基于OPNET仿真平臺的彈載通信干擾機干擾敵跳頻電臺同步頭的研究與實現(xiàn)*

張 杰，陳 棟，邵海霞

(1 陸軍炮兵防空兵學(xué)院高過載彈藥制導(dǎo)控制與信息感知實驗室， 合肥 230031; 2 31441部隊， 沈陽 110000)

0 引言

彈載式通信干擾機是用常規(guī)火炮、火箭炮發(fā)射，以彈藥作為運載工具，將干擾機快速運載到敵目標區(qū)域，完成通信干擾任務(wù)的通信裝備[1]。彈載通信干擾機主要以干擾敵跳頻電臺為主[2-3]。其簡要工作流程如圖1[1]。

圖1 留空式干擾彈簡要工作流程

由于大多數(shù)戰(zhàn)術(shù)無線電臺都工作在VHF頻段(30～88 MHz)[4-5]，因此文中討論的彈載通信干擾機的頻段為1.5～120 MHz[6-7]，即涵蓋1.5～30 MHz的整個短波波段和30～120 MHz的部分超短波波段。

1 傳統(tǒng)跳頻電臺的干擾方式用于彈載通信干擾存在的問題

目前, 普遍認為對跳頻通信實施有效干擾的方式有：跟蹤式干擾、瞄準式干擾、阻塞式干擾、掃頻式干擾[8]。

就傳統(tǒng)干擾方式而言，對跳頻電臺采用瞄準式或跟蹤式干擾并不難，關(guān)鍵取決于器件的信號處理速度能否滿足要求。但是如果將傳統(tǒng)跳頻電臺的干擾方式運用于彈載通信干擾，將存在以下幾個問題：

第一，瞄準式干擾需要破譯跳頻圖案，在實現(xiàn)瞄準式干擾之前，偵察、頻率引導(dǎo)、信號監(jiān)視這三部分是必不可少的，要想完成對目標的干擾，從瞄準式干擾中的引導(dǎo)接收機截獲到目標信號開始到干擾機發(fā)射出干擾的這段時間越短越好，對干擾跳頻電臺來說，反應(yīng)時間不能超過每跳的駐留時間的1/2[9]，否則干擾無效；以400跳/s的跳頻電臺來說，其跳頻周期為2.5 ms，駐留時間一般按跳頻周期的90%計算[10]，因此彈載通信干擾機的反應(yīng)時間不能超過2.5 ms×0.9×1/2=1.125 ms。隨著跳頻電臺的跳速越來越高，允許彈載通信干擾機的反應(yīng)時間將會更短，這對彈載通信干擾器件的硬件處理水平是一個巨大挑戰(zhàn)。

第二，跟蹤干擾中的波形跟蹤干擾從破譯跳頻圖案著手, 以實現(xiàn)跟蹤, 難度較大[8]；而跟蹤干擾中的引導(dǎo)式跟蹤干擾以時間為代價, 只要出現(xiàn)載頻便快速引導(dǎo)干擾, 實現(xiàn)相對簡單些, 但也不能實現(xiàn)100%的干擾效率[11]。與此同時，跟蹤干擾還存在干擾跳速與跳頻通信跳速、干擾信號傳輸時延與跳頻通信信號傳輸時延、干擾信號功率與通信信號功率及跳頻帶寬與干擾機帶寬等多種約束因素，并遵守干擾橢圓原理，這些都是跟蹤干擾的弱點，往往在實戰(zhàn)中難以獲得預(yù)想的結(jié)果[5]。

第三，對于阻塞式干擾來說，如果是干擾電臺的數(shù)據(jù)信息內(nèi)容本身，則要求彈載通信干擾機每時每刻都在工作，直到電臺不工作為止，根據(jù)誤碼率或誤信率的干擾等級判別標準，雖然說不要求跳頻頻段內(nèi)的每個頻點都被干擾到，但是對彈載通信干擾機的干擾功率值是個不小的挑戰(zhàn)。例如VHF頻段，跳頻頻率為30～90 MHz，則有2 400個頻道。若跳頻電臺發(fā)射功率為3 W，發(fā)射臺到接收機的距離與接收機到干擾機的距離相等，則要求發(fā)射機的功率至少為7 200 W，相對帶寬達100%(60 MHz中心頻率)，這基本上是不可能的。即使有這樣的干擾機，也難免受到導(dǎo)彈的攻擊[12]。

第四，隨著通信加密技術(shù)的提高, 要破譯出通信信息內(nèi)容往往需要很長時間, 時效性難以滿足作戰(zhàn)要求[13]。除此之外，通信信號不同于雷達信號，其技術(shù)參數(shù)差異小[14]。因此，在戰(zhàn)時復(fù)雜電磁環(huán)境下，不管彈載通信干擾機采用瞄準式干擾或跟蹤式干擾還是阻塞式干擾，對器件的信號處理速度和處理能力的要求都極高，時間和精度上也無法保證，實現(xiàn)難度較大。而且還必須采用PLL進行穩(wěn)頻，頻率務(wù)必準確，才能保證發(fā)射信號不偏差，這也無形中增加了干擾機的總響應(yīng)時間。

綜上分析，文中討論的彈載通信干擾機采用掃頻式干擾方式。

2 彈載通信干擾機干擾敵跳頻電臺初始同步字頭的設(shè)想

目前對跳頻系統(tǒng)的干擾一般通過兩方面實現(xiàn)：一個是對同步系統(tǒng)的干擾，一個是對通信信號的干擾。同步系統(tǒng)是跳頻通信正常工作的核心，也是這種通信的薄弱環(huán)節(jié)，一旦遭到破壞，其通信就會完全癱瘓，可以使通信干擾在花費最小代價的前提下，達到最好的干擾效果[10，15-17]。

跳頻通信系統(tǒng)中，同步過程分為同步捕獲和同步跟蹤兩個階段[18]。前者的目的是使接收信號與本地載波實現(xiàn)粗同步，后者則是使接收信號與本地載波實現(xiàn)細同步，即通過反饋環(huán)路使載波信號與接收信號波形保持高精度的對準。同步捕獲是同步過程中的關(guān)鍵步驟，它要求收發(fā)端跳頻序列的時間誤差必須在一個允許的范圍內(nèi)，通常取值為小于1/2跳頻周期。如果通過干擾敵跳頻同步頭，使得收發(fā)端跳頻序列的時間誤差不小于1/2跳頻周期，則會破壞敵跳頻通信系統(tǒng)的初始同步建立過程，說明前一次通信是失敗的，而在電臺嘗試重新建立同步的過程中，彈載通信干擾機不需要發(fā)射干擾信號，這就會給干擾機帶來難得的節(jié)省電量的機會，即干擾信號在電臺開始正常通信之前已經(jīng)干擾到初始同步信息從而導(dǎo)致電臺需要重新建立同步。

3 基于同步頭的彈載通信干擾系統(tǒng)在OPNET仿真平臺下的模型構(gòu)建

采用OPNET仿真平臺[19-20]作為建模和仿真工具。

如圖2所示，在OPNET環(huán)境下搭建了1.5～120 MHz波段彈載通信干擾系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含一部1.5～120 MHz波段彈載通信干擾機和兩組收發(fā)電臺，即1.5～30 MHz短波跳頻電臺和30～120 MHz超短波跳頻電臺。由于文中主要是為了探求相比于干擾通信信號內(nèi)容本身，彈載通信干擾機對敵跳頻電臺同步頭的干擾效果，因此，從仿真模型的易構(gòu)性和仿真過程的易懂性出發(fā)，被干擾電臺采用鞭狀天線[21]，同時不考慮短波的天波傳播方式，即被干擾電臺以地波傳播中的直射波傳播方式為主[2，5,22]。

圖2 彈載通信干擾系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型

3.1 干擾機節(jié)點模型

干擾機節(jié)點模型由干擾源模塊source、短波無線發(fā)射機模塊tx_1、短波天線模塊antenna_1、超短波無線發(fā)射機模塊tx_2和超短波天線模塊antenna_2構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 彈載通信干擾機節(jié)點模型

其中，source用于產(chǎn)生掃頻式彈載通信干擾信號，并按一定規(guī)律同時在短波和超短波頻段內(nèi)進行發(fā)送；tx_1用于在短波電臺的工作頻段發(fā)射干擾信號；antenna_1用于對短波干擾信號添加天線增益；tx_2用于在超短波電臺的工作頻段發(fā)射干擾信號；antenna_2用于對超短波干擾信號添加天線增益。

3.2 干擾源進程模型

該進程模型的有限狀態(tài)機包括init狀態(tài)、idle狀態(tài)、sweep_tx_on狀態(tài)、sweep_tx_off狀態(tài)、pluse_tx_on狀態(tài)、pluse_tx_off狀態(tài)和off狀態(tài)，如圖4所示。其中，init狀態(tài)負責(zé)讀取配置的干擾機模型屬性參數(shù)，對相關(guān)變量進行初始化；idle狀態(tài)為該進程的空閑等待狀態(tài)，在不同的事件觸發(fā)下跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)的狀態(tài)執(zhí)行對應(yīng)的操作；sweep_tx_on狀態(tài)為干擾機在掃頻干擾模式下的工作狀態(tài)，生成干擾信號后同時在短波和超短波的頻段范圍內(nèi)按鋸齒波的方式發(fā)送干擾信號；sweep_tx_off狀態(tài)為干擾機在掃頻干擾模式下的停止工作狀態(tài)。

圖4 干擾源進程模型

3.3 包格式模型[23-24]

3.3.1 時隙廣播報文

該報文格式如圖5所示，type字段表示報文的類型；source字段表示節(jié)點的MAC地址；slot_use_num字段表示節(jié)點在時幀內(nèi)占用的時隙數(shù)目；slot_alloc_record字段存儲分配的時隙情況；own_occupy_slot字段存儲節(jié)點當前的時隙占用情況；neighbor_occupy_slot字段存儲該節(jié)點的鄰居節(jié)點的時隙占用情況；coll_slot字段存儲節(jié)點與其他節(jié)點的時隙沖突情況；TOD字段封裝了該節(jié)點要發(fā)送的同步廣播報文。

圖5 時隙廣播報文格式

3.3.2 同步廣播報文

該報文格式如圖6所示，preamble字段表示該報文的前導(dǎo)碼序列；syn_flag字段存儲該節(jié)點的同步標識信息；network_id存儲該節(jié)點所屬的網(wǎng)絡(luò)號；TODL字段存儲該同步頭的低段信息；slow_hop_stop_time存儲慢跳頻結(jié)束時間信息；time_priority字段存儲該節(jié)點的優(yōu)先級信息；routing_info存儲該節(jié)點的路由信息。

圖6 同步廣播報文格式

3.3.3 同步響應(yīng)報文

該報文格式如圖7所示，src_id存儲發(fā)起同步響應(yīng)回復(fù)的源節(jié)點id信息；dst_id存儲要響應(yīng)的目的節(jié)點id信息；network_id存儲該節(jié)點所屬的網(wǎng)絡(luò)號。

圖7 同步響應(yīng)報文格式

3.4 節(jié)點參數(shù)配置

3.4.1 干擾機參數(shù)配置

文中討論的干擾機為懸浮式彈載通信干擾機，其參數(shù)設(shè)置主要包括：

1)ascent rate：節(jié)點的升降速度，單位m/s，這里取6 m/s;

2)Altitude：節(jié)點的初始離地高度，單位km，這里取3 km；

3)Batter Capacity：節(jié)點的電池容量，單位Ah，這里取10 Ah；

4)Cycle Time：掃頻周期長度，單位s；

5)SW Bandwidth：針對短波電臺進行干擾的頻帶寬度，單位kHz；

6)SW Base Frequency：針對短波電臺進行干擾的基頻，即起始頻率，單位MHz；

7)SW Power：針對短波電臺進行干擾的干擾信號發(fā)射功率，單位W；

8)Sweep Interval：干擾機的掃頻間隔，即將干擾頻帶劃分為多少份；

9)TOD Jammer Switch：同步干擾開關(guān)，開啟該屬性則干擾機干擾TOD同步信號，關(guān)閉該屬性則干擾機只干擾數(shù)據(jù)信號；

10)USW Bandwidth：針對超短波電臺進行干擾的頻帶寬度，單位kHz；

11)USW Base Frequency：針對超短波電臺進行干擾的基頻，即起始頻率，單位MHz；

12)USW Power：針對超短波電臺進行干擾的干擾信號發(fā)射功率，單位W。

具體配置如圖8所示。

圖8 干擾機參數(shù)配置

3.4.2 電臺參數(shù)配置

(1)Transmitter：節(jié)點的發(fā)射機屬性配置，主要包括：

1)Tx Bandwidth：發(fā)射機的工作頻帶寬度，單位kHz；

2)Tx Min Frequency：發(fā)射機的基頻，即起始頻率，單位MHz；

3)Tx Modulation：發(fā)射機的調(diào)制方式；

4)Tx Power：發(fā)射機的發(fā)送功率，單位W。

(2)Receiver：節(jié)點的接收機屬性配置，主要包括：

1)Rx Bandwidth：接收機的工作頻帶寬度，單位kHz；

2)Rx Min Frequency：接收機的基頻，即起始頻率，單位MHz；

3)Rx Modulation：接收機的調(diào)制方式。

(3)MAC：節(jié)點的MAC層屬性配置，包括：

1)Frequency-Hopping Interval Number：跳頻間隔，即將節(jié)點的工作頻帶劃分為多少個頻點。短波和超短波電臺分別取32和64；短波和超短波電臺的信道間隔分別取100 Hz和25 kHz。

2)Frequency-Hopping Rate：跳頻速率，短波和超短波電臺分別取100 hops/s和500 hops/s；

3)Frequency-Hopping Set：跳頻頻率集，該屬性為復(fù)合屬性，可分別指定3個頻率集的頻點數(shù)Frequency Number和對應(yīng)的密鑰Key Word。同一頻段內(nèi)的電臺只有所選的頻率集一致，且該頻率集內(nèi)的頻點數(shù)和密鑰均一致時才能通信。具體配置如圖9所示。

圖9 電臺參數(shù)配置(超短波電臺)

4 仿真場景設(shè)計及結(jié)果分析

4.1 syn_hop_high_ant場景

該場景包括一個從離地3 km高處以6 m/s勻速下降的干擾機、一對相距5 km的短波通信電臺和一對相距3 km的超短波通信電臺，干擾機與短波電臺組和超短波電臺組均保持相同的距離，兩組通信電臺均開啟了TOD同步和跳頻功能，采用天線高架的方式。干擾機針對這兩組通信電臺同時實施掃頻干擾。

全網(wǎng)業(yè)務(wù)收發(fā)吞吐量等仿真結(jié)果如圖10～圖16。

圖10 全網(wǎng)業(yè)務(wù)收發(fā)吞吐量

圖11 全網(wǎng)TOD同步頭報文的投遞率

圖12 電臺模型的信噪比

圖13 電臺模型的誤比特率

圖14 電臺模型的丟包率

圖15 干擾機模型的剩余電量

圖16 干擾機模型的發(fā)送吞吐量

由仿真結(jié)果可見：短波電臺和超短波電臺改為采用天線高架的方式后，信號衰減程度降低，滿足接收靈敏度的條件。由于開啟了同步模式且同步頭的投遞率在50%以上[18,25-26]，使得干擾機一直保持工作狀態(tài)對其實施掃頻干擾，其發(fā)送吞吐量一直保持不變。由于開啟了跳頻機制，部分電臺的跳頻圖案與干擾機周期性掃頻的重合次數(shù)相對較高，使得信噪比偏低，誤碼率和丟包率較高(如超短波電臺0和短波電臺2)，而部分電臺的跳頻圖案與干擾機周期性掃頻的重合次數(shù)相對較低，使得信噪比較高，誤碼率和丟包率較低(如超短波電臺1和短波電臺3)。由于電臺模型均存在同步頭和數(shù)據(jù)包均被干擾的情況，導(dǎo)致一部分業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)因未能同步無法傳輸，一部分業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)被干擾機干擾而丟棄，使得全網(wǎng)的業(yè)務(wù)的接收吞吐量明顯低于發(fā)送吞吐量。

4.2 no_syn_hop_high_ant場景

該場景包括一個從離地3 km高處以6 m/s勻速下降的干擾機、一對相距5 km的短波通信電臺和一對相距3 km的超短波通信電臺，干擾機與短波電臺組和超短波電臺組均保持相同的距離，兩組通信電臺均關(guān)閉TOD同步功能，開啟了跳頻功能，采用天線高架的方式。干擾機針對這兩組通信電臺同時實施掃頻干擾。

該場景在上一場景的基礎(chǔ)上，關(guān)閉了短波電臺和超短波電臺的同步功能，即將電臺模型的SYN Mode設(shè)置為disable，同時將干擾機模型的同步干擾功能關(guān)閉，即TOD Jammer Switch設(shè)置為disable，其他屬性參數(shù)與上一場景保持不變。

全網(wǎng)業(yè)務(wù)收發(fā)吞吐量等仿真結(jié)果如圖17～圖22。

圖17 全網(wǎng)業(yè)務(wù)收發(fā)吞吐量

圖18 電臺模型的信噪比

圖19 電臺模型的誤比特率

圖20 電臺模型的丟包率

圖21 干擾機模型的剩余電量

圖22 干擾機模型的發(fā)送吞吐量

由仿真結(jié)果可見：由于短波電臺和超短波電臺模型關(guān)閉了同步功能，干擾機也關(guān)閉了同步干擾功能，因此干擾機會一直保持工作，對電臺模型的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)報文進行持續(xù)不斷的掃頻干擾。由于上述電臺均開啟了跳頻功能，但超短波電臺的發(fā)射功率相對較小，在干擾機的干擾下使得信噪比偏低，丟包率較高，而短波電臺的發(fā)射功率相對較大，在干擾機的干擾下使得信噪比較高，丟包率相對較低。由于電臺模型在干擾機的掃頻干擾下均出現(xiàn)丟包，導(dǎo)致全網(wǎng)的業(yè)務(wù)收發(fā)吞吐量明顯不一致，接收吞吐量僅達到發(fā)送吞吐量的一半左右。

4.3 syn_no_hop_high_ant場景

該場景包括一個從離地3 km高處以6 m/s勻速下降的干擾機、一對相距5 km的短波通信電臺和一對相距3 km的超短波通信電臺，干擾機與短波電臺組和超短波電臺組均保持相同的距離，兩組通信電臺均開啟了TOD同步功能，關(guān)閉了跳頻功能，采用天線高架的方式。干擾機針對這兩組通信電臺同時實施掃頻干擾。

該場景在syn_hop_high_ant場景的基礎(chǔ)上，關(guān)閉了短波電臺和超短波電臺的跳頻功能，即將電臺模型的Frequency-Hopping Function設(shè)置為disable，其他屬性參數(shù)保持不變。

全網(wǎng)業(yè)務(wù)收發(fā)吞吐量等仿真結(jié)果如圖23～圖28。

圖23 全網(wǎng)業(yè)務(wù)收發(fā)吞吐量

圖24 全網(wǎng)TOD同步頭報文的投遞率

圖25 電臺模型的信噪比

圖27 電臺模型的丟包率

圖28 干擾機模型的剩余電量

圖29 干擾機模型的發(fā)送吞吐量

由仿真結(jié)果可見：由于電臺間關(guān)閉了跳頻功能，僅開啟同步模式，使得干擾機在掃頻干擾的過程中當同步頭的投遞率達到50%以下，間歇性的停止干擾，使得干擾機的干擾發(fā)送吞吐量比之前的場景要明顯降低。由于電臺沒有了跳頻抗干擾的機制，使得所有電臺均容易被干擾機干擾到，其信噪比都有所下降。

4.4 不同場景統(tǒng)計結(jié)果對比

干擾機模型的剩余電量等對比如圖30～圖33。

圖30 干擾機模型的剩余電量對比

圖31 干擾機模型的發(fā)送吞吐量對比

圖32 電臺模型的信噪比對比

圖33 電臺模型丟包率對比

通過場景對比可以發(fā)現(xiàn)：開啟同步功能的時候，由于干擾機模型主要以干擾同步頭為主，因此電量損耗較少，發(fā)送的干擾吞吐量也偏低。在開啟跳頻功能的條件下，通信電臺的抗干擾能力提升，其信噪比相對較高，而誤碼率則相對較低。

5 結(jié)論

提出了彈載通信干擾機干擾敵跳頻電臺初始同步字頭的設(shè)想，不僅會節(jié)省受限彈載空間下的干擾電量輸出，而且只要初始同步信息被干擾到一定比例，即同步頭的投遞率達到50%以下，從而導(dǎo)致收發(fā)端跳頻序列的時間誤差不小于1/2跳頻周期，就會導(dǎo)致電臺重新建立同步，遠遠強于傳統(tǒng)針對信息內(nèi)容本身的壓制式通信干擾。當然，成功對跳頻電臺的同步字頭進行干擾需要做好兩方面工作：一是找準傳送同步信號頻道、發(fā)送時刻和發(fā)送規(guī)律；二是需要設(shè)計一種基于電量控制輸出模式的彈載通信干擾機。