网电空间数据链的认知抗干扰技术

黎海涛， 钱一名， 方正

1.北京工业大学 电子信息与控制工程学院， 北京 100124

2.航空电子系统综合技术重点实验室， 上海 200241

网电空间数据链的认知抗干扰技术

黎海涛1,*， 钱一名1， 方正2

1.北京工业大学 电子信息与控制工程学院， 北京 100124

2.航空电子系统综合技术重点实验室， 上海 200241

为了增强复杂电磁环境中网电空间数据链的抗干扰能力，提出了基于发送-感知-接收(T-S-R)工作模式的同时收发认知抗干扰(SCAJ)技术，通过在感知/接收周期内动态分配感知、接收时隙而实现实时抗干扰。针对所提同时收发抗干扰策略，研究了基于能量检测的干扰感知性能，推导出衰落信道下干扰检测概率的闭式表达，并分析了同时收发认知抗干扰系统容量。仿真结果表明，提出的同时收发认知抗干扰技术提升了网电空间数据链的干扰感知能力，且在自干扰较低时能够提高网电空间数据链系统容量。

网电空间； 发送-感知-接收； 同时收发； 认知抗干扰； 数据链

现代战争以信息优势为基础，夺取信息优势是赢得战争胜利的关键，故各国均大力研制先进的信息战装备。特别地，美军近年提出了网电空间作战概念，由此产生了新的作战模式和对抗方法。数据链作为网电空间的重要组成，主要用于侦察、干扰、攻击敌方作战网络体系，是攻防双方对抗的焦点，其自身的抗干扰性能直接影响网电空间作战效能。因此，研究数据链的抗干扰技术对于提升网电空间的体系对抗能力具有重要意义[1]。

由于数据链主要利用无线信道实时传输和处理战术数据信息，因此，数据链抗干扰技术也是在无线通信对抗的基础上发展而来。一般的通信抗干扰技术包括3类：一是频域处理，如直接序列扩频、跳频等；二是空处理域，如自适应天线等；三是时域处理，如猝发通信。这些抗干扰技术各有其优点，但都属于盲抗干扰方式，即抗干扰能力在系统设计之初确定，一旦敌方针对性的干扰超出其干扰容限，则会造成通信中断。在军事作战环境下，敌、我双方的电子装备释放出高密度、高强度、多频谱的电磁干扰，故采用传统抗干扰技术不能完全解决复杂电磁环境中的网电空间数据链抗干扰问题。

为此，人们提出了基于认知无线电(Cognitive Radio, CR)的抗干扰通信技术，其基本原理是通过感知工作区域的电磁环境，分析干扰信号特征，发现频谱空隙，并据此实时动态地调整系统工作参数来规避干扰，从而达到可靠通信并提高频谱效率的目的。在民用通信领域，认知无线电主要用以提高无线网络的频谱效率，而在军事通信领域，认知无线电主要通过感知战场的复杂电磁环境，进行评估、理解和学习，实时调整通信设备的配置，以适应外部战场环境变化，用以提高军事通信系统的抗干扰能力，解决恶劣战场电磁环境下通信可靠性问题。

一些研究人员对基于认知无线电的通信抗干扰技术进行了有益探索。Li等从理论上分析了基于认知干扰机的干扰能力和认知无线网络的抗干扰能力[2-4]。文献[5]报道了一种基于动态频谱抗干扰的高频无线电台原型系统。文献[6]分析了基于认知无线电的军事通信抗干扰策略的可行性，探讨了需要重点解决的问题。文献[7]介绍了基于认知无线电的抗干扰系统架构及认知设备各模块的功能。这些研究均针对传统时分双工(Time Division Duplex, TDD)或频分双工(Frequency Division Duplex, FDD)的双工通信系统，其频谱未能完全利用。因为TDD或FDD通信要求信号的发送、接收必须在时间或频率维度正交，这使得收发信机不能同时同频收发信号而实现真正的全双工(Full Duplex, FD)通信。

理论上，上、下行采用不同频段或时隙收发的FDD或TDD系统容量仅为同时收发的带内全双工系统的一半。近年，人们对带内全双工无线进行了深入研究并在理论与工程实现方面取得丰富成果。譬如在全双工认知无线网络领域，文献[8]分析了基于全双工频谱感知的CR网络中主用户和次用户的可达容量。利用全双工的自干扰消除特性，文献[9]设计了认知无线电信号收发策略，能够提高主用户的检测概率和次用户的吞吐量。但这些研究局限于低功率发射的民用通信系统，其结果不能适用于军事环境下的抗干扰通信。

长期以来，在高功率发射的军用电台中，同时发射与接收处理的全双工工作模式未能得以有效工程实现，其主要原因在于同时发送、接收信号时，发送端泄漏到接收端的自干扰会严重降低电台通信性能，即使采用天线隔离等方法，仍不能完全消除自干扰。为了解决该问题，美国MIT林肯实验室、TrellisWare 公司的研究人员在2014年研制出频谱共享的雷达/通信一体化系统，其采用基于联合模拟域和数字域自干扰消除(Joint Analog and Digital Interference Cancellation, JADIC)的同时收发(Simultaneous Transmit and Receive, STAR)技术，能够消除高功率信号发送所产生的自干扰，实现雷达(或干扰机)和通信电台同时工作，突破了传统时分双工模式下频谱效率低的局限[10-12]。

在网电空间作战环境下，多种电子、通信设备同时工作，电磁频谱使用非常紧张，频谱资源严重不足。为了增强网电空间数据链的抗干扰能力，本文把STAR技术应用于网电空间数据链，提出基于发送-感知-接收(Transmit-Sense-Receive, T-S-R)工作模式的同时收发认知抗干扰通信系统(Simultaneous Transmit and Receive based Cognitive Anti-jamming, SCAJ)，其能在发送信号的同时，接收端能根据干扰感知情况动态分配感知/接收时隙，持续进行干扰感知而实现实时抗干扰，并从理论上分析了衰落信道下基于能量检测(Energy Detection, ED)的干扰感知性能，并推导出SCAJ数据链的系统容量。

1 SCAJ系统模型

考虑图1所示SCAJ通信系统，与一般通信收发信机相比，接收端增加干扰感知单元。在发送端(Transmitter, TX)，信息比特流经过数字调制得到已调信号，再与频率合成器输出的载波信号混频后经天线发送到信道。由于采用了同时收发感知工作模式，在发送信号的同时，接收端(Receiver, RX)也开始工作，而发送信号泄漏到接收端造成严重自干扰，这在军用环境下电台高功率发射时尤为突出，大大降低了CDL通信性能。

为此，本文采用文献[10-13]提出的联合模拟域和数字域的自干扰消除方法，其能够消除高功率同时收发系统的自干扰，满足军事抗干扰通信的要求。应用JADIC技术时，先对接收到的射频信号进行模拟域自干扰消除，经过ADC之后进行数字域自干扰消除。另一方面，自干扰消除后的信号传送给干扰感知单元检验频率信道占用情况并把监测结果反馈到收、发端，若在当前工作频段检测到较强干扰，则需选取其他频道作为工作频率。

图1 SCAJ系统模型Fig.1 SCAJ system model

为了实现同时收发认知抗干扰，本文设计通信信号采用如图2所示的发送-感知-接收工作模式(T-S-R)。己方电台收发信机开始工作时，先在初始干扰感知时隙TS0内进行干扰检测并确定工作频段；然后，TX端在周期T内发送信号，同时接收端进行干扰感知和接收信号处理。一般同时收发双工通信系统中，RX端在整个周期T内使用接收工作模式，这有利于提高系统容量但降低了实时干扰感知能力。若RX端在周期T内使用感知工作模式，这提高了干扰感知能力但降低了系统容量。提出的T-S-R模式把接收周期T分为K个感知/接收时隙(TS/R)，并根据系统性能要求来动态分配时隙TS、TR的数量，故T-S-R工作模式既具有实时抗干扰能力，又能够提高系统容量。

图2 T-S-R工作模式Fig.2 T-S-R working mode

假设在己方电台感知时隙TS内，对方电台不发送信号，在其工作频带内接收到的所有电磁干扰信号为l(n)，已方电台TX端产生的自干扰信号为s(n)，RX端接收信号r(n)，则干扰存在与否的假设定义为

(1)

2 干扰感知

实现SCAJ的关键在于利用干扰感知确定可使用的频率信道。为便于工程实现，采用无需信号先验知识的能量检测的干扰感知方法，其思想是：计算N个接收信号样本的总能量，然后与预先设定阈值λE比较，若接收信号能量值大于λE，则判定该频段存在干扰，即假设H1成立；反之，判定该频段内无干扰，即假设H0成立。衡量能量检测算法性能的指标包括检测概率与虚警概率，下面具体分析衰落信道环境下干扰感知的性能，以此评估SCAJ系统的抗干扰能力。

选取接收信号r(n)的N个样本，其总能量为

(2)

当假设H0成立时，若Y>λE，即干扰信号不存在时检测到干扰，则定义虚警概率为

Pf=Pr(Y>λE|H0)=1-FY/H0(λE)

(3)

同理，假设H1成立时，若Y>λE，即当干扰信号存在时正确检测到干扰，则定义检测概率为

Pd=Pr(Y>λE|H1)=1-FY/H1(λE)

(4)

式中：FY/H0(λE)和FY/H1(λE)为Y分别在满足假设H0和H1时的条件分布函数。

(5)

由卡方分布的概率密度函数可知Y的概率密度函数fY(y)为

fY(y)=

(6)

(7)

(8)

为了降低计算复杂度，设y=σ2x,dy=σ2dx，定义信噪比γ=h2δ/σ2，则式(7)和式(8)可改写为

(9)

(10)

进一步，设x=a2,dx=2ada，则式(10)可写为

(11)

式中：λ′=λE/σ2。

由以上推导，可以得到基于能量检测的SCAJ系统中干扰检测概率和虚警概率的一般表达式。同时，可以观察到同时收发通信存在自干扰信号，其能够提高SCAJ干扰感知的检测概率，但是同时也增大了虚警概率。

特别地，若衰落系数h2=1，则γ=h2δ/σ2=δ/σ2，将其代入式(9)、式(11)即可得到AWGN信道中的Pf和Pd。下面进一步分析衰落信道中干扰感知性能。

3 衰落信道中干扰检测

首先考虑Rayleigh衰落信道，此时信噪比γ服从指数分布，其概率密度函数为

(12)

(13)

把式(12)代入式(13)，可得

(14)

(15)

利用文献[14]中式(53)，得到Rayleigh衰落信道中干扰检测概率为

(16)

进一步，考虑Nakagami衰落信道，该信道中信噪比γ的概率密度函数为

γ>0,m≥1

(17)

当m=1时

(18)

即为Rayleigh衰落信道中信噪比γ的概率密度函数。利用联合概率密度可得Nakagami信道中干扰检测概率为

(19)

把式(17)代入式(19)可得

(20)

(21)

因为

(22)

且

(23)

把式(22)、式(23)代入式(21)可得

(24)

令M=2m-1，又因为

(25)

(26)

(27)

结合式(24)～式(27)，得到一般Nakagami衰落信道中干扰检测概率的闭式表达为

(28)

4 SCAJ系统容量

假设在T-S-R工作模式中，SCAJ通信周期T内感知时隙TS和接收时隙TR所占比例分别为μ和1-μ，由香农公式可得SCAJ系统的理论容量计算式为

(29)

可见系统容量受中断干扰概率Pout、TS、TR及信噪比等参数的影响，式(29)中第2个因子的第1部分为发送工作模式下的系统容量，第2部分为接收工作模式时的系统容量，其中SNRij是通信节点i到节点j的传输链路的信噪比，SNRjj是通信节点j的TX端到RX端的信噪比，分别定义为

(30)

(31)

SCAJ系统容量计算式(29)中，SCAJ系统的中断干扰概率Pout，是指用户端发送信号与干扰源因工作频段相同而发生冲突的概率。当SCAJ系统不完全感知干扰时，有两种情况将导致此冲突发生。

1) 在初始感知时隙TS0内频率信道中有干扰，但未被检测并被判定为干扰不存在，该事件发生的概率为

(32)

2) 在通信时隙T内信道内有干扰，但被误判为无干扰，该干扰在每个感知/接收时隙TS/R均可能发生，故其发生的概率为

TS2/R2)-Fτ(TS1/R1)]+

…

Fτ((i-1)TS(i-1)/R(i-1))]}

(33)

在整个传输周期中，满足假设条件H0而干扰信号存在的概率为

(34)

故系统中断干扰概率为

(35)

把式(30)～式(35)代入式(29)，即可计算出所提SCAJ系统容量。

5 仿真结果与分析

图3 干扰检测概率(AWGN, Rayleigh 和Nagakami信道)Fig.3 Jamming detection probability of AWGN channel, Rayleigh channel and Nagakami channel

从图3可以看到，当β=0时，即传统半双工通信时，干扰检测概率最低，故同时收发通信提高了SCAJ系统的抗干扰能力。还可观察到，在相同判决阈值的条件下，随着信噪比的增加，检测概率均变大；且在自干扰较低(β={0,0.005,0.01})时，自干扰越大，干扰检测概率越高，该结果同于文献[9]；这主要是由于自干扰增加了接收信号的总能量，若采用相同判决阈值则无法准确检测干扰信号，故需设计自适应判决阈值门限解决此问题，这也是进一步的研究工作。同时看到，在低信噪比时干扰检测性能不理想，这是因为干扰信号淹没在噪声和自干扰中，采用能量检测方法不能正确区分出干扰信号，这也是其局限[15-20]。

图4给出了相同自干扰(β=0.01)且λE=250时，不同信道环境中的干扰检测性能。可以看到，所提SCAJ系统在AWGN信道中的Pd性能高于Nakagami信道和Rayleigh衰落信道，且Nakagami信道中m越大，系统的Pd越高。还可观察到，当m=1时的Nakagami信道中，根据式(28)计算得到干扰检测概率曲线与根据式(16)计算的Rayleigh衰落信道的Pd曲线较一致，这也验证了文中理论推导的正确性。

图4 不同信道中干扰检测性能Fig.4 Anti-jamming ability under different channels

下面计算所提SCAJ系统容量，本文只考虑初始感知时隙TS0对系统容量的影响，故仿真参数为：自干扰β=0.01，L=500，T=0.1 s，λOFF=0.01，μ为感知时隙占整个通信周期的百分比，考虑到实际工程中，既需要实时感知又能有效接收信号提高系统容量，仿真实验设置μ=0.5，即感知时隙与接收时隙相同，φ=0.38，仿真结果如图5。由图可知，SCAJ系统容量高于半双工，且随着初始感知时间TS0变长，两种工作模式下的容量均逐渐降低，故设计SCAJ通信系统时需要仔细选择参数。

图5 初始感知时隙与系统容量Fig.5 Initial sensing timeslot vs system capacity

6 结 论

1) 提出发送-感知-接收的同时收发的认知抗干扰策略，其根据系统干扰感知结果动态分配感知/接收时隙，较之一般T-S或T-R同时收发工作模式，其能持续进行干扰感知而实现实时抗干扰，提高了网电空间数据链的抗干扰能力和系统容量。

2) 研究了衰落信道下基于能量检测的干扰感知性能，推导出不同信道下干扰检测概率的闭式表达，并通过仿真实验验证了理论推导的正确性，这为理论上分析计算SCAJ系统的干扰感知能力提供了依据。

3) 推导出T-S-R的同时收发认知抗干扰数据链系统容量，仿真表明SCAJ系统容量高于半双工，与式(29)结果一致，为该技术工程的实现提供了强有力的理论基础。

[1] 霍元杰. 网电空间下的数据链对抗技术及发展趋势[J]. 电讯技术, 2013, 53(9): 1243-1246.

HUO Y J. Technology and developing trend of datalink countermeasure in cyberspace[J]. Telecommunication Engineering, 2013, 53(9): 1243-1246 (in Chinese).

[2] LI X, WU J H, FAN N. Transmission power and capacity of secondary users in a dynamic spectrum access network[C]//IEEE Military Communications Conference. Pisscataway, NJ: IEEE Press, 2007: 1-7.

[3] CADEAU W, LI X. Anti-jamming performance of cognitive radio networks under multiple uncoordinated jammers in fading environment[C]//2012 the 46th Annual Conference on Information Sciences and Systems (CISS), 2012: 21-23.

[4] LI X, CADEAU W. Anti-jamming performance of cognitive radio networks[C]//2011 the 45th Annual Conference on Information Sciences and Systems (CISS’2011), 2011: 23-25.

[5] ZHU Y C, WANG P, LU J X. A new HF radio prototype based on dynamic spectrum anti-Jamming concept[C]//2011 the 6th International ICST Conference on Communications and Networking, 2011: 955-958.

[6] 张志坚, 关建新, 张勤. 基于认知无线电的军事通信抗干扰研究[J]. 舰船电子工程, 2009, 29(1): 1-4.

ZHANG Z J, GUAN J X, ZHANG Q. Research on military communication anti-jamming based on cognitive Radio[J]. Ship Electronic Engineering, 2009, 29(1): 1-4 (in Chinese).

[7] 魏奇. 基于认知无线电抗干扰技术分析[J]. 无线电通信技术, 2011, 37(14): 56-58.

WEI Q. Study on anti-jamming technology based on cognitive radio[J]. Radio Communications Technology, 2011, 37(14): 56-58 (in Chinese).

[8] CHENG W, ZHANG X, ZHANG H. Full/half duplex based resource allocations for statistical quality of service provisioning in wireless relay networks[C]//Proceeding of the IEEE INFOCOM’12 Conference. Piscataway, NJ: IEEE Press, 2012: 864-872.

[9] AFIFI W, KRUNZ M. Exploiting self-interference suppression for improved spectrum awareness/efficiency in cognitive radio systems[C]//IEEE INFOCOM. Piscataway, NJ: IEEE Press, 2013: 1258-1266.

[10] FITZ M P, HALFORD T R, HOSSAIN I, et al. Towards simultaneous radar and spectral sensing[C]//IEEE International Symposium on Dynamic Spectrum Access Networks: SSPARC Workshop. Piscataway, NJ: IEEE Press, 2014: 15-19.

[11] KOLODZIEJ K E, PERRY B T, HERD J S. Simultaneous transmit and receive (STAR) system architecture using multiple analog cancellation layers[C]//International Microwave Symposium, 2015.

[12] CHEUNG S K, HALLORAN T R, WEEDON W H, et al. MMIC-based quadrature hybrid quasi-circulators for simultaneous transmit and receive[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2010, 58(3): 489-497.

[13] ENSERINK S, FITZ M. Joint analog and digital cancellation[C]//IMS Interational Microwave Symposium, 2014: 220-225.

[14] KORN G A, KORN T M. Mathematical handbook for scientists and engineers[M]. 2nd ed. New York: Mcgraw-Hill Companies, 2002: 50-53.

[15] AHMED E, ELTAWIL A M. All-digital self-interference cancellation technique for full-duplex systems[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2015, PP(99): 1-14.

[16] FANG Z, QIAN Y M, LI H T. On the performance of full duplex cognitive anti-jamming receiver impaired by phase noise[C]//IEEE International Conference on Signal Processing, Communications and Computing. Piscataway, NJ: IEEE Press, 2015： 1-5.

[17] ZHAO Q, YE J. Quickest detection in multiple on-off processes[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2010, 58(12): 5994-6006.

[18] VERMEULEN T, POPPIN S. Energy-delay analysis of full duplex wireless communication for sensor networks[C]//IEEE Global Communications Conference, 2014: 455-460.

[19] 贾琼, 李兵兵. 基于局部方差的MIMO频谱感知算法研究[J]. 电子与信息学报, 2015, 37(7): 1525-1530.

JIA Q, LI B B. MIMO spectrum sensing method based on the local variance[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2015, 37(7): 1525-1530 (in Chinese).

[20] ZENG Y, ZHANG R. Full-duplex wireless-powered relay with self-energy recycling[J]. IEEE Wireless Communications Letters, 2015, 14(9): 1-4.

黎海涛男， 博士， 副教授， 研究生导师。主要研究方向：通信系统、 信号处理、 网络技术等。

Tel: 010-67391625

E-mail: lihaitao@bjut.edu.cn

钱一名女， 硕士。主要研究方向： 通信与信号处理。

E-mail: qianym0728@163.com

方正男， 博士。主要研究方向： 航空电子系统。

Tel: 15600953388

E-mail: rockfasion183@126.com

*Correspondingauthor.Tel.：010-67391625E-mail:lihaitao@bjut.edu.cn

Simultaneoustransmitandreceivebasedcognitiveanti-jammingforcyberspacedatalink

LIHaitao1,*,QIANYiming1,FANGZheng2

1.CollegeofElectronicInformationandControlEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China2.ScienceandTechnologyonAvionicsIntegrationLaboratory,Shanghai200241,China

Inordertoenhancetheanti-jammingcapabilityofcyberspacedata-linkinthecomplexelectromagneticenvironment,asimultaneoustransmitandreceivecognitiveanti-jamming(SCAJ)strategybasedontransmit-sense-receivemodeisproposedinthispaper.Realtimeanti-jammingcanbeachievedbydynamicallyallocatingthesensingtimeslotandreceivingtimeslot.WestudythejammingsensingperformanceoftheproposedSCAJschemebasedonenergydetection.Theclosedexpressionofjammingdetectionprobabilityunderfadingchannelsisderived,andthesystemcapacityofSCAJisanalyzed.SimulationresultsshowthattheproposedSCAJtechnologycanenhancethejammingsensingcapabilityofcyberspacedata-linkandimprovethesystemcapacityintheregionwithlowself-interference.

cyberspace;transmit-sense-receive;simultaneoustransmitandreceive;cognitiveanti-jamming;data-link

2015-11-20；Revised2016-02-16；Accepted2016-03-14；Publishedonline2016-03-211327

URL：www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20160321.1327.006.html

s：ScienceandTechnologyonAvionicsIntegrationLaboratoryandtheAeronauticalScienceFoundationofChina(2013ZC15003);JointResearchFundfromBeijingUniversityofTechnologyandQinghaiNationalitiesUniversity

2015-11-20；退修日期2016-02-16；录用日期2016-03-14； < class="emphasis_bold">网络出版时间

时间：2016-03-211327

www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20160321.1327.006.html

航空电子系统综合技术重点实验室和航空科学基金联合资助 (2013ZC15003)； 北京工业大学-青海民族大学合作基础研究基金

*

.Tel.：010-67391625E-maillihaitao@bjut.edu.cn

黎海涛， 钱一名， 方正. 网电空间数据链的认知抗干扰技术J. 航空学报，2016,37(11)：3476-3484.LIHT,QIANYM,FANGZ.Simultaneoustransmitandreceivebasedcognitiveanti-jammingforcyberspacedatalinkJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2016,37(11)：3476-3484.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2016.0078

V243.1； V271.4

A

1000-6893(2016)11-3476-09