一种基于认知无线电的跳频通信抗干扰方法

摘要

一种基于认知无线电的跳频通信抗干扰方法，包含跳频通信干扰频谱感知方法，剔除干扰频点得到频谱窗的方法，干扰条件下跳频密钥共享传输方法。将认知无线电的相关思想融入到跳频通信中，通过感知周围电磁环境，动态遴选出若干个干扰温度较低的“频谱窗口”来作为跳频信号的传输频带，可以提高无线跳频电台对电磁环境的适应性，增加频谱资源的利用率，进一步抑制敌方恶意干扰和电台之间的自扰，并提高跳频通信网的网络容量，降低整个跳频系统的误码率。

说明书

技术领域

 本发明将认知无线电与跳频通信相结合领域，具体涉及一种用以提高跳频电台的抗随机干扰、突发干扰及混合干扰条件下的信道容量，降低干扰环境下系统的通信误码率的方法。

背景技术

跳频通信因其具有良好的保密性、抗远近效应及抗干扰等性能而备受关注，广泛应用于现代军事短波、超短波以及数据链通信装备中。随着电磁环境的日益复杂，现有跳频通信系统正在面临越来越多的问题和挑战，逐渐影响到跳频抗干扰通信系统的性能。

有效性（带宽、系统容量）和可靠性（误码率）是通信系统的主要性能指标。实际应用过程中，遇到干扰时跳频通信的有效性和可靠性存在以下问题：

常规跳频通信系统中，收发双方进行的跳频图案是预先规划好的，一旦通信链路建立，双方将在通信过程中顺序遍历跳频图案中的每一个频点，很少对频率集的频点进行质量分析，我们称这种跳频模式为“盲目跳”。在该模式下，即使某些频点受到严重干扰，为了保证收发双方跳频图案的同步，系统仍然使用这些频点，而这些频点上的干扰则主要通过系统跳频增益、跳频速率和信道编译码增益来抑制。随着电磁环境的日趋复杂和电磁信号的日益密集，原来较为“干净”的跳频通信频段内将会被引入越来越多的无用信号和人为干扰，这些信号的存在会破坏越来越多原来跳频频率集上的频点通信，造成大量误码，从而降低系统的抗干扰能力。跳频点“碰撞”概率增高,制约跳频通信网容量提升。随着跳频多址、跳频组网在无线通信中的广泛应用，网内不同用户之间、同频段网系之间的可用频率资源也将日益紧张，跳频图案集的正交性将更难得到保证，从而导致跳频点的碰撞现象日益明显，将直接制约跳频通信网的容量提升。

本方法将认知无线电的有关思想融入到跳频通信之中，通过检测周围电磁环境（有意干扰、无意干扰、噪声等），动态遴选出若干个干扰温度较低的“频谱窗口”来作为跳频信号的传输频带，可以提高跳频电台对电磁环境的适应性、增加频谱资源的利用率、进一步抑制敌方恶意干扰和电台之间的自扰、提高跳频通信网的网络容量，降低系统误码率。

发明内容

    本发明的目的就是结合认知无线电思想的先进特点，提供一种设计合理、易于实现、不改变现有电台结构的跳频通信抗干扰新方法，显著提高系统的容量，降低误码率。

    本发技术方案：

    一种基于认知无线电的跳频通信抗干扰方法，其特征在于,所述抗干扰方法包括三部分：跳频通信抗干扰频谱窗检测方法，剔除干扰频点得到频谱窗的方法以及干扰条件下跳频密钥共享传输方法。

    所述跳频通信抗干扰频谱窗检测方法，具体为：

a、根据系统跳频所使用的整个频带和每个频点的带宽，划分成若干个相对窄的子频带；

b、利用认知无线电能量检测的频谱感知方法，对系统所支持的所有频带进行周期性的感知检测，得到各频带的能量特征；

c、根据信道内“干扰温度”情况来检测是否存在“频谱窗口”，并根据相应准则给出各个“频谱窗口”的质量特征。

    所述剔除干扰频点得到频谱窗的方法，具体为：

A、对上述方法中检测到的信号进行加窗处理和FFT变换；

B、计算步骤A中统计量，确定剔除门限；

C、利用FCME（连续均值剔除算法），剔除干扰较大不适合跳频使用的频率，得到未被干扰适合跳频通信的“频谱窗”；

D、根据得到的频谱窗和其管理信息，确定出新的可用频率集，生成新的跳频图案。

    所述干扰条件下跳频密钥共享传输方法，具体为：

1)、将新生成的跳频密钥信息按系统每跳带宽限制进行分组；

2)、将分组后的信息，结合喷泉码编码规则，形成满足干扰条件下收方容易收到并不易被干扰方截获的信息帧；

3)、收方接收到完整密钥信息后，发送ACK确认信号给发方；

    4)、收发双方开始按照新的跳频图案进行正常的跳频通信。

    本发明的有益效果是: 

通过周期性的频谱检测，获取系统电磁环境相关通信频带的特征，剔除干扰频点得到适合系统跳频通信的频谱窗并生成新的频率集，在干扰条件下传输新的跳频密钥，实现收发双方共享进行抗干扰通信，通过给电台增加相应检测、计算模块，提高跳频电台抗干扰通信能力。本发明设计合理、易于实现、不改变现有电台结构的跳频通信抗干扰新方法，能够显著提高系统的容量，降低误码率。

附图说明    

图1为本发明的原理框架示意图。

图2为本发明方法所构成的跳频通信系统示意图。

图3为本发明系统频谱检测和频谱窗利用的示意图。

图4为本发明干扰频点剔除步骤示意图。

图5为本发明跳频图案生成流程图。

图6为本发明收发双方对信息的共享及通信流程图。

具体实施方式

    下面结合实施例对本发明进行进一步描述。

实施例：

    如图1和图2所示，一种基于认知无线电的跳频通信抗干扰方法，所述抗干扰方法包括三部分：跳频通信抗干扰频谱窗检测方法，剔除干扰频点得到频谱窗的方法以及干扰条件下跳频密钥共享传输方法。

    所述跳频通信抗干扰频谱窗检测方法，具体为：

a、根据系统跳频所使用的整个频带和每个频点的带宽，划分成若干个相对窄的子频带；

b、利用认知无线电能量检测的频谱感知方法，对系统所支持的所有频带进行周期性的感知检测，得到各频带的能量特征；

c、根据信道内“干扰温度”情况来检测是否存在“频谱窗口”，并根据相应准则给出各个“频谱窗口”的质量特征。

    所述剔除干扰频点得到频谱窗的方法，具体为：

A、对上述方法中检测到的信号进行加窗处理和FFT变换；

B、计算步骤A中统计量，确定剔除门限；

C、利用FCME（连续均值剔除算法），剔除干扰较大不适合跳频使用的频率，得到未被干扰适合跳频通信的“频谱窗”；

D、根据得到的频谱窗和其管理信息，确定出新的可用频率集，生成新的跳频图案。

    所述干扰条件下跳频密钥共享传输方法，具体为：

1)、将新生成的跳频密钥信息按系统每跳带宽限制进行分组；

2)、将分组后的信息，结合喷泉码编码规则，形成满足干扰条件下收方容易收到并不易被干扰方截获的信息帧；

3)、收方接收到完整密钥信息后，发送ACK确认信号给发方；

    4)、收发双方开始按照新的跳频图案进行正常的跳频通信。

具体实现原理及方法：

如图3和图4所示，系统首先对特定跳频频段内的电磁频谱情况进行检测，得出满足一定要求的若干“频谱窗口”。根据认知无线电的频谱感知理论，我们可以将进入到跳频工作频段内的所有无关信号看成是“主信号”，跳频用户本身就是感知用户，其在工作前需要感知周围的频谱利用情况，然后才能选择合适的跳频信道进行通信。这样，跳频用户就需要在频谱检测方面做两项工作：一是检测工作频段内的所有跳频信道（跳频点）是否存在功率较大的“主信号”，从而决定该信道是否可用；二是要周期性地检测这些信道的变化情况，一旦某些信道中出现高功率的“主信号”，感知用户要在第一时间检测到它并以最快的速度弃用该信道。图3中a）、b）和c）三个子图中的上半部分为某一时刻的跳频点和干扰信号情况，下半部分为频谱检测后生成的频谱窗。干扰信号的宽度定性反映了干扰所占据的带宽，高度则定性反应了干扰功率的大小；频谱窗的宽度反映了某一小簇可用频谱的带宽，高度则反映了该簇频谱的质量。

a)中假设t₀时刻整个跳频工作频段中没有干扰信号，则频谱检测的结果应该是每个跳频信道(点)都可以正常用来进行通信；

b）中假设t₁时刻在跳频工作频段中出现了多种干扰，那么根据具体频谱检测算法，我们可以得出如图b）下半部分子图所示的频谱窗，然后根据这些频谱窗的特性来规划跳频图案，实时可靠通信；同样，

c）中假设t₂时刻多种干扰在跳频工作频段中发生了变化，于是可用频谱窗也会动态变化（如图c）下半部分子图所示），相应的跳频图案将会在这些变化后的频谱窗中重新规划。

在对上述跳频频段进行频谱窗检测过程中，由于我们所关心的所有干扰信号都可以看成是广义意义上的“主信号”，所以可以采用主用户发射端检测方法来确定频谱窗，其检测模型为

其中，为本系统感知单元接收到的信号，为主用户信号，也就是干扰，是加性高斯白噪声，为信道复增益，表示主信号不存在（也就是频谱窗可以产生）时的判决量，同样是主信号存在（对应于频谱窗在该频点不产生）时的判决量。该模型使得跳频频段的频谱窗检测问题变成一个典型的假设检验问题。利用改进的FCME算法，可以判定检测到的频率是否是系统跳频可用的“频谱窗”。

所述干扰条件下跳频密钥共享传输方法，具体实现方法：

跳频图案生成方法如图5所示，根据检测到的频谱窗和其管理信息，系统将确定出新的可用频率集，生成新的跳频图案。建立数学模型如下：假设没有干扰时，跳频工作频段的所有跳频点作为信道空间，某一时刻经过频谱窗检测后，该时刻所有频谱窗所含有的跳频点构成另外一个集合，， 显然.接下来的工作就是从这个子集中来确定那些频率点用于通信。

干扰条件下跳频密钥共享方法，如图6所示，在通信建立初期，对系统威胁最大的人为敌对干扰一般情况下还没有出现，或者是即使出现了，干扰效果在短期内不一定最佳。此时，收发双方采用常规跳频方式，在每个跳频信道上都传输各自的频谱窗感知信息和拟接收的跳频图案，双方握手确认后，转入认知跳频通信阶段，均按照对方的频谱感知信息和跳频图案进行跳频发送，从而保证接收方处于最佳的通信接收状态。为保证认知过程的持续进行，收发双方在发送对方的信息数据中包含有自己当前时刻的频谱窗认知情况和拟接收跳频图案，为对方下一时刻的通信发送提供信息。

前面提供了对较佳实施例的描述，以使本领域内的任何技术人员可使用或利用本发明。对这些实施例的各种修改对本领域内的技术人员是显而易见的，可把这里所述的总的原理应用到各其他实施例而不使用创造性。因而，本发明将不限于这里的所示的实施例，而应依据符合这里所揭示的原理和新特征的最宽范围。