基于互信息的跳频分集抗干扰性能分析方法.pdf

：引用格式：沈斌松，刘丽哲，任文成基于互信息的跳频分集抗干扰性能分析方法无线电工程，（）：，（）：基于互信息的跳频分集抗干扰性能分析方法沈斌松，刘丽哲，任文成（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄）摘要：针对跳频分集散射通信系统抗干扰性能分析难题，提出一种基于接收信号平均互信息的跳频分集抗干扰性能分析方法，通过对接收信号平均互信息与误帧率的对比分析，得到二者对应关系，并利用该对应关系分析跳频分集的性能及其抗干扰性能。仿真结果表明，该分析方法可快速完成跳频分集散射通信系统性能的评估，准确高效，可有效提升其抗干扰性能评估的全面性，并提供量化结果，优于现有跳频分集性能仿真分析方法。关键词：散射通信；跳频分集；抗干扰；平均互信息中图分类号：文献标志码：开放科学（资源服务）标识码（）：文 章 编 号：（），（，）：，：；收稿日期：基金项目：国家自然科学基金（）：（）引言对流层散射通信是一种利用对流层中不均匀体对信号的散射作用实现的超视距通信，其通信距离远、传输容量大、信道稳定可靠且具有极强的空域封闭性，是一种重要的军事通信手段。对流层散射通信的接收信号存在严重快衰落，分集接收技术是散射通信的核心技术。从概率论的角度来说，单接收通道信噪比低于门限的概率为，则重分集时该概率降为，重分集时降为；从快衰落深度的角度看，单路信号的衰落深度大于，无法正常通信，而重分集时衰落深度不大于。因此，必须采用分集接收技术平滑衰落，保证信息平稳传输。传统散射通信采用空间与频率结合的分集方式，使用多面天线（天线口径 ，甚至更大）、多路收发通道，无法满足现代战场高机动、小足迹要求；文献提出一种基于跳频（，）分集的散射通信分集方法，该方法使用单天线单收发通道即可获得与传统分集相近的分集效果，并且接收算法复杂度低，推动了散射通信装备高机动、大容量以及智能化发展。文献给出了分集误码性能的理论上限，但其性能与前向纠错码（，工程与应用 年 无线电工程 第 卷 第 期）性能密切相关，实际达到的分集性能需通过仿真获得，复杂度高，不易快速评估分集方案性能的优劣；为达到分集效果，占用的工作带宽是传统分集的 倍。因此，研究分集的抗干扰性能具有一定的理论和工程意义。文献仅通过对干扰的模拟进行了通信质量仿真；文献介绍了传统散射通信的抗干扰手段；文献对低密度奇偶校验码（，）下的抗干扰性能进行了仿真分析。以上研究均未对干扰下的分集性能进行分析与研究。本文提出一种基于接收信号平均互信息的分集抗干扰性能分析方法，从接收信号平均互信息的角度分析分集的误帧率，建立平均互信息与误帧率之间的关系，从而基于平均互信息研究分集抗干扰性能，得到不同波形（编码、调制方式和分集重数等核心参数）和通信信道模型下分集抗干扰性能的量化结果，为分集散射通信系统设计和抗干扰措施制定奠定理论基础。基于平均互信息的误帧率分析方法 散射通信分集散射通信分集是将一帧信息分成块，分别在个频点上进行传输，利用高效的交织与强纠错能力获得可观的分集性能，因此，分集性能与性能密切相关。由于性能和分集接收信号信噪比的分布特征并无准确表达式，只能通过仿真来评估分集的性能，重分集性能仿真原理框图如图所示。发送信息编码和交织处理后进行成帧处理，将其分成块后进行重分集发射；经散射通信信道后进行重分集接收，完成解交织和译码处理后获得接收信息，根据发收信息的对比统计实现通信质量分析，获得分集的性能。由于码和涡轮码（，码）采用迭代算法，分集性能仿真的复杂度高，评估一个分集方案性能的优劣需要消耗大量时间与精力，因此需要研究一种简便的分集性能评估方法。图分集性能仿真原理框图 平均互信息分析方法根据信息论，接收信号各比特的平均互信息（；）可表示为：（；）（）（），（）式中：（）为接收信号的熵，（）为比特条件下接收信号的条件熵。（）的计算公式为：（）（）（）。（）在先验等概的条件下，条件熵（）计算公式为：（）（）（）（）（）()（）（）（）（），（）式中：（）表示概率。式（）和式（）中概率密度函数的表达式可以表示为：（）槡 ()，（）（）槡 ()，（）（）槡 ()，（）式中：的取值与调制方式有关，对于、和等种调制方式，分别取、。联合式（）式（）可得到接收信号各比特的平均互信息。为方便表示，平均互信息用符号（）表示，省略接收信号。将接收信号各比特的平均互信息做平均，即可得到接收信号的平均互信息，表示为：（），（）式中：与调制方式有关，对于以上种调制方式，分别取、。图为采用不同调制方式时接收信号的平均互信息，随着信噪比的增加，接收信号的平均互信息逐渐增大，趋近于；相同信噪比时 调制的平均互信息最高，次之，而的平均互信息最小，这与种调制方式的性能一致。工程与应用 图不同调制方式的平均互信息曲线 为获得平均互信息与误帧率的关系，按照图所示的误帧率与平均互信息关系仿真框图在不同的编码、调制和信道条件下进行误帧率与平均互信息仿真。图误帧率与平均互信息关系仿真框图 图中的纠错编码采用表列举的种编码，其中码种，码长 ，码率为、，码种，码长 ，码率为、；采用种调制方式，信道模型采用高斯白噪声信道和文献种给出的三径和七径信道模型。表纠错编码列表 序号码型码长 码率码 码 码 码 码 码 码 码 由不同信道模型、编码和调制方式下的误帧率与接收信号平均互信息的仿真结果可知，以上种编码的误帧率性能与接收信号的平均互信息一一对应，即不论采用何种调制方式，获得接收信号的平均互信息即可得到对应的误帧率。图给出表中种纠错编码的误帧率与平均互信息的关系曲线，码和码的误帧率性能相似，码率越大，达到相同误帧率所需的平均互信息越大，即相同条件下所需的接收信号信噪比越大。对于低码率的纠错编码（码、码、码和码），接收信号平均互信息大于 时，误帧率优于；对于高码率纠错编码（码、码、码和码），需要更大的平均互信息才能满足误帧率优于的要求。图纠错编码误帧率与平均互信息关系曲线 根据接收信号平均互信息与误帧率之间的对应关系，基于接收信号平均互信息的分集性能分析方法原理框图如图所示。相比图所示的仿真分析方法，该方法省略了编译码和交织过程，发送信息进行重传输后进行平均互信息估计，根据平均互信息与误帧率关系曲线得到误帧率，统计后即可得到分集的误帧率性能，可节省大量仿真设计、编码以及计算过程，提高性能评估效率。图基于平均互信息的分集性能分析方法原理框图 工程与应用 年 无线电工程 第 卷 第 期 采用表所示种分集性能分析方法验证波形，分别使用图和图所示的分集性能分析（仿真）方法进行对比验证，验证结果如图和图所示（图和图的方法分别用和标注）。表分集性能分析方法验证波形列表 序号分集重数 调制方式编码信道模型波形码波形码波形码波形码波形码波形码波形码波形码由图可以看出，在三径散射信道模型下，对于采用重分集的调制和重分集的调制，使用种分析（仿真）方法得到的误帧率性能曲线一致，并且对于采用不同码型的码和码，种分集误帧率分析方法得到的结果均相同。图基于互信息的分集性能分析方法验证结果（三径）（）由图所示的七径信道下基于平均互信息的分集性能分析方法验证结果可知，对于重分集和两种调制，互信息方法得到的误帧率性能曲线与使用图仿真方法的结果也一致。因此，本文提出的基于平均互信息的分集性能分析方法可用于散射通信分集误帧率性能分析，该分析过程省略了复杂耗时的迭代处理，简便高效，便于对分集性能进行全面评估。图基于互信息的分集性能分析方法验证结果（七径）（）分集抗干扰性能分析由于分集散射通信系统的工作带宽是传统散射的 倍，干扰信号进入接收通道的概率增加，需要对其抗干扰性能进行分析。本文主要在部分频带干扰条件下对分集的性能进行研究。设干扰功率为，样式为宽带噪声，带宽为，与分集工作带宽的比值定义为，称为部分频带干扰带宽因子，则部分频带干扰的功率谱密度为：，（）式中：为有效干扰的功率谱密度。此时未被干扰部分接收信号的平均互信息可通过式（）式（）获得，干扰部分接收信号的平均互信息的表达式需进行修正，表示为，将式（）式（）所示的概率密度函数需修正为：（）（槡），（）（）（槡），（）（）（槡）。（）则部分干扰下接收信号的平均互信息表示为：，（）。（）当干扰带宽因子为 时，不同调制方式接收信号平均互信息与信干比的关系如图所示，不论接收信号信噪比高低，随着信干比的增大（干扰变小），接收信号的平均互信息趋近于，误帧率性能得到提高。工程与应用 图不同信干比下各种调制方式的平均互信息 为验证基于平均互信息的分集误帧率分析方法在干扰条件下的适用性，采用表所列的验证波形，分别使用仿真方法和互信息分析方法进行误帧率性能验证，验证结果如图所示。由图（）所示的调制分集抗干扰性能验证结果可知，在重和重分集下，部分干扰带宽因子分别为 和 时，种方法得到的误帧率结果一致；同样，如图（）所示，在和调制方式下，种方法的误帧率结果也一致。因此，本文提出的基于平均互信息的误帧率分析方法适用于分集抗干扰性能的分析评估。由于该方法高效简便、计算量低，可采用更多、更完备的样本进行抗干扰性能分析，其分析准确性优于现有的仿真评估方法。（）调制（）调制图基于平均互信息的分集抗干扰性能分析方法验证结果 仿真试验为检验散射通信分集的抗干扰性能，对表中的分集抗干扰性能分析波形进行误帧率分析。、和调制的抗干扰性能分析结果分别如图、图和图所示。表分集抗干扰性能分析波形列表 序号分集重数编码调制信道模型码，三径码，三径码，三径码，三径码，三径码，三径码，七径码，七径码，三径码，三径码，七径码，七径工程与应用 年 无线电工程 第 卷 第 期（）低信噪比（）高信噪比图调制分集抗干扰性能分析结果 由调制抗干扰性能分析结果可知，在低信噪比（重分集时信噪比为，重分集时信噪比为）、信干比小于（干扰较大）时，随着干扰带宽因子的增加，误帧率性能急剧下降，误帧率恶化到量级，无法正常通信；当信干比增大到 时，性能恶化减小，误帧率保持在量级。在高信噪比（重分集时信噪比为，重分集时信噪比为）、信干比小于 时，随着干扰带宽因子的增大，误帧率由量级恶化到量级，能够正常通信；而当信干比提高到 时，性能基本不受干扰影响，误帧率性能在量级左右。图和图分别给出和调制的抗干扰性能分析结果，由分析结果可以看出，和调制的抗干扰性能相似，较差。当信干比为 时，种高阶调制的误帧率随着干扰带宽因子的增加而恶化，误帧率由量级恶化到量级，只有当信干比大于 时才能保证误帧率保持在量级不恶化。图 调制分集抗干扰性能分析结果 图 调制分集抗干扰性能分析结果 结论本文针对散射通信分集的抗干扰性能，提出一种基于接收信号平均互信息的分集抗干扰性能分析方法，通过对不同调制方式、编码方式、分集重数和信道模型的抗干扰性能分析，并与现有方法做对比，本文提出的分集抗干扰性能分析方法具有高效简便的特点，能够得到量化的性能评估结果，性能评估的全面性、准确性和效率优于现有仿工程与应用 真分析方法。通过典型波形仿真试验得到以下分集抗干扰性能分析结果，可用于指导散射通信系统总体设计和工程实践，分析结果如下：码和码的抗干扰性能相近；随着干扰的增大、平均信干比的减小，分集的误帧率性能受干扰影响严重；干扰带宽因子越大，即干扰带宽越大，对分集误帧率性能的影响越严重；调制的抗干扰能力优于和调制，对于调制，信干比大于 即可不考虑干扰对分集性能的影响，而对于和调制，其误帧率性能无法优于量级，若对误帧率有较高要求，需考虑干扰因素，并采取抗干扰措施。?参考文献杨振平，刘雪峰，吕玉静浅谈散射通信技术的发展与应用中国新通信，（）：中国人民解放军总参谋部通信部对流层散射远距离通信北京：中国人民解放军战士出版社，张涛，刘莹，孙柏昶，等对流层散射通信及其应用北京：电子工业出版社，李影，张震强便携极低速对流层散射通信系统优化设计无线电工程，（）：沈斌松，秦建存，任文成一种基于跳频的散射通信新方法与仿真分析吉林大学学报（工学版），（）：张之栋，安宁，马宇基于跳频的散射通信新方法与仿真研究机械设计与制造工程，（）：谢泽东，陈西宏，肖军，等大容量散射通信抗干扰关键技术综述无线电通信技术，（）：杨孔哲，张邦宁，郭道省 编码跳频抗干扰通信系统建模与仿真分析解放军理工大学学报（自然科学版），（）：朱毅超，甘良才，熊俊俏低密度奇偶校验码差分跳频系统的抗干扰性能电波科学学报，（）：雷维嘉，宋海娜，陈胜男，等基于无率纠错码和高阶调制的收端速率自适应方案电子学报，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：张嵩，马林华，唐红，等具有低编码复杂度准循环扩展码的构造方法电光与控制，（）：林峰懋，陈慧彬，陈平平基于衰落信道下编码的星座成形无线电工程，（）：倪永婧，郭巍，张静涛权重优化的短码长译码器无线电工程，（）：，：，：史尧，李博，王晓鸣 码并行译码中无冲突交织器设计方案通信技术，（）：数字通信张力军，张宗橙，郑宝玉，等译北京：电子工业出版社，作者简介沈斌松男，（），博士，高级工程师。刘丽哲女，（），硕士，研究员级高级工程师。任文成男，（），博士，高级工程师。工程与应用