电磁频谱伞罩自干扰抑制实验验证

郭文博,宋长庆,张译丹,赵宏志,邵士海,唐友喜

(电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室,四川 成都 611731)

0 引 言

电子战是电子战场的核心,在作战过程中期望己方电磁频谱能够对授权平台进行保护,并对非授权平台实施电子攻击[1]。基于此目标,文献[2]提出一种电磁频谱伞罩系统,在发生电子战的区域内放置电磁波干扰设备,实现电磁频谱伞罩的构建,即在期望的经度、纬度以及海拔高度范围内形成强电磁波干扰区域,用以阻塞伞罩内非授权用户的通信设备,并保证授权用户设备的正常通信,进而提高授权通信的安全性[2]。对于伞罩内的授权用户,只需在解码前将伞罩自干扰消除模块添加至现有的设备上即可,无需重新设计信号波形就能添加到受伞罩保护的协作网络中,对现有设备的兼容性强。

目前,与伞罩自干扰相关的研究大多集中在干扰策略或资源调度上[3-9]。文献[3]表明,可以在源节点、目标节点、中继节点上单独或同时发送伞罩自干扰信号。文献[4]表明,全方位伞罩自干扰更容易混淆被动窃听者,而定向伞罩自干扰更适用于干扰主动窃听者。考虑到用于发射信号和伞罩自干扰的总功率预算有限,文献[5-7]中分别给出了一跳、二跳和多跳无线网络中伞罩自干扰功率的最优分配方案,从而实现保密容量最大化或通信中断概率最小化。此外,基于模数转换器(analog to digital converter,ADC)分辨率有限这一局限性,文献[8]提出了一种在模拟域中利用伞罩自干扰阻塞非授权设备ADC模块的方案。近年来,随着无线能量传输技术的发展,无线能量传输协同干扰的概念被提出,从而使得低功率设备作用于伞罩干扰机成为可能[9]。

需要注意的是,上述算法的前提条件均为授权接收机处的伞罩自干扰能够被完美抑制,然而在现有的文献中并没有明确提及如何抑制伞罩自干扰,并且缺乏可靠的实验验证。

因此,针对现有研究的不足,本文以电磁频谱伞罩系统中的一个点对点通信场景为例,研究了伞罩自干扰抑制架构,并搭建设计了一个伞罩自干扰抑制实验平台,为伞罩自干扰算法提供了实验支持与硬件平台。

1 系统模型

电磁频谱伞罩的三维结构如图1所示,包含伞罩干扰机、授权通信设备和非授权通信设备。

图1 电磁频谱伞罩的三维结构Fig.1 Three-dimensional structure of electromagnetic spectrum umbrella

图1中,伞罩干扰机释放大功率干扰信号用于切断非授权通信,而授权通信设备与伞罩干扰机属于协作关系,其预先知晓伞罩自干扰的先验信息,可以通过一定的手段对伞罩自干扰实施抑制。

本文提出的电磁频谱伞罩自干扰抑制架构的系统模型如图2所示。伞罩自干扰信号被设计成均值为0、周期为L个符号的循环伪随机序列,便于在存在时延的情况下进行频率同步。

图2 电磁频谱伞罩自干扰抑制系统模型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分别表示接收伞罩自干扰的归一化传播时延和归一化频偏;rs(n)和wr(n)分别表示授权接收机处的基带期望信号和等效基带噪声。

1.1 频率同步

由于c(n)是周期为L个符号的循环伪随机序列,因此可以在未进行时间同步的情况下直接进行频率同步。本文中,频偏由导引辅助估计器估计得到[10],其表达式为

(3)

利用式(3)的结果对授权接收机处的数字基带信号进行频率补偿,可得

(4)

1.2 时间同步

在消除频偏的影响后,利用频偏补偿后的数字基带接收信号rf(n)进行时间同步。首先,利用自相关法使rf(n)和本地参考伞罩自干扰c(n)进行符号级对齐[11],即同步误差控制在1/2个符号以内。符号级同步后的本地参考伞罩自干扰信号可以表示为

cs(n)=c(n-〈Dc〉)

(5)

式中:〈·〉表示四舍五入操作。

随后,利用互功率谱的相位来估计分数级时延D0=Dc-〈Dc〉[12]。rf(n)与cs(n)的互功率谱为

(6)

(7)

式中:θ0是由信道增益hc和残余频偏δc引起的综合相位偏移。

利用最小二乘法,可以计算出分数级时延的估计值为

(8)

得到时延估计值后,利用文献[13]中提出的可变分数级时延滤波器将时延补偿给本地参考伞罩自干扰cs(n)[13],表达式为

(9)

式中:Cl,m为可变分数级时延滤波器的系数;*表示卷积操作。

1.3 信道估计

时频同步后,通过最大似然估计方法实现信道估计[14]。信道增益可估计为

(10)

利用式(10)的结果对时间同步后的本地参考伞罩自干扰信号进行信道补偿,补偿后的信号可表示为

(11)

由此,伞罩自干扰重建完成。利用式(4)和式(11)进行伞罩自干扰抑制,可得

(12)

2 实验平台

如图3所示,使用一个基于软件定义的无线电(software defined radio,SDR)实验平台,用于验证本文提出的伞罩自干扰抑制架构的有效性,图3(a)和图3(b)分别表示的是实验平台的原理框图与实物照片。其中的每个节点由数字信号处理平台定为U2和数据采集卡定为FMC102组成,如图4所示。定为U2板卡包含赛灵思(Xilinx)XC7K325T-2-FFG676现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)[15],定为FMC102板卡包含两个最大采样率为1GSPS的16位德州仪器(TI)DAC5682的数模转换器(digital to analog converter,DAC)以及两个最大采样速率为250MSPS的12位亚诺德AD6913的ADC[16]。

图3 电磁频谱伞罩原理框图和实物图Fig.3 Principle block diagram and physical drawing of electromagnetic spectrum umbrella

图4 电磁频谱伞罩实验板卡实物图Fig.4 Physical drawing of electromagnetic spectrum umbrella experiment board card

该实验步骤如下:首先,利用Matlab软件生成基带期望信号和伞罩自干扰,其功率由数字功率控制器分配;然后利用TCP/IP协议,通过网线将基带信号下载到通信发射机和伞罩干扰机中相应的同步动态随机存储器芯片;接下来,将基带信号与基带伞罩自干扰在FPGA中进行数字上变频,再送至DAC之后进行发射;经过信道后,混合信号被授权接收机和非授权接收机的天线捕获,并送至ADC进行数字下变频;最后,混合基带信号通过网线上传至Matlab软件。对于授权接收机,先使用图2所示的伞罩自干扰抑制架构从混合接收信号中抑制伞罩自干扰,再对抑制后的残余信号进行解调,从而恢复原始期望信号的比特信息。但是对非授权接收机而言,期望信号和伞罩自干扰的混合信号不经过自干扰抑制,直接解调。

3 实验结果

实验中,伞罩自干扰使用均值为0、周期为1 024个符号的循环伪随机序列,期望信号使用未编码的二进制相移键控信号表示。为了更好地观察伞罩自干扰抑制性能,伞罩自干扰和期望信号的带宽分别设置为100 kHz和50 kHz。在FPGA中,基带伞罩自干扰和基带期望信号被上变频至100 MHz。公平起见,假设非授权接收机靠近授权接收机,并考虑伞罩干扰机位于收发信机内部区域和外围区域两种情形。于是,设置通信发射机和授权接收机之间的距离为1 m,伞罩干扰机与授权接收机之间的距离为0.5 m(对应于内部区域)和2 m(对应于外围区域)。总功率预算为P=Ps+Pc=20 dBm,其中Ps和Pc分别表示期望信号和伞罩自干扰的发射功率。此外,授权接收机与非授权接收机底噪的功率谱密度均为-95 dBm/Hz。

当伞罩干扰机位于收发信机内部区域,且期望信号和伞罩自干扰都以17 dBm的功率发射时,伞罩自干扰抑制前后授权接收机接收信号的功率谱密度如图5所示。为了便于对比,完美伞罩自干扰抑制的情况也在图5中给出。观察可知,接收期望信号先被淹没在伞罩自干扰中,随着频率的增加,在伞罩自干扰抑制后能够看到期望信号的频谱轮廓,其中该结构提供了51 dB的抑制能力。与无伞罩自干扰的纯净期望信号相比,所提出的伞罩自干扰抑制结构导致了5 dB的残余伞罩自干扰,使得底噪提升约5 dB。

当伞罩自干扰和期望信号以不同功率发射时,图6给出了电磁频谱伞罩实验系统的保密容量,其定义为授权信道优于非授权信道的通信容量。从实验结果中发现,在伞罩自干扰的帮助下,系统的保密容量可以达到正值,意味着授权信道的质量优于非授权信道。此外,期望信号和伞罩自干扰的发射功率存在最优分配策略,当伞罩干扰机位于收发信机内部区域时,最优保密容量在发射干信比为-5 dB时取得;当伞罩干扰机位于收发信机外围区域时,最优保密容量在发射干信比为0 dB时取得,这意味着当伞罩干扰机位于收发信机外围区域时,应将更多的功率用于发射伞罩干扰来阻断非授权通信。另外,与完美伞罩自干扰抑制相比,由于不完美时频同步、不完美信道估计、DAC和ADC的非线性等因素,导致所提出的伞罩自干扰抑制结构存在约0.8 bps/Hz的保密容量损失。

图5 授权接收机功率谱分析Fig.5 Power spectrum analysis of the authorized receiver

图6 保密容量分析Fig.6 Secrecy capacity analysis

图7给出了授权接收机和非授权接收机的误码率性能。由观察可知,当发射干信比较小时,授权接收机和非授权接收机都能准确地解码期望信号。随着发射干信比增大,非授权接收机的误码率逐渐增大,因为更强的伞罩自干扰信号会严重降低非授权接收机处的信噪比。但对授权接收机而言,如果发射干信比小于30 dB,由于具备伞罩自干扰抑制能力,其仍有可能成功解码期望信号。然而，当进一步增加伞罩自干扰功率时,授权接收机处的误码率会增大,因为当总功率受限时,增加伞罩自干扰功率会降低期望信号功率,从而导致授权接收机处的信噪比降低,限制误码率性能。此外,还可以观察到,当伞罩干扰机位于收发信机外围区域时,非授权接收机的误码率比伞罩干扰机位于收发信机内部区域时更低,但授权接收机的误码率性能没有变化,这意味着应将更多的功率用于发射伞罩干扰来恶化非授权通信。

图7 误码率性能分析Fig.7 Performance analysis of bit error rate

4 结 论

本文提出了一种伞罩自干扰抑制架构,并设计了FPGA实验平台来验证该架构的有效性。实验结果表明,本文所提出的伞罩自干扰抑制结构能够充分抑制授权接收机处的伞罩自干扰,在切断非授权通信的同时,可以保障授权设备的正常通信,并且降低期望信号被截获的风险。另外,本文可为电磁频谱伞罩系统提供实验支撑和硬件平台。