢測到新的譜線小于門限值為止，這時(shí)干擾檢測結(jié)束。

3.2 頻譜分割聚合模塊[2]

在發(fā)送端，頻譜分割設(shè)備將調(diào)制解調(diào)器輸出的時(shí)域信號(hào)經(jīng)過快速傅里葉變換轉(zhuǎn)成頻域信號(hào)，再使用頻譜分割濾波器組對(duì)信號(hào)頻譜進(jìn)行分割，并將分割后的子譜分配到合適的頻段上，然后通過傅里葉逆變換將其轉(zhuǎn)換成時(shí)域信號(hào)。

在接收端，頻譜聚合設(shè)備利用快速傅里葉變換將收到的子波變換到頻域，并使用頻譜組合濾波器組對(duì)其進(jìn)行重新組合，再使用傅里葉逆變換將組合后的信號(hào)變換到時(shí)域上。最后，利用調(diào)制解調(diào)器對(duì)頻譜聚合適配器輸出的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，如圖2所示。

圖2 頻譜分割、聚合流程圖

在子譜聚合的時(shí)候，子譜之間會(huì)存在一個(gè)相位補(bǔ)償?shù)膯栴}，在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，相對(duì)于地面無線通信而言，信道情況較為簡單，分割后的子頻譜以傳播時(shí)延造成的失真為主，頻移使相鄰子譜之間經(jīng)歷了固定的相差，如圖3所示，需要對(duì)相位失真進(jìn)行補(bǔ)償。頻移使得再生信號(hào)的相位特性變得不連續(xù)，其中每個(gè)子譜的相偏大小為：

圖3 頻譜聚合后產(chǎn)生的相位失真

通過2個(gè)未調(diào)制的導(dǎo)頻信號(hào)進(jìn)行相位斜率的估計(jì)，如圖4所示。

圖4 相位補(bǔ)償

相位梯度為：

其中pk（k=1，2）是接收到的第k個(gè)試探信號(hào)；fk是第k個(gè)試探信號(hào)的頻率。當(dāng)對(duì)第1個(gè)到第k個(gè)子頻譜分別進(jìn)行Δθκ的相位補(bǔ)償后，相位失真情況受到有效抑制。

4 仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

衛(wèi)星鏈路常常傳送射頻信號(hào)，這就要求將數(shù)據(jù)調(diào)制到一個(gè)射頻載波上傳輸，但基帶信號(hào)比解析信號(hào)使用起來方便，因?yàn)榛鶐盘?hào)不含載波，解析信號(hào)含載波，而載波的作用只是作為信息信號(hào)一種載體，不含有任何有用的信息。在SIMULINK平臺(tái)下直接進(jìn)行頻帶仿真，系統(tǒng)的復(fù)雜度和計(jì)算機(jī)的運(yùn)算量將會(huì)很大，故一般采用基帶等效模型，將頻帶通信系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為等效的基帶通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

對(duì)所提出的衛(wèi)星通信抗截獲方案進(jìn)行仿真。主要涉及到通信和信號(hào)處理等工具箱，這些工具箱提供了常見通信模塊的低通等效模型。地球站發(fā)送端包括了：信源、調(diào)制和脈沖成型。傳輸數(shù)據(jù)采用+1-1隨機(jī)序列進(jìn)行模擬，BPSK調(diào)制，脈沖成型采用滾降系數(shù)為0.35的平方根升余弦脈沖。原始信號(hào)帶寬1 kHz，分割成2個(gè)帶寬為0.5 kHz的子頻譜，分別搬移到-1.1 kHz和0.8 kHz 2個(gè)頻點(diǎn)上。轉(zhuǎn)發(fā)器采用透明轉(zhuǎn)發(fā)器，下行信道包括自由空間衰減。接收端包括接收天線、均方根升余弦接收濾波器和相位補(bǔ)償模塊等。仿真結(jié)果如圖5示，證明可以在功能上實(shí)現(xiàn)頻譜的分割、搬移和聚合。

(a)頻譜的分割

圖5 頻譜的分割、搬移和聚合

在分割成2個(gè)子頻譜的基礎(chǔ)上進(jìn)一步分割成4個(gè)子譜，測試系統(tǒng)的性能，如圖6所示。由仿真結(jié)果可知，在誤碼率達(dá)到10-4情況下，系統(tǒng)性能惡化在0.5 dB，并且子譜分割數(shù)目的增加未對(duì)系統(tǒng)性能造成明顯影響。

圖6 誤碼率曲線

5 結(jié)束語

采用SIMULINK動(dòng)態(tài)仿真環(huán)境實(shí)現(xiàn)了對(duì)一種新穎的衛(wèi)星抗截獲通信系統(tǒng)的仿真分析，抗截獲通信體系架構(gòu)創(chuàng)新性的引入了頻譜感知技術(shù)和頻譜分割聚合技術(shù)，使得衛(wèi)星通信系統(tǒng)在抗截獲方面具有決策更加智能、使用方式靈活的優(yōu)勢(shì)。從仿真結(jié)果來看，可以較好的實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻譜的分散化和隱蔽傳輸，整個(gè)系統(tǒng)的誤碼率表現(xiàn)滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。后續(xù)工作中，可以方便的對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行改造和完善，有效地輔助硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

[1]汪春霆,張俊祥,潘申富,等.衛(wèi)星通信系統(tǒng)[M].北京:國防工業(yè)出版社.2012.

[2]ABEJI,NAKAHIRA K,SUZUKIY,et al.Direct Spectrum Division Transmission for High-capacity Satellite Communications:USA,20020041328[P].2012.

[3]ABEJI,NAKAHIRA K,KOBAYASHIK.A Blind Phase Compensation Method for Direct Spectrum Division Transmission[J].IEEEGlobecom 2011 proceedings,2011:1-5.

[4]MITOLA J,JRMAGUIREG Q.Cognitive radio:Making soft ware radiosmore personal[J].IEEEWireless Communications,1999,6(4):13-18.

[5]鄒武平.干擾檢測與識(shí)別技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D].四川:電子科技大學(xué),2011.