自适应跳频技术在无线通信抗干扰中的应用

韩子龙，马壮壮

（1.青岛农业大学，山东 青岛 266109；2.青岛虚拟现实研究院有限公司，山东 青岛 266000）

0 引 言

无线通信对各种形式的电磁干扰较为敏感，相关干扰的具体表现为通信质量下降和系统故障率升高。在对电磁干扰机制进行分析的基础上，采取硬隔离方式能够有效提升无线通信系统的可靠性与稳定性，但效果依然不够理想。基于此，将以自适应跳频技术为代表的软隔离技术与其配合，从而确保无线通信系统处于正常工作状态。

1 无线通信系统概述

传统有线通信技术的推广应用对环境有着较高的要求，而这与人们在复杂环境下的便捷通信需求之间存在矛盾。自1896年意大利人伽利尔摩·马可尼实现第一次真正意义上的无线通信之后，无线通信技术快速发展，并在300多年的时间里完成了技术迭代。目前，无线通信技术已经相对成熟，根据其覆盖范围可以分为广域无线通信技术和局域无线通信技术两种类型，不同无线通信技术的频谱授权情况也存在着较大差异。无线通信技术对比如表1所示。

表1 无线通信技术分类表

由表1可知，无线通信系统的技术体系较为复杂，在选择无线通信技术时，需要综合考虑传输距离、速率、安全性以及稳定性等多方面的因素，以保证通信系统设计与使用的费效比最低[1]。

2 无线通信系统干扰分析

无线通信系统是以电磁波为载体实现信息在不同路径上的传输，极易受到空间其他电磁信号的干扰。根据无线通信干扰形成机制与影响效果，主要对同频干扰和邻频干扰进行分析。

2.1 同频干扰

当无线干扰信号的载波频率与无线通信系统有用信号的载波频率相同时，干扰信号将叠加在有用信号中，经接收机、解调单元、放大电路等处理后，通信系统终端将无法准确提供有用信号内容。一般情况下，同频干扰多出现在相同载波频率的无线通信系统之间，这也是无线通信干扰中较为常见的一种干扰类型[2]。

2.2 邻频干扰

基于无线信号的特点，无线通信的载波频率是固定的，整个信号包括多个边频分量。随着边频信号与载频距离的增加，边频分量的功率将呈现明显的衰减。当两个无线信号载频相近时，其边频分量将出现重合，重合的变频分量所造成的干扰现象就被称为邻频干扰，如图1所示。

图1 邻频干扰示意图

除载波频率大小外，邻频干扰所造成的影响与存在干扰的两个系统发射、接收单元之间的距离也存在关系。随着距离的增加，边频信号的能量不断衰减，当边频信号能量低于阈值时，干扰信号无法进入接收端，变频干扰现象也将消失。

3 基于自适应跳频技术的无线通信抗干扰研究

电磁干扰信号是影响无线通信质量的重要因素之一，结合无线通信技术原理和针对电磁干扰的作用机制，可以利用跳频技术应对多类型的无线干扰，从而提高无线通信质量[3]。

3.1 自适应跳频技术原理分析

无线通信系统之间的信息传输需要通过不同频率的载波才能实现，当有用信号载波频谱信息发生变化时，则可能存在同频干扰、邻频干扰等多种类型的干扰现象。为了提高无线通信质量，无线通信系统对经过调制后的信号进行解调和变换，在获取有用信号载波的频谱特征后确定干扰频率与跳频机制。自适应调频机制执行流程如图2所示。

图2 自适应调频机制执行流程

相较于传统跳频技术，自适应跳频技术能够更好地节约有限的频谱资源。由于采用了信噪比检测技术，因此当信噪比大于某一数值时，跳频机制不会启动。此外，自适应跳频技术并未采用周期性跳频机制，而是通过遍历可用频点选择最佳频率，这也避免了无线通信系统在多个频点中反复横跳。为了应对复杂空间电磁环境下的各种干扰现象，研究人员通过对接收机频谱信息进行分析来确定信噪比的变化情况，并动态启动自适应调频机制，以保证无线通信系统处于正常工作状态。

3.2 频点自适应跳频技术

为了提高无线通信系统的可靠性和稳定性，在无线通信机制的选择方面强调差异化频点的设计。当某一频点信噪比低于临界值时，无线通信管理系统将终止该频点的使用，并借助无线通信应答机制向通信对象发送下一频点的参数信息，实现同步调频和握手成功。结合信噪比计算和自适应跳频响应机制，其控制公式为

式中：Sk+1为在第k个频点受到干扰后跳频至第k+1个频点的频率；Qk为第k个频点的干扰频率；ΔPk为第Ck个频点有用信号的发射功率与干扰信号功率差值；Ck为第k个频点的系统干扰常数。当Sk+1≥1时，无线通信系统将执行跳频机制；否则，系统将继续保持该通信频率。

根据无线通信系统的频率覆盖范围选择最佳的频点，由于所选中的频点无法在系统工作过程中进行调整，因此当完成频点遍历后，频点自适应跳频技术在应对无线通信干扰方面的能力将明显下降。虽然通过扩大频点集合的方式能够延长频点遍历周期，但是由于邻频干扰现象的普遍存在，相邻频点之间的干扰问题并不能在跳频后得到显著改善，因此频点自适应跳频技术主要应用于电磁环境相对纯净的区域[4]。

3.3 功率自适应跳频技术

为了保证无线通信的稳定性，跳频通信系统会对载波的频谱范围进行区分，同时设定每一次跳频的频率。除了工作频点之外，所有频点都处于待机状态，功率分配相对合理，由此能够解决传统频点自适应跳频技术的资源和功率浪费问题。当无线通信系统检测到系统误码率增加时，将对无线通信系统中对应频点的信噪比等进行检测，通过自适应技术动态调整频点发射功率，从而提升衰落信道的信息传输质量[5]。功率自适应跳频机制流程如图3所示。

图3 功率自适应跳频机制流程

功率自适应跳频技术是被动跳频技术的一种，当外部干扰信号叠加至有用信号载波时，无线通信系统将能够识别输入信号的功率变化，并通过发送验证报文进行视频分析和频谱检测（功率检测），并将此作为跳频依据。在无线通信系统设计中，功率自适应跳频技术适用于安全等级较高的无线通信场景，可以应对不同类型的无线监听和干扰行为。

3.4 速率自适应跳频技术

速率自适应跳频技术是一种基于时间的无线通信抗干扰技术，通过随机设定跳频周期，可以提高无线通信系统的可靠性与安全性。尤其是对于遍历频率跟踪系统来说，速率自适应跳频技术的无规律性增加了解析难度。以船岸无线通信系统为例，由于近岸同频无线信号较多，且不同信号均在请求与港务中心通信管理平台的握手，为了提高进出港管理效率和船舶航行安全，可以利用速率自适应跳频技术实现对多个终端的同步指挥，将通信时间进行编码，实现基于时间戳的无线通信系统速率自适应跳频管理。速率自适应跳频时间编码如图4所示。

图4 速率自适应跳频时间编码

3.5 智能自适应跳频技术

为了提高无线通信系统的抗干扰能力，在传统自适应跳频技术的基础上融合人工智能技术对无线信号频谱资源进行管理，通过优化跳频算法合理配置信道资源，实现智能跳频。智能自适应跳频技术具有自动识别能力，能够根据不同频谱范围内的资源占用情况和信噪比动态变化与误码率之间的关系等确定最佳频点，并完成与通信单元的同步跳频。

智能自适应跳频技术的构成较为复杂，其需要结合无线通信系统的实际情况，根据最大化网络效益策略、最大化瓶颈用户频率效益策略、最大化网络支持用户策略、最大化网络公平性策略以及最大化频率利用策略等实现频谱资源的系统化配置。智能自适应跳频技术灵活性较强，为了保证通信质量，需要严格执行信道同步机制，并根据实际情况选择最佳的解决方案。智能自适应跳频信道同步机制分类如表2所示。

表2 智能自适应跳频信道同步机制分类

4 结 论

自适应跳频技术的应用解决了无线通信系统可靠性低、安全性差等问题，推动了现代无线通信技术的发展。基于无线通信干扰问题的产生机理和无线通信技术的特点，在不断优化完善自适应跳频技术的同时，还需要结合电磁屏蔽、电磁兼容等多种抗干扰技术全面提高无线通信质量，从而构建更加安全的无线通信环境。