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)國家級重點實驗室,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)平臺進行保護,并對非授權(quán)平臺實施電子攻擊[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,進而提高授權(quán)通信的安全性[2]。對于傘罩內(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)計信號波形就能添加到受傘罩保護的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中,對現(xiàn)有設(shè)備的兼容性強。

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、目標(biāo)節(jié)點、中繼節(jié)點上單獨或同時發(fā)送傘罩自干擾信號。文獻(xiàn)[4]表明,全方位傘罩自干擾更容易混淆被動竊聽者,而定向傘罩自干擾更適用于干擾主動竊聽者?？紤]到用于發(fā)射信號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,并且缺乏可靠的實驗驗證。

因此,針對現(xiàn)有研究的不足,本文以電磁頻譜傘罩系統(tǒng)中的一個點對點通信場景為例,研究了傘罩自干擾抑制架構(gòu),并搭建設(shè)計了一個傘罩自干擾抑制實驗平臺,為傘罩自干擾算法提供了實驗支持與硬件平臺。

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、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,傘罩干擾機釋放大功率干擾信號用于切斷非授權(quán)通信,而授權(quán)通信設(shè)備與傘罩干擾機屬于協(xié)作關(guān)系,其預(yù)先知曉傘罩自干擾的先驗信息,可以通過一定的手段對傘罩自干擾實施抑制。

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。傘罩自干擾信號被設(shè)計成均值為0、周期為L個符號的循環(huán)偽隨機序列,便于在存在時延的情況下進行頻率同步。

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延和歸一化頻偏;rs(n)和wr(n)分別表示授權(quán)接收機處的基帶期望信號和等效基帶噪聲。

1.1 頻率同步

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

(3)

利用式(3)的結(jié)果對授權(quán)接收機處的數(shù)字基帶信號進行頻率補償,可得

(4)

1.2 時間同步

在消除頻偏的影響后,利用頻偏補償后的數(shù)字基帶接收信號rf(n)進行時間同步。首先,利用自相關(guān)法使rf(n)和本地參考傘罩自干擾c(n)進行符號級對齊[11],即同步誤差控制在1/2個符號以內(nèi)。符號級同步后的本地參考傘罩自干擾信號可以表示為

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分?jǐn)?shù)級時延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,可以計算出分?jǐn)?shù)級時延的估計值為

(8)

得到時延估計值后,利用文獻(xiàn)[13]中提出的可變分?jǐn)?shù)級時延濾波器將時延補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)級時延濾波器的系數(shù);*表示卷積操作。

1.3 信道估計

時頻同步后,通過最大似然估計方法實現(xiàn)信道估計[14]。信道增益可估計為

(10)

利用式(10)的結(jié)果對時間同步后的本地參考傘罩自干擾信號進行信道補償,補償后的信號可表示為

(11)

由此,傘罩自干擾重建完成。利用式(4)和式(11)進行傘罩自干擾抑制,可得

(12)

2 實驗平臺

如圖3所示,使用一個基于軟件定義的無線電(software defined radio,SDR)實驗平臺,用于驗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)分別表示的是實驗平臺的原理框圖與實物照片。其中的每個節(jié)點由數(shù)字信號處理平臺定為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物圖Fig.3 Principle block diagram and physical drawing of electromagnetic spectrum umbrella

圖4 電磁頻譜傘罩實驗板卡實物圖Fig.4 Physical drawing of electromagnetic spectrum umbrella experiment board card

該實驗步驟如下:首先,利用Matlab軟件生成基帶期望信號和傘罩自干擾,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)線將基帶信號下載到通信發(fā)射機和傘罩干擾機中相應(yīng)的同步動態(tài)隨機存儲器芯片;接下來,將基帶信號與基帶傘罩自干擾在FPGA中進行數(shù)字上變頻,再送至DAC之后進行發(fā)射;經(jīng)過信道后,混合信號被授權(quán)接收機和非授權(quán)接收機的天線捕獲,并送至ADC進行數(shù)字下變頻;最后,混合基帶信號通過網(wǎng)線上傳至Matlab軟件。對于授權(quán)接收機,先使用圖2所示的傘罩自干擾抑制架構(gòu)從混合接收信號中抑制傘罩自干擾,再對抑制后的殘余信號進行解調(diào),從而恢復(fù)原始期望信號的比特信息。但是對非授權(quán)接收機而言,期望信號和傘罩自干擾的混合信號不經(jīng)過自干擾抑制,直接解調(diào)。

3 實驗結(jié)果

實驗中,傘罩自干擾使用均值為0、周期為1 024個符號的循環(huán)偽隨機序列,期望信號使用未編碼的二進制相移鍵控信號表示。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被上變頻至100 MHz。公平起見,假設(shè)非授權(quán)接收機靠近授權(quán)接收機,并考慮傘罩干擾機位于收發(fā)信機內(nèi)部區(qū)域和外圍區(qū)域兩種情形。于是,設(shè)置通信發(fā)射機和授權(quán)接收機之間的距離為1 m,傘罩干擾機與授權(quán)接收機之間的距離為0.5 m(對應(yīng)于內(nèi)部區(qū)域)和2 m(對應(yīng)于外圍區(qū)域)?？偣β暑A(yù)算為P=Ps+Pc=20 dBm,其中Ps和Pc分別表示期望信號和傘罩自干擾的發(fā)射功率。此外,授權(quán)接收機與非授權(quán)接收機底噪的功率譜密度均為-95 dBm/Hz。

當(dāng)傘罩干擾機位于收發(fā)信機內(nèi)部區(qū)域,且期望信號和傘罩自干擾都以17 dBm的功率發(fā)射時,傘罩自干擾抑制前后授權(quán)接收機接收信號的功率譜密度如圖5所示。為了便于對比,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以不同功率發(fā)射時,圖6給出了電磁頻譜傘罩實驗系統(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。從實驗結(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)傘罩干擾機位于收發(fā)信機內(nèi)部區(qū)域時,最優(yōu)保密容量在發(fā)射干信比為-5 dB時取得;當(dāng)傘罩干擾機位于收發(fā)信機外圍區(qū)域時,最優(yōu)保密容量在發(fā)射干信比為0 dB時取得,這意味著當(dāng)傘罩干擾機位于收發(fā)信機外圍區(qū)域時,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,由于不完美時頻同步、不完美信道估計、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)接收機和非授權(quán)接收機的誤碼率性能。由觀察可知,當(dāng)發(fā)射干信比較小時,授權(quán)接收機和非授權(quán)接收機都能準(zhǔn)確地解碼期望信號。隨著發(fā)射干信比增大,非授權(quán)接收機的誤碼率逐漸增大,因為更強的傘罩自干擾信號會嚴(yán)重降低非授權(quán)接收機處的信噪比。但對授權(quán)接收機而言,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。然而，當(dāng)進一步增加傘罩自干擾功率時,授權(quán)接收機處的誤碼率會增大,因為當(dāng)總功率受限時,增加傘罩自干擾功率會降低期望信號功率,從而導(dǎo)致授權(quán)接收機處的信噪比降低,限制誤碼率性能。此外,還可以觀察到,當(dāng)傘罩干擾機位于收發(fā)信機外圍區(qū)域時,非授權(quán)接收機的誤碼率比傘罩干擾機位于收發(fā)信機內(nèi)部區(qū)域時更低,但授權(quán)接收機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)計了FPGA實驗平臺來驗證該架構(gòu)的有效性。實驗結(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)接收機處的傘罩自干擾,在切斷非授權(quán)通信的同時,可以保障授權(quán)設(shè)備的正常通信,并且降低期望信號被截獲的風(fēng)險。另外,本文可為電磁頻譜傘罩系統(tǒng)提供實驗支撐和硬件平臺。