梁 炎

(中國艦船研究院 北京 100192)

1 引言

認(rèn)知無線電(Cognitive Radio,CR)概念自1999年問世以來,已成為當(dāng)前通信領(lǐng)域研究的熱點,也是未來通信技術(shù)的發(fā)展方向。簡單地講,認(rèn)知無線電具備以下兩個主要特征[1]:

1)認(rèn)知能力。認(rèn)知無線電能夠從其工作電磁環(huán)境中捕獲或者感知信息,能夠標(biāo)識在特定時間和空間內(nèi)可使用的頻譜資源,并能選擇最適當(dāng)?shù)念l譜和工作參數(shù)。

2)重構(gòu)能力。認(rèn)知無線電可以根據(jù)電磁環(huán)境動態(tài)編程,允許認(rèn)知無線電設(shè)備采用不同的無線傳輸技術(shù)收發(fā)數(shù)據(jù),可動態(tài)重構(gòu)工作頻率、調(diào)制方式、發(fā)射功率和通信協(xié)議等參數(shù)。

因此,認(rèn)知無線電將提高頻譜資源利用率。它可以使低優(yōu)先權(quán)的認(rèn)知用戶(次級用戶)通過認(rèn)知無線電技術(shù),適時使用分配給主用戶(授權(quán)用戶)的頻譜資源以達(dá)到最佳頻譜資源共享。

在軍事通信領(lǐng)域,認(rèn)知無線電將傳統(tǒng)的靜態(tài)頻譜管理策略轉(zhuǎn)變成動態(tài)頻譜策略,以適應(yīng)靈活多變的戰(zhàn)場環(huán)境,達(dá)成實現(xiàn)頻譜共享和提高抗干擾能力。動態(tài)頻譜策略通信也為電子偵察系統(tǒng)提出許多新的挑戰(zhàn)。電子偵察系統(tǒng)應(yīng)具備更強(qiáng)的認(rèn)知與重構(gòu)能力。本文試圖以當(dāng)前先進(jìn)的商用電子偵察設(shè)備(例如 R&S、Tektronix公司產(chǎn)品)為工具,研究偵察認(rèn)知無線電通信的通用解決方案。

2 動態(tài)頻譜通信的特征

無線電通信系統(tǒng),根據(jù)其頻譜分配策略,可分為靜態(tài)(或固定)和動態(tài)頻譜通信(見圖1)[2]。固定頻譜通信是指傳統(tǒng)的無線電通信,有窄帶通信與寬帶通信之分?！罢瓗А蓖ㄐ诺南鄬?信號帶寬與中心頻率之比)小于1%,而相對帶寬在1%～25%之間被稱為“寬帶”通信。窄帶通信主要包含幅度調(diào)制(AM)、頻率調(diào)制(FM)、相位調(diào)制(PM)以及正交調(diào)制(I/Q)等系統(tǒng)。寬帶通信的基本技術(shù)可分為頻跳擴(kuò)頻(FHSS)和直序擴(kuò)頻(DSSS)兩類。

無線電通信自發(fā)明以來,基本上立足于靜態(tài)頻譜分配策略。認(rèn)知無線電將無線電通信從靜態(tài)頻譜管理策略發(fā)展到動態(tài)頻譜策略,亦即頻譜從“不變”走向自適應(yīng)“多變”。當(dāng)前常用的動態(tài)頻譜通信有兩大類型:頻分復(fù)用(FDM)和時分復(fù)用(TDM)體系結(jié)構(gòu),前者的常用技術(shù)方案代表是NC-OFDM(Non-Contiguous Orthogonal Frequency Division Multiplexing,非連續(xù)-正交頻分復(fù)用),后者是TDMA-BC(Time Division Multiple Access-Burst Communication,時分多址-瞬間通信)。

圖1 無線電通信的頻譜分配策略分類

2.1 NC-OFDM

OFDM(正交頻分復(fù)用)是目前成熟的和充滿發(fā)展?jié)摿Φ恼{(diào)制技術(shù)。起源于軍事通信應(yīng)用,它已經(jīng)在數(shù)字音頻廣播(DAB)、數(shù)字視頻廣播(DVB)和無線局域網(wǎng)(WLAN)等技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。OFDM是一種并行多載波體制,它根據(jù)存在的“頻譜空洞”,靈活對各子載波進(jìn)行自適應(yīng)參數(shù)分配和調(diào)整(頻率、功率、調(diào)制方式等),以達(dá)成最佳的通信效果。

NC-OFDM是基于OFDM的“頻譜池”(Spectrum Pooling)策略。這種策略將一部分分配給不同業(yè)務(wù)的頻譜合并成一個公共頻譜池,頻譜池中的頻譜可以是不連續(xù)的,整個頻譜池被劃分成為多個OFDM子信道。感知用戶臨時占用頻譜池里的空閑信道,構(gòu)成所謂的非連續(xù)OFDM。NC-OFDM通信首先獲得感知設(shè)備提供的發(fā)送參數(shù)重構(gòu)信息,從而獲得OFDM頻譜池內(nèi)可用的子載波頻譜[3]。

“頻譜池”技術(shù)實際上是一種FDMA(頻分多址)接入?yún)f(xié)議。從軍事通信對抗觀點來看,這些被選用的子信道也可以認(rèn)為是“未被干擾”的頻譜。因此NC-OFDM具備主動躲避“干擾”的潛在能力。NC-OFDM系統(tǒng)收/發(fā)功能是一個實時FFT/IFF T處理過程,因此具有依賴于系統(tǒng)FFT采樣時隔與采樣點數(shù)的固定時間重復(fù)周期。

2.2 TDMA-BC

TDMA-BC(時分多址-瞬間通信)是一種基于TDMA(時分多址)接入?yún)f(xié)議的、以自適應(yīng)瞬間通信為基礎(chǔ)的抗干擾通信。自適應(yīng)瞬間通信,或稱為自適應(yīng)突發(fā)/猝發(fā)通信,是指在電磁環(huán)境感知設(shè)備提示下,選擇出最佳可用頻譜,并在計算機(jī)控制下采用瞬間高速數(shù)字通信技術(shù),包括擴(kuò)頻、跳頻、分組通信技術(shù)、在極短瞬間傳送電文或數(shù)據(jù)。TDMA-BC射頻一般可以做到不重復(fù),以避免被截獲和干擾。如同Link 16/22等先進(jìn)的通信系統(tǒng)設(shè)備一樣,TDMA-BC也是一種時間同步系統(tǒng),每個網(wǎng)絡(luò)成員都以TDMA網(wǎng)絡(luò)時間周期為重復(fù)周期在為其分配的時隙發(fā)送信息。

3 動態(tài)頻譜通信的偵察

無線電通信偵察是一種被動式電磁信號截獲技術(shù),主要包括信號檢測、調(diào)制分類、輻射源定位和通信干擾支援。電磁信號截獲只有在時域、空域和頻域與輻射源信號重合時才有可能。在實施通信偵察時,實際上并不清楚輻射源信號是否存在,對新出現(xiàn)的輻射信號更是一無所知。因此,偵察設(shè)備應(yīng)能覆蓋整個通信波段和各種通信體制,應(yīng)具備實時在線自動信號分析和非實時離線人工信號分類的能力,以便為每一種輻射源建立相應(yīng)的特征數(shù)據(jù)庫。

圖2 無線電通信偵察網(wǎng)的體系架構(gòu)

為了截獲動態(tài)頻譜信號,無線電通信偵察應(yīng)具備認(rèn)知與重構(gòu)能力。因為動態(tài)頻譜信號存在“多變性”,其信號特征(例如中心頻率、帶寬、調(diào)制方式、發(fā)射功率等參數(shù))的相關(guān)性也可能“多變”,偵察設(shè)備應(yīng)當(dāng)能夠認(rèn)知這種“多變性”,并通過通信偵察網(wǎng)融合同一輻射源的動態(tài)頻譜信號。如圖2所示,每個通信偵察節(jié)點都提供信號特征檢測、信號時間周期特征檢測和地理位置特征檢測的能力。

3.1 信號特征檢測

信號特征檢測是電子偵察常用的傳統(tǒng)技術(shù)。如圖2所示,每個通信偵察節(jié)點提供的信號特征檢測包括以下三種功能:

1)匹配濾波檢測。由于電子偵察設(shè)備需要捕獲任意瞬間發(fā)生的通信信號,除了要覆蓋整個感興趣的時域與空域外,它還需要使用一系列匹配濾波器并行覆蓋整個通信頻段(見圖3)。采用相關(guān)檢測技術(shù)的匹配濾波檢測用于捕獲信噪比(SNR)超過匹配濾波器門限值的確知信號,還能捕獲多種調(diào)制方式的一部分已知波形,例如前導(dǎo)波、導(dǎo)頻碼、訓(xùn)練序列等。因為動態(tài)頻譜信號“多變”,信號相關(guān)檢測就需要更多的人工智能干預(yù),通常使用信號特征數(shù)據(jù)庫記錄、跟蹤和對比信號的動態(tài)特性。

2)頻譜能量檢測。頻譜能量檢測是一種非相關(guān)檢測法,也是目前應(yīng)用最廣的一種頻譜檢測方式。它在時域或頻域上一段觀察空間內(nèi)統(tǒng)計接收信號的總頻譜能量,如果頻譜能量超過預(yù)設(shè)的檢測門限,就認(rèn)為信號存在。其缺點就是噪聲的不確定性使得檢測門限設(shè)置比較困難,以及無法區(qū)分信號、噪聲和干擾。在實踐中,頻譜能量檢測可測量多種頻譜能量,例如信道功率(CP)、突發(fā)功率(BP)、鄰信道功率(ACP)、載噪比(C/N)、占用帶寬(OBW)、載波頻率(CF)、射頻帶寬(EBW)或欺騙/虛假信號等,從多種視角提升判斷信號存在的能力。

圖3 匹配濾波器瞬時捕獲任意發(fā)生的信號

3)循環(huán)平穩(wěn)特征檢測。用于傳輸信息的調(diào)制信號不管是調(diào)制在正弦波、跳頻序列、循環(huán)前綴(CP)、擴(kuò)展碼或脈沖序列中,一般都具有某種程度上的周期性,其統(tǒng)計特性諸如頻譜均值和自相關(guān)都呈現(xiàn)出周期性,而噪聲不具備這種特性,因此可以利用調(diào)制信號的循環(huán)平穩(wěn)特性(cyclostationary signatures)來檢測出噪聲背景下的信號。譜相關(guān)檢測法的優(yōu)點是基于信號特征離散地分布在循環(huán)譜的循環(huán)頻率中,而背景噪聲和干擾在非零循環(huán)頻率處不會呈現(xiàn)譜相關(guān)特性,因而能夠區(qū)別調(diào)制信號和噪聲以及干擾[4]。

3.2 信號時間周期特征檢測

盡管動態(tài)頻譜信號“多變”,但其信號輻射具有明顯的時間周期性。例如,NCOFDM信號輻射時間具有以 FFT/IFFT周期為基本特征的重復(fù)周期。TDMA-BC的每個網(wǎng)絡(luò)成員在指定的時隙發(fā)射信號,擁有以TDMA網(wǎng)絡(luò)時間周期為特征的固定重復(fù)周期。信號時間周期相關(guān)性可作為融合動態(tài)頻譜信號的一個重要特征。圖4描述使用“信號特征”全景視圖顯示動態(tài)頻譜信號的時間周期特性。

3.3 信號源的地理位置特征檢測

地理位置是每個輻射源固有的物理特性。在單點無線電通信偵察設(shè)備中,信號到達(dá)方位數(shù)據(jù)體現(xiàn)輻射源平臺的地理位置特性,它在信號分選、融合、識別和定向中扮演重要角色。電子偵察網(wǎng)使用多個電子偵察節(jié)點提供的信號到達(dá)方位數(shù)據(jù)交叉確定信號輻射源的地理位置,這將有效地提高檢測信號的準(zhǔn)確性。

圖4 一種動態(tài)頻譜信號的時間周期特征顯示[5]

4 商用設(shè)備解決方案

當(dāng)前商用寬帶接收技術(shù)業(yè)已成熟,能夠滿足多種電子偵察應(yīng)用需求,并且價格合理,更新?lián)Q代快,它改變了傳統(tǒng)軍用電子偵察應(yīng)用只使用專用設(shè)備的習(xí)慣。德國羅德與施瓦茨(R&S)公司和美國Tektronix公司的產(chǎn)品就是這方面的成功典范。

4.1 信號特征檢測

德國R&S公司EM510/EM550寬帶數(shù)字接收機(jī)能覆蓋從9kHz至3.6GHz波段,I/Q數(shù)據(jù)高達(dá)10MHz帶寬,解調(diào)高達(dá)10MHz帶寬,中頻(IF)模擬輸出高達(dá)50MHz帶寬,并能無損處理窄帶和寬帶發(fā)射信號[6]。它以 128MHz采樣率對中頻(IF)濾波信號連續(xù)采樣,并將2048個采樣點組成一幀F(xiàn)FT信號,實現(xiàn)“瞬時”頻譜及其參數(shù)輸出。如果將中頻濾波信號擴(kuò)展外接到專用的寬帶DSP設(shè)備,后者將能分析更為復(fù)雜的信號特征,例如調(diào)制信號循環(huán)平穩(wěn)特征檢測、信號時間周期特征檢測等。EM510/EM550寬帶數(shù)字接收機(jī)提供以下多種模式進(jìn)行信號特征檢測(見表1):

表1 EM510/EM550寬帶數(shù)字接收機(jī)的主要性能

1)固定頻率模式(FFM)。通過設(shè)置固定頻譜信道,它接收、濾波和解調(diào)分類各種“窄帶”信號,例如AM、FM 、PM、脈沖(AM 脈沖)、CW 等通信信號。

2)信道掃描(Channel scan)/頻率掃描(Frequency scan)模式。通過設(shè)置測量波段的兩個極端點頻率以及掃描步長,它高速(可高達(dá)34GHz/s)無縫實時掃描整個波段信號。信道掃描除了設(shè)置信道中心頻率外,還可設(shè)置信道帶寬、信道分辨率、占用帶寬度或信號電平門限等參數(shù),實現(xiàn)各種信號頻譜能量檢測。

3)存儲掃描(Memory scan)模式。這是快捷的信道掃描模式,它以頻率存儲表為基礎(chǔ),掃描一系列指定的載頻點(可高達(dá)10000個頻點)。每個載頻點代表一個信道,存儲掃描快速搜索用戶編程指定的信道,因此特別適用搜索已知的通信系統(tǒng)的信號。

4)寬帶固定頻率模式(Wideband FFM)。它提供具有50MHz帶寬和405.4MHz中心頻率的模擬中頻輸出,支持實時FF T分析中頻信號的頻譜特性。實時FFT中頻信號能擴(kuò)展成為調(diào)制信號循環(huán)平穩(wěn)特征檢測的信息源。

5)全景掃描(Panorama scan)模式或稱實時FFT。它以10MHz瞬時帶寬對整個設(shè)置的波段進(jìn)行高分辨率FFT(ADC采樣頻率為128MHz、分辨率為14bit)分析信號頻譜特性。

通過組合使用匹配濾波檢測和頻譜能量檢測,EM510/EM550寬帶數(shù)字接收機(jī)能勝任分析與解調(diào)許多軍用通信信號,盡管還需要更高的頻帶掃描速度才能檢監(jiān)測直序擴(kuò)頻(DSSS)、高速頻跳擴(kuò)頻(FHSS)或瞬時單脈沖信號,但是商用電子監(jiān)測設(shè)備的開放性結(jié)構(gòu)、模塊化設(shè)計和價格適宜等優(yōu)點將成為構(gòu)造軍用電子偵察設(shè)備的一個重要選項。

4.2 輻射源的地理位置檢測

德國R&S公司DDF0xE家族設(shè)備是一體化的數(shù)字掃描測向機(jī),可根據(jù)天線配置選用沃森-瓦特(Watson-Watt)或相關(guān)干涉兩種測向法,能在0.2μ V/m(HF)～1μ V/m(≤1.3GHz)或 3μ V/m(≥1.3GHz)～3μ V/m(≤3GHz)低場強(qiáng)環(huán)境獲得穩(wěn)定的測向結(jié)果,測向分辨率可達(dá)2～1°RMS[7]。DDF0xE測向機(jī)內(nèi)部配置了三部相當(dāng)于 EM510/EM550的寬帶數(shù)字接收機(jī),以10MHz FFT實時帶寬提供30GHz/s測向掃描速度以及240000信道/s速率來確定輻射源的信號到達(dá)方位(相關(guān)干涉法)。很明顯,通過多部DDF0xE設(shè)備的交叉定位就能確定輻射源信號的地理位置。

5 結(jié)語

在認(rèn)知無線電通信領(lǐng)域,人們對偵察動態(tài)頻譜信號的認(rèn)知還很膚淺,但是信號特征檢測、信號時間周期特征檢測以及地理位置特征檢測將是構(gòu)成搜索、截獲、識別與定位動態(tài)頻譜信號的技術(shù)基礎(chǔ)。商用電子偵察設(shè)備種類繁多,其用途、功能以及性能各有特長,在專用軍用設(shè)備的完備下,使用多種商用設(shè)備的優(yōu)勢互補(bǔ)以及冗余的體系結(jié)構(gòu)將有利于形成全方位、多層次、多渠道和多手段的電子偵察體系。

[1]李冀.認(rèn)知無線電技術(shù)及其軍事應(yīng)用[J].現(xiàn)代軍事,2008(2)

[2]陸建勛.動態(tài)頻譜無線通信體制探討[R].2008年軍事電子信息學(xué)術(shù)會議(南昌)主題報告,PPT,2008,9

[3]謝顯中.感知無線電技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008,4

[4]Paul D.Sutton.Cyclostationary Signatures in Practical Cognitive Radio Applications[J].IEEE IN COMM UNICATIONS,2008,26(1)

[5]Fundamentals of Real-Time Spectrum Analysis[EB/OL].www.tektronix.com/rsa,2005,4

[6]EM 510/EM550 Digital Wideband Receivers:Maximum power from HFtoUHF[EB/OL].www.rohdeschwarz.com,2007/II

[7] Digital HF/VHF/UHF ScanningDirection Finder R&S DDF0xA[EB/OL].www.rohde-schwarz.com