征惠玲

(中國西南電子技術研究所，成都 610036)

1 引言

無線通信易受各種噪聲和干擾信號的影響，經(jīng)過近幾十年的研究，目前我國軍事通信領域已基本形成了以頻譜擴展技術為主的無線通信抗干擾體制。然而，絕大多數(shù)方法在設計上都沒有考慮到外部有意干擾和來自系統(tǒng)內(nèi)部干擾的影響。隨著軍事通信在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的作用和地位的不斷提升以及各種新興通信及干擾技術的應用，軍事通信抗干擾問題也日益突出，傳統(tǒng)的抗干擾手段已明顯暴露出其缺陷和不足，已然成為制約通信技術和信息網(wǎng)絡發(fā)展的瓶頸之一。在未來戰(zhàn)場上要保持通信暢通，必須要發(fā)展新的抗干擾技術來應對敵方的通信干擾。而與此同時，相關資料也表明，近年來國外各科研院校已經(jīng)開始在政府及軍方的支持下或者自行開展新興無線通信技術及干擾和抗干擾措施的研究，其中部分研究成果已具備工程應用的條件。因此，在當今日益惡劣的電磁環(huán)境下，對無線通信抗干擾技術進行系統(tǒng)而深入的研究對我國軍事通信的未來發(fā)展具有非常重要的意義。鑒于此，本文對近年來國外研究團隊提出的通信抗干擾新概念進行了梳理和綜述，并對未來發(fā)展趨勢進行了分析和總結(jié)。

2 現(xiàn)有的通信抗干擾手段及存在的問題

通信抗干擾就是通過一定措施和手段來提高通信質(zhì)量，一般可理解為，通信裝備及系統(tǒng)為對抗干擾方利用電磁能和定向能控制、攻擊己方所用通信電磁頻譜所采取的通信反對抗技術體系、方法和措施，從而提高其在通信對抗中的生存能力，而通常這些方法可被分為三類:一是頻域處理，如直接序列擴頻技術、跳頻技術;二是空間處理，如自適應天線技術、分離技術等;三是時域處理，如猝發(fā)通信技術。在現(xiàn)代通信領域里擴頻抗干擾技術和自適應天線技術應用最為廣泛，但它們在實現(xiàn)上各自都有一定的局限性。

擴頻抗干擾技術通常包括直擴(DS)和跳頻(FH)兩種方式，其抗干擾原理是將信號頻譜在頻域上進行擴展，降低信號功率密度，使目標信號掩藏在干擾信號和噪聲中，從而避免被敵方截獲來實現(xiàn)抗干擾。跳頻則是擴頻抗干擾技術中應用最為廣泛的方式，其發(fā)展從最初的“盲跳”到后來的快/高速跳頻、自適應跳頻和綜合跳頻等，一度為通信系統(tǒng)提供了良好的抗干擾能力。但該技術在應用時，除需要擴展頻譜帶寬外，還要預先生成并向各通信節(jié)點分發(fā)擴頻參數(shù)，并且只有在收發(fā)雙方建立同步以后才能進行通信。從目前來看，這種應用方式存在其自身固有的缺陷和不足，諸如:占用大量的頻帶寬度且容易帶來共址干擾問題;在參與節(jié)點數(shù)較多且動態(tài)建立的通信網(wǎng)絡中，生成并預分配擴頻參數(shù)的應用方式缺乏靈活性;存在同步時間過長甚至無法同步的潛在問題，降低了通信可靠性;頻繁而瞬時的跳變會導致系統(tǒng)吞吐量的損失;更高速率的跳頻將會對專用集成芯片和電路提出更高的要求等。而目前最迫切的則是頻譜資源嚴重不足的問題，這一問題迫使業(yè)界必須對傳統(tǒng)跳頻體制進行改進或者尋求其他的解決方案。

自適應天線技術的原理是基于信號和干擾傳來的方向差異，通過自動調(diào)整天線陣的內(nèi)部參數(shù)(主波束對準信號方向，副波束對準干擾)以達到抗干擾的目的。后續(xù)發(fā)展出的智能天線技術就是自適應天線技術、數(shù)字信號處理技術與軟件無線電技術結(jié)合的產(chǎn)物，在軍事衛(wèi)星通信中，智能天線的空間濾波特性已被作為主要的抗干擾手段之一。但在HF/VHF/UHF頻段實現(xiàn)自適應天線尚有一定的技術難題需要克服。目前已經(jīng)證明智能天線是解決頻率資源匱乏的有效途徑，今后必然具備較廣的軍事應用前景。

總之，隨著電磁環(huán)境變得日益復雜、電磁頻譜日益緊張、泛在網(wǎng)絡不斷發(fā)展，對通信健壯性的需求也日益迫切，傳統(tǒng)的通信抗干擾技術已成為制約通信技術和信息網(wǎng)絡發(fā)展的瓶頸之一，必須要著手開展對新的抗干擾技術及應用的研究。而基于多維空間的廣義抗干擾和認知抗干擾技術則是目前國內(nèi)外的研究熱點。

3 近年提出的新概念及研究現(xiàn)狀

3.1 多維聯(lián)合抗干擾技術

多維聯(lián)合抗干擾技術的實例化就是各處理域內(nèi)和域間的切換技術，包括波束切換、信道切換、頻率切換以及多域協(xié)同和多域自適應切換等。下面將介紹近年出現(xiàn)的一些多域聯(lián)合抗干擾概念和國外部分研究成果。

3.1.1 頻域－速度域聯(lián)合

跳頻(FH)和速率自適應(RA)是消除干擾的常用手段，但目前已有研究表明這些手段在獨立使用時抗干擾效率并不高［1－2］。鑒于此，美國亞利桑那大學(University of Arizona)電子與計算機工程系M.Krunz教授帶領的研究團隊采用了主動掃描式干擾攻擊模型對動態(tài)跳頻和速率自適應相結(jié)合的無線抗干擾措施進行了研究［3］。他們對通道數(shù)K、干擾成本L和信道切換成本C等參數(shù)進行了研究和仿真，并對這種最佳組合措施和最佳FH模式、最佳RA模式、隨機FH 3種抗干擾技術下各參數(shù)所能達到的性能進行了對比。多次試驗證明，這種組合優(yōu)化措施可以有效改善系統(tǒng)抗干擾性能。目前研究團隊正準備對波形自適應與跳頻技術的聯(lián)合抗干擾效果進行研究。

3.1.2 頻域－功率域聯(lián)合

近年來，不需要預先共享跳頻參數(shù)的抗干擾技術已經(jīng)受到廣泛的關注［4－5］，通常是采用一種被稱為非協(xié)同跳頻(UFH)的技術來實現(xiàn)。由于這種技術需要在發(fā)送方和接收方都采用UFH手段，已經(jīng)開始表現(xiàn)出會對系統(tǒng)性能造成制約的不足。盡管研究人員們對非協(xié)同跳頻技術在持續(xù)進行改進，但也僅限于頻域處理一個維度上。2012年，美國伊利諾理工學院(Illinois Institute of Technology)助理教授Kui Ren帶領的研究團隊首次提出了將UFH和功率控制手段聯(lián)合使用的抗干擾方案［6］，使發(fā)送方可以在頻域和功率域兩個維度上實現(xiàn)抗干擾決策，以有效改善UFH技術的不足之處，提升抗干擾系統(tǒng)的性能。

研究中采用干擾功率受限的干擾方式，利用在線學習理論，由傳輸通道的歷史狀態(tài)來確定跳頻通道和傳輸功率。通過將發(fā)射功率分為多個等級，功率預算有限的發(fā)送方可根據(jù)自身條件選擇發(fā)射通道和相應的傳輸功率。發(fā)送方將持續(xù)保持對信道狀態(tài)的知悉，并根據(jù)接收方反饋的信息自適應的選擇最合適的信道和最佳的發(fā)射功率分配。研究表明，在干擾功率受限的情況下，該方案的平均傳輸誤差在以內(nèi)，且低于該值的概率很高。研究中將隨機干擾機分為最大延時干擾機(Type－1)和概率干擾機(Type－II)2類，大量的仿真已驗證該方案也可以有效應對各種不同的干擾攻擊。

3.1.3 空－時－頻域聯(lián)合

無線通信技術的不斷發(fā)展加劇了對高速率應用和寬帶業(yè)務的需求，而正交頻分多址(OFDMA)技術則是可以滿足這一需求的主要候選技術之一。它將整個信道分為多個相互正交的并行子信道，每個用戶都可被分配一組子信道，是一種有效的多用戶方案。并且研究表明OFDM技術可以緩解多徑環(huán)境下導致的符號間干擾(ISI)問題?？諘r編碼技術則可充分利用天線陣的空間分集特性，不需要犧牲帶寬就可獲得良好的分集增益。將兩者結(jié)合的STCOFDM技術雖然可以實現(xiàn)高速高質(zhì)量的無線傳輸，但其抗干擾能力卻并不強。尤其對于軍事通信來說，在惡意干擾存在下依然可以保持通信健壯性至關重要。針對傳統(tǒng)跳頻抗干擾措施的效率低且對未來通信系統(tǒng)高速大容量的需求，美國密西根州立大學(Michigan State University)寬帶接入無線通信實驗室(BAWC)研究人員將OFDM、空時編碼和跳頻技術有效結(jié)合，于2008年提出一種基于OFDM技術的空－時編碼無沖突跳頻(STC－CFFH)方案［7］和一種安全的副載波分配算法，如圖1所示。他們對部分頻段受干擾情況下的STC－CFFH系統(tǒng)、傳統(tǒng)跳頻系統(tǒng)、傳統(tǒng)OFDMA系統(tǒng)、基于CFFH的OFDMA系統(tǒng)的性能進行了研究，不同干擾場景下的分析和仿真均證明STC－CFFH系統(tǒng)的性能優(yōu)于傳統(tǒng)的FH、OFDMA和CFFH系統(tǒng)。

圖1 STC－CFFH發(fā)射機框圖Fig.1 Block diagram of STC－CFFH transmitter

試驗表明，該方案克服了傳統(tǒng)跳頻系統(tǒng)固有的缺陷，可以有效提高頻譜效率。這種方案可直接用于不友好環(huán)境下的軍事通信。BAWC實驗室針對該技術形成了多項研究成果。

此外，在空－時域聯(lián)合抗干擾方面空時自適應處理(Space－ Time Adaptive Processing，STAP)技術也已經(jīng)在眾多領域應用。

3.1.4 非協(xié)同跳頻

非協(xié)同跳頻(Uncoordinated Frequency Hopping，UFH)是一種新的抗干擾概念。該概念最初由蘇黎世聯(lián)邦理工學院(ETH Zurich)Christina P?pper教授帶領的抗干擾研究團隊在2008年首次提出［5］，其主要思想是發(fā)送方和接收方之間隨機選擇跳頻信道進行信息傳輸，當兩個節(jié)點在同一個時隙周期內(nèi)跳到同一個信道上，就成功完成一次數(shù)據(jù)傳輸，而不像傳統(tǒng)跳頻通信那樣需要節(jié)點之間預先協(xié)同跳頻參數(shù)。該技術的抗干擾原理是基于在大范圍頻帶內(nèi)快速切換信道來實現(xiàn)抗干擾，本質(zhì)上也是一種多維聯(lián)合抗干擾技術。

目前這一概念在業(yè)界已經(jīng)得到廣泛的認可，研究人員們正在繼續(xù)進行更深入的研究［8－11］，找出初始概念的缺陷并提出相應的改進方案。如文獻［9］在對Ad hoc網(wǎng)絡的抗干擾研究中采納了UFH概念里采用不同跳頻序列進行通信的思路，在此基礎上利用跳頻序列來實現(xiàn)信道控制，而先前UHF概念中兩個通信節(jié)點的跳頻序列是完全隨機生成的。研究表明，該方案可通過每個節(jié)點序列的唯一性識別出受到影響的節(jié)點，并將它們從網(wǎng)絡中剔除。

而最新公開的研究成果則是文獻［11］中由P.MANJULA提出的名為協(xié)作式協(xié)同廣播技術，它以一種多信道協(xié)作的方式進行非協(xié)同跳頻和非協(xié)同直接序列擴頻，可以有效克服UFH技術傳輸時延較高的固有缺陷。

3.1.5 消息驅(qū)動的跳頻

當兩個或多個用戶在同一頻段上進行通信時，采用傳統(tǒng)的跳頻通信方式會發(fā)生沖突，導致頻譜效率比較低。而今年提出的消息驅(qū)動的跳頻(Message－driven Frequency Hopping，MDFH)則是一種具有頻譜效率的抗干擾方式。它通過加密的信息流直接控制載波頻率的選擇，而不像傳統(tǒng)跳頻系統(tǒng)是通過偽隨機序列預先確定載波頻率。該方案具有很高的頻譜效率，在寬帶系統(tǒng)中可以實現(xiàn)更快速的跳頻，而且還會解決多址跳頻系統(tǒng)中存在的沖突問題。該技術本質(zhì)上是一種多手段聯(lián)合的廣義抗干擾技術。

自美國密西根州立大學寬帶接入無線通信實驗室(BAWC)2007年提出這一概念后［12］，科研人員一直在對其做深入研究，2013年1月發(fā)表了關于該技術的系統(tǒng)設計和能力分析的相關研究成果［13－14］。

3.2 認知抗干擾

認知抗干擾技術是認知通信思想在抗干擾通信領域的應用，即根據(jù)電磁干擾環(huán)境智能地產(chǎn)生最佳抗干擾方式，大大提高系統(tǒng)的抗干擾能力和頻譜的利用率，實現(xiàn)高效可靠的抗干擾通信。認知抗干擾通信技術通過對復雜電磁干擾環(huán)境的認知，采用學習和智能決策方法，實現(xiàn)高效可靠的信息傳輸，是新一代抗干擾通信系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。關于認知抗干擾的概念目前還仍處于初期的研究階段。

3.2.1 基于馬可夫決策流程(MDP)法的認知抗干擾

美國馬里蘭大學(University of Maryland)K.J.Ray Liu教授所帶領的信號與信息研究組將認知通信網(wǎng)絡中的次級用戶和干擾方之間的對抗視作一種零和抗干擾博弈，采用馬可夫決策過程(Markov Decision Process，MDP)方法提出一種信道跳變防御方案［15］。建模和仿真研究表明該方法可以有效抵御攻擊者的掃描式干擾。

3.2.2 MIMO－CR 技術

MIMO技術作為近年來通信領域的一個重要技術，引起了人們的廣泛關注與研究興趣，亞利桑那大學Marwan Krunz教授的研究團隊對將MIMO技術引入認知無線系統(tǒng)進行了研究，這樣使標準認知無線系統(tǒng)在功率控制和頻率管理之外又引入了兩個新的控制維度:由天線進行功率分配(空間域)和干擾管理。這樣的MIMO－CR節(jié)點可以有效抑制來自外部的惡意干擾［16］。

3.2.3 基于分布式概率協(xié)議的干擾對消

意大利羅馬大學(Sapienza University of Rome)的Roberto Di Pietro y和Gabriele Oligeri 2013年提出了一種可以對抗認知干擾的創(chuàng)新技術，它將分布式、概率協(xié)議引入頻譜配對的網(wǎng)絡中［17］，使得每個節(jié)點可以動態(tài)的發(fā)現(xiàn)匹配的目標并在一個隨機可用的頻率上實現(xiàn)同步。他們認為這一概念將為認知無線網(wǎng)絡抗干擾技術進一步研究奠定了基礎。

4 抗干擾通信技術發(fā)展趨勢與建議

隨著人們對無線網(wǎng)絡的依賴性越來越高，泛在的無線網(wǎng)絡互連同時也為各種惡意干擾和攻擊提供了渠道。系統(tǒng)安全性及抗毀能力無論在民用抑或軍用無線通信中都凸顯的越來越重要。因此，開發(fā)自身具有良好安全性和抗干擾能力的新型無線系統(tǒng)已經(jīng)成為未來通信發(fā)展的驅(qū)動力。

如前文所述，在無線通信抗干擾領域內(nèi)，基于多維空間的廣義抗干擾和認知抗干擾技術即是目前國內(nèi)外的研究熱點也將是未來的發(fā)展趨勢。為了滿足我國未來的通信需求，提出以下幾點建議:

(1)對一些新興的概念和技術進行深入的分析和研究，如非協(xié)同跳頻、消息驅(qū)動的跳頻和認知抗干擾技術，以及國內(nèi)學者龍德浩、陳志清提出的δ/θ型基帶相關檢測/解擴方案［18－20］等，盡快明確可適用于我國通信環(huán)境和體制的新興抗干擾方式，以有效解決現(xiàn)有抗干擾手段的不足;

(2)綜合使用多種抗干擾手段，包括現(xiàn)有技術的組合應用以及新技術與傳統(tǒng)技術的綜合應用，使抗干擾效率最大化;

(3)考慮網(wǎng)絡化、體系化和智能化抗干擾的發(fā)展所需要手段和技術，實現(xiàn)網(wǎng)絡級的抗干擾能力。

美國卡內(nèi)基梅隆大學(Carnegie Menon University)的健壯型無線通信系統(tǒng)研究團隊也正著手對下一代干擾攻擊及其對抗方法進行研究。團隊研究人員認為，在采用多跳通信的無線ad hoc、網(wǎng)狀網(wǎng)和傳感器網(wǎng)絡中，對物理層實施干擾會引起高層協(xié)議的共鳴，比如會增加MAC層的沖突和競爭，妨礙網(wǎng)絡層的路由發(fā)現(xiàn)，增加傳輸層的延時并會影響傳輸速率控制，以及導致應用層的罷工。干擾方可以針對這一特點利用任何可用信息提高干擾效果或降低干擾成本，如干擾方可以按照MAC層的協(xié)議的規(guī)律實施干擾，對特定的地理位置或來自特定應用的目標數(shù)據(jù)包實施重點干擾。而且，同樣的攻擊技術可以用于對抗其他威脅。而隨著軟件無線電技術的推廣應用，可以利用新型的通過軟件實現(xiàn)的信號處理、通信和組網(wǎng)技術來消除各種方式的干擾攻擊。這種方法通常包括可準確診斷并修復協(xié)議?；蛲ㄟ^網(wǎng)絡接口共享信息和信號的跨層設計技術。最后，研究表明，多通道通信、多徑路由、自適應傳輸協(xié)議都可以用于實現(xiàn)各個層次的分集以幫助消除干擾攻擊，甚至在干擾方處于移動和相對隱身狀態(tài)時。

5 結(jié)語

通信干擾與抗干擾都是電子戰(zhàn)的一部分，面對復雜電磁環(huán)境尤其是敵方的電子進攻，通信抗干擾的作用將越來越重要。總之，當前軍事科技迅猛發(fā)展，電子通信系統(tǒng)是現(xiàn)代戰(zhàn)爭成功與否的重要部分，認真研究通信系統(tǒng)的抗干擾以及其他健壯通信的方式，能夠大力提升通信系統(tǒng)的生存能力，對我國軍事系統(tǒng)的通信、指揮控制甚至全軍信息網(wǎng)絡的建設均有至關重要的意義。

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