CN105743541B - 认知跳频通信抗干扰容限确定方法 - Google Patents

认知跳频通信抗干扰容限确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种认知跳频通信抗干扰容限确定方法，主要解决现有技术的无法准确量化认知跳频通信抗干扰容限的问题。其方案是：1.确定和配置认知跳频通信系统的参数；2.构建计算跳频通信系统误比特率P1和认知跳频通信系统的误比特率P2；3.构建计算考虑链路会合延时时认知跳频通信系统的误比特率Pe；4.计算认知跳频通信系统的认知抗干扰容限。本发明考虑了虚警概率、漏警概率和链路会合时延三个因素对认知跳频系统的影响，给出了准确的抗干扰容限的解析公式，为认知跳频系统的抗干扰容限提供理论依据，利于认知跳频通信系统参数的优化配置，可用于论证认知跳频通信系统的抗干扰能力。

Description

认知跳频通信抗干扰容限确定方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及一种抗干扰容限确定方法，可用于认知跳频通信系统抗干扰能力的论证。
背景技术
在常规跳频通信系统中，较宽的信道频带被划分为许多精细化的频率间隙，简称频隙，发送端按照伪随机码发生器的输出序列决定跳频图案，跳变地选择一个或者多个频率间隙发射经过编码和载波调制的信号，由于该通信方式具备抗衰落与抗干扰能力强、多址组网便利、易于兼容窄带通信制式、抗截获性能优越等特点，已被广泛应用于军事和民用通信领域。
近年来，传统的跳频通信遇到多种实际应用方面亟待解决的问题：频谱资源日益紧缺和用频设备剧增迫切需要实现频谱的高效利用；现有固定跳频体制无法适应高动态复杂突变电磁环境；恶劣频谱环境下多种类型的强干扰对传统跳频威胁日趋严重。针对传统跳频面临的挑战，以实时频谱感知为基础、动态频谱分配为过程和合理无线频谱管理为结果的认知无线电思想被创造性地与传统跳频有机结合在一起，发展成为全新的技术领域——认知跳频，该技术被认为是消除传统跳频系统用频困扰的有效途径之一。
认知跳频技术在常规跳频机制的基础上，采用认知无线电技术快速准确地对宽频带内的电磁态势进行感知，评估跳频频率间隙的占用度状况，根据评估的结果构建跳频系统架构模型，选取最优的系统参数，调整跳频通信的机制。认知跳频系统一般由跳频发送单元、跳频接收单元、认知单元以及主控单元组成，系统框图如图1所示，跳频发送单元主要完成跳频通信信号的生成和发送，跳频接收单元主要完成通信信号的同步和解调，认知单元主要完成跳频通信信道即时细致的感知，主控单元主要完成链路汇合功能，利用认知单元获取的干扰态势生成新的跳频图案，并同时下达给跳频收、发单元，以实现最大程度的强干扰信号规避。显而易见，认知跳频系统采用主动感知和躲避干扰的方式，具有一定抗干扰的能力，在通信系统在设计、研制、测试以及验收的过程中，需要准确量化其抗干扰能力，跳频、扩频以及编码等方式形成的抗干扰能力都已经存在准确的理论表达式，但是目前由认知形成的通信抗干扰能力分析尚属空白。
目前公开的文献只简单表述了认知跳频具备抗干扰的能力，但没有分析认知抗干扰的容限以及影响认知抗干扰能力的因素，不利于认知跳频通信优化配置，最大化认知抗干扰能力。
发明内容
本发明的目的在于提出一种认知跳频通信抗干扰容限确定方法，以为认知跳频系统抗干扰能力分析提供理论依据和参数优化支撑，利于认知跳频通信优化配置，最大化认知抗干扰能力。
为了完成上述目的，本发明的技术方案包括如下：
(1)确定和配置认知跳频通信系统的参数：
认知跳频通信系统的整个带宽被划分为n个频隙，假定通信过程中所有可用频隙被使用的可能性相等，每个频隙内信号的功率为S，噪声的功率为N；
在跳频带宽内产生部分频带干扰，假定部分频带干扰覆盖k个跳频频隙，每个被干扰的频隙干扰功率都为J，且干扰覆盖的范围周期性随机变化；
假定认知跳频通信系统利用认知单元对部分频带干扰进行感知，且认知单元对干扰感知的虚警概率和漏警概率分别为Pf和Pm，当干扰发生改变时，系统的认知单元能立刻进行感知；
(2)构建计算跳频通信系统的误比特率P1和认知跳频通信系统的误比特率P2的公式如下：
其中，n为总的跳频频隙个数，k为跳频带宽内被干扰覆盖频隙个数，i为感知时漏警的频隙数，j为感知时虚警的频隙数，F(·)为跳频通信系统在单一频隙工作时的误比特率函数,S/N为性噪比，S/(N+J)为信干噪比，k′＝k-i+j，Pm为感知算法的漏警概率，Pf为感知算法的虚警概率，Pij为i与j联合分布概率，如果i与j相互独立，则
(3)假定干扰变化周期为TL，链路会合延时为TS，根据(2)的结果，构建计算有链路回合延时时认知跳频通信系统的误比特率Pe的公式如下：
(4)根据认知跳频通信系统误比特率Pe和跳频通信系统的误比特率P1的公式，计算认知跳频通信系统的抗干扰容限：
C＝C0+F-1(Pe)-F-1(P1)
其中，C0为跳频通信系统的抗干扰容限，函数F-1(·)为函数F(·)的反函数。
本发明具有以下优点：
1、本发明依据认知跳频通信的流程，从理论角度进行分析，进一步确认了认知跳频通信系统中的认知抗干扰能力；
2、本发明考虑虚警概率、漏警概率和链路会合延时三个影响认知跳频通信误比特性能的因素，给出了准确的解析公式，为量化认知跳频系统的抗干扰容限提供理论依据；
3、本发明给出的抗干扰容限确定方法可作为为优化认知跳频系统参数配置的技术支撑。
附图说明
图1是现有认知跳频通信系统架构图；
图2是本发明的实现流程图；
图3是在漏警概率为0.1和虚警概率为0.1条件下，用本发明计算得到的系统误比特率和用MATLAB软件仿真得到的系统误比特率的结果比较；
图4是在漏警概率为0.01和虚警概率为0.1条件下，用本发明计算得到的系统误比特率和用MATLAB软件仿真得到的系统误比特率的结果比较；
图5是在漏警概率为0.01和虚警概率为0.1且有链路会合时延条件下，用本发明计算得到的系统误比特率和用MATLAB软件仿真得到的系统误比特率的结果比较。
具体实施方式
参照图1，现有认知跳频通信系统主要由跳频发送单元、跳频接收单元和认知单元组成，其中跳频发送单元包括编码、调制、上变频和射频发送单元，跳频接收单元包括解码、解调、同步、下变频和射频接收单元，认知单元包括频谱感知和干扰态势分析。系统通过认知单元感知传输环境的干扰态势，得到可用的跳频频率，发端通过上变频使得调制信号的载波在可用频率内跳变，避开受干扰的频隙，从而获得一定的抗干扰容限。然而认知单元不可能实现理想感知，总是有虚警和漏警的情况，故系统将不可避免在受干扰的跳频频隙内传输，即使能实现理想感知，感知单元将感知信息传输给发端和收端也需要一定的链路会合时间。因此，跳频频隙数、虚警概率、漏警概率和链路会合时延是确定系统抗干扰容限的主要因素。
参照图2，本发明的实现步骤如下：
步骤1：确定和配置认知跳频通信系统参数。
认知跳频通信系统的整个带宽被划分为n个频隙，假定通信过程中所有可用频隙被使用的可能性相等，每个频隙内信号的功率为S，噪声的功率为N；
在跳频带宽内产生部分频带干扰，假定部分频带干扰覆盖k个跳频频隙，每个被干扰的频隙干扰功率都为J，且干扰覆盖的范围周期性随机变化；
假定认知跳频通信系统利用认知单元对部分频带干扰进行感知，且认知单元对干扰感知的虚警概率和漏警概率分别为Pf和Pm，当干扰发生改变时，系统的认知单元能立刻进行感知；
步骤2：构建计算跳频通信系统的误比特率P1。
认知跳频通信系统中去掉认知单元，就可得到跳频通信系统，对于跳频通信系统，跳频频隙的选择是任意的，故不考虑传输环境的干扰，当有k个时隙受到干扰时，系统将以的概率工作在受干扰时隙，以的概率工作在不受干扰时隙，故跳频通信系统的误比特率为：
其中，0≤k≤n，F(·)为跳频通信系统在单一频隙工作时的误比特率函数。
步骤3：构建计算认知跳频通信系统的误比特率P2。
(3a)计算认知跳频通信系统无干扰条件下误比特：
跳频通信系统的误比特率性能由编码和调制解调方式决定，通过编码速率和调制解调方式的得出跳频通信系统无干扰条件下的误比特率函数当系统中无干扰存在时认知跳频通信系统和跳频系统有相同的误比特率，从而得出认知跳频通信系统无干扰条件下误比特为
(3b)计算系统有干扰条件下误比特：
(3b1)当干扰所处频隙的位置被完全感知出来时，即系统无漏警，系统通过感知结果选择无干扰的频隙进行传输，从而可成功避开所有的受干扰频隙，此时的检测概率为(1-Pm)k，结合认知跳频通信系统无干扰条件下的误比特率为得出系统有干扰且无漏警条件下的误比特率为：
(3b2)当干扰所处频隙的位置没有被完全感知出来时，即系统有漏警，系统通过感知结果选择无干扰的频隙进行传输，由于检测结果不正确，系统使用的频隙可能是受干扰时隙，故传输过程不能完全避开干扰，假设干扰漏警的频隙个数为i，干扰虚警的频隙个数为j，且i和j相互独立，此时系统通过认知单元得知k′＝k-i+j个频隙被干扰，n-k′个时隙无干扰，则i和j的联合分布概率Pij为：
其中，
系统以的概率工作在受干扰时隙，以的概率工作在不受干扰时隙，结合系统在无干扰频隙传输的误比特率为和有干扰频隙传输的误比特率为得出系统有干扰且有漏警条件下的误比特率为：
(3b3)综合考虑系统有干扰条件下有虚警和无虚警的情况，利用(3a)和(3b2)的结论，得出系统有干扰条件下的误比特率表达式Q为：
(3c)综合考虑系统有干扰和无干扰的情况，利用(3b1)和(3b3)的结论，得出认知跳频通信系统的误比特率表达式P2为：
步骤4：计算认知跳频通信系统的误比特率Pe。
假定干扰变化周期为TL，链路会合延时为TS，其中链路会合延时包括干扰感知时间、感知信息传输以及跳频图案调整所需时间，在链路会合建立前，认知跳频通信系统无认知能力，系统的误比特率与跳频系统的误比特率一致，链路会合建立后，系统能具备认知能力，根据步骤2和步骤3的结果，构建考虑链路会合延时时认知跳频通信系统的误比特率Pe的如下公式：
其中,TL＜TS
步骤5：计算认知跳频通信系统的认知抗干扰容限。
认知跳频通信系统是在跳频通信系统的基础上加入认知单元得到的，认知单元能感知信道中的干扰并将感知结果传送给发端和收端，系统通过感知结果选择无干扰的频隙进行传输，若认知跳频通信系统中去掉认知单元而得到的系统，即跳频系统，具备抗干扰容限为C0，则认知跳频通信系统的抗干扰容限为C＝C0+C1，其中C1为由于引入认知单元而获得的额外的抗干扰容限；
根据步骤2和步骤4的结果，结合跳频通信系统的抗干扰容限C0，得出认知跳频通信系统的抗干扰容限为：
C＝C0+F-1(Pe)-F-1(P1)
其中，系统函数F-1(·)为函数F(·)的反函数。
本发明的效果可以通过以下仿真进一步说明：
(1)确定和配置认知跳频通信系统参数
仿真采用的认知跳频通信系统的跳频频率范围为[2.65GHz,2.95GHz]，带宽为300MHZ，跳频频隙数为60，每个频隙占用的带宽为5MHz，系统发送端采用5转32软扩频编码和MSK数字调制，接收端采用软解扩和非相干解调软，认知单元采用频域能量感知算法对干扰进行感知，给定虚警概率为Pf。
(2)仿真内容与结果
仿真1：在比特信噪比范围为0dB～12dB，干扰频隙个数k＝30，虚警概率为Pf＝0.1，漏警概率为Pm＝0.1，干扰功率电平-28dBm条件下，对认知跳频系统的误比特性能进行仿真，仿真结果如图3所示。
由图3可见，相同信噪比条件下，认知跳频系统的误比特性能曲线介于无干扰常规跳频通信系统误比特性能曲线与有干扰常规跳频通信系统误比特性能曲线之间；同时可见，仿真曲线与理论曲线重合，证实了本发明提出的干扰容限分析方法的合理性。
仿真2：在比特信噪比范围为0dB～12dB，干扰频隙个数k＝30，虚警概率为Pf＝0.1，漏警概率为Pm＝0.01，干扰功率电平-32dBm条件下，对认知跳频系统的误比特性能进行仿真，仿真结果如图4所示。
由图4可见，相同信噪比条件下，认知跳频系统的误比特性能曲线介于无干扰常规跳频通信系统误比特性能曲线与有干扰常规跳频通信系统误比特性能曲线之间；同时可见，仿真曲线与理论曲线重合，证实了在不同干扰情形下，本发明提出的干扰容限分析方法的合理性。
仿真3：在比特信噪比范围为0dB～12dB，干扰频隙个数k＝30，虚警概率为Pf＝0.1，漏警概率为Pm＝0.01，Ts＝TJ/5，干扰功率电平-32dBm条件下，对认知跳频系统的误比特性能进行仿真，仿真如图5所示。
由图5可见，链路回合延时是影响认知跳频系统认知抗干扰能力的关键因素，本发明提出的分析方法在分析漏警概率、虚警概率对认知抗干扰容限影响的基础上，又考虑了时间延迟的因素，该确定方法给出的理论值与仿真值一致。
综合上述仿真结果分析，本发明提出的认知跳频系统认知抗干扰容限确定方法综合考虑了漏警概率、虚警概率和链路会合时间三个因素的影响，在不同认知跳频抗干扰情形下，本发明的抗干扰容限确定方法给出的公式值与仿真值保持一致，说明了本发明具有严谨的理论性和工程可行性。

Claims (2)

1.一种认知跳频通信系统抗干扰容限确定方法，包括：
(1)确定和配置认知跳频通信系统的参数：
认知跳频通信系统的整个带宽被划分为n个频隙，假定通信过程中所有可用频隙被使用的可能性相等，每个频隙内信号的功率为S，噪声的功率为N；
在跳频带宽内产生部分频带干扰，假定部分频带干扰覆盖k个跳频频隙，每个被干扰的频隙干扰功率都为J，且干扰覆盖的范围周期性随机变化；
假定认知跳频通信系统利用认知单元对部分频带干扰进行感知，且认知单元对干扰感知的虚警概率和漏警概率分别为Pf和Pm，当干扰发生改变时，系统的认知单元能立刻进行感知；
(2)构建计算跳频通信系统的误比特率P1和认知跳频通信系统的误比特率P2的公式如下：
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其中，n为总的跳频频隙个数，k为跳频带宽内被干扰覆盖频隙个数，i为感知时漏警的频隙数，j为感知时虚警的频隙数，F(·)为跳频通信系统在单一频隙工作时的误比特率函数,S/N为性噪比，S/(N+J)为信干噪比，k′＝k-i+j，Pm为感知算法的漏警概率，Pf为感知算法的虚警概率，Pij为i与j联合分布概率，如果i与j相互独立，则
<mrow> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>C</mi> <mi>k</mi> <mi>i</mi> </msubsup> <msubsup> <mi>P</mi> <mi>m</mi> <mi>i</mi> </msubsup> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msub> <mi>P</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mi>i</mi> </mrow> </msup> <msubsup> <mi>C</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mi>k</mi> </mrow> <mi>j</mi> </msubsup> <msubsup> <mi>P</mi> <mi>f</mi> <mi>j</mi> </msubsup> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msub> <mi>P</mi> <mi>f</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mi>j</mi> </mrow> </msup> <mo>,</mo> <msubsup> <mi>C</mi> <mi>k</mi> <mi>i</mi> </msubsup> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>k</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>...</mn> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mi>i</mi> <mo>+</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mi>i</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mi>i</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>-</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mn>...2</mn> <mo>&amp;times;</mo> <mn>1</mn> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> </mrow>
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(3)假定干扰变化周期为TL，链路会合延时为TS，根据(2)的结果，构建计算有链路回合延时时认知跳频通信系统的误比特率Pe的公式如下：
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(4)根据有链路回合延时的认知跳频通信系统误比特率Pe及跳频通信系统的误比特率P1的公式，计算认知跳频通信系统的抗干扰容限：
C＝C0+F-1(Pe)-F-1(P1)
其中，C0为跳频通信系统的抗干扰容限，函数F-1(·)为函数F(·)的反函数。
2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(2)中构建认知跳频通信系统的误比特率P2的公式，按如下步骤进行：
(2a)根据跳频通信系统无干扰条件下的误比特率为得出认知跳频通信系统无干扰条件下的误比特率为
(2b)通过2b1、2b2和2b3计算出认知跳频通信系统有干扰条件下误比特率：
(2b1)根据确定和配置认知跳频通信系统的参数及其无漏警的条件，得出认知跳频通信系统有干扰且无漏警条件下的误比特率为：
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(2b2)根据确定和配置认知跳频通信系统的参数和漏警与虚警对认知跳频通信系统的影响，得出认知跳频通信系统有干扰且有漏警条件下的误比特率为：
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(2b3)根据Q1和Q2得到认知跳频通信系统有干扰条件下误比特率为：
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(2c)利用(2a)和(2b)的结论，得出认知跳频通信系统的误比特率表达式P2为：
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