一种基于认知的动态频谱抗干扰新技术

朱毅超，梁 亮，田 骅，毕文斌

0 引言

“通得好”与“抗干扰”是军事无线通信所应解决的两大关键问题。随着现代信息化战争中高强度“电子战”与“网络电磁空间战”威胁的与日俱增，传统基于“固定频谱”的通信体制面临着越来越大的威胁。为了有效提升通信系统在未来信息化战争中的生存能力，实现恶劣电磁环境下的可靠通信，在现有固定频谱通信体制的基础上，研究能适应极端恶劣电磁环境下通信保障的抗干扰通信新体制，具有重要的理论与现实意义。

1 固定频谱通信体制所面临的挑战

固定频谱通信体制通常包含短波、超短波频段的窄带定频通信，以及直扩、跳频、跳时等宽带扩频通信及其混合体制。这类通信体制的主要特点是通信过程中载频固定不变，调制方式不变，频谱会重复出现。通过采用高性能的编码与调制技术，固定频谱通信体制可以在干扰带宽小于通信带宽30%的情况下保持可靠通信，实现GJB－6520－2008所定义的II级抗干扰能力。然而，随着无线通信用户数量的不断增加，信道环境越来越恶劣，高强度的背景干扰对无线通信质量的影响越来越显著。以短波夜间通信为例，由于夜间可通频段窄，用户数量多，使得整个短波频段内具有低干扰强度的可通频率数极为有限且频率不断变化。在这种情况下，固定频谱通信体制的载频常常位于可通频段外，或位于可通频段内但背景干扰强度大，因此通信质量难以保证。同时，随着现代侦察干扰水平的飞速提升，干扰技术正在向宽带化、精确化的方向发展，通过对无线通信信号的快速截获及定位，干扰方可以实施有针对性的“灵巧”干扰，从而利用有限的干扰功率实现最大化的干扰效果［1］。由于固定频谱通信体制不变的通信参数在通信过程中会形成持续出现的信号“指纹特征”，具有很强的可预测性，因此在这种智能化的干扰方式下，易被快速识别并实施高强度的压制干扰和破坏。即使采用了自适应跳频技术，由于其有限的备用频率需预先设置，并且在更换了备用频率或频率集后，仍旧是固定频谱通信方式，仍然无法避免被截获和定位，因此也难以获得明显的抗干扰性能改善。由此可见，为了解决固定频谱通信难以根据信道状况设置通信参数，易被侦察与干扰的问题，必须使通信系统的频谱使用由固定走向动态，通过智能调整通信参数，增大侦察与干扰的难度，有效提升系统在恶劣电磁环境下的可靠通信能力。

2 动态频谱抗干扰技术

在认知无线电中，动态频谱接入是提高信道频谱利用率的一种重要方法［2］。在通信频段已被分配的情况下，未授权用户通过对频段内电磁频谱环境的感知与学习，利用智能决策对传输频率、传输功率以及编码调制方式等工作参数进行自适应调整，从而在不影响授权用户的前提下实现频谱共用。在各种动态频谱接入方式中，机会频谱接入是一种对授权用户完全不产生干扰的接入方式，它通过实时感知工作频段内授权用户未使用的子频段(即“频谱空洞”)，并在其中传输信号，实现授权用户与非授权用户信号间的完全分离［3－4］。

动态频谱抗干扰技术将机会频谱接入的思想应用于抗干扰通信中。它将系统工作频段内无干扰或干扰功率低于门限值的子频段视为“频谱空洞”，通信双方实时感知和预测工作频段内频谱空洞的具体位置，并通过信令对频谱空洞信息进行交互。收端根据本地“频谱空洞”内的噪声变化情况通知发方动态调整工作频率或其它通信参数，在满足接收性能需求的同时，将干扰对系统性能的影响减到最低，极大地提高系统的抗干扰能力。

具体而言，动态频谱抗干扰在时、频、空关联的三维空间里灵活采用隐藏、躲避、对抗等三种方法进行通信，实现强干扰下的可靠信息传输。通信开始后，收发双方均对本地电磁频谱环境进行实时监测，确定无干扰或暂时空闲的频谱空洞并建立不断更新的频谱池。频谱空洞信息通过高效可靠的信令波形在收发双方间进行交互。在数据信息传输过程中，发方在收方的频谱空洞内传输信息，收方则根据信息接收质量对传输波形的编码调制参数进行调整，以对抗当前信道内小干扰对传输性能的影响，保证传输的吞吐量。这些参数调整信息通过发方的频谱空洞反馈回去，发方则利用调整后的通信参数进行后续信息传输。一旦强干扰出现导致通信质量严重下降，收发双方则通过信令交互快速转换到频谱池内无干扰的频谱空洞中继续通信，实现对强干扰的躲避。由于动态频谱抗干扰系统的频谱监测范围可以拓宽到信号带宽的十倍甚至百倍以上，频谱机动范围大，且信号随环境变化而变化，没有固定的规律，因而大大降低了可预测性，提高了通信的抗截获、抗干扰能力［1］。

3 性能分析

通过对动态频谱抗干扰的实现过程进行适当的简化，可以对其抗干扰性能改善进行理论分析。以编码信道的信道容量作为性能指标。简化的动态频谱抗干扰系统框图如图1所示。

图1 简化的动态频谱抗干扰系统框Fig．1 Simplified block diagram of dynamic spectrum anti－jamming system

系统编码器输出与译码器输入之间的部分为编码信道。考虑系统采用MFSK调制与非相干解调。在通信开始前，系统先进行频带划分，将总带宽划分为Nt个相邻且互不重叠的可用信道，每个信道的带宽等于传输符号的带宽，各信道的中心频率作为系统的可用频率集。为了实现MFSK调制，将每M(MFSK调制符号集的)个相邻的可用信道合并为一个M进制信道，K个M进制信道合并为一个子频段，系统总带宽内共包含Nt/KM个子频段。在通信过程中，系统收端每隔Tf秒进行频谱空洞的检测与更新，在这段时间内，假设频谱空洞的状态不发生变化。每次频谱空洞检测均在不同的子频段内进行，子频段的选取规则预先设定。系统将所选子频段内具有最小干扰能量的M进制信道作为频谱空洞，并将其信息反馈回发端，发端根据该信息更新MFSK调制的可用频率集。频谱空洞信息的反馈通过高性能的信令波形传输，假设传输过程是无差错的。

传输信道模型为短波干扰模型。短波干扰描述由短波信道中的大量用户对通信过程所产生的严重背景干扰。根据短波频段95个1 kHz信道的拥塞度测量结果，短波干扰可以建模为一个平均功率随机变化的高斯噪声，其干扰平均功率的概率密度函数(PDF，Probability Density Function)为［5］

式中，干扰功率x的单位为dBm，α与B为由干扰观测值拟合得到的参数，对不同的短波频段，α有不同的取值，一般在－16～－9之间，B的取值约为－0．1，且干扰平均功率的均值E［I］(dBm)= －α/B。

假设系统每个M进制信道内的干扰平均功率均服从式(1)给定的概率分布，且具有相同的α值。频谱空洞检测单元检测当前子频段K个M进制信道内的干扰平均功率，将具有最小干扰功率的M进制信道确定为频谱空洞。令K个M进制信道内所测得的平均干扰功率为{I1，I2，…，IK}，则频谱空洞内干扰平均功率 Y=min{I1，I2，…，IK}的 PDF 为［6］

根据式(1)与式(2)，频谱空洞内外的干扰功率采样如图2所示。

图2 频谱空洞内外的干扰功率采样Fig．2 Samples of jamming power inside and outside the spectrum hole

图2 中，采样数均为1 000，α= －10，B= －0．1，K=10。从图中可见，频谱空洞外的干扰功率均值为－100 dBm(即－α/B)，而频谱空洞内的干扰功率均值则约为－125 dBm，下降约25 dB。

式(2)中Y的单位仍为dBm。若要得到以瓦特为单位的 PDF，需对式(2)作变量代换 X=10(Y－30)/10，则随机变量 X 的 PDF为

假设系统采用硬判决译码，在这种情况下，编码信道的信道容量［7］

式中，Ps为针对具体调制解调方式的符号误码率。对于MFSK调制与非相干解调，当干扰平均功率为x 时，符号误码率［7］

式中，A2为信号功率。

定义频谱空洞内的干扰平均功率为信道状态信息(CSI，Channel State Information)。当系统无 CSI时，直接利用解调器输出的硬判决符号进行译码。因此将式(5)对干扰平均功率x取平均，得到解调器的硬判决误码率

将式(3)代入式(6)

将式(7)代入式(4)，得到无CSI时的信道容量。

当系统有CSI时，根据解调器硬判决与干扰平均功率构造最优度量进行译码。因此先将式(5)代入式(4)，得到给定干扰功率x时的信道容量 C(x)。再将C(x)对x取平均，得到遍历信道容量［8］

将式(3)及式(4)代入式(8)

式中，Ps(y)通过在式(5)中令y=lg x得到，P's(y)为Ps(y)对y的导数

对于固定频谱通信系统，由于无频谱空洞检测单元，在短波干扰信道中通信时，其工作频带内背景噪声的平均功率服从式(1)给出的分布。将式(1)中随机变量x的单位由dBm变为瓦特，则该式可改写为

假设固定频谱通信系统也采用MFSK调制与非相干解调，则将式(11)代入式(5)，即可得到当系统无CSI时，解调器硬判决的平均符号误码率

将式(12)代入式(4)，即可得到硬判决译码时，固定频谱系统的编码信道容量。

当系统有CSI时，将式(11)代入式(8)，得到其遍历信道容量

式中，Ps(y)通过在式(5)中令y=lg x得到，P's(y)的表达式仍由式(10)给出。

令Eb为编码比特的能量，¯NI为平均干扰单边功率谱密度，则由定义，Eb/¯NI=MA2/(E［I］lb M)。由于 E［I］(dBm)= － α/B，E［I］=10－α/(10B)－3，因此M进制信道内的平均对数信干比Eb/¯NI(dB)与干扰参数α及B的关系为

当子频段中的M进制信道数K=2时，采用4FSK调制、非相干解调及硬判决译码的动态频谱抗干扰系统与固定频谱系统，在短波干扰信道下的信道容量曲线如图3所示。从图中可见，无论系统有无CSI，动态频谱抗干扰系统的信道容量均大于对应的固定频谱系统的信道容量。而当信干比大于－10 dB时，无CSI的动态频谱抗干扰系统的容量甚至可以超越有CSI的固定频谱系统的容量，这充分表明了动态频谱抗干扰系统相对于固定频谱系统的抗干扰性能改善。

图3 短波干扰信道下，硬判决译码的动态频谱抗干扰系统与固定频谱系统信道容量曲线Fig．3 Channel capacity curves of dynamic spectrum anti－jamming system and“fixed spectrum”system under HF interference channel

4 实现中需要解决的关键技术

动态频谱抗干扰在实现中需要解决如下一些关键技术。

1)高性能的信令波形设计。动态频谱抗干扰系统在通信过程中频繁进行频谱空洞以及其他通信参数的更新，这些更新信息都需要通过信令波形在收发双方间进行交互。如果信令波形的性能不足，将会导致发方对收方反馈信息的错误接收，从而使得系统的参数调整无法实现闭环，传输吞吐量严重下降。通过在收发双方均进行频谱空洞检测，使得参数更新信息在频谱空洞内进行传输，可以在一定程度上提升传输的可靠性。但即使如此，在初始建链时双方仍需在恶劣电磁环境下实现频谱空洞信息的首次交互，尤其是在短波夜间通信时，建链波形的性能更为关键。由此可见，信令波形的性能直接决定了动态频谱抗干扰系统能否正常工作。采用具有强纠错能力的编码并结合分集技术，是设计高性能信令波形的一种可能途径。

2)通信频率的准确选取。在频谱空洞内通信是动态频谱抗干扰系统实现抗干扰性能的首要因素。然而，无线通信的性能不仅与噪声强度有关，还与信道的传播特性有关，信道的衰落、多径以及多普勒扩展也对数据传输的性能有着重要的影响。此外，在短波通信中，可通频段的范围也随着时间不断变化，只有选取可通频段内的空洞，才能保证通信链路的建立。因此，动态频谱抗干扰系统在通信过程中除了检测频谱空洞外，还应进行信道传播特性，甚至可通频段的探测，并根据频谱空洞检测与信道探测的结果共同确定通信频率。在不显著影响传输效率的前提下，收发双方应利用通信间隙发送探测信号对本地可通频段以及信道传播特性进行探测，才能保证动态频谱抗干扰系统的可靠工作。

3)多用户通信时的频谱管理。动态频谱抗干扰在实际应用中往往要进行多用户组网通信。在组网通信时，如果允许各用户在整个通信频段内任意选取频谱空洞，则有可能造成用户间的碰撞，而限制每个用户的可用频段范围，又会降低动态频谱抗干扰的效果。因此，在不违背频谱使用政策的前提下，应综合考虑网络用户的业务量需求以及优先级，结合动态频谱接入的相关思想，设计相应的频谱分配策略，并对其所能实现的网络吞吐量进行分析与优化，得出最优的动态频谱抗干扰网络多址方案，在不造成网络混乱的前提下，使网络的整体吞吐量达到最大。

5 结语

动态频谱抗干扰是一种基于认知的抗干扰通信新技术。在通信过程中，它可根据信道状况自动选择无干扰或干扰较小的频段通信，同时针对信道变化对通信参数进行自适应调整。由于频谱动态范围大且缺乏可预测性，因此它可以有效应对智能化“灵巧”干扰的影响，其抗干扰能力相对于当前的“固定频谱”通信体制有显著提升。动态频谱抗干扰是在未来信息化战争的复杂电磁环境下实现可靠通信的重要手段之一，具有广阔的应用前景。

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