張東屹，呂久明，李仙茂

(1.解放軍92403部隊(duì)，福州 350007；2.中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，酒泉 732750；3.海軍工程大學(xué)，武漢 430033)

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對地域通信網(wǎng)跳頻通信干擾及仿真研究

張東屹1，呂久明2，李仙茂3

(1.解放軍92403部隊(duì)，福州 350007；2.中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，酒泉 732750；3.海軍工程大學(xué)，武漢 430033)

由于跳頻通信的抗干擾性和保密性強(qiáng)，在地域通信網(wǎng)組網(wǎng)過程中得到了廣泛的應(yīng)用。分析了跳頻通信的特點(diǎn)和抗干擾性，介紹了對其進(jìn)行干擾的多種方法，提出了對跳頻通信進(jìn)行跟蹤干擾時(shí)干擾機(jī)的有效配置區(qū)域，并對干擾機(jī)的配置區(qū)域進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真。

地域通信網(wǎng)；跳頻通信；跟蹤式干擾；有效配置區(qū)

0 引 言

地域通信網(wǎng)是在一定作戰(zhàn)地域內(nèi)開設(shè)若干個干線節(jié)點(diǎn)，以多路傳輸鏈路(有線鏈路和無線鏈路)互連，形成柵格狀可移動的公用干線網(wǎng)，各級指揮所通過入口節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)，達(dá)成作戰(zhàn)信息傳遞的通信網(wǎng)絡(luò)[1]。它可與上級網(wǎng)、友鄰網(wǎng)及民用網(wǎng)等互連，提供對作戰(zhàn)指揮的整體通信保障。

由于地域通信網(wǎng)中的通信要求絕對保密，故不易為對方所偵察、截獲、破譯、干擾。跳頻通信作為擴(kuò)頻通信的一個分支，其突出優(yōu)點(diǎn)是抗干擾性和保密性強(qiáng)，因而在軍事領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[2]。跳頻通信是對抗無線電干擾的有效手段，被稱之為無線電通信的“殺手锏”。采用跳頻技術(shù)，使其所采用的頻率不斷變化，使對方難以捕捉現(xiàn)時(shí)所采用的頻率，達(dá)到了通信保密和抗干擾的要求。因此，研究對跳頻通信網(wǎng)的干擾具有非常重要的意義。

1 跳頻通信特點(diǎn)分析

跳頻通信系統(tǒng)是指在發(fā)送信號的同時(shí)，周期性地改變其頻率或頻率組的通信系統(tǒng)，頻率或頻率組的跳變規(guī)則由偽碼序列構(gòu)成跳頻指令的跳頻圖案決定。因此，跳頻信號可看成是載頻按隨機(jī)圖樣跳變的已調(diào)脈沖序列[3]。載頻的跳變是在一個包含許多頻道的頻帶上發(fā)生的。每個頻道都占有一定的頻譜區(qū)域，其帶寬大得足以容納相應(yīng)載波脈沖的大部分功率。跳頻通信具有一般擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的高抗干擾性能及保密性能，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 與現(xiàn)存調(diào)制方式的兼容性。跳頻通信系統(tǒng)與一般的調(diào)幅、調(diào)頻模擬調(diào)制以及慢速數(shù)字調(diào)制通信具有良好的兼容性，目前生產(chǎn)的慢跳頻系統(tǒng)都可以同時(shí)采用不跳頻的常規(guī)通信工作方式，且隨著通信設(shè)備的逐步更新，易于向更先進(jìn)的系統(tǒng)過渡。

(2) 基于現(xiàn)有無線通信設(shè)備，跳頻技術(shù)的實(shí)現(xiàn)比較容易。由于跳頻技術(shù)與現(xiàn)有的通信系統(tǒng)具有良好的兼容性，因此跳頻技術(shù)的應(yīng)用可以完全建立在現(xiàn)有通信設(shè)備的基礎(chǔ)上。

(3) 跳頻通信技術(shù)能有效克服“遠(yuǎn)近效應(yīng)”，便于移動通信及通信組網(wǎng)[4]。如果地域通信網(wǎng)中某區(qū)域的所有用戶均以相同的功率發(fā)射信號，則靠近基站的手機(jī)到達(dá)基站的信號就強(qiáng)，而遠(yuǎn)離基站的手機(jī)到達(dá)基站的信號就弱，這樣將導(dǎo)致強(qiáng)信號掩蓋弱信號，也即移動通信中的“遠(yuǎn)近效應(yīng)”問題。因?yàn)樗杏脩艄餐褂猛活l率(載波)，所以“遠(yuǎn)近效應(yīng)”問題更加突出。跳頻技術(shù)中功率控制的目的就是克服“遠(yuǎn)近效應(yīng)”，使系統(tǒng)既能維持高質(zhì)量通信，又不對占用同一信道的其它用戶產(chǎn)生干擾。

由于跳頻通信技術(shù)具有這些優(yōu)點(diǎn)，使其在軍事通信中獲得廣泛應(yīng)用。鑒于跳頻通信應(yīng)用的廣泛性和它特有的抗干擾特性，所以，很有必要加強(qiáng)對跳頻通信干擾的研究。

2 跳頻通信的干擾方法

跳頻通信實(shí)際上是通過頻率的跳變來躲避干擾，對其進(jìn)行干擾比較有效的方式有2種：寬帶阻塞式干擾和跟蹤式干擾[5-7]。寬帶阻塞式干擾通過發(fā)射寬帶大功率信號占據(jù)整個跳頻頻段，使跳頻電臺無處可跳，系統(tǒng)不能正常工作。對跳頻通信系統(tǒng)實(shí)施干擾最有效的方式是跟蹤式干擾，其方式為把收到的跳頻信號經(jīng)過轉(zhuǎn)發(fā)處理以最小的時(shí)延發(fā)射出去，形成轉(zhuǎn)發(fā)式干擾。轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的關(guān)鍵在于轉(zhuǎn)發(fā)信號的時(shí)延，如果時(shí)延大于信號的駐留時(shí)間則無效。

從跳頻通信的特性上看，采用全頻段寬帶阻塞式干擾是對跳頻通信有效的干擾方式，這時(shí)跳頻系統(tǒng)所有可能的工作頻道都被干擾，系統(tǒng)的正常通信無法進(jìn)行。但采用全頻段寬帶阻塞式干擾,隨之而來的是干擾功率的劇增，可能會使干擾功率大到難以接受的程度。除了采用各種降低干擾功率的措施外，采用部分頻段攔阻式干擾是一種行之有效的干擾方法。

當(dāng)跳頻系統(tǒng)的全部頻道數(shù)中被干擾的頻道數(shù)目大到一定程度時(shí)，跳頻系統(tǒng)的通信就不能正常工作了。實(shí)際戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用中一般不需要對某一跳頻系統(tǒng)進(jìn)行全頻段阻塞式干擾，只需對其全部頻道數(shù)中的大部分頻道進(jìn)行有效干擾，就可獲得良好的干擾效果。

窄帶干擾能夠針對某個頻率(信道)集中較大的功率實(shí)施有效的干擾，但由于跳頻系統(tǒng)是一種躲避式的抗人為干擾的通信體制，故定頻瞄準(zhǔn)的窄帶干擾很難有效地干擾跳頻通信系統(tǒng)。

對跳頻通信系統(tǒng)采用頻率跟蹤式干擾，可充分發(fā)揮窄帶干擾的優(yōu)勢[8]。要求干擾能夠跟蹤跳頻信號頻率的變化，以保證大部分干擾功率能夠進(jìn)入目標(biāo)信道。通常需使用壓縮接收機(jī)、聲光接收機(jī)、信道化接收機(jī)或多路超外差接收機(jī)等來截獲所有可能的目標(biāo)跳頻信號，利用高速數(shù)字信號處理器(DSP)來識別目標(biāo)信號。為了對跳頻信號實(shí)施有效的跟蹤干擾，一般要求在一個載頻上的干擾時(shí)間不小于信號駐留時(shí)間的一半，這就對干擾系統(tǒng)的反應(yīng)速度提出了很高的要求。這種干擾對付慢跳頻系統(tǒng)比較有效，而對快速跳頻通信系統(tǒng)干擾的效果不理想，因?yàn)楦蓴_系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間很難達(dá)到對快速跳頻通信干擾的要求。

實(shí)施跟蹤干擾需要的反應(yīng)時(shí)間主要包括信號截獲時(shí)間、信號分選識別時(shí)間和干擾引導(dǎo)時(shí)間，在作用距離較遠(yuǎn)時(shí)還要考慮電波傳播時(shí)延時(shí)間。信號截獲時(shí)間取決于截獲跳頻信號的接收機(jī)，采用截獲速度較高的壓縮接收機(jī)或數(shù)字接收機(jī)，其截獲時(shí)間為tr。如要在上百個信號中分選出某一跳頻信號，則分選識別的處理時(shí)間為tp。干擾引導(dǎo)時(shí)間主要取決于頻率合成器的轉(zhuǎn)換時(shí)間和信號建立時(shí)間，以目前頻率合成器最快的轉(zhuǎn)換速度計(jì)算，干擾引導(dǎo)所需的時(shí)間為tg。電波傳播的時(shí)延時(shí)間取決于干擾機(jī)到跳頻收、發(fā)信機(jī)距離之和減去收、發(fā)信機(jī)之間的距離之差。假設(shè)該距離差為Δd，對應(yīng)也有電波傳播引起的時(shí)延，設(shè)光速c=3×108m/s,將以上四部分?jǐn)?shù)據(jù)加起來，總的時(shí)間為：

td=tr+tp+tg+Δd/c

(1)

取典型值tr=100 μs，tp=100 μs，tg=10 μs，Δd=5 km，則有td=226 μs。

按有效干擾時(shí)間不小于信號駐留時(shí)間的一半計(jì)算，根據(jù)以上數(shù)據(jù)估算，跟蹤式干擾至多可以有效干擾跳頻跳速不超過2千跳/s的跳頻通信系統(tǒng)。而實(shí)際上，目前遠(yuǎn)未達(dá)到這樣的跟蹤干擾速度。對寬跳頻范圍、大頻率集、高速跳頻通信系統(tǒng)，跟蹤式干擾很難對其構(gòu)成威脅。此時(shí)可采用快速頻率預(yù)測跟蹤瞄準(zhǔn)式干擾來減小干擾系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間，以增加有效干擾時(shí)間。實(shí)現(xiàn)正確快速頻率預(yù)測難度很大，因此對信號處理水平提出了更高的要求。

如果通過偵察等手段獲知了跳頻通信的跳頻圖案，并且所發(fā)的干擾信號能與接收設(shè)備同步，那么就可以對跳頻通信實(shí)施相關(guān)干擾[9]。如果跟蹤式干擾機(jī)能及時(shí)跟蹤跳頻圖案，便可以形成相關(guān)干擾，做到在跳頻的每個頻率駐留時(shí)間內(nèi)使信號在部分時(shí)間受到干擾，這是完全可能的。只要保證在通信的每個頻率駐留時(shí)間內(nèi)有相當(dāng)一部分時(shí)間受到有效干擾，則無論對模擬通信還是數(shù)字通信都是有效的。頻率跟蹤式干擾實(shí)質(zhì)上是在偵聽到跳頻信號后立即實(shí)施瞄準(zhǔn)式窄帶干擾的一種方式，發(fā)送的干擾信號可以是本干擾機(jī)產(chǎn)生的，也可以是接收敵發(fā)射方信號后轉(zhuǎn)發(fā)的，這種干擾方式對付慢速跳頻通信是有效的，用來對付中、高速跳頻通信效果欠佳，甚至無效。

3 對跳頻通信跟蹤式干擾的仿真

通信發(fā)射機(jī)T，通信接收機(jī)R，干擾機(jī)J的配置如圖1所示。圖中drt為通信距離，dtj為通信發(fā)射機(jī)到干擾機(jī)的距離，djr是干擾機(jī)到通信接收機(jī)的距離。

設(shè)TP是跟蹤式干擾機(jī)的反應(yīng)時(shí)間；τ是電臺在各個頻率上的駐留時(shí)間，它略小于跳頻周期，一般設(shè)τ為跳頻周期；設(shè)η∈(0,1)為一常數(shù)，它代表每個跳頻周期中未被干擾時(shí)間(即轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延)所占的比例，η越小，受干擾時(shí)間越多，干擾效果越好。無論對模擬通信還是數(shù)字通信，受干擾的時(shí)間大于50%就認(rèn)為是有效干擾[10]，故通常取η≥0.5。數(shù)字話音是跳頻網(wǎng)的主要通信業(yè)務(wù)。實(shí)驗(yàn)表明，如跳頻電臺在駐留時(shí)間的20%中受到干擾，便會使數(shù)字話音的可懂度惡劣到無法忍受的程度。故對數(shù)字話音跳頻通信，假設(shè)η=0.8。由上述有關(guān)分析，欲實(shí)施有效干擾，以上各量應(yīng)滿足關(guān)系式：

dtj+djr≤c(ητ-Tp)+dtr

(2)

圖1 跟蹤式干擾時(shí)干擾機(jī)有效配置區(qū)域

由于受到Tp(跟蹤干擾機(jī)的反應(yīng)時(shí)間，現(xiàn)在的設(shè)備主要與DSP的處理時(shí)間有關(guān))的限制，從dtj+djr-dtr≤c(ητ-Tp)(τ為跳頻周期，等于跳速的倒數(shù))可知，(ητ-Tp)>0時(shí)對敵方接收機(jī)進(jìn)行跟蹤式干擾才能起到應(yīng)有的效果，通過仿真可驗(yàn)證這一結(jié)論。

下面分別給出跳速為100跳/s，η=0.5，0.8，Tp=2ms(其中Tp是跟蹤式干擾機(jī)的反應(yīng)時(shí)間)，以及跳速為50跳/s，η=0.8，Tp=14ms時(shí)的干擾機(jī)有效配置區(qū)域的立體圖形(圖2～圖4)，其3個軸的坐標(biāo)都表示空間位置，單位為m，其中縱軸表示高度。

圖2 跳速為100跳/s，η=0.5時(shí)干擾機(jī)有效配置區(qū)域

圖3 跳速為100跳/s，η=0.8時(shí)干擾機(jī)有效配置區(qū)域

圖4 跳速為50跳/s，η=0.8時(shí)干擾機(jī)有效配置區(qū)域

通過上述圖形的比較、分析，可知跳速越快，對其實(shí)施跟蹤式干擾的難度越大，而且對干擾機(jī)的反應(yīng)處理時(shí)間要求比較敏感，故跟蹤式干擾往往只能對慢速跳頻電臺有效，而且要求干擾機(jī)反應(yīng)特別迅速。結(jié)合圖形，要使對跳頻通信系統(tǒng)采用跟蹤式干擾湊效，干擾機(jī)必須設(shè)置在以跳頻通信發(fā)送、接收點(diǎn)為焦點(diǎn)的一個橢圓之內(nèi)，由于路徑差的影響，這個橢圓是較狹窄的。一般對慢速跳頻通信跟蹤干擾是比較有效的，但對快速跳頻跟蹤干擾很難獲得好的效果。此外，采用跟蹤干擾時(shí)除了時(shí)延影響外，通常還需要進(jìn)行信號分選，以去除定頻信號及非目標(biāo)信號?？紤]實(shí)際問題，為了保證最佳干擾效果，干擾機(jī)往往需配置在通信發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的直線附近比較狹窄的半橢球區(qū)域。

4 結(jié)束語

跳頻通信技術(shù)是一種具有高抗干擾性、高抗截獲能力的擴(kuò)頻技術(shù)。隨著微電子與數(shù)字信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展，調(diào)頻通信在軍事通信中大展身手，較好地滿足了現(xiàn)代戰(zhàn)爭提出的電子對抗與反對抗要求，因此，很有必要對跳頻通信技術(shù)的對抗做進(jìn)一步的研究。本文主要研究解決了跟蹤式干擾的干擾機(jī)配置區(qū)域的計(jì)算問題，在干擾樣式、干擾效果等方面還需要進(jìn)一步的研究。

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Frequency Hopping Communication Jamming and Simulation Study to Area Communication Network

ZHANG Dong-yi1,LV Jiu-ming2,LI Xian-mao3

(1.Unit 92403 of PLA,Fuzhou 350007,China; 2.Jiuquan Satellite Launch Center in China,Jiuquan 732750,China;3.Naval Engineering University,Wuhan 430033,China)

Because of strong anti-jamming performance and confidentiality of frequency hopping communication,it has been widely used in networking process of area communication network.This paper analyzes the characteristics and anti-jamming performance of frequency hopping communication,introduces several jamming methods to it,puts forward effective configuration zone of the jammer when the tracking jamming is performed to frequency hopping communication,and carries through the computer simulation to configuration zone of the jammer.

area communication network；frequency hopping communication；tracking jamming；effective configuration zone

2016-05-11

TN975；TP391.9

A

CN32-1413(2016)05-0056-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.05.014