徐子龍 張欣 肖文奎 朱慶

（中國電子科技集團公司第七研究所 廣東省廣州市 510310）

1 背景

OFDM（Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，正交頻分復(fù)用）技術(shù)抗多徑衰落能力強，頻譜效率高，是眾多商用寬帶通信系統(tǒng)（如Wi-Fi，4G/5G，WiMax，DVB-T等）實現(xiàn)寬帶無線傳輸?shù)募夹g(shù)基礎(chǔ)[1]，但在干擾環(huán)境下的性能會明顯下降[2]。跳頻技術(shù)抗干擾能力強，是戰(zhàn)術(shù)通信中對抗干擾的主要手段。將這兩種技術(shù)相結(jié)合的跳頻OFDM系統(tǒng)被認為是實現(xiàn)寬帶無線軍事通信的有效傳輸方式，越來越被重視[3][4][5][6][7][8]。

跳頻OFDM系統(tǒng)雖能高效地應(yīng)對阻塞類干擾，但對于跟蹤干擾卻難以實現(xiàn)高效躲避。實際上跟蹤干擾是伴隨跳頻系統(tǒng)而生的一種常見的惡意干擾形式，其產(chǎn)生機理為：干擾機通過截獲的發(fā)射機信號，獲取突發(fā)跳的頻點，然后在相應(yīng)的頻點發(fā)送干擾信號，由于存在處理和傳播時延，接收機收到的突發(fā)跳尾部被惡意干擾。接收機因無法獲得無干擾的突發(fā)跳導(dǎo)致通信性能急劇下降甚至中斷。理論上，提高跳頻速率可以降低突發(fā)跳尾部被干擾的比例[9]，但增加跳頻速率意味著跳周期變小，導(dǎo)頻和換頻保護等開銷占比上升，這與跳頻OFDM系統(tǒng)提升頻譜效率的初衷相悖。因此，研究跳頻OFDM系統(tǒng)的跟蹤干擾抑制問題具有現(xiàn)實意義。

文獻[6]通過切換到快跳模式來應(yīng)對跟蹤干擾，靈活性不夠，適應(yīng)性不強。文獻[10]采用多路并行跳頻系統(tǒng)來對抗各類干擾（包括跟蹤干擾），性能極佳，但同時存在兩套或多套跳頻系統(tǒng)，復(fù)雜度太高了。文獻[11][12]采用自適應(yīng)天線抑制跟蹤干擾，將零波瓣對準干擾信號方向，降低了進入接收機的干擾信號能量，改善了系統(tǒng)性能，然而實時的天線校準和跟蹤不易實現(xiàn)。文獻[13]利用低密度循環(huán)冗余校驗碼的內(nèi)在錯誤檢測能力來抵抗跟蹤干擾，結(jié)果顯示系統(tǒng)性能嚴重依賴于跟蹤干擾強度，因而只適用于干擾強度較小的情形。文獻[14]采用跳頻+MFSK體制，干擾置零導(dǎo)致MFSK信號之間的正交性被破壞，引起系統(tǒng)性能下降。文獻[15][16]偵測并消除跟蹤干擾，改善了系統(tǒng)性能，當干擾強度與信號相當時，跟蹤干擾不易消除。

本文提出不依賴于干擾強度、性能穩(wěn)定可靠且易于工程實現(xiàn)的跟蹤干擾抑制算法。第2節(jié)建立系統(tǒng)模型，包括跳頻OFDM系統(tǒng)傳輸方案和跟蹤干擾模型；第3節(jié)詳細闡述干擾置零和增量冗余技術(shù)抑制跟蹤干擾的原理；第4節(jié)給出所提算法的抗跟蹤干擾性能仿真和分析；第5節(jié)對本文進行總結(jié)。

2 系統(tǒng)模型

2.1 傳輸方案

本文跳頻OFDM系統(tǒng)物理層傳輸方案，借鑒跳頻通信系統(tǒng)和LTE（Long Term Evolution, LTE長期演進）系統(tǒng)搭建而成，如圖1所示，上分支為發(fā)端處理流程，下分支為收端處理流程。CRC（Cyclic Redundancy Check，循環(huán)冗余校驗）、信道編碼、速率匹配、擾碼、星座映射、資源映射、IFFT（Inverse Fast Fourier Transform，快速傅立葉逆變換）和信道模型，參考LTE（Long Term Evolution，LTE長期演進）相關(guān)技術(shù)規(guī)范[17][18][19]實現(xiàn)，文獻[20]提供了這些模塊及其逆操作（CRC校驗、信道解碼、逆速率匹配、解擾、軟解調(diào)、快速傅立葉變換和頻域均衡）的仿真建模方法。圖1中虛框部分模塊（發(fā)端跳頻處理、收端跳頻處理、時頻同步和干擾檢測）超出本文范圍，不展開討論。干擾置零和速率匹配是抑制跟蹤干擾兩個核心模塊，將在第3 節(jié)詳細闡述。

2.2 干擾模型

跟蹤干擾的特點在于被干擾的信號總是出現(xiàn)在突發(fā)跳尾部，如圖2(a)所示，突發(fā)跳被劃分為兩個區(qū)：有干擾區(qū)和無干擾區(qū)。有干擾區(qū)持續(xù)時間為vTb，無干擾區(qū)持續(xù)時間為(1-v)Tb，其中Tb為突發(fā)跳周期。ν為有效跟蹤干擾的駐留時間與跳周期之比，它取決于“發(fā)射機-->接收機”路徑與“發(fā)射機-->干擾機-->接收機”路徑之差，以及干擾機干擾決策處理時間影響[9]。

下文將一個突發(fā)跳宏觀上劃分為三個區(qū)域：保護區(qū)、控制區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)如圖2(b)所示，其中保護區(qū)對應(yīng)換頻開銷，控制區(qū)承載信令信息，數(shù)據(jù)區(qū)主要承載數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)的Nsymb個OFDM符號和Nsc個子載波，構(gòu)成Nsc×Nsymb的數(shù)據(jù)區(qū)資源網(wǎng)格，每個“小格子”代表一個子載波，承載一個數(shù)據(jù)符號（星座點）或?qū)ьl符號。

在跟蹤干擾場景下，若跟蹤干擾范圍不超過數(shù)據(jù)區(qū)大小，如圖2(c)所示，數(shù)據(jù)區(qū)資源網(wǎng)格可進一步細分為無干擾區(qū)和有干擾區(qū)。位于無干擾區(qū)的OFDM符號的子載波免受干擾影響，而位于有干擾區(qū)內(nèi)OFDM符號的子載波則可能受干擾影響。

圖1：跳頻OFDM系統(tǒng)物理層傳輸方案

表1：參數(shù)配置

3 算法原理

以下結(jié)合圖1所示傳輸方案和圖2所示干擾模型，闡述干擾置零和增量冗余技術(shù)思想及其抑制跟蹤干擾的原理。

3.1 干擾置零

為了便于理解，舉一個具體例子來詳細地說明干擾置零算法抑制跟蹤干擾的原理。本例的相關(guān)參數(shù)配置匯總于表1。圖3(a)為相應(yīng)的資源網(wǎng)格，圖中OFDM符號個數(shù)為8（其中2個位于干擾區(qū)），子載波個數(shù)為10，總共10×8=80個星座點，其中8個用于承載導(dǎo)頻信息（記為r0,…,r7），72個用于承載數(shù)據(jù)信息（記為d0,…,d71）。

數(shù)據(jù)符號序列d0,…,d71根據(jù)圖1所示信號處理流程產(chǎn)生。具體地，長度為40的發(fā)送碼塊，添加24比特CRC校驗后，送入碼率為1/3的Turbo編碼器，得到長度為（40+24）×3+12=204的編碼比特序列（其中12表示Turbo編碼器的尾比特個數(shù)），經(jīng)速率匹配模塊內(nèi)部交織和打孔后，輸出比特長度記為E的比特序列。E的取值由傳輸數(shù)據(jù)的星座點個數(shù)和星座映射方式?jīng)Q定，具體到本例，圖3(a)中有72個星座點用于承載數(shù)據(jù)信息，且每個星座點攜帶2比特（QPSK星座映射），因此E=72×2=144。速率匹配輸出的144比特，經(jīng)擾碼、QPSK星座映射后即得復(fù)數(shù)序列d0,…,d71，此序列先按子載波增序，再按OFDM符號增序，依次映射到圖3資源網(wǎng)格中的非導(dǎo)頻位置中。

數(shù)據(jù)符號d0,…d53處于無干擾區(qū)，d54,…,d71則位于有干擾區(qū)。處于無干擾區(qū)的子載波不含干擾信號，而處于干擾區(qū)的部分或全部子載波可能存在干擾。定性地，干擾區(qū)內(nèi)的子載波承載的有用信號成分對解碼有益，而干擾成分對解碼有害，凈增益是正還是負呢？這是一個與干擾強度、干擾比例、調(diào)制階數(shù)、信道模型和解碼算法等諸多因素相關(guān)的復(fù)雜問題，不易分析處理。一般地，若不加處理地直接解碼，將導(dǎo)致解碼性能顯著下降甚至失效。

為了便于工程實現(xiàn)，化繁為簡，本文忽略被干擾區(qū)內(nèi)的有用信號成分可能存在的解碼增益，直接將被干擾區(qū)內(nèi)的子載波全部用零取代（等價于將干擾區(qū)內(nèi)的所有OFDM符號置0），再按圖1所示常規(guī)方式執(zhí)行后續(xù)解碼過程。干擾置零后的資源網(wǎng)格如圖3(b)所示，顯然，用零取代被干擾OFDM符號使得后續(xù)解碼過程與跟蹤干擾無關(guān)了，此時跟蹤干擾已被完全消除。與此同時，OFDM符號中的有用信號也消去了，從信道解碼器的角度看相當于打孔操作，因為被干擾的OFDM符號中所有的子載波承載的復(fù)數(shù)符號皆為0，相應(yīng)的軟比特信息也為0。速率匹配的實際輸出碼率由（40+24）/144= 8/19提升至（40+24）/（144-18×2）=16/27，由此可見，跟蹤干擾消除以碼率提升為代價。

3.2 增量冗余

圖2：跳頻OFDM系統(tǒng)跟蹤干擾模型

圖3：干擾置零示意圖

當干擾區(qū)范圍較小時，干擾置零引入碼率略微提升，系統(tǒng)性能損失不大，但隨著干擾區(qū)進一步擴大，干擾置零引起的碼率提升也隨之增加，系統(tǒng)性能將會大幅下降。為了解決這一問題，本文在干擾置零算法的基礎(chǔ)上，進一步引入LTE的增量冗余機制。

LTE的增量冗余功能是圖1中速率匹配模塊的核心功能之一，其技術(shù)細節(jié)請參考LTE標準規(guī)范[18]，此處舉例來直觀地闡明“干擾置零+增量冗余機制”抑制跟蹤干擾的思想和原理。

圖4：增量冗余降低碼率示意圖（75%干擾）

圖5：有用信號和干擾信號的幅度

繼續(xù)沿用表1給出的參數(shù)配置，前文已得到速率匹配模塊的輸出比特序列長度為204。速率匹配模塊先將此序列進行內(nèi)部交織，得到長度為仍為204的序列。此序列經(jīng)擾碼、QPSK映射后即為前文給出的數(shù)據(jù)序列d0,…,d71。在邏輯上將此序列視為周期信號的一個周期，增量冗余的輸出本質(zhì)上為此周期信號中連續(xù)的某一段。這段信號的長度即為資源網(wǎng)格中可用于傳輸數(shù)據(jù)符號的子載波數(shù)Nd（本例Nd=72）。這段信號起始位置定義為：，其中i=0,1,2,3.表示冗余版本（Redundancy Version，RV）索引為偏移量。為了簡便，但不失一般性，假定所以，冗余版本0（RV0）對應(yīng)的發(fā)送符號序列為d0,…,d71，RV1對應(yīng)的發(fā)送符號序列為對應(yīng)的發(fā)送符號序列為對應(yīng)的發(fā)送符號序列為發(fā)端輪詢地發(fā)送這4個RV（順序為RV0，RV2，RV3，RV1）對應(yīng)的符號序列，直至收到反饋的解碼成功的指示為止。

表2：參數(shù)配置

表3：EPA信道模型[19]

圖4在資源網(wǎng)格中直觀地呈現(xiàn)了這4個冗余版本。圖中假定無干擾區(qū)OFDM符號個數(shù)為2，有干擾區(qū)為8。干擾置零操作后，干擾區(qū)內(nèi)所有子載波用0取代，所以RV0對應(yīng)的碼率為（40+24）/（18×2）=16/9>1，理論上無法正確解碼；RV0和RV2對應(yīng)的碼率為（40+24）/（（18+18）×2）=8/9，碼率太高，難以正確解碼；RV0、RV2和RV3對應(yīng)的碼率為（40+24）/（（18+18+18）×2）=4/9，碼率適中，有望正確解碼；RV0、RV2、RV3和RV1對應(yīng)的碼率低至2/9，性能更優(yōu)。由此可見，引入增量冗余機制后解決了干擾置零引起的碼率提升問題。付出的代價是傳輸時延增加以及重傳引起的信息速率下降。

4 仿真分析

采用圖1所示方案對所提算法進行仿真分析。主要參數(shù)配置如表2所示。采用AWGN和文獻[19]定義的EPA（Extended Pedestrian A model）信道模型評估系統(tǒng)性能。EPA信道模型的時延及其功率譜如表3所示，多普勒頻偏設(shè)為10Hz。跟蹤干擾信號用白噪聲模擬，每個突發(fā)跳的干擾區(qū)內(nèi)的干擾信號平均功率比有用信號平均功率高20dB，典型的時域幅度如圖5所示。

圖6評估干擾置零算法在AWGN和EPA信道下誤比特率BER（Bit Error Rate）性能。作為參考，圖中黑色線（標示為“RAW”）表示跟蹤干擾未經(jīng)任何處理直接解碼對應(yīng)的BER曲線，此時BER接近0.5，通信中斷。采用干擾置零算法后，BER性能得到顯著改善。干擾符號個數(shù)NFJ較小時，系統(tǒng)性能下降很小，如NFJ=1，性能下降不超過1dB；隨著干擾符號個數(shù)增加BER呈現(xiàn)逐步下降趨勢，這是因為隨著被置零的符號個數(shù)增多，等效的碼率也相應(yīng)地提升了；當干擾符號個數(shù)為NFJ=10時，BER出現(xiàn)平臺效應(yīng)，此時，單一的干擾置零措施已無法實現(xiàn)可靠通信。

干擾置零有兩個明顯的優(yōu)勢。其一，與跟蹤干擾的強度無關(guān)，因為無論跟蹤干擾多強都會被強置為零，因此只要接收信號（有用信號+跟蹤干擾）的強度處于接收機動態(tài)范圍內(nèi)即可正常使用。其二，干擾置零操作只需將OFDM符號置零，省去了常規(guī)的FFT運算，且只涉及收端處理，因而工程實現(xiàn)容易。

圖7：“干擾置零+增量冗余”算法對應(yīng)的BER曲線

圖7為“干擾置零+增量冗余”算法在AWGN和EPA10Hz信道模型下的BER性能曲線，可見在高跟蹤干擾比例（NFJ=10）條件下，相對于無干擾消除的情形，干擾置零處理后BER性能只是略微下降且出現(xiàn)平臺效應(yīng)，結(jié)合增量冗余機制后，BER性能隨著冗余版本個數(shù)（NRV）增加得到迅速改善。這是因為單一干擾置零處理后，碼率太高，故性能改善不明顯，多個冗余版本軟合并后，降低了碼率，增加信號能量，BER迅速下降。由此可見，“干擾置零+增量冗余”算法，即使在高跟蹤干擾比例情形下，仍能得到符合要求的BER性能，適用性強。

5 總結(jié)

本文借鑒軍用跳頻通信系統(tǒng)和民用寬帶通信系統(tǒng)的相關(guān)研究成果，給出了寬帶跳頻OFDM 系統(tǒng)物理層傳輸方案，建立了相應(yīng)的跟蹤干擾模型，在此基礎(chǔ)上提出了一種將干擾符號“置零”和增量冗余技術(shù)相結(jié)合的跟蹤干擾抑制算法，該算法不受干擾強度影響，性能穩(wěn)定可靠且易于工程實現(xiàn)，有效地解決了跟蹤干擾引起的跳頻 OFDM系統(tǒng)性能惡化問題。