邢小東，侯 飛

(山西大同大學(xué)，山西 大同 037009)

0 引 言

艦船多信道無線網(wǎng)絡(luò)是傳遞各種消息的渠道[1]，隨著艦船無線通信設(shè)備不斷升級，通信系統(tǒng)趨于陳列化和集成化，在接收信號時在艦船信道中經(jīng)常會受到干擾[2,3]，影響信號質(zhì)量，從而無法接收準(zhǔn)確的信息，因此，確保艦船通信設(shè)備可以正常的通信具有重要意義。

針對此問題，很多學(xué)者對此進(jìn)行了研究。如劉春玲等[4]提出一種基于多域聯(lián)合的抗干擾算法，通過感知環(huán)境頻譜情況確定干擾信道，結(jié)合Stackelberg 博弈理論，對艦船信道中中度干擾的信號通過功率域進(jìn)行抑制，縮短艦船信道的開銷時間，由于一個頻譜感知的效果并不理想而產(chǎn)生艦船信道決策出現(xiàn)不成功的情況，因此，采用引入簇頭協(xié)助的方法處理此問題，實(shí)現(xiàn)艦船的抗干擾。楊世武等[5]提出一種基于改進(jìn)D n C N N 的抗干擾算法，該方法將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）進(jìn)行優(yōu)化，針對卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中堆疊的單一尺度卷積核，將其轉(zhuǎn)變成多尺度卷積核，不僅提高了網(wǎng)絡(luò)能力，而且減少了網(wǎng)絡(luò)深度，結(jié)合殘差網(wǎng)絡(luò)估計出噪聲分布，將頻帶中的噪聲采用對消的方法進(jìn)行抑制，最大化信號的低頻幅值，形成去噪卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DnCNN），降低噪聲，實(shí)現(xiàn)抗干擾的效果。但是這2 種方法容易浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)能耗，無法及時地進(jìn)行抗干擾，導(dǎo)致艦船多信道無線通信的抗干擾效果較差。

瞄準(zhǔn)式定向方法可以準(zhǔn)確定位干擾信號，阻塞式抗干擾方法可以對艦船通信信號頻率進(jìn)行覆蓋干擾，自適應(yīng)非線性預(yù)測濾波算法能夠計算出信號的要頻，從而對其進(jìn)行編碼錯誤的糾正?；诖耍疚脑O(shè)計一種艦船多信道無線網(wǎng)絡(luò)抗干擾算法，保證艦船通信的穩(wěn)定性。

1 艦船多信道無線網(wǎng)絡(luò)抗干擾

1.1 抗干擾總體流程

由于艦船的多信道無線網(wǎng)絡(luò)受干擾信號的影響[6]，容易造成艦船網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部消耗過多的CPU，從而影響通信質(zhì)量。為了增強(qiáng)多信道無線網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力，延長艦船的使用壽命，設(shè)計了艦船多信道無線網(wǎng)絡(luò)抗干擾流程，如圖1 所示。具體內(nèi)容如下：

圖1 艦船多信道無線網(wǎng)絡(luò)抗干擾流程Fig.1 Anti-interference process of multi-channel wireless network on ships

1）采集信號：通過建立多信道無線網(wǎng)絡(luò)模型采集艦船多信道引入的大量信號。

2）干擾信號的挖掘：將采集到的大量信號進(jìn)行檢測，判斷是否為干擾信號，挖掘干擾信號。

3）干擾信號的處理：將挖掘出的干擾信號輸入到改進(jìn)小波閾值算法中進(jìn)行抗干擾處理。

4）信號輸出：將沒有受到干擾的信號和已經(jīng)處理后的干擾信號輸出給艦船的顯示中心，以便更好地跟蹤艦船狀態(tài)。

1.2 建立艦船多信道模型

依據(jù)艦船系統(tǒng)的特殊性，需要建立對應(yīng)的多信道模型，獲取艦船多信道網(wǎng)絡(luò)信號，為實(shí)現(xiàn)艦船多信道無線網(wǎng)絡(luò)的抗干擾處理做鋪墊。通過相關(guān)矩陣建模法建立艦船的多信道模型，建立過程如圖2 所示。

圖2 艦船多信道模型的建立過程Fig.2 Establishment process of ship multi-channel model

設(shè)艦船的多信道無線網(wǎng)絡(luò)通信方式為下行鏈路通信，天線數(shù)量為nt，可收到的天線數(shù)據(jù)量為nT，艦船多信道的天線規(guī)模可表示為nt×nT，多信道無線網(wǎng)絡(luò)矩陣可表示為：

式中：r為艦船多信道中可以辨別的路徑；Gr為路徑r的多信道傳輸矩陣；M為艦船多信道的可以忽略不計的延遲；Mr為信號傳輸?shù)难舆t。

艦船多信道模型可表示為：

式中：k為萊斯因子；GN為直徑視距的艦船多道天線矩陣；GM為瑞利矩陣。

通過構(gòu)建的艦船多信道模型獲取艦船多信道無線網(wǎng)絡(luò)信號。

1.3 干擾信號的挖掘

依據(jù)采集的艦船多信道無線網(wǎng)絡(luò)信號，利用異常檢測(LOF)算法進(jìn)行干擾信號挖掘，挖掘流程如下：

步驟1 將獲取的艦船多信道無線網(wǎng)絡(luò)信號中異常信號節(jié)點(diǎn)的特征均值記作 α=(α1,α2,···,αm)T，m表示異常信號節(jié)點(diǎn)特征均值的總數(shù)T。從而獲得艦船多信道無線網(wǎng)絡(luò)的干擾信號特征為：

步驟2 求出各個干擾信號特征對象p的距離，設(shè)定艦船多信道無線網(wǎng)絡(luò)的干擾信號特征集合為O，在集合O中求出全部信號與特征信號對象p的距離，篩選j個不同的最近距離，將其中的最遠(yuǎn)距離值作為干擾信號特征對象p的距離。

步驟3 求出干擾信號特征對象p的鄰域距離，設(shè)干擾信號特征對象p中包含c個近鄰，將全部不大于p的距離信號記作集合H，在H中存在信號對象h，則：

式中，D(p,h)為最小距離。

步驟4 求出p的可到達(dá)距離，對其求解可得密度ρ。

步驟5 求出p的局部異常因子，即為均值 ξ (ρ)。

步驟6 依據(jù)求出p的局部異常因子結(jié)果進(jìn)行從大到小排序，其中，前y個較大的信號就表示艦船多信道無線網(wǎng)絡(luò)中存在的干擾信號。

1.4 艦船多信道無線網(wǎng)絡(luò)的干擾抑制

為了實(shí)現(xiàn)艦船多信道無線網(wǎng)絡(luò)抗干擾并提升抗干擾效果，采用改進(jìn)的小波閾值算法挖掘的艦船多信道無線網(wǎng)絡(luò)的干擾信號進(jìn)行抗干擾處理。將獲取的船多信道無線網(wǎng)絡(luò)的干擾信號視為觀測信號，表示為：

式中：s(t)為原信號；n(t)為信號干擾。

雖然艦船多信道無線網(wǎng)絡(luò)中的信號比較平穩(wěn)，但是當(dāng)存在信號干擾時，會產(chǎn)生較多的高頻信號，因此，需要設(shè)定閾值對艦船多信道無線網(wǎng)絡(luò)的信號干擾進(jìn)行量化：

通過對干擾信號進(jìn)行抑制，實(shí)現(xiàn)艦船多信道無線網(wǎng)絡(luò)的抗干擾，提升了艦船設(shè)備的通信質(zhì)量。

2 結(jié)果分析

為了驗證本文算法的艦船多信道無線網(wǎng)絡(luò)抗干擾算法的有效性，將某港口的艦船作為實(shí)驗對象，該艦船功率為6 300 kW，艦船長度為96 m，艦船寬度為15.8 m，艦船深度6.5 m，排水量為4 268 t。通過實(shí)驗平臺搭建該艦船的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗。應(yīng)用本文算法處理艦船多信道無線網(wǎng)絡(luò)干擾的結(jié)果如圖3 所示。可以看出，采用本文算法對艦船多信道無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行抗干擾處理后，隨著時間的增加，無線網(wǎng)絡(luò)的頻率變化都比較穩(wěn)定，沒有發(fā)生較大的頻率變化，說明本文算法的艦船多信道無線網(wǎng)絡(luò)抗干擾性能較強(qiáng)。

圖3 抗干擾性能的測試結(jié)果Fig.3 Test results of anti-interference performance

為了驗證本文算法挖掘艦船多信道無線網(wǎng)絡(luò)干擾信號的能力，設(shè)計在8 種不同的干擾信號下，本文算法可挖掘出干擾信號的數(shù)量，并將文獻(xiàn)[4]雙差波束的艦船通信抗干擾算法和文獻(xiàn)[5]基于小波變換的艦船主干網(wǎng)絡(luò)抗干擾算法作為本文算法的對比算法，驗證結(jié)果如表1 所示?？芍?，針對艦船多信道無線網(wǎng)絡(luò)中8 種不同種類的干擾信號，文獻(xiàn)[4]算法可挖掘出的干擾信號平均值為7 075 個，挖掘干擾信號的能力較差，文獻(xiàn)[5]算法對于不同種類的干擾信號，可以挖掘出的干擾信號平均值為8 413 個，雖然對干擾信號的挖掘能力優(yōu)于文獻(xiàn)[5]算法，但是挖掘出的干擾信號同樣較少，艦船多信道無線網(wǎng)絡(luò)干擾信號的挖掘能力并不理想，而本文算法挖掘出的艦船多信道無線網(wǎng)絡(luò)干擾信號數(shù)量約為9 577 個，均高于其他2 種算法，說明本文算法具有較高的艦船多信道無線網(wǎng)絡(luò)干擾信號挖掘能力。

表1 不同算法挖掘干擾信號的能力Tab.1 Ability of different algorithms to mine interference signals

為驗證本文算法的艦船多信道無線網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力，將本文算法應(yīng)用到該艦船的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)觀察系統(tǒng)的發(fā)送信號和接收信號的波形是否一致，如果波形一致，表示艦船多信道無線網(wǎng)絡(luò)沒有受到干擾信號的影響；若不一致，表示艦船多信道無線網(wǎng)絡(luò)受干擾信號影響，產(chǎn)生艦船多信道無線網(wǎng)絡(luò)通信異常。實(shí)驗結(jié)果如圖4 所示?？梢钥闯?，因受到干擾導(dǎo)致接收端接收波形存在約為20 ms 延遲，但最終接收到的信號波形幾乎與發(fā)送信號波形一致，說明雖然艦船多信道無線網(wǎng)絡(luò)中存在干擾信號，但是艦船多信道無線網(wǎng)絡(luò)通信的接收端仍可以接收到發(fā)射端發(fā)射的信號，并且信號穩(wěn)定，說明本文算法設(shè)計的艦船多信道無線網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力較強(qiáng)。

圖4 發(fā)送接收信號波形圖Fig.4 Waveform diagram of sending and receiving signal

3 結(jié) 語

為提升艦船的通信質(zhì)量，提出艦船多信道無線網(wǎng)絡(luò)抗干擾算法設(shè)計，通過對艦船采集的信號進(jìn)行特征提取，挖掘出干擾信號，再對其干擾信號采用改進(jìn)的小波閾值算法進(jìn)行抑制，實(shí)現(xiàn)艦船多信道無線網(wǎng)絡(luò)的抗干擾。并對該設(shè)計的應(yīng)用效果展開測試，結(jié)果表明：本文算法挖掘干擾信號的能力較強(qiáng)，提升了艦船多信道無線網(wǎng)絡(luò)的抗干擾效果。