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    復(fù)雜電磁環(huán)境下的LPI/LPD通信技術(shù)研究

    2014-08-29 17:35馮微楊仕平王健鄭晨熹
    現(xiàn)代電子技術(shù) 2014年15期
    關(guān)鍵詞:擴頻通信抗干擾無線通信

    馮微+楊仕平+王健+鄭晨熹

    摘 要: 隨著通信干擾技術(shù)的不斷發(fā)展,戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)也將面對諸如阻塞干擾、跟蹤干擾、錄放干擾以及靈巧干擾等干擾手段,如何對抗這類干擾手段,提升無線通信的可靠性,針對相應(yīng)的LPI/LPD抗干擾技術(shù)進行了研究。

    關(guān)鍵詞: 無線通信; 抗干擾; 跳頻通信; 擴頻通信; LPI/LPD

    中圖分類號: TN925?34 文獻標識碼: A 文章編號: 1004?373X(2014)15?0020?03

    Study on LPI/LPD communication technology under complicated EM environment

    FENG Wei1, YANG Shi?ping2, WANG Jian2, ZHENG Chen?xi2

    (1. China Electronics System Equipment Engineering Corporation Institute, Beijing 100141, China;

    2. Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company, Guangzhou 510663, China)

    Abstract: With constant development of communication interference technology, tactical communication systems will be faced with various interference means, such as blockage interference, tracking interference, recording/playing interference, ingenious interference, etc. The corresponding LPI/LPD interference?free technology is studied in this paper to deal with the interference means and upgrade the reliability of wireless communication.

    Keywords: wireless communication; interference?free; frequency?hopping communication; spectrum?spreading communication; LPI/LPD

    目前,我國周邊局部地區(qū)局勢仍顯緊張,迫使我國軍事斗爭策略要順應(yīng)新軍事變革而積極調(diào)整與變化,要革命性地應(yīng)用信息新技術(shù),增強武器裝備性能,提高部隊的作戰(zhàn)效能,“制電磁權(quán)”斗爭已成為贏得戰(zhàn)爭勝利的關(guān)鍵。為保障作戰(zhàn)部隊在電磁環(huán)境高度復(fù)雜密集的現(xiàn)代戰(zhàn)場上執(zhí)行任務(wù)和機動作戰(zhàn),通信系統(tǒng)必須具備較強的電子防御能力;否則,作戰(zhàn)編隊通信一旦遭到干擾、壓制和破壞,就會使指揮協(xié)同中斷,中樞神經(jīng)癱瘓,指揮控制失靈,使任何強大的兵力和先進的武器系統(tǒng)都無法發(fā)揮其應(yīng)有的效能[1]。因此,研究無線通信裝備的低截獲/低檢測(LPI/LPD)技術(shù)具有重要的現(xiàn)實意義。

    1 國外抗干擾通信發(fā)展趨勢

    隨著用戶話音、數(shù)據(jù)、視頻等應(yīng)用業(yè)務(wù)的日益增多,對無線傳輸帶寬提出了更高的要求,在民用領(lǐng)域,出現(xiàn)了以WiMAX,LTE為代表的民用寬帶通信系統(tǒng),在軍用領(lǐng)域,出現(xiàn)了以美軍寬帶網(wǎng)絡(luò)波形WNW、單兵電臺波形SRW為代表的軍用寬帶通信系統(tǒng)。從技術(shù)發(fā)展階段來講,軍用寬帶波形WNW/SRW與民用寬帶波形WiMAX/LTE的對應(yīng)關(guān)系如圖1所示,他們都屬于第四代通信系統(tǒng),其中WNW波形的最高速率達5 Mb/s,SRW波形的最高速率達2 Mb/s。

    圖1 美軍寬帶波形的發(fā)展趨勢

    就抗干擾能力而言,美軍的寬帶網(wǎng)絡(luò)波形WNW與單兵電臺波形SRW也根據(jù)應(yīng)用環(huán)境,設(shè)計了多種工作模式,如圖2所示,WNW波形主要包括OFDM寬帶模式、LPI/LPD模式、AJ模式、BEAM模式;SRW波形則主要包括Combat Comms,LPI/LPD模式、電子戰(zhàn)模式。

    2 LPI/LPD技術(shù)簡介

    從抗干擾的側(cè)重點來講,低截獲(Low Probability of Interception,LPI)與低檢測(Low Probability of Deception,LPD)有所不同,其中LPI技術(shù)主要是確保信息安全,即使敵方知道我方在通信,但抓不住我方通信內(nèi)容,如圖3所示,主要實現(xiàn)手段包括定速/變速跳頻、跳時、直序擴頻、混合擴頻、調(diào)制變換等技術(shù);LPD技術(shù)主要是防止頻譜暴露,讓敵方不知道我方在什么時間通信,主要包括功率自適應(yīng)、定向天線、散射通信等技術(shù)[2]。

    圖2 美軍WNW波形與SRW波形的功能特點對比

    圖3 典型的LPI/LPD技術(shù)

    3 LPI/LPD抗干擾設(shè)計

    海軍戰(zhàn)場環(huán)境是變化的,任何一種通信干擾措施的有效性都不是絕對的,必須根據(jù)實際情況,采取不同的策略。就裝備使用而言,研究抗干擾措施,應(yīng)從多方面考慮,一種抗干擾措施對某種干擾有效,而對另一種干擾則無效,而另一種干擾措施可能相反,如能將兩種抗干擾措施結(jié)合,則抗干擾能力便會提高。例如DS?SS(擴頻)抗單頻干擾和遠近干擾能力較差,F(xiàn)H?SS(跳頻)抗寬帶干擾和中繼轉(zhuǎn)發(fā)式干擾較差;而DS?FH 混合擴頻調(diào)制卻在抗單頻干擾、寬帶干擾和遠近干擾、中繼轉(zhuǎn)發(fā)式干擾方面能力都很強[3]。

    針對上述各種干擾方式的特點,LPI/LPD抗干擾通信波形的設(shè)計從技術(shù)體制角度而言,可從以下幾個技術(shù)方面進行研究。

    3.1 擴維通信技術(shù)

    為了解決傳統(tǒng)擴跳頻通信面臨的頻帶利用率低、抗干擾能力差的矛盾,擴維通信由同類技術(shù)的擴頻通信延伸拓展而來。擴維是在擴頻的基礎(chǔ)上,讓擴頻圖案攜帶信息,由單一的頻域擴展拓展到任一正交基上的擴展,其具有天然的高頻譜利用率;同時擴維通信利用小的瞬時維度和大的統(tǒng)計維度,達到了強的抗干擾能力,尤其是對抗靈巧干擾的能力[4?5]。

    擴維通信與廣義的擴頻通信信號在頻域上都表現(xiàn)為占據(jù)很寬的頻譜,但二者傳送信息的機理有顯著不同。以跳頻和頻域擴維為例,圖4顯示了兩者不同的工作原理。跳頻通信中跳頻圖案由通信雙方事先約定不攜帶任何信息,信息的傳輸在圖中表示為不同的方格類型,跳頻是通過在頻點上調(diào)制不同的相位、幅度攜帶信息。頻域擴維中不同的頻點代表了信號不同的基(維),擴維一方面在頻點上調(diào)制不同的相位、幅度,另一方面頻點自身也是攜帶信息的,圖中顯示為不同的序號,這樣在同樣的帶寬下就可以大大增加攜帶信息的能力。

    圖4 頻域擴維與跳頻工作原理比較示意圖

    對于空間信息傳輸,整個信號暴露在開放的電磁環(huán)境,跳擴頻圖案容易被電子偵察等手段獲得,當(dāng)通信雙方的圖案(基)暴露后,信號空間可以進行變換投影,其示意如圖5所示。對于跳頻通信信號投影到預(yù)定的圖案上時,信號空間被壓縮到一維。而對于頻域擴維信號,由于占據(jù)了多個基,無論怎樣變換投影,其信號維度保持不變。信號空間的差異將顯著影響頻譜資源的利用效益和抗干擾的能力。

    圖5 信號變換投影示意圖

    3.2 抗靈巧干擾通信技術(shù)

    軍用通信系統(tǒng)不僅要抗跟蹤、阻塞干擾等,還要防止系統(tǒng)受到電子欺騙,即通過在消息中加入假消息,復(fù)制信息和錯誤信息實現(xiàn)欺騙的目的。當(dāng)波形缺乏足夠的捷變性和隨機性時,將增大被截獲和定位的可能性。敵方通過對發(fā)射信號和特征參數(shù)間(同步信號、脈沖類型、頻譜、通信密度等)進行觀測,充分利用暴露的同步信號等特性參數(shù),實現(xiàn)“靈巧干擾”[6]。

    對抗靈巧干擾最有效的方法就是增強信號發(fā)送的不確定性,使其具有偽隨機特性,包括發(fā)送時間的隨機性,發(fā)射頻率的隨機性,發(fā)射信號特性的不確定。其中發(fā)射頻率的隨機性可由隨機跳頻圖案實現(xiàn);發(fā)射信號特性的隨機性可通過對信號的變換實現(xiàn),例如對信號進行分數(shù)階傅里葉變換,而且變換參數(shù)也是偽隨機變化的;發(fā)射時間的隨機性可通過初始抖動或跳時實現(xiàn)。初始抖動是對消息初始時間的隨機化,即在一個時隙傳輸?shù)拈_始階段是一段隨機可變的時延。這樣可防止干擾方通過加大信號傳輸間隔,用峰值功率攻擊信息的同步信息,減少了混入接收信號的干擾信號能量。

    另一種發(fā)射時間隨機化方法是跳時。跳時與跳頻類似,所不同的是發(fā)射信號在時間軸上跳變。將時間軸劃分為許多時間片,在一幀內(nèi)哪個時間片發(fā)射信號由偽隨機序列進行控制。由于采用較窄的時間片發(fā)射信號,相對而言,信號的頻譜也就展寬了。

    為了更好地抵抗靈巧干擾,需要綜合適用多種隨機化技術(shù),TDMA系統(tǒng)下的綜合利用跳頻+跳時的示意圖。如圖6所示,每一個時隙的發(fā)射頻點不同(跳頻),實現(xiàn)了頻率的隨機化; 同時每一個時隙劃分為多個更小的時間片,用戶在時隙內(nèi)偽隨機選擇某一個時間片發(fā)射信號(跳時),并且發(fā)射初始時間延遲是隨機可變的(抖動),實現(xiàn)了時間的隨機化。

    圖6 跳頻+跳時抗干擾設(shè)計示意圖

    將跳頻圖案相同的用戶分為一組, 組內(nèi)不同用戶每個時隙占用的時間片,初始時延抖動都各不相同,實現(xiàn)正交跳時。通過正交跳頻和正交跳時,各用戶互不影響的同時傳輸,也實現(xiàn)了時間、頻率上的隨機化,更好地抵抗靈巧干擾的影響。

    3.3 信號調(diào)制特征跳變技術(shù)

    該技術(shù)通過實時調(diào)整發(fā)射參數(shù),如帶寬、調(diào)制編碼方式等,讓敵方難以采用正確的解調(diào)解碼方法獲得信息,自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)在一定程度上可以達到上述效果;通過特殊的處理手段,改變信號的頻譜和時域特征,使敵方無法正確判斷信號類型,從而也就無法正確解析。目前提出了一種去擴頻特征信號變換的抗截獲技術(shù),該技術(shù)通過同時改變原始信號的頻域和時域特征,達到對原始波形調(diào)制信息的加密處理。該方法具有以下特點:對調(diào)制信號進行加密且不改變信號的3 dB帶寬;由多個參數(shù)確定,參數(shù)取值范圍為整個實數(shù)區(qū)間,很難通過遍歷搜索得到;變換的參數(shù)可以隨時間變化動態(tài)調(diào)整進一步增大偵收的難度。如圖7所示,可偽裝其他的調(diào)制方式(可將QPSK信號通過去擴頻特征信號變換變換成加噪聲的16QAM信號);偽裝成高斯白噪聲(可將QPSK信號通過去擴頻特征信號變換變換成為隨機噪聲);偽裝成多徑信號(可將QPSK信號通過去擴頻特征信號變換變換成為多徑信號)。

    圖7 信號調(diào)制特征跳變技術(shù)應(yīng)用示例

    3.4 功率自適應(yīng)通信技術(shù)

    LPD技術(shù)主要防止頻譜暴露,對小型化、低功耗電臺而言,功率自適應(yīng)控制是關(guān)鍵。功率自適應(yīng)控制可在鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層或二層同時進行。

    網(wǎng)絡(luò)層功率控制:主要研究如何通過改變發(fā)射功率改變網(wǎng)絡(luò)連通性和選擇路徑,側(cè)重于提高網(wǎng)絡(luò)吞吐率;網(wǎng)絡(luò)層通常很長一段時間才進行一次調(diào)整,調(diào)整頻率較低。

    鏈路層功率控制:主要是發(fā)送節(jié)點根據(jù)當(dāng)前信道條件和發(fā)送分組的目的地址調(diào)整無線發(fā)射功率,在確保數(shù)據(jù)傳輸可靠性的同時,側(cè)重于降低網(wǎng)絡(luò)能耗;鏈路層需要可能經(jīng)常調(diào)整發(fā)射功率,甚至每發(fā)送一次分組就需要調(diào)整一次;鏈路層控制分組用最大功率發(fā)送,數(shù)據(jù)分組和ACK用最小必須功率發(fā)送。

    混合功率控制機制:將網(wǎng)絡(luò)層功率控制機制與鏈路層功率控制兩種機制結(jié)合起來,在發(fā)送數(shù)據(jù)分組時,MAC協(xié)議根據(jù)節(jié)點的距離和當(dāng)前信道條件調(diào)整發(fā)射功率,每當(dāng)分組到節(jié)點后,節(jié)點利用網(wǎng)絡(luò)層的功率控制機制來調(diào)整網(wǎng)絡(luò)拓撲和選擇路由。

    4 結(jié) 語

    通信干擾與通信抗干擾是一對相生相克的矛盾,它們互相制約,但又互相促進發(fā)展,既沒有攻不破的電子防御,也沒有防不了的電子進攻。在電子戰(zhàn)攻防中,關(guān)鍵是結(jié)合干擾的具體形式,在實戰(zhàn)中應(yīng)靈活運用各種對抗方法,在高技術(shù)條件下發(fā)揮出作戰(zhàn)效能。

    參考文獻

    [1] 劉維國,張大禹.電磁兼容環(huán)境下艦艇通信頻率指配研究[J].艦船電子對抗,2002,25(6):11?13.

    [2] 鄭高謙.實現(xiàn)低截獲概率雷達的技術(shù)途徑[J].現(xiàn)代電子,2002(3):17?20.

    [3] 張艷芹,許錄平,李劍.一種具有低截獲特性的組合調(diào)制雷達信號[J].彈道學(xué)報,2006,18(3):90?93.

    [4] 葛躍田.自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)及其在移動通信中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2003,26(2):34?36.

    [5] PROAKIS J G.數(shù)字通信[M].張力軍,譯.5版.北京:電子工業(yè)出版社,2009.

    [6] 梅林,沙學(xué)軍,冉啟文,等.四項加權(quán)分數(shù)Fourier變換在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].中國科學(xué):信息科學(xué),2010,40(5):732?741.

    針對上述各種干擾方式的特點,LPI/LPD抗干擾通信波形的設(shè)計從技術(shù)體制角度而言,可從以下幾個技術(shù)方面進行研究。

    3.1 擴維通信技術(shù)

    為了解決傳統(tǒng)擴跳頻通信面臨的頻帶利用率低、抗干擾能力差的矛盾,擴維通信由同類技術(shù)的擴頻通信延伸拓展而來。擴維是在擴頻的基礎(chǔ)上,讓擴頻圖案攜帶信息,由單一的頻域擴展拓展到任一正交基上的擴展,其具有天然的高頻譜利用率;同時擴維通信利用小的瞬時維度和大的統(tǒng)計維度,達到了強的抗干擾能力,尤其是對抗靈巧干擾的能力[4?5]。

    擴維通信與廣義的擴頻通信信號在頻域上都表現(xiàn)為占據(jù)很寬的頻譜,但二者傳送信息的機理有顯著不同。以跳頻和頻域擴維為例,圖4顯示了兩者不同的工作原理。跳頻通信中跳頻圖案由通信雙方事先約定不攜帶任何信息,信息的傳輸在圖中表示為不同的方格類型,跳頻是通過在頻點上調(diào)制不同的相位、幅度攜帶信息。頻域擴維中不同的頻點代表了信號不同的基(維),擴維一方面在頻點上調(diào)制不同的相位、幅度,另一方面頻點自身也是攜帶信息的,圖中顯示為不同的序號,這樣在同樣的帶寬下就可以大大增加攜帶信息的能力。

    圖4 頻域擴維與跳頻工作原理比較示意圖

    對于空間信息傳輸,整個信號暴露在開放的電磁環(huán)境,跳擴頻圖案容易被電子偵察等手段獲得,當(dāng)通信雙方的圖案(基)暴露后,信號空間可以進行變換投影,其示意如圖5所示。對于跳頻通信信號投影到預(yù)定的圖案上時,信號空間被壓縮到一維。而對于頻域擴維信號,由于占據(jù)了多個基,無論怎樣變換投影,其信號維度保持不變。信號空間的差異將顯著影響頻譜資源的利用效益和抗干擾的能力。

    圖5 信號變換投影示意圖

    3.2 抗靈巧干擾通信技術(shù)

    軍用通信系統(tǒng)不僅要抗跟蹤、阻塞干擾等,還要防止系統(tǒng)受到電子欺騙,即通過在消息中加入假消息,復(fù)制信息和錯誤信息實現(xiàn)欺騙的目的。當(dāng)波形缺乏足夠的捷變性和隨機性時,將增大被截獲和定位的可能性。敵方通過對發(fā)射信號和特征參數(shù)間(同步信號、脈沖類型、頻譜、通信密度等)進行觀測,充分利用暴露的同步信號等特性參數(shù),實現(xiàn)“靈巧干擾”[6]。

    對抗靈巧干擾最有效的方法就是增強信號發(fā)送的不確定性,使其具有偽隨機特性,包括發(fā)送時間的隨機性,發(fā)射頻率的隨機性,發(fā)射信號特性的不確定。其中發(fā)射頻率的隨機性可由隨機跳頻圖案實現(xiàn);發(fā)射信號特性的隨機性可通過對信號的變換實現(xiàn),例如對信號進行分數(shù)階傅里葉變換,而且變換參數(shù)也是偽隨機變化的;發(fā)射時間的隨機性可通過初始抖動或跳時實現(xiàn)。初始抖動是對消息初始時間的隨機化,即在一個時隙傳輸?shù)拈_始階段是一段隨機可變的時延。這樣可防止干擾方通過加大信號傳輸間隔,用峰值功率攻擊信息的同步信息,減少了混入接收信號的干擾信號能量。

    另一種發(fā)射時間隨機化方法是跳時。跳時與跳頻類似,所不同的是發(fā)射信號在時間軸上跳變。將時間軸劃分為許多時間片,在一幀內(nèi)哪個時間片發(fā)射信號由偽隨機序列進行控制。由于采用較窄的時間片發(fā)射信號,相對而言,信號的頻譜也就展寬了。

    為了更好地抵抗靈巧干擾,需要綜合適用多種隨機化技術(shù),TDMA系統(tǒng)下的綜合利用跳頻+跳時的示意圖。如圖6所示,每一個時隙的發(fā)射頻點不同(跳頻),實現(xiàn)了頻率的隨機化; 同時每一個時隙劃分為多個更小的時間片,用戶在時隙內(nèi)偽隨機選擇某一個時間片發(fā)射信號(跳時),并且發(fā)射初始時間延遲是隨機可變的(抖動),實現(xiàn)了時間的隨機化。

    圖6 跳頻+跳時抗干擾設(shè)計示意圖

    將跳頻圖案相同的用戶分為一組, 組內(nèi)不同用戶每個時隙占用的時間片,初始時延抖動都各不相同,實現(xiàn)正交跳時。通過正交跳頻和正交跳時,各用戶互不影響的同時傳輸,也實現(xiàn)了時間、頻率上的隨機化,更好地抵抗靈巧干擾的影響。

    3.3 信號調(diào)制特征跳變技術(shù)

    該技術(shù)通過實時調(diào)整發(fā)射參數(shù),如帶寬、調(diào)制編碼方式等,讓敵方難以采用正確的解調(diào)解碼方法獲得信息,自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)在一定程度上可以達到上述效果;通過特殊的處理手段,改變信號的頻譜和時域特征,使敵方無法正確判斷信號類型,從而也就無法正確解析。目前提出了一種去擴頻特征信號變換的抗截獲技術(shù),該技術(shù)通過同時改變原始信號的頻域和時域特征,達到對原始波形調(diào)制信息的加密處理。該方法具有以下特點:對調(diào)制信號進行加密且不改變信號的3 dB帶寬;由多個參數(shù)確定,參數(shù)取值范圍為整個實數(shù)區(qū)間,很難通過遍歷搜索得到;變換的參數(shù)可以隨時間變化動態(tài)調(diào)整進一步增大偵收的難度。如圖7所示,可偽裝其他的調(diào)制方式(可將QPSK信號通過去擴頻特征信號變換變換成加噪聲的16QAM信號);偽裝成高斯白噪聲(可將QPSK信號通過去擴頻特征信號變換變換成為隨機噪聲);偽裝成多徑信號(可將QPSK信號通過去擴頻特征信號變換變換成為多徑信號)。

    圖7 信號調(diào)制特征跳變技術(shù)應(yīng)用示例

    3.4 功率自適應(yīng)通信技術(shù)

    LPD技術(shù)主要防止頻譜暴露,對小型化、低功耗電臺而言,功率自適應(yīng)控制是關(guān)鍵。功率自適應(yīng)控制可在鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層或二層同時進行。

    網(wǎng)絡(luò)層功率控制:主要研究如何通過改變發(fā)射功率改變網(wǎng)絡(luò)連通性和選擇路徑,側(cè)重于提高網(wǎng)絡(luò)吞吐率;網(wǎng)絡(luò)層通常很長一段時間才進行一次調(diào)整,調(diào)整頻率較低。

    鏈路層功率控制:主要是發(fā)送節(jié)點根據(jù)當(dāng)前信道條件和發(fā)送分組的目的地址調(diào)整無線發(fā)射功率,在確保數(shù)據(jù)傳輸可靠性的同時,側(cè)重于降低網(wǎng)絡(luò)能耗;鏈路層需要可能經(jīng)常調(diào)整發(fā)射功率,甚至每發(fā)送一次分組就需要調(diào)整一次;鏈路層控制分組用最大功率發(fā)送,數(shù)據(jù)分組和ACK用最小必須功率發(fā)送。

    混合功率控制機制:將網(wǎng)絡(luò)層功率控制機制與鏈路層功率控制兩種機制結(jié)合起來,在發(fā)送數(shù)據(jù)分組時,MAC協(xié)議根據(jù)節(jié)點的距離和當(dāng)前信道條件調(diào)整發(fā)射功率,每當(dāng)分組到節(jié)點后,節(jié)點利用網(wǎng)絡(luò)層的功率控制機制來調(diào)整網(wǎng)絡(luò)拓撲和選擇路由。

    4 結(jié) 語

    通信干擾與通信抗干擾是一對相生相克的矛盾,它們互相制約,但又互相促進發(fā)展,既沒有攻不破的電子防御,也沒有防不了的電子進攻。在電子戰(zhàn)攻防中,關(guān)鍵是結(jié)合干擾的具體形式,在實戰(zhàn)中應(yīng)靈活運用各種對抗方法,在高技術(shù)條件下發(fā)揮出作戰(zhàn)效能。

    參考文獻

    [1] 劉維國,張大禹.電磁兼容環(huán)境下艦艇通信頻率指配研究[J].艦船電子對抗,2002,25(6):11?13.

    [2] 鄭高謙.實現(xiàn)低截獲概率雷達的技術(shù)途徑[J].現(xiàn)代電子,2002(3):17?20.

    [3] 張艷芹,許錄平,李劍.一種具有低截獲特性的組合調(diào)制雷達信號[J].彈道學(xué)報,2006,18(3):90?93.

    [4] 葛躍田.自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)及其在移動通信中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2003,26(2):34?36.

    [5] PROAKIS J G.數(shù)字通信[M].張力軍,譯.5版.北京:電子工業(yè)出版社,2009.

    [6] 梅林,沙學(xué)軍,冉啟文,等.四項加權(quán)分數(shù)Fourier變換在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].中國科學(xué):信息科學(xué),2010,40(5):732?741.

    針對上述各種干擾方式的特點,LPI/LPD抗干擾通信波形的設(shè)計從技術(shù)體制角度而言,可從以下幾個技術(shù)方面進行研究。

    3.1 擴維通信技術(shù)

    為了解決傳統(tǒng)擴跳頻通信面臨的頻帶利用率低、抗干擾能力差的矛盾,擴維通信由同類技術(shù)的擴頻通信延伸拓展而來。擴維是在擴頻的基礎(chǔ)上,讓擴頻圖案攜帶信息,由單一的頻域擴展拓展到任一正交基上的擴展,其具有天然的高頻譜利用率;同時擴維通信利用小的瞬時維度和大的統(tǒng)計維度,達到了強的抗干擾能力,尤其是對抗靈巧干擾的能力[4?5]。

    擴維通信與廣義的擴頻通信信號在頻域上都表現(xiàn)為占據(jù)很寬的頻譜,但二者傳送信息的機理有顯著不同。以跳頻和頻域擴維為例,圖4顯示了兩者不同的工作原理。跳頻通信中跳頻圖案由通信雙方事先約定不攜帶任何信息,信息的傳輸在圖中表示為不同的方格類型,跳頻是通過在頻點上調(diào)制不同的相位、幅度攜帶信息。頻域擴維中不同的頻點代表了信號不同的基(維),擴維一方面在頻點上調(diào)制不同的相位、幅度,另一方面頻點自身也是攜帶信息的,圖中顯示為不同的序號,這樣在同樣的帶寬下就可以大大增加攜帶信息的能力。

    圖4 頻域擴維與跳頻工作原理比較示意圖

    對于空間信息傳輸,整個信號暴露在開放的電磁環(huán)境,跳擴頻圖案容易被電子偵察等手段獲得,當(dāng)通信雙方的圖案(基)暴露后,信號空間可以進行變換投影,其示意如圖5所示。對于跳頻通信信號投影到預(yù)定的圖案上時,信號空間被壓縮到一維。而對于頻域擴維信號,由于占據(jù)了多個基,無論怎樣變換投影,其信號維度保持不變。信號空間的差異將顯著影響頻譜資源的利用效益和抗干擾的能力。

    圖5 信號變換投影示意圖

    3.2 抗靈巧干擾通信技術(shù)

    軍用通信系統(tǒng)不僅要抗跟蹤、阻塞干擾等,還要防止系統(tǒng)受到電子欺騙,即通過在消息中加入假消息,復(fù)制信息和錯誤信息實現(xiàn)欺騙的目的。當(dāng)波形缺乏足夠的捷變性和隨機性時,將增大被截獲和定位的可能性。敵方通過對發(fā)射信號和特征參數(shù)間(同步信號、脈沖類型、頻譜、通信密度等)進行觀測,充分利用暴露的同步信號等特性參數(shù),實現(xiàn)“靈巧干擾”[6]。

    對抗靈巧干擾最有效的方法就是增強信號發(fā)送的不確定性,使其具有偽隨機特性,包括發(fā)送時間的隨機性,發(fā)射頻率的隨機性,發(fā)射信號特性的不確定。其中發(fā)射頻率的隨機性可由隨機跳頻圖案實現(xiàn);發(fā)射信號特性的隨機性可通過對信號的變換實現(xiàn),例如對信號進行分數(shù)階傅里葉變換,而且變換參數(shù)也是偽隨機變化的;發(fā)射時間的隨機性可通過初始抖動或跳時實現(xiàn)。初始抖動是對消息初始時間的隨機化,即在一個時隙傳輸?shù)拈_始階段是一段隨機可變的時延。這樣可防止干擾方通過加大信號傳輸間隔,用峰值功率攻擊信息的同步信息,減少了混入接收信號的干擾信號能量。

    另一種發(fā)射時間隨機化方法是跳時。跳時與跳頻類似,所不同的是發(fā)射信號在時間軸上跳變。將時間軸劃分為許多時間片,在一幀內(nèi)哪個時間片發(fā)射信號由偽隨機序列進行控制。由于采用較窄的時間片發(fā)射信號,相對而言,信號的頻譜也就展寬了。

    為了更好地抵抗靈巧干擾,需要綜合適用多種隨機化技術(shù),TDMA系統(tǒng)下的綜合利用跳頻+跳時的示意圖。如圖6所示,每一個時隙的發(fā)射頻點不同(跳頻),實現(xiàn)了頻率的隨機化; 同時每一個時隙劃分為多個更小的時間片,用戶在時隙內(nèi)偽隨機選擇某一個時間片發(fā)射信號(跳時),并且發(fā)射初始時間延遲是隨機可變的(抖動),實現(xiàn)了時間的隨機化。

    圖6 跳頻+跳時抗干擾設(shè)計示意圖

    將跳頻圖案相同的用戶分為一組, 組內(nèi)不同用戶每個時隙占用的時間片,初始時延抖動都各不相同,實現(xiàn)正交跳時。通過正交跳頻和正交跳時,各用戶互不影響的同時傳輸,也實現(xiàn)了時間、頻率上的隨機化,更好地抵抗靈巧干擾的影響。

    3.3 信號調(diào)制特征跳變技術(shù)

    該技術(shù)通過實時調(diào)整發(fā)射參數(shù),如帶寬、調(diào)制編碼方式等,讓敵方難以采用正確的解調(diào)解碼方法獲得信息,自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)在一定程度上可以達到上述效果;通過特殊的處理手段,改變信號的頻譜和時域特征,使敵方無法正確判斷信號類型,從而也就無法正確解析。目前提出了一種去擴頻特征信號變換的抗截獲技術(shù),該技術(shù)通過同時改變原始信號的頻域和時域特征,達到對原始波形調(diào)制信息的加密處理。該方法具有以下特點:對調(diào)制信號進行加密且不改變信號的3 dB帶寬;由多個參數(shù)確定,參數(shù)取值范圍為整個實數(shù)區(qū)間,很難通過遍歷搜索得到;變換的參數(shù)可以隨時間變化動態(tài)調(diào)整進一步增大偵收的難度。如圖7所示,可偽裝其他的調(diào)制方式(可將QPSK信號通過去擴頻特征信號變換變換成加噪聲的16QAM信號);偽裝成高斯白噪聲(可將QPSK信號通過去擴頻特征信號變換變換成為隨機噪聲);偽裝成多徑信號(可將QPSK信號通過去擴頻特征信號變換變換成為多徑信號)。

    圖7 信號調(diào)制特征跳變技術(shù)應(yīng)用示例

    3.4 功率自適應(yīng)通信技術(shù)

    LPD技術(shù)主要防止頻譜暴露,對小型化、低功耗電臺而言,功率自適應(yīng)控制是關(guān)鍵。功率自適應(yīng)控制可在鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層或二層同時進行。

    網(wǎng)絡(luò)層功率控制:主要研究如何通過改變發(fā)射功率改變網(wǎng)絡(luò)連通性和選擇路徑,側(cè)重于提高網(wǎng)絡(luò)吞吐率;網(wǎng)絡(luò)層通常很長一段時間才進行一次調(diào)整,調(diào)整頻率較低。

    鏈路層功率控制:主要是發(fā)送節(jié)點根據(jù)當(dāng)前信道條件和發(fā)送分組的目的地址調(diào)整無線發(fā)射功率,在確保數(shù)據(jù)傳輸可靠性的同時,側(cè)重于降低網(wǎng)絡(luò)能耗;鏈路層需要可能經(jīng)常調(diào)整發(fā)射功率,甚至每發(fā)送一次分組就需要調(diào)整一次;鏈路層控制分組用最大功率發(fā)送,數(shù)據(jù)分組和ACK用最小必須功率發(fā)送。

    混合功率控制機制:將網(wǎng)絡(luò)層功率控制機制與鏈路層功率控制兩種機制結(jié)合起來,在發(fā)送數(shù)據(jù)分組時,MAC協(xié)議根據(jù)節(jié)點的距離和當(dāng)前信道條件調(diào)整發(fā)射功率,每當(dāng)分組到節(jié)點后,節(jié)點利用網(wǎng)絡(luò)層的功率控制機制來調(diào)整網(wǎng)絡(luò)拓撲和選擇路由。

    4 結(jié) 語

    通信干擾與通信抗干擾是一對相生相克的矛盾,它們互相制約,但又互相促進發(fā)展,既沒有攻不破的電子防御,也沒有防不了的電子進攻。在電子戰(zhàn)攻防中,關(guān)鍵是結(jié)合干擾的具體形式,在實戰(zhàn)中應(yīng)靈活運用各種對抗方法,在高技術(shù)條件下發(fā)揮出作戰(zhàn)效能。

    參考文獻

    [1] 劉維國,張大禹.電磁兼容環(huán)境下艦艇通信頻率指配研究[J].艦船電子對抗,2002,25(6):11?13.

    [2] 鄭高謙.實現(xiàn)低截獲概率雷達的技術(shù)途徑[J].現(xiàn)代電子,2002(3):17?20.

    [3] 張艷芹,許錄平,李劍.一種具有低截獲特性的組合調(diào)制雷達信號[J].彈道學(xué)報,2006,18(3):90?93.

    [4] 葛躍田.自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)及其在移動通信中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2003,26(2):34?36.

    [5] PROAKIS J G.數(shù)字通信[M].張力軍,譯.5版.北京:電子工業(yè)出版社,2009.

    [6] 梅林,沙學(xué)軍,冉啟文,等.四項加權(quán)分數(shù)Fourier變換在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].中國科學(xué):信息科學(xué),2010,40(5):732?741.

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