王正海

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036）

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈射頻輻射特征控制技術(shù)*

王正海＊＊

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036）

傳統(tǒng)的鏈路自適應技術(shù)只追求高效數(shù)據(jù)傳輸，會導致射頻暴露，在電子戰(zhàn)中無法保障數(shù)據(jù)鏈載體的安全性。以戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈主動射頻隱身和高效通信為研究對象，利用多目標優(yōu)化技術(shù)聯(lián)合控制戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的射頻輻射特征（包含輻射時間、輻射功率和輻射波形），建立了一種戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈鏈路自適應技術(shù)模型。該模型以給定距離的截獲概率和給定距離的可靠傳輸速率為二重優(yōu)化目標，以輻射特征為優(yōu)化變量，并以第四代寬帶無線通信系統(tǒng)LTE－A（Long Term Evolution－Advanced）的部分調(diào)制編碼參數(shù)為實例，證實了由所述鏈路自適應技術(shù)模型優(yōu)化所得的最優(yōu)解可以同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈的射頻隱身和高效數(shù)據(jù)傳輸。

通信對抗;戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈;射頻隱身;鏈路自適應;多目標優(yōu)化

1 引言

移動無線信道存在快速和隨機變化，為了保障高效地信息傳輸，移動無線通信系統(tǒng)都會采用鏈路自適應技術(shù)對通信系統(tǒng)的輻射參數(shù)進行動態(tài)調(diào)整，以使得在通信系統(tǒng)的接收端信道質(zhì)量是平坦的。比如，在以LTE－A等為代表的先進民用寬帶無線通信系統(tǒng)中，鏈路自適應技術(shù)用于基于信道質(zhì)量調(diào)整發(fā)射參數(shù)（包含發(fā)射功率、通信速率等），以在質(zhì)量快速隨機變化的無線信道中盡可能地提高傳輸速率［1］。

和民用無線通信系統(tǒng)相比，軍用戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)（即數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)）存在顯著的對抗性設計要求。在體系化的對抗性作戰(zhàn)環(huán)境中，戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈需在對抗中生存，并完成信息共享［2］。戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈面臨的首要威脅便是敵無源探測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)鏈射頻信號的截獲。在此基礎之上，敵無源探測系統(tǒng)才能進行參數(shù)測量、分選識別、輻射源定位跟蹤。進而，無源探測系統(tǒng)可引導電子干擾及攻擊設備等對我方數(shù)據(jù)鏈及載體進行軟殺傷和硬殺傷，最終嚴重威脅數(shù)據(jù)鏈的生存能力和作戰(zhàn)效能［2］。

因此，在對抗中主動實現(xiàn)射頻信號隱蔽，并在質(zhì)量快速隨機變化的信道中實現(xiàn)可靠高效數(shù)據(jù)傳輸，是戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈需同時優(yōu)化的兩項目標。傳統(tǒng)的鏈路自適應技術(shù)單純追求盡可能高的傳輸速率，不考慮主動隱蔽數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的射頻特征，不適宜在戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈中使用。本文以占空比和編碼調(diào)制方式可調(diào)的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈為研究對象，以解決戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈射頻信號主動隱蔽和高效通信問題為目的，給出了一種適合戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的鏈路自適應技術(shù)模型，可對戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的輻射特征進行優(yōu)化控制，并基于民用第四代寬帶無線通信系統(tǒng)LTE－A的部分波形參數(shù)，驗證了本文所述技術(shù)模型的應用效果。

需要說明的是，在本文中除公式（2）和（3）外，其余公式中涉及能量、信噪比的變量均為對數(shù)域變量。本文探討的數(shù)據(jù)鏈輻射特征包括輻射時間、輻射功率和通信速率。

2 數(shù)據(jù)鏈輻射特征與射頻信號隱蔽及通信性能的關(guān)系分析

2.1 輻射特征控制

在通信系統(tǒng)中，輻射時間控制的目的在于使授權(quán)終端在合適的時機輻射合法的時間長度，避免非授權(quán)輻射導致的干擾，可用時隙長度和占空比來定量描述數(shù)據(jù)鏈的輻射時間特征。

動態(tài)輻射功率控制用于動態(tài)調(diào)整無線鏈路的輻射功率以保持接收端獲得近似恒定每比特能量與噪聲功率譜密度的比值，用Eb/N0表示。在輻射功率控制中，輻射功率始終與信道質(zhì)量成反比，不管信道質(zhì)量如何變化，傳輸速率總保持恒定。

在民用系統(tǒng)中，從用戶的角度而言，在無線鏈路上傳輸速率越高越好。動態(tài)速率控制作為另外一種鏈路自適應技術(shù)，替代了功率控制。速率控制保持最大輻射功率動態(tài)調(diào)整傳輸速率以補償信道質(zhì)量的變化，調(diào)整的目標是保持接收端以要求的Eb/N0恢復傳輸數(shù)據(jù)。在高信道質(zhì)量的情況下，增加數(shù)傳速率;反之，降低數(shù)傳速率［1］。

在無線通信系統(tǒng)中，速率控制通過在預定的波形集合中選擇合適的通信波形來實現(xiàn)。量化表征通信波形的指標包含通信速率和準確解調(diào)所需的最小Eb/N0。輻射波形、通信速率和Eb/N0存在一一對應關(guān)系。

2.2 輻射特征對射頻信號隱蔽影響

在通信對抗中，危及數(shù)據(jù)鏈安全的首要問題是敵無源探測系統(tǒng)對通信射頻輻射信號的截獲。在空空場景中，在雷達作用范圍之外的機載無源探測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)鏈存在巨大威脅。另外，在空地場景中，地面無源探測系統(tǒng)對機載數(shù)據(jù)鏈打地信號的截獲，是機載數(shù)據(jù)鏈的重要威脅源［2－3］。在上述兩種威脅中，可以用一個共同的特征來定量描述非合作無源探測系統(tǒng)對機載數(shù)據(jù)鏈安全性的威脅，即在給定距離上的截獲概率。比如，在空空場景中，非合作無源探測系統(tǒng)對機載數(shù)據(jù)鏈載體安全性的威脅可以定量描述為在機載雷達最大作用距離處的截獲概率。在空地場景中，非合作無源探測系統(tǒng)對機載數(shù)據(jù)鏈安全性的威脅可以定量描述為在機載數(shù)據(jù)鏈信號打地距離上的截獲概率。

數(shù)據(jù)鏈射頻信號在給定距離d上被敵無源探測系統(tǒng)截獲的概率，用表示。是空間、時間、頻率域三重窗口的重合概率和能量域檢測概率的乘積［3］。在本文中，假設無源探測系統(tǒng)的前端截獲模型是寬帶輻射計，則無源探測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)鏈副瓣射頻信號的截獲概率可以表示為時域窗口的重合概率和能量域檢測概率之積，因此，

式中，T表示輻射計的積分時間，ts表示數(shù)據(jù)鏈的時隙長度，duty表示數(shù)據(jù)鏈射頻信號的占空比;量化了輻射計積分時間窗口和數(shù)據(jù)鏈射頻信號持續(xù)時間窗口的重合概率;PD表示能量域的檢測概率。當輻射計積分時間T和前端濾波器帶寬W的乘積TW1時，PD可表示為［4］

對此，公司稱，單位已經(jīng)與李某簽訂了協(xié)議書和勞動合同，并依法履行了合同義務，不存在任何違約行為，不應向李某支付費用。

2.3 輻射特征對通信性能的影響

通信性能需從通信速率、通信可靠性角度描述。通信可靠性用誤比特率描述，誤比特率只需保障通信系統(tǒng)應用所提的可靠性需求即可。比如，在話音通信中，誤比特率只要不高于10－5即可。在合理條件下，控制數(shù)據(jù)鏈的輻射特征以盡可能提供高的通信速率，從而增強數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的信息共享能力。

為保證數(shù)據(jù)鏈端機以要求的誤比特率解調(diào)通信信號，則數(shù)據(jù)鏈接收端接收到的通信信號功率應滿足通信波形的靈敏度要求，即

3 戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈輻射特征控制技術(shù)

從前文的分析可知，在隱身作戰(zhàn)中，數(shù)據(jù)鏈的射頻隱身能力和通信能力分別可用給定距離的截獲概率和可靠通信速率來描述。并且，給定距離的截獲概率和可靠通信速率都與數(shù)據(jù)鏈的輻射特征相關(guān)。為達到同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈射頻信號主動隱蔽和高效通信的目的，本節(jié)將建立適合戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的鏈路自適應技術(shù)模型，聯(lián)合優(yōu)化戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的輻射時間、輻射功率和通信速率特征。

3.1 戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈鏈路自適應技術(shù)模型

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的鏈路自適應技術(shù)需同時優(yōu)化數(shù)據(jù)鏈的射頻隱身能力和通信性能。優(yōu)化問題的解空間由輻射時間、輻射功率和輻射波形組成，優(yōu)化模型的約束條件包括給定距離的數(shù)據(jù)鏈信號的被截獲概率小于門限值和給定通信距離的通信波形要被可靠解調(diào)。因此，在隱身作戰(zhàn)應用中，戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的鏈路自適應技術(shù)可以建模為式（7）所示的最優(yōu)化問題:

式（7）中，第一個約束條件表示數(shù)據(jù)鏈端機接收到通信信號的功率應不低于輻射波形的解調(diào)靈敏度，以保障通信波形能被接收端可靠解調(diào)，該約束條件的數(shù)學表達式為公式（4）;第二個約束條件表示在離開數(shù)據(jù)鏈輻射源d處的截獲概率PdI應小于截獲概率門限值PIth，該門限值是數(shù)據(jù)鏈載體提出的最低安全性要求，PdI的數(shù)學表達式為公式（1）;第三個和第四個約束條件分別給出了通信距離和截獲距離要求。

式（7）中，{Pt}、{Rb}、{Ts}和{Duty}分別給出解空間中輻射功率、輻射波形和輻射時間的取值范圍，其物理意義為可用的輻射功率等級、可選通信波形、可選時隙長度、可選占空比。

3.2 模型求解

在式（7）中，優(yōu)化目標f1量化了數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)輻射射頻信號對數(shù)據(jù)鏈載體安全性帶來的威脅，此目標的優(yōu)化方向是越小越好，值域為［0～1］;優(yōu)化目標f2量化了數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)輻射射頻信號對載體的信息保障能力，此目標的優(yōu)化方向是越大越好，該目標的取值通常遠大于1，其值域由公式（8）確定。因此，為求解式（7）所示模型，首先需調(diào)整第一個目標函數(shù)的優(yōu)化方向，并對第二個目標進行歸一化。這兩步變換使得兩個目標具備相同的優(yōu)化方向，同時具有相近的值域。最后，通過線性加權(quán)將兩目標優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標最大化問題，從而使得可采用單目標優(yōu)化的算法簡化模型（7）的求解。通過上述變換，得到如式（9）所示的單目標優(yōu)化模型:

式（9）中，優(yōu)化目標的第一項 w1（珓f1）·珓f1量化了截獲概率PdI對總優(yōu)化目標的貢獻;PIth表示載體安全性對數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)射頻隱身能力提出的截獲概率門限要求，為了保證安全性，在距離d處數(shù)據(jù)鏈射頻信號的截獲概率必須低于該截獲概率門限值。從公式（9）的單目標優(yōu)化模型可以看出，當PdI≥PIth時，即優(yōu)化問題的解無法滿足載體安全性時，賦給目標函數(shù)負無窮大的懲罰值，強迫優(yōu)化問題的解滿足載體安全性的要求。當PdI＜PIth時，即優(yōu)化問題的解滿足載體的安全性要求時，賦給目標函數(shù)較大的收益值α，鼓勵優(yōu)化問題的解收斂于滿足載體平臺安全性要求的解空間。

式（9）中，優(yōu)化目標的第二項 w2（珓f2）·珓f2量化了歸一化通信速率珓f2對總優(yōu)化目標的貢獻，fth2表示為保障數(shù)據(jù)鏈載體良好的信息共享能力，載體任務系統(tǒng)對數(shù)據(jù)鏈實際通信速率提出的門限要求，即當通信速率f2≥fth2時，數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)能夠很好地保障載體的信息共享能力。在數(shù)據(jù)鏈的戰(zhàn)術(shù)使用中，信息共享能力可以適當降級，以保障載體安全。從式（9）的單目標優(yōu)化模型可以看出，當f2＜fth2時，優(yōu)化問題的解不能滿足載體信息共享能力的要求，此時，賦給目標函數(shù)較大的懲罰值β，鼓勵優(yōu)化問題的解收斂于滿足載體信息共享能力的解空間。當時，優(yōu)化問題的解滿足載體信息共享能力的要求。這種情況下，賦給目標函數(shù)一定的收益值λβ（其中0＜λ＜1），以適度鼓勵優(yōu)化問題的解收斂于滿足載體信息共享能力的解空間。

當滿足了載體安全性的門限要求后，式（9）中的常量α、β和λ的相對取值大小反映了數(shù)據(jù)鏈戰(zhàn)術(shù)使用策略的偏好，即當使用策略更偏好提高信息共享能力時，則應給β和λ賦予相對更大的值;反之，當使用策略更偏好提高載體平臺的安全性時，則應給α賦予相對更大的值。無論常量α、β和λ的相對取值情況如何，常量α、β和λ的值都遠小于"，這使得載體平臺的安全性門限具備對式（9）非法解的否決權(quán)，從而強迫式（9）的解滿足載體平臺的安全性門限要求。

4 模型驗證和分析

本文驗證所用的信道編碼和調(diào)制方案都來自于LTE－A采用的Turbo碼和調(diào)制方案。為對式（9）所示的鏈路自適應技術(shù)模型進行驗證和分析，本文依據(jù)表1和表2所示的基本假設對公式（1）～（9）中的模型參數(shù)進行初始化。

表1 模型驗證基本條件Table 1 Parameters fo?r model verifications

續(xù)表1

表2 驗證采用的數(shù)據(jù)鏈輻射特征參數(shù)Table 2 Parameters of RF radiation characteristics of datalinks used in model verifications

基于表1和表2，確定式（9）所示的模型參數(shù)、輻射時間、輻射功率等級以及輻射波形的解空間后，可用窮舉法獲得模型的最優(yōu)解。

為了保障數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)載體的安全性和信息共享能力，假設截獲概率門限值為=10－4，通信速率門限為=5 Mb/s，通信距離R=150 km，當無源探測系統(tǒng)接收天線無增益時，通過模型求解，得到表2中8種可選輻射特征參數(shù)的收益值、輻射功率等級，以及d=400 km處的截獲概率，如表3所示。

表3 鏈路自適應技術(shù)模型的優(yōu)化結(jié)果Table 3 Optimized results of link adaption model

從表3可以看出，表2中序號6對應的輻射特征參數(shù)和輻射功率等級68 dBm是公式（9）所示模型的最優(yōu)解。從表3所示的驗證結(jié)果可知，在隱身作戰(zhàn)中，傳統(tǒng)的鏈路自適應技術(shù)在可用輻射功率約束下單純追求通信速率的優(yōu)化，序號8對應的輻射特征參數(shù)和輻射功率等級84 dBm將是傳統(tǒng)鏈路自適應技術(shù)的優(yōu)化解，該優(yōu)化解將使400 km處數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)輻射射頻信號的截獲概率達到60%，導致嚴重的射頻暴露，危及數(shù)據(jù)鏈載體的安全。與之對比，公式（9）所示模型緊密耦合射頻隱身戰(zhàn)術(shù)應用，同時追求載體平臺安全性和信息共享能力的最優(yōu)化，可以同時獲得優(yōu)化的信息保障能力和平臺安全性，優(yōu)化解在400 km處的截獲概率=1.9 ×10－6，實際截獲概率低于門限截獲概率值，同時實際通信速率也達到了f2=34.6 Mb/s，大于平臺信息保障能力對門限通信速率的要求。

表4 鏈路自適應技術(shù)模型的優(yōu)化結(jié)果Table 4 Optimized results of link adaption model

從表4可以看出，表2中序號4對應的輻射特征參數(shù)和輻射功率等級60 dBm是公式（9）所示模型的最優(yōu)解。

對比表3和表4的驗證條件和驗證結(jié)果可知，由于無源探測系統(tǒng)接收天線增益的提高，機載數(shù)據(jù)鏈載體面臨的被截獲威脅更嚴重。在更危險的環(huán)境中，載體任務系統(tǒng)卻提出更高的信息保障要求，當最優(yōu)解無法同時滿足載體的安全性和信息保障能力時，公式（9）所示模型將會對數(shù)據(jù)鏈的通信速率進行降級（實際通信速率從10 Mb/s降低到8.6 Mb/s），強迫最優(yōu)解滿足數(shù)據(jù)鏈載體的安全性要求。這種情況下，最優(yōu)解所對應數(shù)據(jù)鏈副瓣輻射射頻信號在400 km處的截獲概率為P400I=3.0×10－7，小于截獲概率門限值要求，能夠保證載體的安全性。

5 總結(jié)

在隱身作戰(zhàn)中，為同時實現(xiàn)在對抗中主動射頻信號隱蔽和在質(zhì)量快速隨機變化的信道中可靠高效傳輸數(shù)據(jù)，本文利用多目標優(yōu)化技術(shù)建立了一種鏈路自適應技術(shù)模型。將戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的射頻隱身能力和可靠通信能力作為優(yōu)化問題的兩個目標，以數(shù)據(jù)鏈的輻射特征（包括輻射時間、輻射功率、輻射波形）作為優(yōu)化變量，分別用給定距離處的截獲概率和給定距離的可靠通信速率來量化射頻隱身能力和通信性能。

在占空比和編碼調(diào)制方式可變的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈中，以LTE－A采用調(diào)制編碼方案的部分參數(shù)作為實例，驗證了本文所述戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈鏈路自適應技術(shù)模型的優(yōu)勢。量化對比分析顯示出傳統(tǒng)的鏈路自適應技術(shù)在可實現(xiàn)條件下單純追求通信速率的最大化，不宜在隱身作戰(zhàn)中使用。在可行數(shù)據(jù)鏈輻射特征解空間，利用本文所建模型可以優(yōu)化控制數(shù)據(jù)鏈輻射特征，同時保證數(shù)據(jù)鏈載體的安全性和信息共享能力。另外，在危險環(huán)境中當載體任務系統(tǒng)對數(shù)據(jù)鏈提出高信息共享能力需求的極端情況下，本文所建模型可對數(shù)據(jù)鏈的數(shù)傳速率進行優(yōu)化降級，以優(yōu)先保障安全性。

［1］Erik D，Stefan P，Johan S，et al.3G Evolution HSPA and LTE for Mobile Broadband［M］.2nd ed.Beijing:Academic Press，2010.

［2］熊群力，陳潤生.綜合電子戰(zhàn)－信息化戰(zhàn)爭的殺手锏［M］.2版.北京:國防工業(yè)出版社，2010.

XIONG Qun － li，CHEN Run － sheng.Integrated Electronic Warfare:the Killer of Information Warfare［M］.2nd ed.Beijing:National Defence Industry Press，2010.（in Chinese）

［3］David L J.Introduction to RF Stealth［M］.Ohio:SciTech Press，2004.

［4］Khatib H H.Theater Wideband Communications［C］//Proceedings of 1997 IEEE Military Communications Conference.Monterey，California:IEEE，1997:378 －382.

［5］ 梅文華，蔡善法.JTIDS/Link16數(shù)據(jù)鏈［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2007.

MEI Wen－h(huán)ua，CAI Shan－fa.JTIDS/Link16 Data Links［M］.Beijing:National Defence Industry Press，2007.（in Chinese）

RF Radiation Characteristics Control for Tactical Datalinks

WANG Zheng－h(huán)ai
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

In electronic warfare，RF exposures incurred by the traditional technique of radio link adaption，which purely maximizes the data rates，will jeopardize the carrier＇s safety of datalink systems.For active RF stealth and reliably efficient data transmission，this paper presents a link adaption model to jointly control the RF radiation characteristics（including radiation time，power and waveforms）for tactical datalinks.The proposed model applies multiple objective optimizations by modeling reliable communication rates and interception probabilities of RF signals from datalinks at given distance as double objectives，and radiation properties（including radiation time，power and waveforms）as variables.Using partial schemes of the modulations and coding of the 4th generation wideband wireless communications（Long Term Evolution－Advanced，LTE － A）as instances，the best solution shows that the active RF stealth and reliably efficient data transmission can be simultaneously achieved by the proposed model.

communication countermeasure;tactical data link（TDL）;RF stealth;radio link adaption;multiple objective optimization

TN919.2

A

1001－893X（2014）05－0668－06

10.3969/j.issn.1001 －893x.2014.05.026

王正海.戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈射頻輻射特征控制技術(shù)［J］.電訊技術(shù)，2014，54（5）:668－673.［WANG Zheng－h(huán)ai.RF Radiation Characteristics Control for Tactical Datalinks［J］.Telecommunication Engineering，2014，54（5）:668 － 673.］

2013－11－08;

2014－03－14

date:2013－11－08;Revised date:2014－03－14

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wangzhhai@126.com Corresponding author:wangzhhai@126.com

王正海（1982—），男，湖北隨州人，2011年于武漢大學獲通信與信息系統(tǒng)專業(yè)博士學位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向為數(shù)據(jù)鏈和機載傳感器系統(tǒng)。

WANG Zheng－h(huán)ai was born in Suizhou，Hubei Province，in 1982. He received the Ph.D.degree in Communication and InformationSystems from Wuhan University in 2011.He is now an engineer.His research concerns datalinks and airborne sensor systems.

Email:wangzhhai@126.com