雷達嵌入式通信技術(shù)發(fā)展研究*

姚永康 ， 李保國 ， 徐建秋 ， 朱福偉

（1.空軍工程大學 航空機務士官學校，河南 信陽 464000；2.國防科技大學 電子科學學院，湖南 長沙 410073；3.中國人民解放軍第95580部隊，貴州 貴陽 550000）

0 引 言

隨著科學技術(shù)的進步，人類社會進入信息時代。其中，無線通信的快速發(fā)展為人們的生活提供極大的便利。同時，無線通信技術(shù)在軍事戰(zhàn)場中也發(fā)揮著舉足輕重的作用，它被用于傳遞命令，分享情報等信息，確使信息能夠可靠、有效傳輸并且不被截獲是軍用通信技術(shù)的重點。但是，一般的無線通信方法具有廣播性和開放性的特點，無法對抗截獲、偵聽等風險，所以難以滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭對通信系統(tǒng)的需求。在現(xiàn)代 戰(zhàn)爭中，各種信息系統(tǒng)的頻譜資源爭奪日趨緊張，另一方面信息對抗也尤為激烈，如何實現(xiàn)通信系統(tǒng)與其他電子系統(tǒng)的頻譜共享，同時保證信息可靠、隱蔽傳輸，已成為軍事通信技術(shù)發(fā)展的方向。

1 研究背景

目前，已有的隱蔽通信技術(shù)基本都是利用通信系統(tǒng)所處的環(huán)境中已存在的信號進行隱蔽通信。采用了隱蔽技術(shù)后，能夠有效地減小我方信息被敵方攔截的機率，實現(xiàn)低截獲概率通信。比如，常用的擴頻通信或跳頻通信都是借助環(huán)境中存在的噪聲來隱蔽通信信號。采用擴頻技術(shù)后，通信信號的頻譜在頻帶上被展寬，單位帶寬內(nèi)的信號功率得以降低，通信信號功率淹沒在噪聲功率中不易被敵方截獲從而實現(xiàn)通信隱蔽；同時加入擴頻編碼，即使截獲方截獲到信號，也難以恢復有用信息。但是，擴頻通信有一定的局限，當與遠距離的合作接收機通信時，為了提高可靠性（即低誤碼率），發(fā)射的信號功率就會相應的提高，當發(fā)射機附近有截獲接收機時，那么信號極易被截獲，此時的擴頻通信方法將不具備應對這類截獲接受機的低截獲概率特性。因此，在通信過程中，信噪比的大小決定了可靠性和隱蔽性兩個性能指標之間是相互抑制的。

通過前面的分析可知，擴頻通信的基本思想是把信號隱藏于環(huán)境的噪聲之中?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭中的電子設備均處于復雜電磁環(huán)境下，可以將其他電子設備發(fā)射的信號作為隱蔽通信的背景噪聲，進一步將環(huán)境中存在的噪聲替換成雷達發(fā)出的探測信號或者反射回來的高功率回波，也就是在雷達信號或回波當中嵌入通信信號，從而增強通信的隱蔽性能，這就是雷達嵌入式通信（Radar Embedded Communication，REC）的實質(zhì)。圖1所展示的是雷達嵌入式通信的基本過程：當雷達輻射電磁波對外部空間進行探測時，雷達信號輻射到空間環(huán)境中的物體形成反射回波，轉(zhuǎn)發(fā)器或者標簽以此作為掩護，在回波當中發(fā)射通信信號，完成與合作方雷達或接收機的通信。由于信號隱藏于雷達回波中，截獲接收器難以從中檢測出通信信號。

圖1 雷達嵌入式通信框架

雷達嵌入式通信的概念的提出可以追溯到20世紀40年代。在雷達產(chǎn)生不久，斯托克曼就提出了把通信信號嵌入到雷達的反射回波的思想，他設計出了基于雷達脈沖間信號的通信波形實現(xiàn)了隱蔽通信。但是數(shù)據(jù)傳輸效率很低，僅僅能夠支撐被動敵我識別的需求。后來，這種設計方法被用于合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）的成像模式當中，可以定位并跟蹤人員或設備的地理位置，從而避免戰(zhàn)場中對友軍的誤傷。

盡管基于脈沖間的雷達嵌入式通信方法已受到廣泛的研究，但該方法的傳輸速率很低，因此應用的局限性很大，只能用于定位等功能，而不能實現(xiàn)語音通信或者數(shù)據(jù)傳輸?shù)扔猛?。為了提高?shù)據(jù)傳輸率，從而提出了基于脈沖內(nèi)部的雷達嵌入式通信方法。這種方法在兼顧通信有效性和可靠性的同時還能具備相當?shù)碾[蔽性，因此對通信波形進行合理的設計是關(guān)鍵。該方式最初主要考慮線性調(diào)頻信號為背景雜波，提出了三類基于特征值分解的波形設計方法——分別為非主空間特征向量作為通信波形（Eigenvectors As Waveforms，EAW）、非主空間特征向量加權(quán)后作為通信波形（Weighter Combining，WC）、主空間處理后的特征向量作為通信波形（Dominant Projection，DP）。在此基礎上又構(gòu)建了多種改進型的波形設計方法，如：基于直接序列擴頻的雷達嵌入式通信波形設計方法、基于多目標優(yōu)化理論的波形設計方法等。

總之，雷達嵌入式通信已形成嚴格的理論基礎，正進一步將理論運用到實際當中，從而技術(shù)需求和理論研究相互促進和發(fā)展。因此深入研究雷達嵌入式通信理論與應用對軍用通信技術(shù)具有重要意義。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在梳理雷達嵌入式通信的發(fā)展脈絡之前，值得注意的是：雷達嵌入式通信和雷達通信一體化是兩種不同的概念和技術(shù)。雷達通信一體化其側(cè)重點是實現(xiàn)雷達與通信信號的頻譜共享，主要研究雷達和通信系統(tǒng)怎樣共用收發(fā)設備以減小體積、節(jié)省空間，進而研究通過發(fā)射同一個信號實現(xiàn)雷達與通信兩個功能，以及接收信號后如何分離出雷達的探測信息和傳輸?shù)耐ㄐ判畔⒌燃夹g(shù)問題；其技術(shù)難點還包括：在實現(xiàn)通信功能的情況下，必須評估通信對雷達性能是否造成較大影響，并且雷達通信一體化沒有考慮軍用通信中的一項重要性能——隱蔽性。雷達嵌入式通信是從通信的隱蔽性的角度出發(fā)，以雷達回波作為背景噪聲，由標簽發(fā)射通信信號，從技術(shù)實現(xiàn)上來看，通信信號和雷達信號由不同的設備發(fā)出。再通過合理的波形設計使得通信信號與雷達信號具有一定的相關(guān)性，降低通信信號被截獲方截獲的概率，從而實現(xiàn)通信性能的隱蔽性。

根據(jù)圖1所示，雷達向外輻射電磁波信號，探測波形觸碰到空間中的物體后，形成反射回波；同時雷達信號也會觸發(fā)隱藏在環(huán)境中的標簽（tag），標簽識別雷達信號并采用合適的波形設計方法將其調(diào)制成通信波形，在雷達脈沖發(fā)射期間向外發(fā)射。在圖中假設了雷達為合作方，從而實現(xiàn)了由標簽與雷達之間的通信。通信的隱蔽性主要歸因為以下兩點：

雷達波形探測到物體的反射回波為高功率雜波，標簽發(fā)射的通信信號可以被雷達雜波所掩蓋，截獲接收機將難以偵測到通信信號的存在，體現(xiàn)了低檢測概率特性；標簽接收到雷達信號，在此基礎上構(gòu)建的通信波形與雷達波形具有相關(guān)性，即使信號被截獲，也難以解調(diào)出有用信息，體現(xiàn)了低截獲概率特性。

雷達嵌入式通信是一項全新的隱蔽通信技術(shù)。目前，在國外關(guān)于該領(lǐng)域大部分研究成果主要由美國堪薩斯大學的Shannon Blunt博士帶領(lǐng)的團隊所發(fā)表。該團隊最初基于合成孔徑雷達，設計出了一種基于雷達脈間（inter-pluse）信號的雷達嵌入式通信波形，該波形設計采用雷達脈沖的多普勒頻移攜帶通信信息，而且通信信號能夠隱藏于雷達雜波中，提高了通信隱蔽性。但是發(fā)送一個通信信號需要使用多個雷達脈沖，所以傳輸信息的數(shù)據(jù)量很低，只能實現(xiàn)簡單的定位功能而不能用于更大數(shù)據(jù)量的傳輸。2007年，選用了線性調(diào)頻雷達信號作為背景雜波，提出了基于脈內(nèi)（intra-pluse）調(diào)制的通信波形設計方法，在保證信號隱蔽性的前提下提高了通信速率。由于這種方法達到了良好的效果，在此之后所提的雷達嵌入式通信均指脈內(nèi)雷達嵌入式通信，而且大部分研究成果都是以線性調(diào)頻信號為基礎的。 該團隊提出了三種基于特征值分解的波形設計方式，分別為EAW、WC、DP方法，并分析了在加性高斯白噪聲信道下的通信可靠性和隱蔽性[1-2]。同時，在基礎上設計了相應的高維調(diào)制方式，提高了通信速率和隱蔽性能[3]。但是這些研究基于點對點通信的情形，沒有深入討論多用戶之間通信以及存在相互干擾的情況。2009年，主要研究了雷達嵌入式通信在工程實現(xiàn)中必須面對的問題，通過推導與仿真，有以下成果：通信過程中受到多徑衰落信道的影響，特征空間的特征結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變，在將對通信性能造成較壞的影響，同時也發(fā)現(xiàn)DP波形在多徑衰落信道中具有較強的魯棒性。同時，分析了時間擴展能夠提高通信質(zhì)量，得到了時間擴展可用于替代帶寬擴展的結(jié)論[4]；為了對抗多徑衰落信道的影響，提出了引入時間反轉(zhuǎn)的波形設計方法，該方法在空間形成聚焦效應，使得與合作方不同位置的截獲方無法解調(diào)信號，進一步防止了敵方的截獲，增強了隱蔽性。為此，他們還提出利用空間選擇性來對多徑分量進行估計，該方法能在不損失傳輸速率和可接受誤碼性能的情況下提高抗截獲率[5]。但時間反轉(zhuǎn)技術(shù)也有一定的局限性，它需要對通信雙方的信道知識進行估計，并且只適用于通信雙方是雷達與標簽的情形。

2010年，提出一種在雷達波形先驗已知情況下估計多徑信道的方法，并分析了在波形設計中加入多徑分量后和利用多徑分量的數(shù)量對通信可靠性與隱蔽性的影響[6]。2011年，為解決合作接收機中通信信號的檢測問題，設計了一種基于兩級奈曼-皮爾遜準則的檢測接收機；為了衡量通信系統(tǒng)的隱蔽性能，提出了兩種截獲指標，通過將截獲指標和檢測指標的對比可以評價相關(guān)系統(tǒng)的有效性[7]；還推導出截獲接收機以及目標接收機的處理增益的表達式，該增益可作為優(yōu)化通信波形設計的參數(shù)[8]。2015年，提出了幾種基于子空間波形設計策略，通過分析發(fā)現(xiàn)采用注水理論和頻譜整形的相結(jié)合的方法能夠使通信信號在減少雷達信號對其檢測過程中的干擾和維持與雷達信號相關(guān)性之間提供較好的折中[9]。

除了Shannon Blunt博士的團隊在雷達嵌入式通信中所做的主要研究外，該領(lǐng)域已經(jīng)吸引了很多研究人員的關(guān)注。2015年，Domenico Ciuonzo和Antonio De Maioy通過凸優(yōu)化方法，設計出了基于多目標優(yōu)化理論的波形設計方法，該方法能夠很好地兼顧通信的隱蔽性和可靠性，通過設置約束條件，能夠折中各項性能指標。受凸優(yōu)化理論的啟發(fā)，以后的波形設計可以將多徑效應的影響或者通信信號對雷達性能造成的影響也納入約束條件當中，以及增加其他方面的的約束條件進行出相應的研究[10-11]。近些年，該領(lǐng)域在我國也得到了廣泛的研究，目前主要的研究成果包括：在基于線性調(diào)頻雷達信號的三種波形設計方法下，李保國分析了在基于特征值分解的REC波形設計過程中，發(fā)現(xiàn)隨機向量之間的歐式距離是不確定的，因此提出了一種基于直接擴頻序列的軟判決且最大化隨機向量歐式距離的波形設計方式[12-13]；牟禹衡主要研究了雷達嵌入式通信的具體應用情形——無人機平臺下基于機載雷達的雷達嵌入式通信方法[13]；何山提出了基于特征向量的波形加權(quán)設計方法，兼顧了通信的可靠性和隱蔽性[14]；姚永康主要側(cè)重于研究REC的接收技術(shù)，主要研究了對雷達嵌入式通信在多徑衰落信道下，如何有效抵抗多徑衰落，提升通信可靠性等問題，將均衡技術(shù)和RAKE接收技術(shù)做出相應改進與設計后運用于雷達嵌入式通信系統(tǒng)中[15]；以及標簽如何識別和接收雷達信號等實際應用中所需要考慮的問題。

以上文獻的研究基本都是基于線性調(diào)頻雷達信號的，后來的雷達嵌入式通信波形設計逐漸擴展為基于其他雷達信號了，比如：步進頻率信號等等。目前的研究也非常注重工程實現(xiàn)與實際環(huán)境的考慮，例如：考慮多徑效應對通信可靠性和隱蔽性的影響，考慮波形的檢測以及接收問題等等。在國外，雷達嵌入式通信已經(jīng)有相當一部分學者正在研究，但在國內(nèi)對其研究的較少，為了填補國內(nèi)這一領(lǐng)域空白，既要了解國外的研究現(xiàn)狀，又要結(jié)合國內(nèi)具體情況開展研究，早日將雷達嵌入式通信應用于我軍的通信需求之中。

3 結(jié) 語

現(xiàn)代化信息戰(zhàn)場中復雜電磁環(huán)境下，頻譜利用日趨緊張，通信的安全性受到極大的挑戰(zhàn)，雷達嵌入式通信作為一種新型隱蔽通信概念，既可以實現(xiàn)頻譜共享，還能保證信息得到有效、可靠、保密傳輸。因此，雷達嵌入式通信是軍用通信技術(shù)發(fā)展的重要方向。對于該技術(shù)的研究目前已有一定的理論基礎，但許多關(guān)鍵技術(shù)尚不成熟，進一步攻關(guān)和完善該領(lǐng)域相關(guān)概念和理論以及將該技術(shù)應用于合適的戰(zhàn)場需求是今后的研究重點。