陳亞丁，李少謙，程郁凡

(電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610054)

隨著科技水平的不斷提高，通信對抗作為電子戰(zhàn)的重要組成部分，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的作用和地位已為人們所共識。在通信對抗雙方相互對立、相互促進(jìn)的發(fā)展演變過程中，對各種通信對抗設(shè)備的研制和開發(fā)，已成為世界各國軍事領(lǐng)域中的重要研究課題[1-2]。通信對抗的實(shí)質(zhì)，主要體現(xiàn)在敵對雙方在對信息傳輸通道的保障與破壞。因此，通信對抗表現(xiàn)為敵對雙方在信息傳輸行為上的一種干擾與抗干擾的博弈過程。

在對無線通信的干擾與抗干擾博弈過程中，博弈雙方均需付出代價，這是必要條件，但不是充分條件。因此，通信對抗雙方為了高效地達(dá)到各自的目的，不可避免地引發(fā)他們對通信/干擾系統(tǒng)因采用某些技術(shù)所付代價進(jìn)行效能評估[3-5]。然而由于軍事通信的特殊性和復(fù)雜性，對關(guān)于無線通信系統(tǒng)綜合抗干擾效能進(jìn)行客觀、公正、科學(xué)的評估模型至今少見分析。

從實(shí)際需求出發(fā)，本文分析了無線通信對抗雙方的博弈機(jī)制，構(gòu)造了敵對電磁環(huán)境下無線通信系統(tǒng)指標(biāo)評價體系，建立了無線通信系統(tǒng)綜合抗干擾效能評估模型。利用該模型，結(jié)合干擾識別技術(shù)，可根據(jù)不同干擾模式選取最佳通信方式，從而提高系統(tǒng)整體的綜合抗干擾能力。

1 對抗博弈

博弈論中的一個重要法則是參與者在博弈過程中選取對自己有利的優(yōu)勢策略，并認(rèn)定其他參與者也都會選取自己的優(yōu)勢策略[6]。在通信對抗雙方的博弈過程中，若無關(guān)于對方的技術(shù)參數(shù)先驗(yàn)知識，敵對雙方通常沒有絕對有效的某種干擾模式和通信模式。由于干擾效果的好壞一般只有通信方知道，所以，從某種意義上說，在多種干擾方式與多種通信方式的對抗選擇中，通信方有更多的方式選擇優(yōu)勢。但通信方信息傳輸所要求的信噪比和信干比，以及通信方與干擾方地理位置上的常規(guī)差異，使得干擾方通常在無線傳輸環(huán)境中的干擾信號功率上占有優(yōu)勢。

1.1 功率分配

功率分配在信號傳輸與干擾過程中至關(guān)重要。排除通信對抗雙方在所有信道的信號功率占有絕對優(yōu)勢的情況，由于信號功率過大容易被偵別，過小又達(dá)不到傳輸或干擾要求，結(jié)合功率成本，對抗雙方信號一般采取等功率地對選取的傳輸或干擾信道進(jìn)行分配，而對余下的部分信道不分配[7]。

1.2 信道分配

關(guān)于信道的分配問題應(yīng)基于一個假設(shè)，即通信對抗中任何一方不對所有信道具備絕對控制權(quán)。設(shè)系統(tǒng)信息傳輸速率為Rb，則對于總帶寬為WSS的公共傳輸頻帶，通信方可獲得PG=WSS/Rb倍的處理增益。需要注意的是，處理增益PG不是通信抗干擾的絕對增益，它描述的是系統(tǒng)為提高通信傳輸質(zhì)量而設(shè)計(jì)的信道冗余程度，以及隱含于假設(shè)中的PG倍通信信號總功率大于干擾信號總功率這一條件。若以K表示所有相互正交的信道總數(shù)，KS為通信信道總數(shù)，KJ為干擾信道總數(shù)，可以得到N個被干擾的通信信道概率為[7]：

從干擾者的角度來看，好的干擾效能是以較少的干擾信號功率造成對通信方的最大傳輸破壞。因此，在通信對抗雙方先驗(yàn)知識互盲前提下，通信系統(tǒng)的理想抗干擾效能應(yīng)表現(xiàn)為等效地迫使干擾信號平穩(wěn)分布在所有信道上[7]。

2 評估模型

對無線通信系統(tǒng)的綜合抗干擾能力進(jìn)行評估涉及對系統(tǒng)多個指標(biāo)的滿足程度以及優(yōu)選方案的綜合值評價，是多目標(biāo)決策問題?；诙嗄繕?biāo)決策的應(yīng)用很多，其主要分析方法是根據(jù)需求建立某種指標(biāo)體系和模型，將多個非線性問題轉(zhuǎn)化為單個線性問題來解決[8-10]。由于效能評估是多層次、多視點(diǎn)的復(fù)雜工程，根據(jù)不同應(yīng)用和階段，應(yīng)有所重點(diǎn)。本文采用層次分析法建立對無線通信系統(tǒng)綜合抗干擾效能的評估模型。層次分析法建立過程分為4個步驟[11-12]：

(1) 分析決定系統(tǒng)效能的各因素間關(guān)系，建立FFH/MFSK系統(tǒng)的遞階層次結(jié)構(gòu)；

(2) 對同一層次的各元素關(guān)于上一層次中某準(zhǔn)則的重要性進(jìn)行比較，構(gòu)造兩兩比較矩陣；

(3) 由判斷矩陣計(jì)算被比較元素對于該某準(zhǔn)則的相對權(quán)重；

(4) 計(jì)算各層次元素對無線通信系統(tǒng)目標(biāo)的合成權(quán)重，并進(jìn)行排序，依次得到數(shù)學(xué)模型的系數(shù)。

2.1 模型建立

基于層次分析法，對無線通信系統(tǒng)的綜合抗干擾效能評估可分為總體效能E、單項(xiàng)效能Ei、技術(shù)指標(biāo)3個層次，其關(guān)系表示為：

式中m為單項(xiàng)個數(shù)；n為因素個數(shù)；k為權(quán)重；rij為效能貢獻(xiàn)值，由置信區(qū)間內(nèi)的樣本統(tǒng)計(jì)特性確定。

根據(jù)上述層次劃分，在進(jìn)行無線通信系統(tǒng)綜合抗干擾效能評估過程中，首先應(yīng)建立符合評價需求的多級指標(biāo)體系，收集參與評價的目標(biāo)對象的指標(biāo)數(shù)據(jù)，通過運(yùn)用各種量化模型對指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行量化，結(jié)合專家系統(tǒng)對各級指標(biāo)賦予的權(quán)重，根據(jù)不同的評價方式，對量化結(jié)果和權(quán)重?cái)?shù)據(jù)運(yùn)用模型矩陣進(jìn)行數(shù)據(jù)耦合運(yùn)算[5]，得出各級目標(biāo)評價分值以及各目標(biāo)總的評價結(jié)果，并以此為依據(jù)對目標(biāo)對象進(jìn)行效能評估。

2.2 指標(biāo)體系的選取原則

對于無線通信系統(tǒng)而言，若從操作復(fù)雜度、設(shè)備造價、物理尺寸、傳輸特性、可靠性等多個方面考慮，所涉及的指標(biāo)成百上千，雖然這些指標(biāo)多少都會對系統(tǒng)通信傳輸性能產(chǎn)生一定影響，若對其均一考評，則會使得對系統(tǒng)的抗干擾效能評估成為一個極其復(fù)雜的過程。因此，對系統(tǒng)的綜合抗干擾效能評估應(yīng)按不同的發(fā)展階段，根據(jù)各階段研究重點(diǎn)，有針對性地選取評價指標(biāo)。

任何無線通信系統(tǒng)都有其需求背景，在對系統(tǒng)進(jìn)行抗干擾效能評估時，應(yīng)同時考慮系統(tǒng)的應(yīng)用需求背景。系統(tǒng)需求的物理參量、信道容量、信號功率、工作頻帶，最高誤碼率以及干擾模式等條件限制，可能會使某些指標(biāo)要求成為對系統(tǒng)進(jìn)行綜合抗干擾效能評估的前提。因此，抗干擾效能評估結(jié)果的好壞，不應(yīng)以系統(tǒng)某些指標(biāo)的絕對優(yōu)異來權(quán)衡，而應(yīng)該以系統(tǒng)與實(shí)際需求的綜合符合程度來考核。

2.3 無線通信系統(tǒng)指標(biāo)評價體系

對無線通信系統(tǒng)綜合抗干擾效能評估的指標(biāo)體系構(gòu)建，可以考慮從系統(tǒng)的實(shí)用性、抗干擾性和抗偵性3個單項(xiàng)效能構(gòu)成。其中，實(shí)用性包括系統(tǒng)的操作靈活性、裝備便利性以及系統(tǒng)設(shè)備可靠性等方面的考核。由于無法對一個假想敵的信號偵聽能力進(jìn)行妄自猜測，而假設(shè)敵方已知被測系統(tǒng)的工作頻帶、信號帶寬和傳輸信號功率，并進(jìn)行多種功率干擾是可以接受的。干擾模式可以采用幾種典型的模式，如多音干擾、部分頻帶干擾、掃頻干擾等。多種通信方式在相同干擾模式下進(jìn)行抗干擾性能測試比較是客觀公正的。抗偵性的評估主要是防止傳輸信號被敵方有針對性地干擾或截獲，是衡量系統(tǒng)綜合抗干擾效能的重要因素。單項(xiàng)效能的合理劃分對系統(tǒng)特性的考評更具有針對性。由于系統(tǒng)實(shí)用性的評估主觀因素較多，下面僅就無線通信系統(tǒng)抗干擾性和抗偵性的指標(biāo)體系進(jìn)行參考選取。

無線通信系統(tǒng)要進(jìn)行可靠的通信通常必須經(jīng)過初始同步、遲入網(wǎng)同步以及同步保持3個環(huán)節(jié)。其涉及抗干擾性能的指標(biāo)可以初始同步/虛警概率、遲入網(wǎng)同步/虛警概率、同步保持時間、數(shù)傳誤碼率、傳輸延遲、頻帶利用率為考核目標(biāo)。涉及抗偵聽能力的評估以初始/遲入網(wǎng)同步時間、初始/遲入網(wǎng)頻率數(shù)、信號功率以及不攜帶信息時的信號自相關(guān)時間、信號變化隨機(jī)性、信號變化周期、信號變化復(fù)雜度為考核目標(biāo)。對系統(tǒng)抗偵效能的評估實(shí)際上是對敵方偵聽能力的評估，主要根據(jù)最新研究成果、經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)，結(jié)合系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)及專家組意見給出。

2.4 評價指標(biāo)預(yù)處理

在實(shí)際評價中，各評價指標(biāo)數(shù)量級和量綱會存在不同，而且屬性也不一樣，有的指標(biāo)要求越小越好(成本型指標(biāo))，有的指標(biāo)要求越大越好(效益型指標(biāo))，有的指標(biāo)則要求穩(wěn)定在某一確定理想值(固定指標(biāo))。為了消除各指標(biāo)間的不可公度性，統(tǒng)一各指標(biāo)的趨勢要求，在進(jìn)行評價前應(yīng)對評價指標(biāo)進(jìn)行規(guī)范化處理[13]。

構(gòu)造對成本/效益指標(biāo)和固定指標(biāo)的去量綱處理如式(6)～式(8)所示[13]：

為增強(qiáng)評估系統(tǒng)的穩(wěn)健性，對一些波動性較小的值可以進(jìn)行模糊處理，即在某一區(qū)間內(nèi)取一固定值：

此外，針對某些需求，對某些指標(biāo)可能需要采取較復(fù)雜的非線性去量綱處理方式：

式中rmax和rmin分別為對系統(tǒng)的指標(biāo)要求；rm為系統(tǒng)實(shí)際指標(biāo)。

這種情況可以根據(jù)實(shí)際情況來設(shè)計(jì)進(jìn)行。

3 仿真應(yīng)用

針對某無線通信系統(tǒng)鏈路抗干擾通信能力進(jìn)行綜合評估。設(shè)系統(tǒng)工作帶寬為100 MHz，在3種確定干擾模式下(Eb/No=13.35 dB)，要求信號干擾功率比大于?40 dB時保證正常通信，數(shù)據(jù)傳輸速率為4.8 kb/s～10 Mb/s，誤碼率不大于10?2，數(shù)據(jù)最大延遲小于100 ms，同步概率大于90%，同步保持時間大于1 h，初同步時間小于300 ms。

根據(jù)系統(tǒng)基本要求及實(shí)際應(yīng)用情況，構(gòu)造基本評價指標(biāo)體系。

效益型指標(biāo)：同步概率Ps(rmax=1,rmin=90%)，頻帶利用率u(rmax=0.2 bit/s?Hz,rmin=10?5bit/s?Hz)，同步保持時間Tk(rmax=36 000 s,rmin=3 600 s)。

成本型指標(biāo)：誤碼率Pe(rmax=10?2,rmin=0)，傳輸延遲Dt(rmax=100 ms,rmin=0)，初同步時間Ts(rmax=300 ms,rmin=0)。

評價條件：信干比=(?40 dB,?30 dB,?20 dB,?10 dB)，Eb/No=13.35 dB(No代表附加高斯白噪聲的單邊功率譜密度)，干擾模式=(多音干擾, 部分頻帶干擾, 掃頻干擾)T。

設(shè)專家系統(tǒng)對系統(tǒng)Pe、Ps、u、Tk、Dt、Ts等指標(biāo)的權(quán)重分配為ki=(0.3,0.3,0.1,0.1,0.1,0.1)T，其中，i=3，表示3種干擾模式。系統(tǒng)采用跳頻(FH)、直擴(kuò)(DS)、變換域(TD)3種通信方式下的測試結(jié)果通過式(6)、式(7)預(yù)處理得到ri,j,l,m，其中j表示4種不同干信比，l表示6種不同被測指標(biāo)，m表示3種通信方式。設(shè)ri,l,j,m=(ri,1,j,m,ri,2,j,m,…,ri,6,j,m)，通過式(5)得到各通信方式在3種干擾環(huán)境、4種信干比下的抗干擾性能評價矩陣：

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，通過對不同信干比下傳輸性能的權(quán)重分配，如kj,m= (0.4, 0.3, 0.2, 0.1)T，可以獲得不同干擾環(huán)境下3種通信方式的抗干擾性能評價EC，若進(jìn)一步對3種干擾模式進(jìn)行權(quán)重分配，如KJ= (0.4,0.3, 0.3)，則可以得到3種通信方式的綜合抗干擾性能評價ES：

由式(15)可以得出在特定3種干擾環(huán)境中，綜合抗干擾能力最佳的是跳頻通信方式，其抗干擾效能評估值為0.347 9。

對于現(xiàn)代化無線通信系統(tǒng)，由于制造工藝的發(fā)展和科技水平的提高，使得一個系統(tǒng)設(shè)備通常同時具備多種模式的通信能力。利用干擾識別技術(shù)[14]，針對不斷變化的干擾模式和特征參數(shù)，采用最優(yōu)的通信方式則可以獲得系統(tǒng)多種通信方式下的最大綜合抗干擾能力：

此時系統(tǒng)獲得的效能評估值E=0.372 5，大于上述任意一種通信方式綜合效能評估值。

因此，在惡劣敵意干擾環(huán)境中，利用系統(tǒng)綜合抗干擾效能評估模型，結(jié)合干擾識別技術(shù)，可使系統(tǒng)根據(jù)不同干擾模式有針對性地選取通信方式，進(jìn)一步地提高系統(tǒng)的綜合抗干擾能力，從而提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸性能。

4 結(jié) 束 語

對無線通信系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)合理的綜合抗干擾效能評估是一項(xiàng)艱難復(fù)雜的工作。本文分析了通信對抗雙方的博弈機(jī)理以及敵對電磁環(huán)境下的無線通信系統(tǒng)指標(biāo)評價體系，嘗試性地建立了一種基于需求背景條件的無線通信系統(tǒng)綜合抗干擾效能評估模型。進(jìn)一步的科學(xué)評價方法和依據(jù)，還需要在長期的研究實(shí)踐中檢驗(yàn)和完善。

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