港口无线调度认知跳频通信系统部分频带干扰抑制性能分析
郭非++郭建新++郑万泽++戚云军
摘要：针对港口无线调度中部分频带干扰严重危害常规跳频通信系统性能的问题，将认知无线电与跳频相结合，给出一种认知跳频通信系统模型，分析该系统在部分频带干扰条件下的性能，得到误码率闭合表达式，并通过仿真验证，将该通信系统与常规跳频通信系统的部分频带干扰抑制性能进行比较.理论分析和仿真结果表明，在理想同步情况下，认知跳频通信系统能够有效避开干扰频段，在较为“干净”的频谱空穴中动态调整跳变频率，较常规跳频通信系统具有更强的部分频带干扰抑制能力.
关键词：港口调度；跳频通信；认知跳频；部分频带干扰；干扰抑制
中图分类号：U675.75；TN914.41
文献标志码：A
0 引言
保障港口运输的快速有序进行是日常港口调度指挥的核心任务，无线调度通信系统具有区域性强、呼叫建立迅速的特点，在港口调度中得到广泛应用，其中，跳频（Frequency Hopping，FH）通信由于具备良好的抗多径性和抗衰落性，并且可以极大地提高通信系统的抗干扰能力，被广泛应用于港口调度中.傅洪深等提出基于专用短程通信技术的港口设备/车辆综合动态实时管理调度系统，利用先进的无线数据通信与定位技术，实现对设备/车辆“无盲区”的实时定位.蒋天发等讨论无线局域网的扩展频率技术的特点与调制方式，提出提高无线调度抗干扰能力的方法.杜卫华等针对泊位和岸桥集成调度优化造成调度相互干扰问题，建立集成调度模型.然而，港口现场电磁环境复杂，FH通信性能受到现场多种干扰的制约，主要有：全频段干扰、部分频带干扰、单频干扰、多频干扰以及跟踪式干扰，其中部分频带干扰是指将总的干扰功率随机地分布在整个跳频带宽的一部分上，与其他几种干扰相比，部分频带干扰的干扰功率较为集中，且更符合实际干扰的分布情况，对常规FH通信的危害较大，是目前FH通信面临的主要威胁.部分频带干扰能严重影响FH通信的同步，并增加系统的误码率，因此如何有效抑制部分频带干扰，进一步提升FH通信系统的性能，已成为港口无线调度中FH通信的一个重要问题.
1999年JOSEPH博士提出认知无线电（Cogni-tive Radio，CR）的概念，为解决FH通信的部分频带干扰抑制的问题提供了一种新的途径，通过将CR的频谱感知技术应用于FH通信中一引，提出认知跳频（Cognitive Frequency Hopping，CFH）技术.在受到部分频带干扰时，认知技术能够使FH电台实时感知频谱状况，使FH电台有效避开干扰频段进行通信，从而提高FH通信系统的部分频带抑制性能，目前对CFH技术的研究主要侧重于系统同步问题以及设备兼容问题，但对CFH技术的部分频带抑制性能，尤其是它在港口无线调度中的应用研究较少.本文基于CFH通信系统对其在部分频带干扰下的干扰抑制性能进行较为具体的理论分析和仿真验证，并与常规FH通信的部分频带干扰抑制性能进行对比，提出提高港口无线调度通信系统性能的可行性方法.
1 CFH系统结构
CFH技术的核心理论是通过对电磁环境进行实时感知，找出“频谱空穴”作为传输频带，使信号在这些频带中进行FH通信，从而取得较好的干扰抑制效果，本文以港口无线调度为研究对象，根据CFH的功能，基于最佳接收和最大化频谱利用率的FH通信思想，设计一种具体实现方案，其结构主要由跳频单元和认知单元组成，见图1.
如图l所示，系统主要包含信道编码、信息调制、跳频序列产生、频谱检测等一系列模块.其中，信道编码用于将信息编码后，送至发送端；信息调制模块将编码后的信息调制，生成调频序列，发送端信码经编码后送人调制器，认知单元通过频谱检测及频谱分析给出可用的频率集，跳频单元再根据认知单元给出的频率集生成可用的载波频率和调制信号进行上变频处理.接收端再通过相同处理进行解调、译码，还原发送信码.本文旨在分析系统对部分频带的干扰抑制性能，对系统的各部分结构原理不再详述.
2 CFH系统部分频带干扰抑制性能分析
2.1 部分频带干扰数学模型
港口无线调度系统中部分频带干扰是指将总的干扰功率随机地分布在整个跳频带宽的一部分，相对于宽带噪声干扰而言，部分频带干扰的干扰功率较为集中.其数学模型为：将港口无线调度系统中部分频带干扰模拟为加性高斯噪声，设港口无线调度通信跳频带宽为Ws，现场部分频带干扰的带宽为WJ，则WJ与WS之比被称为干扰因子ρ，ρ=WJ/WS，0<ρ<1.假设无线调度通信全频段宽带干扰功率谱密度为Ⅳ，，现场部分频带的干扰功率为J，NJ=J/WS，在现场部分频带干扰条件下，干扰带宽WJ内，噪声的等效单边功率谱密度N'J为
由上式可见，在干扰所处的跳频带宽内，现场部分频带干扰功率谱密度N'J是宽带干扰功率谱密度NJ的I/ρ倍，因此现场部分频带干扰对无线调度FH通信的干扰显得更有效.
2.2 部分频带干扰情况下性能分析
理论研究表明，一个常规FH通信系统在没有干扰的情况下的调制方式为BPSK，为非相干解调，其误码率为式中：Eb为信号的每比特能量；N0为高斯白噪声的单边功率谱密度.
假设在高斯白噪声信道中，系统能够实现理想同步，且所有信道都能使用，设有N个FH工作信道，m个受部分频带干扰的FH信道，则m=N·ρ，部分频带干扰的干扰功率J在这m个信道上均匀分布，
常规FH通信采用事先规划好的跳频工作表进行随机跳频，不能随意改变跳频工作表，仍然在这m个被干扰的信道上传输信息，因此，被干扰信道的误码率为P（Eb/（N0+NJ/p）），未受干扰信道的误码率为P（Eb/N0）.因此，常规FH通信系统的平均误码率为
在CFH系统中，在无线调度通信之前或者静默期间，为使无线调度系统获得较小的误码率，首先需要通过对信道进行频谱检测确定干扰所在频段，从而选择无干扰或干扰较小的频段作为工作信道，
假设在一个时隙中，CFH系统通过频谱检测在N个FH信道中选出Nc个信道（Ncmin≤Nc<n，ncmin为CFH系统正常工作时所需的最小信道数）作为工作信道，然后在这些工作信道中生成动态跳频图案进行通信.根据干扰因子ρ取值的不同，分3种情况进行讨论.
（1）当0<p<1-nc/N时，N-m>Nc，即现场干扰未占用的无线调度通信信道数能够满足CFH系统的工作信道数，则CFH系统肯定能避开m个干扰信道，且还有N-m-Nc个好信道备用，此时，CFH系统的误码率与无现场干扰情况下的常规FH系统误码率相同，其误码率可用式（2）表示.
（2）当p=1-Nc/N时，N-m=Nc，即现场干扰未占用的无线调度通信信道数正好满足CFH系统的工作信道数，则CFH系统正好能避开m个干扰信道，在无干扰信道上进行通信.其误码率也可用式（2）表示.
（3）当1-Nc/N<p<1时，n-m<nc，即现场干扰未占用的无线调度通信信道数不能够满足CFH系统的工作信道数，则CFH系统选择的Ⅳc个无线调度通信信道中含有Nc-（N-m）个坏信道和N-m个好信道，它避开了m-（Nc-（N-m））=N-Nc个坏信道，其误码率由两部分构成，一部分是N-m个好信道上的误码率，另一部分是Nc-（N-m）个坏信道上的误码率，故其平均误码率为
3 CFH系统部分频带干扰抑制性能仿真
通过MATLAB仿真，进一步验证无线调度通信CFH系统和常规FH系统部分频带干扰抑制性能.仿真系统中采用BFSK调制方式，取N=80，Ws=80MHz.由于信息速率Rs和跳频速率Rc满足Rs=Rc，取Rs=1600b/s，Rc=1600次/s，CFH选取的最小信道数Ncmin=40.
（1）假设干信比为20dB不变，常规FH系统和CFH系统分别受到干扰因子p为0.3，0.5和0.6的部分频带干扰，CFH系统和常规FH系统的误码率与信噪比的关系曲线见图2.
由图2可以看出，在ρ=0.3和ρ=0.5时，即干扰未占用的无线调度通信信道数能够满足CFH系统的工作信道数时，CFH系统的误码率小于常规FH系统的误码率，这说明CFH系统的部分频带干扰抑制性能明显好于常规FH系统.同时，可以看出，随着信噪比的增大，这种优势更为明显，在p=0.6时，即现场干扰未占用的无线调度通信信道数不满足CFH系统的工作信道数时，CFH系统的性能略有下降，但仍优于常规FH系统，在ρ=0.3和p=0.5时，CFH系统的性能表现最佳.
（2）假设ρ=0.3不变，干信比分别为O，10，20dB时，CFH系统和常规FH系统的误码率与信噪比的关系曲线见图3.
从图3可以看出，在p-定的情况下，CFH系统和常规FH系统的误码率基本不受干信比的影响，但CFH系统的误码率随信噪比的增大而不断减小，表现出良好的抗干扰性能，而常规FH系统的误码率基本保持不变.
4 结论
以港口无线调度通信系统为研究对象，针对跳频（FH）通信抗干扰性能，对认知跳频（CFH）系统在不同干扰因子ρ下及不同干信比下的无线调度通信部分频带干扰抑制性能进行理论分析并仿真验证系统性能，从理论分析以及仿真结果可以看出，与常规FH系统相比，CFH系统在干扰未占用的信道数能够满足CFH系统的工作信道数的情况下，能够有效避开部分频带干扰，具有更好的部分频带干扰抑制性能，因此，CFH系统能够有效解决港口无线调度通信中的部分频带干扰问题，在未来港口无线调度通信中具有较高的应用价值.
</p<1时，n-m<n
</p<1-n
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摘要：针对港口无线调度中部分频带干扰严重危害常规跳频通信系统性能的问题，将认知无线电与跳频相结合，给出一种认知跳频通信系统模型，分析该系统在部分频带干扰条件下的性能，得到误码率闭合表达式，并通过仿真验证，将该通信系统与常规跳频通信系统的部分频带干扰抑制性能进行比较.理论分析和仿真结果表明，在理想同步情况下，认知跳频通信系统能够有效避开干扰频段，在较为“干净”的频谱空穴中动态调整跳变频率，较常规跳频通信系统具有更强的部分频带干扰抑制能力.
关键词：港口调度；跳频通信；认知跳频；部分频带干扰；干扰抑制
中图分类号：U675.75；TN914.41
文献标志码：A
0 引言
保障港口运输的快速有序进行是日常港口调度指挥的核心任务，无线调度通信系统具有区域性强、呼叫建立迅速的特点，在港口调度中得到广泛应用，其中，跳频（Frequency Hopping，FH）通信由于具备良好的抗多径性和抗衰落性，并且可以极大地提高通信系统的抗干扰能力，被广泛应用于港口调度中.傅洪深等提出基于专用短程通信技术的港口设备/车辆综合动态实时管理调度系统，利用先进的无线数据通信与定位技术，实现对设备/车辆“无盲区”的实时定位.蒋天发等讨论无线局域网的扩展频率技术的特点与调制方式，提出提高无线调度抗干扰能力的方法.杜卫华等针对泊位和岸桥集成调度优化造成调度相互干扰问题，建立集成调度模型.然而，港口现场电磁环境复杂，FH通信性能受到现场多种干扰的制约，主要有：全频段干扰、部分频带干扰、单频干扰、多频干扰以及跟踪式干扰，其中部分频带干扰是指将总的干扰功率随机地分布在整个跳频带宽的一部分上，与其他几种干扰相比，部分频带干扰的干扰功率较为集中，且更符合实际干扰的分布情况，对常规FH通信的危害较大，是目前FH通信面临的主要威胁.部分频带干扰能严重影响FH通信的同步，并增加系统的误码率，因此如何有效抑制部分频带干扰，进一步提升FH通信系统的性能，已成为港口无线调度中FH通信的一个重要问题.
1999年JOSEPH博士提出认知无线电（Cogni-tive Radio，CR）的概念，为解决FH通信的部分频带干扰抑制的问题提供了一种新的途径，通过将CR的频谱感知技术应用于FH通信中一引，提出认知跳频（Cognitive Frequency Hopping，CFH）技术.在受到部分频带干扰时，认知技术能够使FH电台实时感知频谱状况，使FH电台有效避开干扰频段进行通信，从而提高FH通信系统的部分频带抑制性能，目前对CFH技术的研究主要侧重于系统同步问题以及设备兼容问题，但对CFH技术的部分频带抑制性能，尤其是它在港口无线调度中的应用研究较少.本文基于CFH通信系统对其在部分频带干扰下的干扰抑制性能进行较为具体的理论分析和仿真验证，并与常规FH通信的部分频带干扰抑制性能进行对比，提出提高港口无线调度通信系统性能的可行性方法.
1 CFH系统结构
CFH技术的核心理论是通过对电磁环境进行实时感知，找出“频谱空穴”作为传输频带，使信号在这些频带中进行FH通信，从而取得较好的干扰抑制效果，本文以港口无线调度为研究对象，根据CFH的功能，基于最佳接收和最大化频谱利用率的FH通信思想，设计一种具体实现方案，其结构主要由跳频单元和认知单元组成，见图1.
如图l所示，系统主要包含信道编码、信息调制、跳频序列产生、频谱检测等一系列模块.其中，信道编码用于将信息编码后，送至发送端；信息调制模块将编码后的信息调制，生成调频序列，发送端信码经编码后送人调制器，认知单元通过频谱检测及频谱分析给出可用的频率集，跳频单元再根据认知单元给出的频率集生成可用的载波频率和调制信号进行上变频处理.接收端再通过相同处理进行解调、译码，还原发送信码.本文旨在分析系统对部分频带的干扰抑制性能，对系统的各部分结构原理不再详述.
2 CFH系统部分频带干扰抑制性能分析
2.1 部分频带干扰数学模型
港口无线调度系统中部分频带干扰是指将总的干扰功率随机地分布在整个跳频带宽的一部分，相对于宽带噪声干扰而言，部分频带干扰的干扰功率较为集中.其数学模型为：将港口无线调度系统中部分频带干扰模拟为加性高斯噪声，设港口无线调度通信跳频带宽为Ws，现场部分频带干扰的带宽为WJ，则WJ与WS之比被称为干扰因子ρ，ρ=WJ/WS，0<ρ<1.假设无线调度通信全频段宽带干扰功率谱密度为Ⅳ，，现场部分频带的干扰功率为J，NJ=J/WS，在现场部分频带干扰条件下，干扰带宽WJ内，噪声的等效单边功率谱密度N'J为
由上式可见，在干扰所处的跳频带宽内，现场部分频带干扰功率谱密度N'J是宽带干扰功率谱密度NJ的I/ρ倍，因此现场部分频带干扰对无线调度FH通信的干扰显得更有效.
2.2 部分频带干扰情况下性能分析
理论研究表明，一个常规FH通信系统在没有干扰的情况下的调制方式为BPSK，为非相干解调，其误码率为式中：Eb为信号的每比特能量；N0为高斯白噪声的单边功率谱密度.
假设在高斯白噪声信道中，系统能够实现理想同步，且所有信道都能使用，设有N个FH工作信道，m个受部分频带干扰的FH信道，则m=N·ρ，部分频带干扰的干扰功率J在这m个信道上均匀分布，
常规FH通信采用事先规划好的跳频工作表进行随机跳频，不能随意改变跳频工作表，仍然在这m个被干扰的信道上传输信息，因此，被干扰信道的误码率为P（Eb/（N0+NJ/p）），未受干扰信道的误码率为P（Eb/N0）.因此，常规FH通信系统的平均误码率为
在CFH系统中，在无线调度通信之前或者静默期间，为使无线调度系统获得较小的误码率，首先需要通过对信道进行频谱检测确定干扰所在频段，从而选择无干扰或干扰较小的频段作为工作信道，
假设在一个时隙中，CFH系统通过频谱检测在N个FH信道中选出Nc个信道（Ncmin≤Nc<n，ncmin为CFH系统正常工作时所需的最小信道数）作为工作信道，然后在这些工作信道中生成动态跳频图案进行通信.根据干扰因子ρ取值的不同，分3种情况进行讨论.
（1）当0<p<1-nc/N时，N-m>Nc，即现场干扰未占用的无线调度通信信道数能够满足CFH系统的工作信道数，则CFH系统肯定能避开m个干扰信道，且还有N-m-Nc个好信道备用，此时，CFH系统的误码率与无现场干扰情况下的常规FH系统误码率相同，其误码率可用式（2）表示.
（2）当p=1-Nc/N时，N-m=Nc，即现场干扰未占用的无线调度通信信道数正好满足CFH系统的工作信道数，则CFH系统正好能避开m个干扰信道，在无干扰信道上进行通信.其误码率也可用式（2）表示.
（3）当1-Nc/N<p<1时，n-m<nc，即现场干扰未占用的无线调度通信信道数不能够满足CFH系统的工作信道数，则CFH系统选择的Ⅳc个无线调度通信信道中含有Nc-（N-m）个坏信道和N-m个好信道，它避开了m-（Nc-（N-m））=N-Nc个坏信道，其误码率由两部分构成，一部分是N-m个好信道上的误码率，另一部分是Nc-（N-m）个坏信道上的误码率，故其平均误码率为
3 CFH系统部分频带干扰抑制性能仿真
通过MATLAB仿真，进一步验证无线调度通信CFH系统和常规FH系统部分频带干扰抑制性能.仿真系统中采用BFSK调制方式，取N=80，Ws=80MHz.由于信息速率Rs和跳频速率Rc满足Rs=Rc，取Rs=1600b/s，Rc=1600次/s，CFH选取的最小信道数Ncmin=40.
（1）假设干信比为20dB不变，常规FH系统和CFH系统分别受到干扰因子p为0.3，0.5和0.6的部分频带干扰，CFH系统和常规FH系统的误码率与信噪比的关系曲线见图2.
由图2可以看出，在ρ=0.3和ρ=0.5时，即干扰未占用的无线调度通信信道数能够满足CFH系统的工作信道数时，CFH系统的误码率小于常规FH系统的误码率，这说明CFH系统的部分频带干扰抑制性能明显好于常规FH系统.同时，可以看出，随着信噪比的增大，这种优势更为明显，在p=0.6时，即现场干扰未占用的无线调度通信信道数不满足CFH系统的工作信道数时，CFH系统的性能略有下降，但仍优于常规FH系统，在ρ=0.3和p=0.5时，CFH系统的性能表现最佳.
（2）假设ρ=0.3不变，干信比分别为O，10，20dB时，CFH系统和常规FH系统的误码率与信噪比的关系曲线见图3.
从图3可以看出，在p-定的情况下，CFH系统和常规FH系统的误码率基本不受干信比的影响，但CFH系统的误码率随信噪比的增大而不断减小，表现出良好的抗干扰性能，而常规FH系统的误码率基本保持不变.
4 结论
以港口无线调度通信系统为研究对象，针对跳频（FH）通信抗干扰性能，对认知跳频（CFH）系统在不同干扰因子ρ下及不同干信比下的无线调度通信部分频带干扰抑制性能进行理论分析并仿真验证系统性能，从理论分析以及仿真结果可以看出，与常规FH系统相比，CFH系统在干扰未占用的信道数能够满足CFH系统的工作信道数的情况下，能够有效避开部分频带干扰，具有更好的部分频带干扰抑制性能，因此，CFH系统能够有效解决港口无线调度通信中的部分频带干扰问题，在未来港口无线调度通信中具有较高的应用价值.
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