A design method of frequency hopping communication interference detection threshold based on FCME algorithm
LI Mengchao，PAN Shenfu
(The 54th Research Institution of CETC，Shijiazhuang，Hebei 050081，China)
Abstract: Frequency hopping satellite communication faces the threat of malicious interference in application，therefore,it is 
necessary to detect the interference of the received signal.Firstly,the wideband energy detection model was used to model the received signal， and the probability distribution of detection statistics was analyzed. Secondly, on the basis of FCME algorithm and CFARthreshold setting method, the relationship between some samples and the population under Gaussian distribution was analyzed by using probability statistical knowledge, and the iterative correction was added to estimate the noise bottom to set the threshold to meet the requirements of CFAR probability.Finally,the simulation platform was built by Matlab for simulation analysis. Theoretical and simulation analysis show that compared with the existing methods,the iterative modified threshold design method based on FCME can obtain the threshold that meets the requirements of false alarm  probability under the condition of SNR=0 dB with no interference.When there is partial band interference,the performance of the algorithm decreases, but the obtained threshold can still meet the requirements of false alarm probability.This design  method can provide an efficient neighbor discovery scheme for wireless Ad hoc network, improve the performance of wireless Ad hoc network, and has certain practical value in aircraft networking and other application scenarios.

Keywords:wirelesscommunicationtechnology; frequency hopping communication; interferencedetection; energy detection;threshold design

    干扰检测是提升跳频通信抗干扰性能的重要手段。通过干扰检测可以了解信道中恶意干扰的存在、干扰的频点与带宽、干扰功率等多种干扰信息，为干扰识别、干扰抑制提供必要信息。同时，干扰检测也是跳频系统自适应选择可用跳频信道的必要步骤。

    干扰检测算法大致可分为能量检测法、匹配滤波法、循环平稳特征分析法、高阶累积量法等。能量检测法［１］是一种应用场景最多的算法，因为它不需要干扰信号的先验知识，而是通过信号的能量特性进行门限判别以检测干扰，且实现简单、复杂度低。当给定足够的干扰或者噪声背景的先验知识时，能量检测具有十分优良的检测性能［２］。匹配滤波技术是一种基于先验信息的最佳检测技术，它需要信号的先验知识［３］，且检测器和信号一一对应，但在实际应用中通常情况下很难满足这些条件，因此匹配滤波法的应用场景十分受限。循环平稳特征分析法利用信号和干扰的循环平稳特征不同来进行干扰检测，相比于能量检测有更好的检测性能且不需要先验信息，但该算法的计算复杂度过高。同样高阶累积量方法也存在计算复杂度过高的问题，而且对干扰的类型有特殊要求［４］，不适合工程实际应用。

    能量检测算法分为时域检测和频域检测，时域检测是一种二元检测，只能获得干扰的有无；而频域检测可以获得干扰的频点、能量等特征参数，为后续干扰处理提供必要的信息。经典的频域能量检测算法有连续均值去除（ｃｏｎｓｅｃｕｔｉｖｅ　ｍｅａｎ　ｅｘｃｉｓｉｏｎ，ＣＭＥ）算法［５］和前向ＣＭＥ（ｆｏｒｗａｒｄ　ＣＭＥ，ＦＣＭＥ）算法［６］。两种算法都是通过迭代的方式获得门限进行检测的。ＦＣＭＥ 是ＣＭＥ 的改进算法，相比于ＣＭＥ算法ＦＣＭＥ对部分频带干扰有更好的检测性能，通过恒虚警准则设置门限可以更好地控制算法性能。

    本文在ＦＣＭＥ算法的基础上通过恒虚警准则设置门限以控制算法性能［７－８］，并针对迭代过程中噪声估计不准造成虚警概率偏高的问题，提出了迭代修正门限的方法以获得满足要求的虚警概率。首先给出了宽带能量检测模型［９－１０］和ＦＣＭＥ 算法原理［１１－１２］，介绍了已有的门限设置方法，已有的门限设置方法会造成无干扰时虚警概率趋于５０％的结果，然后提出了迭代修正门限的方法，并对其进行了仿真分析。

１　宽带能量检测模型

    跳频通信通过ＰＮ码来控制频率的跳变，因此一般可认为跳频通信系统的工作频点在整个跳频带宽内是均匀分布的，假设系统可用的工作频点个数为Ｎ，则每个频点的使用概率为１／Ｎ。在使用宽带能量检测模型进行分析时，认为干扰信号相比跳频信号是慢变的，即干扰信号的频点及带宽在足够多的跳周期内保持不变，这是一个重要的假设前提。

    宽带能量检测模型如图１所示［９］，接收信号要经过下变频、滤波处理、Ｎ 路的平方计算，Ｎ 路处理与Ｎ 个工作频点相对应。当工作频点数较多时可以使用ＦＦＴ算法进行结构的简化。每次检测要对总共Ｎｔ 跳的平方计算输出进行求和，将各路求和输出与门限进行比较来进行干扰检测。

假设已经完成同步，其中第ｋ 个频点在第ｉ 跳的输出为Ｒ（ｉ，ｋ）：

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５　结　语

    针对跳频通信的干扰检测门限设计中，采用传统方法设计门限得到的虚警概率不稳定以及直接使用ＦＣＭＥ方法虚警概率偏高的问题，提出了门限修正迭代设计方法并与ＦＣＭＥ方法结合。采用宽带能量检测模型，检测统计量近似服从高斯分布，在此基础上设计检测门限；仿真分析了ＦＣＭＥ方法的虚警性能与目的虚警概率的关系，最终虚警概率较目的虚警概率偏大，尤其目的虚警概率大于０．０１时更为明显；设计了门限修正迭代设计方法，用于修正ＦＣＭＥ迭代过程中噪底的均值和方差，以获得较为准确的最终虚警概率。通过仿真分析可知，改进方法应用于跳频通信系统干扰检测的门限设计是可行的，在干扰较弱或不存在时能满足虚警概率要求，改善了ＦＣＭＥ算法虚警概率偏高的情况。

    所提方法在干扰存在时所达到的虚警概率偏低、门限偏高，容易造成漏检，适当降低门限即可在满足虚警概率的前提下避免漏检。此方法在实际应用中具有一定局限性，因此在未来的研究中将进一步改进门限设计方法。

一种基于FCME的跳频通信干扰检测门限设计方法-李孟超.pdf