衛(wèi)星通信系統(tǒng)多域協(xié)同抗干擾技術(shù)

韓雪謙

(海軍駐南京地區(qū)航空軍事代表室，　南京 210002)

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·電子對抗·

衛(wèi)星通信系統(tǒng)多域協(xié)同抗干擾技術(shù)

韓雪謙

(海軍駐南京地區(qū)航空軍事代表室，南京 210002)

摘要：針對衛(wèi)星通信系統(tǒng)在惡劣電磁環(huán)境下單一技術(shù)體制抗干擾效果不佳的情況，發(fā)展了多域協(xié)同抗干擾技術(shù)。該技術(shù)基于凸集投影理論，把時、頻、空域等多種抗干擾技術(shù)進(jìn)行有機(jī)融合，從不同的角度和層面進(jìn)行多域協(xié)同處理，使得干擾能夠最大化地消除。該技術(shù)通過域間或域內(nèi)的切換技術(shù)作為基本實現(xiàn)，可促進(jìn)發(fā)展衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的多模式、多頻段和多平臺協(xié)作通信，實現(xiàn)通信信號的多參數(shù)實時變化，加強(qiáng)抗干擾、反偵察和抗截獲的一體化設(shè)計。

關(guān)鍵詞：抗干擾；多域協(xié)同；衛(wèi)星通信；凸集投影

0引言

衛(wèi)星通信具有覆蓋范圍廣、通信容量大和通用性強(qiáng)等優(yōu)點，在軍事和民用上的應(yīng)用越來越廣泛。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，電磁環(huán)境日趨惡化，蓄意干擾技術(shù)更加高明，電子偵察技術(shù)不斷完善，使得通信中受到的干擾越來越復(fù)雜且難以甄別，單一體制的抗干擾技術(shù)已經(jīng)力不從心?，F(xiàn)代通信一般都采用多種抗干擾手段來提高通信系統(tǒng)的可靠性，以保障通信系統(tǒng)能在干擾環(huán)境下準(zhǔn)確、實時、連續(xù)地傳輸信息。由于在實際應(yīng)用中，各抗干擾技術(shù)間的融合性差，協(xié)同處理基礎(chǔ)弱。因此，本文根據(jù)凸集投影理論，給出了多域協(xié)同抗干擾技術(shù)的原理，研究在時、頻、空域適應(yīng)多波束、變帶寬、正交跳頻技術(shù)，旨在把現(xiàn)有抗干擾技術(shù)歸納在統(tǒng)一的理論框架下，使它們有機(jī)地結(jié)合，協(xié)同工作，以增強(qiáng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的綜合抗干擾能力。

1衛(wèi)星通信系統(tǒng)抗干擾技術(shù)現(xiàn)狀

衛(wèi)星通信技術(shù)由于其信道的開放性，一些強(qiáng)電磁干擾，尤其是人為蓄意干擾，如：阻塞、跟蹤和轉(zhuǎn)發(fā)等，嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。抗干擾通過一定的信道控制技術(shù)來提高通信質(zhì)量，一般可分為以下四類[1-4]：

(1) 基于信號處理的擴(kuò)頻通信。如：跳頻(FH)、跳時和直接序列(DS)擴(kuò)頻等，其中，F(xiàn)H和DS應(yīng)用最多，技術(shù)也較成熟，是信道的頻域處理技術(shù)。

(2) 基于空間處理的多波束通信。如：波束形成、自適應(yīng)天線調(diào)零技術(shù)和鄰近波束通信等，是信道的空域處理技術(shù)。

(3) 基于時間處理的猝發(fā)傳輸技術(shù)?？梢詫崿F(xiàn)超寬帶信息傳輸，未來避免與其他設(shè)備干擾，一般需要配合FH，是信道的時域處理技術(shù)。

(4) 變速率傳輸或跳碼等其他技術(shù)。在信道環(huán)境惡劣的情況下，可以降低信號的傳輸速率，以甚低速率傳輸達(dá)到增加時間分集(積分時間)，也可合并信道，增加帶寬以增加信道分集(帶寬)，是信道的時頻域處理技術(shù)。

由于單一體制的抗干擾效果不佳，現(xiàn)在衛(wèi)星通信抗干擾普遍都采用了幾種抗干擾技術(shù)的組合，以提高抗干擾能力。如：美國的軍事星系統(tǒng)MILSTAR系列衛(wèi)星中主要的抗干擾方法是采用跳頻、自適應(yīng)天線調(diào)零處理等技術(shù)；美國的先進(jìn)極高頻AEHF衛(wèi)星除了采用MILSTAR所具備的技術(shù)外，還有波束成形網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和相控陣天線技術(shù)等[5]，基本實現(xiàn)多個維域抗干擾技術(shù)的組合或協(xié)同工作，如圖1所示。其中，擴(kuò)頻通信是現(xiàn)在應(yīng)用最為廣泛的抗干擾技術(shù)，建立在下列三個定理之上：(1) 香農(nóng)的信道容量理論，指出增大帶寬可以降低信息的差錯率；(2) 香農(nóng)的最佳信號理論，指出最佳信號具有白噪聲的統(tǒng)計特性；(3) 哈爾凱威奇抗多徑衰落理論，指出抗多徑衰落的信號同樣具有白噪聲統(tǒng)計特性。因此，擴(kuò)頻通信有著堅實的理論基礎(chǔ)，是抗干擾技術(shù)的基礎(chǔ)出發(fā)點，在擴(kuò)頻通信的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展的抗干擾體制是可靠可行的。

圖1　多域協(xié)同抗干擾技術(shù)

2多域協(xié)同抗干擾理論

通過以上分析可知，按照處理域的不同，衛(wèi)星通信抗干擾的基本體制可分為頻域處理、時域處理、空域處理和時頻域處理。多域協(xié)同抗干擾技術(shù)將時、頻、空域歸納到一個理論框架下，能夠在實際抗干擾技術(shù)實施中靈活調(diào)整和運用。

2.1時頻空域的等效性

考慮空間中的一個任意邊長的長方體盒子，如圖2所示。如果要描述這個長方體盒子，只要選中對角上的頂點坐標(biāo)就可以唯一確定這個盒子，如圖中的(x0,y0,z0)和(x1,y1,z1)兩點。

圖2　三維空間中的長方體盒子的描述

把上面三維空間的三個維分別替換為時間(T)、頻率(F)和空間(S)，一維對應(yīng)一域，那么這個盒子就變成“時頻空盒子”，它描述了在特定空間中具有特定帶寬的持續(xù)特定時間的一類信號，此時“時頻空盒子”的密度代表了信息的傳輸速率，那么這個盒子就成為三維空間里的一個實體，可以用信號的開始和結(jié)束時刻、載頻的中心頻率、帶寬、位置和大小以及傳輸速率來描述這個盒子。圖2中的“時頻空盒子”是海森堡時頻盒子的擴(kuò)展，通過對等變換，在圖2中就可以對各個維(時、頻、空域)進(jìn)行無差別對待，也就是說時、頻、空域具有等效性，這樣就為多域協(xié)同抗干擾體制的提出提供一個良好的基礎(chǔ)。舉例說明時空的等效性，如增加信號的帶寬可以增加通信系統(tǒng)的抗干擾能力(干擾容限)，同樣增加信號的空間頻率(來波方向)也具有抗干擾的能力，也就是多星協(xié)同的跳星跳波束體制。

2.2多域協(xié)同抗干擾

多域協(xié)同抗干擾的基礎(chǔ)仍引用2.1節(jié)中的三條定理，只是把“擴(kuò)譜”的概念繼續(xù)擴(kuò)展，其基本思想是采用隨機(jī)序列來擴(kuò)展信號各域的“帶寬”，即同時在時、頻、空域等多域都用隨機(jī)序列來擴(kuò)展和控制，把跳時、DS擴(kuò)頻、FH擴(kuò)頻、多波束、天線調(diào)零、多入多出和星上處理都融合在一起，實現(xiàn)多域協(xié)同最優(yōu)控制。此時“譜”已經(jīng)不單指頻譜了，而是所有的控制量都是廣義的譜。

圖2中，物理信道中的信號采用一個“時頻空盒子”表示，如果在時空坐標(biāo)系中堆滿互不重疊的這樣大小不一的時頻空盒子，如圖3所示，表示的就是一個多維的正交信道，它表示在不同頻帶、不同時隙、不同衛(wèi)星、不同波束里以不同速率傳輸?shù)男盘枴?/p>

圖3　三維信道中正交信號的時頻空表示

在通信過程中有許多信號的時、頻、空域的參數(shù)組合可供選擇，即在時、頻、空域里信號的位置、頻率等參數(shù)很多。在任一時段，只選擇其中很小的子集，而干擾者無法知道這個子集的參數(shù)，系統(tǒng)的誤碼率只是信噪比的函數(shù)。此時，干擾信號只能在有限的時頻空間釋放干擾。當(dāng)不能確定信號參數(shù)時，只能通過向這個時頻空間釋放等強(qiáng)度干擾，結(jié)果落在每一個通信點上的干擾功率很?。换蛘呦蚰承┕潭ɑ螂S機(jī)空間點上釋放強(qiáng)干擾，結(jié)果與通信點以某個小概率相遇，造成一定的誤碼。通信選擇的維度越大，或者坐標(biāo)范圍越大，干擾的難度就越大。

2.3理論基礎(chǔ)

多域協(xié)同抗干擾技術(shù)的理論基礎(chǔ)是凸集投影理論，它是信號處理的重要方式，也是一大類迭代算法的基礎(chǔ)。凸集投影可表示為：xn+1=Txn，xn為希爾伯特閉凸子空間中的元素，T為投影算子，n為投影的次數(shù)。凸集投影經(jīng)過迭代最終達(dá)到一個定點，如圖4所示，即：Tnx0→x∞，其意義說明閉凸集中的元素經(jīng)過多次迭代投影后其結(jié)果趨于一個定點。

圖4　凸集投影的幾何示意

具體到信號處理就是未知信號滿足若干個不同的限制，每一個限制對應(yīng)于一個閉凸集，即信號在一組閉凸集的交集中。通過信號處理(凸集投影)，解出滿足所有限制的點，即為所求信息。在衛(wèi)星通信抗干擾中，有用信息和干擾信息之間的差別就構(gòu)成限制條件，如：直擴(kuò)中所有的碼字集合就構(gòu)成一個閉凸集，跳頻中跳頻圖案也構(gòu)成一個閉凸集，重疊的多個波束也構(gòu)成一個閉凸集等。在這種意義下，抗干擾技術(shù)就是從接收信號中通過投影把有用信息和干擾信息分開的過程。

3域內(nèi)和域間切換

多域協(xié)同抗干擾的工程化就是各域內(nèi)和域間的切換技術(shù)，包括波束切換、信道切換、頻率切換、衛(wèi)星切換、多天線以及多域協(xié)同多域自適應(yīng)切換等。其切換的主要準(zhǔn)則是根據(jù)干擾平臺分析的結(jié)果，如：信干比、接收電平和功率控制等進(jìn)行自適應(yīng)信道控制。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)切換的實施中，切換執(zhí)行過程可以分為切換準(zhǔn)則、切換控制和切換信道分配三個子進(jìn)程，其策略將直接影響到整個系統(tǒng)的運行性能。

3.1波束切換

波束切換是指由于移動或者波束堵塞等原因，地面站從正在服務(wù)的波束切換到另一波束的過程。在該過程中，切換判決算法一般根據(jù)接收信號強(qiáng)度和信噪比/信干比等參數(shù)或者干擾分析平臺的指令，來判決是否需要進(jìn)行切換，主要目的是保證移動地面站在移動中的通信連續(xù)性及信號傳播質(zhì)量。干擾分析平臺分析出當(dāng)前波束或者點波束被阻塞干擾，其性能嚴(yán)重下降甚至完全不能使用時，信關(guān)站發(fā)出指令關(guān)閉受干擾的波束，防止干擾其他波束。根據(jù)點波束覆蓋重疊特性，用戶站嘗試?yán)孟噜彶ㄊM(jìn)行再通信。用戶站測量下行信號強(qiáng)度，選擇最強(qiáng)波束進(jìn)行重新入網(wǎng)登記。

跳波束時的波束選擇原則主要分為隨機(jī)跳變和選擇跳變。如：在受到強(qiáng)干擾情況下進(jìn)行選擇跳變，避開強(qiáng)干擾從而避免波束阻塞，此時要進(jìn)行跳變策略選擇。其基本思想是針對受到干擾波束下的用戶集再次反饋部分信道信息，使得在系統(tǒng)用戶數(shù)受到干擾時系統(tǒng)總速率得到有效提高，主要有平均功率分配多用戶多波束選擇策略和自適應(yīng)功率分配多用戶多波束選擇。平均功率分配多用戶多波束選擇策略要求每個用戶反饋其最大的信干比及最大信干比對應(yīng)的波束序號，則基站將波束分配給最大信干比對應(yīng)的用戶；自適應(yīng)功率分配多用戶多波束選擇策略要求功率在各個波束間自適應(yīng)分配。

3.2信道切換

信道切換主要是指不同帶寬之間的信道切換，即變帶寬通信。在受到干擾時，采用降低信息速率和低碼率編碼的方式獲得更大的處理增益。尤其對于直擴(kuò)系統(tǒng)，提高偽碼的速率和降低基帶信息速率是提高擴(kuò)頻增益的有效途徑。在抗干擾衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，可設(shè)置兩種信道傳輸模式：一種是中速業(yè)務(wù)，稱為普通模式，用于平時通信；另一種是甚低速業(yè)務(wù)，稱為健壯模式，用于在強(qiáng)干擾情況下的通信，健壯模式將比普通模式添加更多的冗余信息和使用更為健壯的糾錯碼?；谏鲜鰝鬏斈Ｊ降亩x，衛(wèi)星通信系統(tǒng)中波束內(nèi)信道切換的類型主要有兩種：一種是將呼叫切換到采用普通模式傳輸?shù)男碌目捎妙l率/時隙；另一種是將呼叫切換到采用健壯模式傳輸?shù)男碌目捎妙l率/時隙。

在切換測量階段，地面站和信關(guān)站干擾分析平臺同時對信號接收強(qiáng)度(信號電平)和信號接收質(zhì)量(誤比特率)進(jìn)行實時測量。移動地面站每隔一定時間將測量結(jié)果通過衛(wèi)星慢速輔助控制信道向信關(guān)站進(jìn)行報告。信關(guān)站對接收到的測量結(jié)果始終保持監(jiān)視，進(jìn)行實時切換。切換執(zhí)行過程中的信道分配是為系統(tǒng)中的切換請求分配網(wǎng)絡(luò)資源的過程，主要解決有限信道資源的高效分配問題，它作為無線資源管理的一個組成部分，對于系統(tǒng)資源的有效利用起著極為重要的作用，可分為兩類：(1) 基于信道分配的切換信道分配策略，有固定信道分配方式、靈活信道分配方式和動態(tài)信道分配方式三種；(2) 基于切換性能保證的切換信道分配策略，一般通過預(yù)留信道方式、優(yōu)先級方式和子速率方式等對切換呼叫或者實時業(yè)務(wù)提供一定程度的保護(hù)，從而有效降低通信中斷概率。

3.3頻率切換

頻率切換采用多個載波頻率并在這些頻率間隨機(jī)跳變，由于載頻切換需要時間，故又工作在突發(fā)傳輸狀態(tài)，所以具有很強(qiáng)的抗干擾能力。對擴(kuò)頻帶寬較寬的情況，跳頻比直接序列擴(kuò)頻更為實用。跳頻系統(tǒng)的重要參數(shù)是擴(kuò)頻增益和跳頻速率，跳頻范圍越寬，抗寬帶阻塞式干擾能力越強(qiáng)；跳頻速率越高，抗跟蹤式干擾能力越強(qiáng)。對跳頻系統(tǒng)的限制在于頻率合成器的高速轉(zhuǎn)換而無雜波產(chǎn)生，目前我國對中速跳頻技術(shù)已基本掌握，對快速跳頻還在跟蹤研究。跳頻信號的特征參數(shù)有：信號頻率、跳頻速率、信號駐留時間、信號的到達(dá)時間和結(jié)束時間、信號的換頻時間等。

為避免衛(wèi)星之間的相互干擾和有效利用頻率資源，正交跳頻通信技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。正交跳頻是指跳頻圖案不發(fā)生重疊，即跳頻頻率在時頻域上相互不發(fā)生重疊，其優(yōu)點是不存在干擾、頻譜占用率高、可組網(wǎng)數(shù)目大等。由于其同步且頻率集相同，大大提高了抗干擾性能，即任何時刻在頻率集中都會同時出現(xiàn)多個頻率信號，給跳頻跟蹤式干擾帶來困難。傳統(tǒng)接收機(jī)無法截獲跳頻信號，更談不上對跳頻信號進(jìn)行分選和識別，對跳頻信號的截獲只能依靠新型的快速掃描式接收機(jī)或非搜索體制的接收機(jī)。跳頻技術(shù)是研究最早的抗干擾技術(shù)，相對比較成熟，其他相關(guān)技術(shù)還包括跳頻序列的設(shè)計和跳頻同步等，這里就不贅述了。

3.4多域自適應(yīng)切換

通過上面的分析可以看出，多域協(xié)同抗干擾的基本實現(xiàn)是切換技術(shù)，按照資源可用度和技術(shù)復(fù)雜度，分別是頻率切換(跳頻)、信道切換(變帶寬)、波束切換(跳波束)和星際切換。這些技術(shù)既可以簡單地串聯(lián)也可以并聯(lián)，或者是混合實施，此時就需要復(fù)雜的控制技術(shù)，一般由干擾分析平臺的結(jié)果，配合相應(yīng)算法來實施。在具體實施過程中，星際切換屬于最高層，跳頻屬于最底層。也就是說為了保持正常通信，跳頻(或者直擴(kuò))是必不可少的：當(dāng)干擾加強(qiáng)時，考慮跳波束或者是變帶寬通信；當(dāng)受到嚴(yán)重干擾或者需要衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信時，考慮星際切換。跳變算法中跳頻算法是根據(jù)跳圖確定，變帶寬算法是根據(jù)業(yè)務(wù)需求和信干比等參數(shù)確定。跳波束和星際切換是通信路由的再選擇，屬于路由技術(shù)，在強(qiáng)干擾情況下的波束/星際切換算法包含切換重建算法和概率算法等。

4結(jié)束語

本文針對現(xiàn)代干擾技術(shù)綜合化、靈巧化和智能化的特點，發(fā)展了多域協(xié)同抗干擾技術(shù)。該技術(shù)針對衛(wèi)星通信系統(tǒng)的廣域時空覆蓋特性，可有效指導(dǎo)衛(wèi)星通信系統(tǒng)綜合抗干擾的總體設(shè)計。通過討論可以看出，多域協(xié)同的基礎(chǔ)是多域間的變量廣義化，即打破域間差異，把不同域的參數(shù)和變量統(tǒng)一對待。本文在理論框架上給出了初步討論，具體的多域統(tǒng)一理論、域間協(xié)同算法以及工程化實現(xiàn)還需要進(jìn)一步的研究。

參 考 文 獻(xiàn)

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韓雪謙男，1983年生，工程師。研究方向為通信技術(shù)。

Multi-domain Collaborative Anti-jamming Technique for Satellite Communication System

HAN Xueqian

(Aviation Military Affairs Deputy Office of PLA Navy in Nanjing Zone,Nanjing 210002, China)

Abstract：Since the effect of single anti-jamming technology in the harsh electromagnetic environment for satellite communication system is poor, there is a developed technology of multi-domain collaborative anti-jamming based on convex set projection, which combines plenty of anti-jamming technology in time-domain, frequency-domain and spatial-domain. This technology is multi-layer processed and eliminates the jamming maximally. It appears the handover technology of intra-domain and inter-domain basically, and promotes to develop the multi-mode, multi-frequency and multi-plat communication of satellite communication system, realize the communication signal parameter real-time mutative, and integrate anti-jamming, counter-reconnaissance and anti-interception.

Key words：anti-jamming; multi-domain collaboration; satellite communication; convex set projection

DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.05.018

通信作者：韓雪謙Email：172701105@qq.com

收稿日期：2015-12-11

修訂日期：2016-02-08

中圖分類號：TN972

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1004-7859(2016)05-0078-04