基于多域联合处理的MIMO抗干扰技术
王霖郁，杨旭，项建弘
哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001
摘 要： 为了对抗军用通信中各种人为干扰，提出了具有空时频联合分集效果的空时慢跳频−多输入多输出(STFHMIMO)通信抗干扰系统，该系统采用了STFH编码算法和正交相干滤波(OCF)译码算法，在保证MIMO通信高速大容量传输的同时亦提升其抗干扰性能。通过建立该系统软件平台，仿真验证系统对宽带干扰、部分频带干扰以及跟踪干扰的抗干扰性能，仿真结果证明该系统具有良好的抗干扰效果，获得跳频增益约10 dB，分集复用增益约18 dB，抗干扰性能得到明显提升。
关键词： MIMO；空时分组码；跳频；误码率；信噪比；人为干扰；抗干扰；增益
现代战争中，信息战日渐成为战争中的重要部分。MIMO技术可以在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，成倍提高系统容量和链路可靠性，是现代无线通信的重大突破，也是军用通信 系 统 最 有 可 能 采 用 的 方 案 [1−2]。 文 献 [3−5]在Simulink环境下研究了常规FH系统在多种人为干扰下的传输性能，FH技术对系统抗干扰性能有显著提升，但单发单收系统传信速率和信道容量的局限性，不能适用于未来大规模军用通信；文献[6]提出了一种新的数学模型，并结合正交频分复用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）技术实现了Alamouti发射分集结构系统下的多载波、多天线传输，提升了系统的灵活性和可靠性，但系统仅考虑了内部参数变化对性能的影响，并未针对系统抗干扰性能进行研究且MIMO规模十分有限；文献[7−10]将空时分组码在正交设计的理论上把Alamouti空时码从两副发射天线推广到多副发射天线系统；文献[11]提出了一种基于国内外普通军用跳频移频键控（frequency-hopping frequency-shift keying，FH−FSK）和空时移频键控（space-time frequency-shift keying，ST−FSK）技术的跳频空时移频键控（frequency-hopping space-time frequency-shift keying, FH−ST−FSK）数据通信系统模型，并对2发1收ST−FSK系统在加性高斯白噪声和慢衰落信道下的性能进行初步仿真，相比于普通FSK系统有更强的抗衰落和抗干扰能力，但FH−ST−FSK模型只适用于一发多收系统或多发一收系统，且仅限于理论模型尚未仿真实现；文献[12]提出了一种基于空时分组编码（spacetime block coding，STBC）和空时跳频 (space-time frequency-hopping, SFH)技术的多天线跳频抗干扰的SFH−STBC系统基本理论模型，在Simulink环境下仿真了2发2收SFH−STBC系统在衰落信道和多种人为干扰下的性能，系统抗干扰性能提升显著，但其对译码部分并未给出具体推导，且仅针对Alamouti结构系统，并未将此模型具体实现到多天线SFH−STBC系统中。
综合全文内容可知，多种水利工程软土地基处理技术的实际应用效果都较为理想，但软土地基处理的根本目的是改善软土层的基本性质，进而提高地基结构的安全稳定性。因此，应当根据软土地基的土质结构条件，不断优化施工处理方案，这样才能实现水利工程经济效益、社会效益与生态效益的最大化，最终促进我国经济建设的大步向前。
1 STFH−MIMO 系统模型
本文分别提出了STFH编码算法和相应的OCF译码算法，并基于此在MIMO通信环境下设计了全新的STFH−MIMO系统，并在多种人为干扰下进行仿真验证。仿真结果表明，相比于传统STBC系统和FH系统，该方案通信性能及抗干扰效果显著，更适用于未来军用通信。
STFH−MIMO系统在发送端利用STFH算法将MFSK调制信号进行STBC编码并由MIMO天线阵列加载到10~20 GHz高频段跳频发送，信道中加入自然噪声和人为干扰，接收端利用OCF算法译码恢复发送信息。
采用Stata 13.0软件进行回归分析，通过Hausman检验确定采用固定效应模型。分别加入rta，wtoc，wtoe变量及各控制变量进行回归，得到的总体结果见表5。
本系统具体含8个模块，即信号调制模块、STBC模块、STFH模块、信道传输模块、跳频同步模块、OCF译码模块、下变频模块、信号解调模块。其中STFH编码算法和OCF译码算法由整体系统中的部分模块构成。
由表2分析可得出以下结论：①优化传统挖掘机摊铺工艺是基于异味控制的必然选择；②采用履带式移动堆料机可以实现最小作业面和最佳堆体高度；③白天能够实现负压+药剂喷洒同步除臭，进一步消减异味总量；④污泥作业区无人化操作是可以实现的。
调制模块将基带信号调制到载波，采取的调制方式为MFSK。接收端采取非相干方式解调。
STFH算法实现编码，主要包括STBC模块和上变频模块。STBC模块采用8发8收STBC复矩阵编码，以获得时间分集和空间分集增益；上变频模块实现STBC信号在10~20 GHz频段的跳频传输。
OCF算法实现译码，主要包括跳频同步模块、STBC译码模块和下变频模块。跳频同步模块可获取系统发送端跳频图案；STBC译码模块实现不同时刻信号的分离和载波相干；下变频模块实现跳频载波消除，最终恢复发送信号。
跳频序列生成模块通过m序列，使用非连续抽头模型生成跳频图案，生成的跳频序列具有良好的汉明相关性能。跳频同步模块采用同步字头法，定频发送同步消息，定频数为4。同步字头中含有跳频序列全部信息，接收机依照同步信息实现跳频同步。
信道传输模块采用瑞利信道，信道中包含自然噪声和人为干扰。自然噪声随机生成，干扰信号则选取3种典型形式加入通信接收方的信号中，以验证STFH-MIMO系统抗干扰性能。
2 STFH 编码算法和 OCF 译码算法
2.1 STFH 编码算法
m(t)为输入信息码序列{1，0，0，1，…}，
通过多进制频移键控 (multiple frequency-shift keying,MFSK)调制后得到频带宽度为
的调制信号
：
2012年11月16日，水利部部长陈雷在水利部传达贯彻党的十八大精神大会上的讲话中提到[6]，党的十八大报告多处涉及水利工作，并把水利放在生态文明建设的突出位置。在水利改革创新方面，强调要完善最严格的水资源管理制度，深化资源性产品价格和税费改革，建立资源有偿使用制度和生态补偿制度，积极开展排污权、水权交易试点。这一系列重要论述和重大部署，进一步完善了我国新时期治水方略，深化了水利工作内涵，拓展了水利发展空间。水是生态环境的控制性因素，水生态文明是生态文明的重要组成和基础保障。
从图1中可以看出：
调制后对信号
进行STBC编码，目的是为了获得分集增益，提高频谱利用率，提高信息传输准确率。假设发射天线总数为
，接收天线总数为
，MFSK信号经过STBC编码后得到信号
2.在物防上，针对不法分子交通和通讯工具日益现代化的实际，各油区巡逻队也要配备巡逻车、各种先进器具等。同时，对重点油井的井口加盖铁皮房；还要对部分油井的套管安装密码防盗闸门和“三键式”防盗套管闸门。对变压器、节能箱、电机等易被盗的设施采取“全包式”加焊防盗栏、防盗锁、固定螺丝焊死等措施；对电缆线、单井管线等实行深埋80cm；对集输泵站、库房及其它要害部位进行重点巡逻，使被盗系数减少到零。
跳频序列由独立产生的伪随机码产生，频率合成器由跳频序列控制，频率合成器的输出频率按照不同的跳频图案或者指令随机地变化。
接收信号
经过低通滤波后得到：
式中：
表示第i根发射天线的发射信号；
为由跳频序列生成的跳频载波，其中
为跳频频率间隔，
为最终生成的跳频频率序列控制系数，M根发射天线对应的
组行向量STBC信号分别与跳频序列上变频混频后发射；
为10~20 GHz频段上跳频载波的起始设置频率；
为频率合成器输出信号的频率和初相。
STFH−MIMO系统接收端第i根天线在第
时刻接收到的信号
为：
式中：M代表发送天线的总根数，
代表接收天线的总根数；
表示
时刻的信道噪声；
表示第i根 天 线 受 到 的 干 扰 ； i = 1, 2, … M; j = 1, 2, …,2N。
“桑基鱼塘”是一种挖深鱼塘、垫高基田、塘基植桑、塘内养鱼的充分利用土地的高效人工生态系统.利用平溪江水源条件推广“桑基鱼塘”，在促进丝蚕生产的同时发展养鱼业.
2.2 OCF 译码算法
根据逐步回归法建立的多元线性回归模型（2），以国内生产总值、年末人口数量和居民人均教育消费为解释变量，计算2001—2016年的国家财政教育支出的预测值，并给出了预测值与真实值之间的误差绝对数和误差率（见表7）．
式中：
是8×8天线阵列的实编码矩阵；
是复数编码矩阵。
为了便于研究分析，本文首先考虑一根接收天线的解码情况，任选跳频频点
下一组STBC信号译码进行数学推导：
本节实验课以血红蛋白作为“主线分子”，包括了样品的处理、透析、凝胶色谱法、SDS-PAGE法等4个子实验。本节课的难点在于凝胶色谱法和SDSPAGE法的原理比较难懂。为了突破此难点，笔者采用“先讲解原理后实践提升”的教学策略，让学生通过实际操作将实验原理内化。在讲解每个子实验时，通过设置问题串，激发学生思考，从而理解实验操作步骤的原理及目的。
式中：
是接收信号；
是信道传输系数；
是每根发射天线的平均能量；
是复高斯白噪声的功率；
表示哈达玛乘积，其运算规则为矩阵元素对应相乘；zj= Jj+nj, j = 1, 2, 3, …, 2N。
式中：接收信号
；信道系数
是8×8天线阵列的复信道矩阵；发送信息为
；信道干扰及噪声为
信号
经过频率合成器上变频得到跳频信号
，可表示为：
式中
为8阶单位矩阵。
对滤波后的接收信号经过补偿得到：
对于多根接收天线的解码，利用上述OCF译码算法对每根接收天线接收信号独立地进行解码，然后将各天线解码信号进行叠加，即可得到在跳频载波
下发送的全部天线接收到的信息。
3 仿真结果与分析
本文在MATLAB8.0下完成在下行链路移动通信环境中对STFH−MIMO系统的仿真，编写程序完成各个模块数学模型的建立，按照执行流程将各个模块连接起来。加入3种不同的干扰模式并改变相应的仿真参数，在10~20 GHz高频段改变信噪比，分析不同MIMO规模下的STFHMIMO通信系统的误码率，评价系统抗干扰性能。本系统中跳频增益设置约为12 dB。
假定MIMO天线阵列规模为8×8，其中设定各发射天线采用同一跳频图案，STBC采用8×16复数矩阵，设定16个时刻为一个时隙，每跳传输数据个数为z=16T（T表示倍数），则任意一组STBC矩阵中任一天线在任一时隙的16位数据必在同一跳频频率下传输，即任一跳频点下的数据传输都相互独立。
3.1 宽带干扰仿真结果与分析
宽带阻塞干扰下STBC系统、FH系统和STFH-MIMO系统的误码率曲线如图1所示，其中调制方式为2FSK。
图1 STBC、FH 与 STFH−MIMO 系统抗宽带干扰性能比较
式中：
是幅度；
为 正整数；
为MFSK信号载波起始频率；
为频率间隔；i=1, 2, …, M/2。
3）当信噪比很大时，
时的干扰效果最好；当信噪比很小时，
时的干扰效果最好。出现这种情况是因为，在低信噪比情况下，噪声功率相对较高，平均到干扰频带后，在特定频点的干扰功率依然很高，故需要增大干扰因子采取大范围频率段覆盖干扰使效果更好；在高信噪比情况下，噪声功率相对较低，平均到干扰频带后，特定频点上的干扰功率不足以对跳频信号产生干扰，故需要降低干扰因子集中能量干扰某一小段频率，期望达到较好的干扰效果。
钻头附加高频扭转冲击后钻进的岩石模型里同时存在拉应力和压应力，其作用影响部位交替产生，而正常钻进是以压应力为主要作用力。岩石强度相对于抗拉更擅长于抗压，拉压应力钻进的扭转冲击状态会很大程度上加快钻头钻进速度。
2）在同等天线规模中，相比之下STFH−MIMO系统的性能优势明显。在2×1和8×8规模的天线阵列中，在误码率同为
处时，STFH−MIMO系统相比于STBC系统均有大约为10 dB的增益，说明跳频给系统带来10 dB增益；
运用ENVI5.1监督分类中的最大似然法对许昌建成区2013年和2017年的Landsat8遥感图像进行解译分类，具体步骤为：
3）在天线规模确定的情况下，在误码率为
处，2×1/STFH−MIMO系统相比于FH系统增益为6 dB；在8×8天线阵列中相比于FH系统增益为18 dB，说明天线规模从单发单收增加到2发1收，STBC分集复用增益为6 dB；从单发单收增加到8发8收，STBC分集复用增益为18 dB。
1934 年，美国标准化学者约翰·盖拉德（CJ.Gailard）在《工业标准化与应用》一书中对“标准”作了如下定义：“标准是以口头或书面形式，或用任何图解方法，或用模型、样品或其他物理方法确定下来的一种规范。”英国标准化学者桑德斯（T.R.B.Sanders）在1972年出版的《标准化的目的与原理》对标准概念的定义为：“是经公认的权威当局批准的标准化工作成果。它可采用下述形式：文件形式，内容是记述一系列必须达到的要求；规定基本单位或物理常数，如：安培、米、绝对零度等。”
3.2 部分频带干扰仿真结果与分析
部分频带干扰下STBC系统和STFH−MIMO系统的误码率曲线如图2所示，其中调制方式为2FSK。设置干扰因子
为部分频带干扰信号覆盖跳频信号的程度。
图2 不同规模天线阵列下 STBC、STFH−MIMO 系统抗部分频带干扰性能比较
从图2中可以看出：
1）在干扰系数
和天线规模确定的情况下，STFH−MIMO系统与STBC系统之间的性能差别在于跳频增益。在误码率为
处时，系统跳频增益均在10 dB上下浮动，说明跳频增益为10 dB，这与宽带干扰是相符合的；在干扰系数
确定的情况下，在误码率同为
处时，天线规模由2×1阵列增加至 8×8阵列，STFH−MIMO系统和STBC系统均有大约12 dB的增益，说明STBC分集技术带来了12 dB的分集增益，这也与宽带干扰下一致；
2）在同一规模天线阵列下，无论STBC系统还是STFH−MIMO系统中，存在共同的规律，即当
时，误码率不会超过 0.1；当
时，误码率不会超过0.25；当
时，误码率不会超过0.5，此时已达到最坏；
1）在任一种天线规模中，相比于其他2种系统，STFH−MIMO系统在宽带干扰下的抗干扰性能优势均很明显；
以上分析表明跳频通信系统在部分频带干扰下，性能并不是干扰因子最小或最大就是最佳。
3.3 跟踪干扰仿真结果与分析
跟踪干扰下STFH−MIMO系统的误码率曲线如图3所示，其中调制方式为2FSK。设置干扰因子
为干扰信号跟踪跳频频点时间与跳频信号跳变时间之比。
图3 不同规模天线阵列下 STBC、STFH−MIMO 系统抗跟踪干扰性能比较
跳频载波序列G为：
从图3中可以看出：
1）在天线规模和干扰系数
确定的情况下，在误码率同为
处时，STFH−MIMO系统由于FH技术的应用，抗干扰性能相比于STBC系统均有大约10 dB的明显提升，即跳频增益大约为10 dB，这与之前的仿真结果是一致的；
2）随着天线规模增加，在干扰系数
确定的情况下，在误码率同为
处时，STBC系统和STFH−MIMO系统的抗跟踪干扰性能均有大约12 dB的提升，说明天线规模由2×1扩大到8×8对抵抗跟踪干扰起到了很大的作用；
3）跟踪干扰要比宽带干扰和部分频带干扰强得多。在天线规模确定的情况下，STBC系统和STFH−MIMO系统，
时干扰效果最差，
时干扰效果最好。即随着跟踪因子
的增加，误码率均直线上升，干扰效果越来越好。从信噪比大小可以看出，跳频通信系统增益已经对跟踪干扰信号完全失去作用。
4 结论
1）本文分别提出了STFH编码算法和OCF译码算法，并基于此设计STFH−MIMO通信系统进行仿真并验证算法可靠性。其中STFH算法通过MIMO技术和FH技术实现了信息的空时频分集，同时获得了分集复用增益和跳频增益，提高频谱利用率的同时进一步提升了抗干扰性能；OCF算法译码复杂度低，并能有效消除信息中的跳频载波分量，确保STBC信号跳频传输的优越性能。
与传统转轮静平衡试验工具一样，其原理是利用平衡球心与平衡物体的重心的相应位置，在保证一定灵敏度下获得平衡[2]。对于不同重量的平衡物体，平衡物体的总重量和平衡球心与平衡物体重心的距离h值(以下称h值)的关系，采用表1数值。
2）为进一步验证系统抗干扰性能，在3种典型干扰环境下将STFH−MIMO系统与常规STBC系统、FH系统对比。仿真发现STBC分集技术和FH技术均有不同程度的抗干扰能力，低规模MIMO下FH技术抗干扰性能显著，跳频增益约为10 dB，但跳频增益受带宽限制；而随着天线规模增加STBC分集增益随之增加，抗干扰效果愈加显著，天线规模从单发单收FH系统增加到8×8/STFH−MIMO系统可得STBC分集复用增益约18 dB。同时3种干扰中跟踪干扰能力最强，对系统具有毁灭性影响。
3）跟踪干扰是常规跳频通信的克星，能够对跳频通信系统造成最佳干扰；但也存在不足之处，受到多方面的约束，如跳频系统跳速和干扰跳速、有用信号功率和干扰信号功率、通信信号传输时延和干扰信号传输时延、跳频系统带宽和干扰机带宽等。被干扰方可根据这些前提，采取相应的措施克制跟踪干扰。
4）STFH−MIMO 通信系统工作在 10~20 GHz高频段，具有通信性能好、频谱利用率高、抗干扰性强等优点，此外还具有更高的传输速率和更大的信道容量，适应于未来军用通信。
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Research on anti-jamming technology of MIMO communication system
WANG Linyu, YANG Xu, XIANG Jianhong
College of Information and Communication Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China
Abstract: In order to combat various human interference in military communications, this paper proposes the space-time slow frequency-hopping multiple input multiple output (STFH-MIMO) communication system with the effect of spacetime-frequency joint diversity. The system uses a STFH code algorithm and orthogonal coherent filtering (OCF)decoding algorithm, which can ensure high speed and large capacity transmission in MIMO communication, and at the same time, enhances its anti-jamming ability. Through establishing this system software platform, the simulation verifies that the system has good anti-interference effect to resist broadband interference, partial band interference and tracking interference. The system gets the 10 dB gain from frequency hopping and 18 dB gain from diversity multiplexing, and anti-interference effect is improved obviously.
Keywords: MIMO; space-time block code; frequency-hopping; bit error rate; signal to noise ratio; human interference;anti-interference; gain
中图分类号： TN914
文献标志码： A
文章编号： 1009−671X(2019)02−0042−05
DOI: 10.11991/yykj.201810007
网络出版地址： http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1191.U.20181225.0704.002.html
收稿日期： 2018−10−24.
网络出版日期： 2018−12−25.
作者简介： 王霖郁，女，副教授，博士；
杨旭，女，硕士研究生.
通信作者： 杨旭，E-mail：yangx@hrbeu.edu.cn.
本文引用格式：
王霖郁, 杨旭, 项建弘. 基于多域联合处理的 MIMO 抗干扰技术[J]. 应用科技, 2019, 46(2): 42–46.
WANG Linyu, YANG Xu, XIANG Jianhong. Research on anti-jamming technology of MIMO communication system[J]. Applied science and technology, 2019, 46(2): 42–46.
周芷若本是一个普通的渔家女孩，无端地被卷进风波中成为孤儿，被张三丰救下送往峨眉修习。天资聪颖又是名门弟子，看起来似乎前途无量，未来一片光明，偏偏其师是性情偏激的灭绝师太。二人未必没有经历过师徒间的温情，周芷若却在灭绝师太死前被迫接下掌门一职，背起驱除鞑虏、壮大峨眉的重担，更发下毒誓：“日后我若对魔教教主张无忌这淫徒心存爱慕，倘若和他结成夫妇，我亲生父母死在地下，尸骨不得安稳；我师父灭绝师太必成厉鬼，令我一生日夜不安，我若和他生下儿女，男子代代为奴，女子世世为娼。”
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