周安馨，武曉含

（陸軍工程大學(xué)，江蘇 南京 210007）

0 引 言

目前，無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)在軍事行動(dòng)保障及民用移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用急劇增加，具有機(jī)動(dòng)性、智能性以及軌跡可控的顯著優(yōu)勢(shì)。但是，無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的視距通信使它容易受到欺騙、干擾和竊聽(tīng)等攻擊，加之多用戶條件下無(wú)人機(jī)傳輸之間的相互干擾，對(duì)無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信安全造成了嚴(yán)重威脅。當(dāng)無(wú)人機(jī)遭受嚴(yán)重干擾時(shí)，它們不再能夠與其他無(wú)人機(jī)以及控制站點(diǎn)建立連接，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量下降，甚至無(wú)法滿足當(dāng)前需求，任務(wù)中斷。

以跳頻、擴(kuò)頻為主的傳統(tǒng)抗干擾方法需要大量的頻譜資源作為支撐，且無(wú)法應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)頻譜動(dòng)態(tài)變化的場(chǎng)景。當(dāng)攻擊者采用智能干擾的攻擊方式時(shí)，它可以針對(duì)合法用戶的動(dòng)作優(yōu)化其攻擊策略，使干擾方不再局限于以固定的干擾模式對(duì)通信方實(shí)施干擾，轉(zhuǎn)而采用靈巧、多變、復(fù)雜的干擾樣式進(jìn)行干擾，使得傳統(tǒng)抗干擾方法難以適用于智能干擾的場(chǎng)景。因此需要結(jié)合無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)及飛行特點(diǎn)，研究全新的手段和方法來(lái)對(duì)抗智能干擾。

在通信抗干擾領(lǐng)域，干擾與用戶方存在對(duì)抗關(guān)系。一方面，可以將這種對(duì)抗關(guān)系建模成適配的博弈模型；另一方面，可以用智能對(duì)抗智能的動(dòng)態(tài)思維探究合適的學(xué)習(xí)算法。博弈理論憑借其低信息交互量的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。尤其是斯坦伯格博弈，能體現(xiàn)不同參與者之間的對(duì)抗關(guān)系，更好地進(jìn)行建模。將博弈論、學(xué)習(xí)算法以及抗干擾理論相結(jié)合，可以更好地研究面向無(wú)人機(jī)群通信網(wǎng)絡(luò)的智能抗干擾方法。

1 基于博弈學(xué)習(xí)的抗干擾技術(shù)

目前，國(guó)內(nèi)外通信抗干擾方法的研究主要集中在干擾模型、干擾檢測(cè)方法以及抗干擾手段方面。基于博弈學(xué)習(xí)的抗干擾技術(shù)也有一些新的研究進(jìn)展，下面從功率域抗干擾技術(shù)、頻域抗干擾技術(shù)和鏈路域抗干擾技術(shù)3個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行總結(jié)歸納。

1.1 功率域抗干擾技術(shù)

功率域抗干擾技術(shù)通過(guò)調(diào)整用戶傳輸功率的方式對(duì)抗惡意干擾攻擊，在干擾動(dòng)態(tài)變化的條件下獲得最優(yōu)的抗干擾效果。文獻(xiàn)[1-3]采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的功率控制策略對(duì)抗干擾，提出了一種非零和博弈模型來(lái)建模合法用戶和干擾者之間的關(guān)系?？紤]到用戶和干擾決策具有分層特性，斯坦伯格博弈可以用來(lái)對(duì)抗干擾問(wèn)題進(jìn)行建模[4-7]。文獻(xiàn)[4-5]中將抗干擾問(wèn)題建模為斯坦伯格博弈，并進(jìn)行了抗干擾功率決策研究。在所提斯坦伯格博弈中，合法用戶作為博弈的領(lǐng)導(dǎo)者，干擾者作為博弈的追隨者。合法用戶和惡意干擾者都希望通過(guò)調(diào)整各自的功率策略實(shí)現(xiàn)各自效用的最大化。對(duì)抗雙方的功率策略隨著敵方策略的調(diào)整做出相應(yīng)的調(diào)整。

1.2 頻率域抗干擾技術(shù)

在認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)領(lǐng)域，一些研究者關(guān)注用戶間的干擾消除問(wèn)題，并用博弈論對(duì)干擾消除問(wèn)題進(jìn)行建模，采用博弈學(xué)習(xí)算法進(jìn)行求解[8-10]。但是，文獻(xiàn)[8-10]只考慮了內(nèi)部合法用戶間互擾消除，并沒(méi)有考慮如何對(duì)抗外部惡意干擾者。考慮到惡意干擾者的存在，文獻(xiàn)[11]將認(rèn)知無(wú)線電中合法用戶與外部干擾者的對(duì)抗用博弈論進(jìn)行建模。文獻(xiàn)[12]則將認(rèn)知無(wú)線電中存在惡意干擾者的次級(jí)用戶信道選擇問(wèn)題建模為零和博弈。文獻(xiàn)[13]提出了一種抗干擾隨機(jī)博弈，并考慮了無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)變頻譜環(huán)境。文獻(xiàn)[14]提出一種非合作博弈對(duì)分布式跳頻碰撞避免問(wèn)題進(jìn)行建模，并設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)算法選擇合適的頻率集和跳頻序列。

1.3 鏈路域抗干擾技術(shù)

文獻(xiàn)[15]在干擾環(huán)境不可預(yù)測(cè)的情形下，研究了中繼通信信道選擇優(yōu)化策略。文獻(xiàn)[16]將能量約束下的中繼選擇和功率優(yōu)化問(wèn)題構(gòu)建為一個(gè)勢(shì)能博弈，得到了多個(gè)純策略納什均衡解和最優(yōu)策略集。文獻(xiàn)[17]研究了車載網(wǎng)中的協(xié)同中繼傳輸問(wèn)題。文獻(xiàn)[18]在降低算法復(fù)雜度的同時(shí)獲得了分布式無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中的最優(yōu)聯(lián)合策略。文獻(xiàn)[19]考慮中繼協(xié)助源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抗干擾通信，將此中繼協(xié)同抗干擾問(wèn)題建模為一個(gè)3層的斯坦伯格博弈。不同于傳統(tǒng)的兩層博弈，源節(jié)點(diǎn)作為主領(lǐng)導(dǎo)者，協(xié)同中繼作為次領(lǐng)導(dǎo)者，惡意干擾作為追隨者。各級(jí)用戶分別在已知下層用戶和干擾策略的情況下選擇能夠?qū)崿F(xiàn)效用最大化的策略，實(shí)現(xiàn)了協(xié)作抗干擾通信。

綜上，現(xiàn)有抗干擾研究仍然存在以下問(wèn)題：

（1）現(xiàn)有研究大多針對(duì)傳統(tǒng)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，少有針對(duì)無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)開(kāi)展的相關(guān)研究；

（2）現(xiàn)有抗干擾研究通?？紤]單用戶、單干擾的場(chǎng)景，少有考慮多用戶抗干擾場(chǎng)景，也并未考慮多用戶間存在互擾及用戶移動(dòng)性帶來(lái)的影響；

（3）現(xiàn)有研究大多針對(duì)功率域問(wèn)題，鮮有考慮其他域如信道域、軌跡域等的研究，較少考慮多域聯(lián)合抗干擾，即在多個(gè)維度采用多種抗干擾方法靈活對(duì)抗干擾；

（4）現(xiàn)有研究大多針對(duì)內(nèi)部干擾或者外部固定模式惡意干擾，較少考慮智能干擾下的抗干擾問(wèn)題。

2 智能干擾下無(wú)人機(jī)協(xié)同傳輸技術(shù)

抗智能干擾方面，無(wú)人機(jī)具有機(jī)動(dòng)性、智能性以及軌跡可控等特點(diǎn)，為無(wú)人機(jī)協(xié)同傳輸增加了可利用和可優(yōu)化的動(dòng)態(tài)資源。“機(jī)動(dòng)性”使得無(wú)人機(jī)可以進(jìn)行位置部署優(yōu)化和移動(dòng)中繼選擇最大化用戶的通信能力；“智能性”使無(wú)人機(jī)可以智能調(diào)整協(xié)同方式、友好干擾功率大小和其他可優(yōu)化的策略來(lái)最大化對(duì)智能攻擊者的對(duì)抗；“軌跡可控”使得無(wú)人機(jī)可以通過(guò)調(diào)整其飛行軌跡對(duì)抗智能攻擊者位置隱蔽性和移動(dòng)性帶來(lái)的傷害，提升用戶在未知攻擊位置下的穩(wěn)健通信能力。

智能干擾下，干擾者通?？梢酝ㄟ^(guò)自適應(yīng)地調(diào)整其干擾功率和干擾信道來(lái)最大化其對(duì)合法用戶正常通信的破壞。合法用戶也可以通過(guò)功率控制和信道分配等策略來(lái)對(duì)抗智能干擾者。此外，友好干擾和協(xié)同中繼等協(xié)作節(jié)點(diǎn)的引入能進(jìn)一步增強(qiáng)合法用戶的抗智能干擾能力。由于智能干擾者和合法用戶是完全對(duì)立且非合作的，因此很難獲取其干擾策略和位置信息等。為了對(duì)抗這種可以采用不同干擾策略的智能攻擊者，合法用戶可以借助博弈論建模它們之間的對(duì)抗關(guān)系，并通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法獲取最佳的功率分配和信道接入等對(duì)抗策略。

文獻(xiàn)[20]提出一種使用無(wú)人機(jī)作為中繼為車聯(lián)網(wǎng)中的車載單元傳輸信息的方案，提高了車聯(lián)網(wǎng)在干擾下的通信性能，并提出了抗干擾無(wú)人機(jī)中繼博弈模型。文獻(xiàn)[21]研究無(wú)人機(jī)功率控制抗干擾問(wèn)題，分別用動(dòng)態(tài)博弈和靜態(tài)博弈對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行建模，并采用Q學(xué)習(xí)算法求解無(wú)人機(jī)抗干擾功率決策。文獻(xiàn)[22]假設(shè)地面攻擊者是可以根據(jù)無(wú)人機(jī)的航跡來(lái)調(diào)整其干擾功率的智能干擾者，而合法用戶也具有一定的智能性，它們都基于深度Q網(wǎng)絡(luò)來(lái)優(yōu)化各自的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)各自的策略迭代最終使得合法用戶獲得優(yōu)于傳統(tǒng)抗智能干擾技術(shù)的性能。

目前，采用無(wú)人機(jī)協(xié)同傳輸來(lái)對(duì)抗智能干擾的研究尚處于起步階段。通過(guò)調(diào)研，本文擬從以下兩個(gè)方面展開(kāi)研究。

2.1 智能干擾下的無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)中繼協(xié)同傳輸

為了對(duì)抗智能干擾者，采用的第一種無(wú)人機(jī)協(xié)同傳輸方案是在無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)飛行軌跡固定的情況下，通過(guò)協(xié)同中繼的選擇和聯(lián)合發(fā)射無(wú)人機(jī)和中繼無(wú)人機(jī)的功率控制策略調(diào)整來(lái)提升合法無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的可靠通信，如圖1所示。

（1）智能干擾下的無(wú)人機(jī)協(xié)同傳輸中的單跳移動(dòng)中繼優(yōu)選?？紤]攻擊者工作在智能干擾模式下，可以通過(guò)調(diào)整干擾功率等策略降低無(wú)人機(jī)用戶的傳輸速率。在無(wú)人機(jī)的飛行軌跡是預(yù)定且已知的情況下，擬將無(wú)人機(jī)動(dòng)過(guò)程中的移動(dòng)中繼節(jié)點(diǎn)選擇問(wèn)題建模為動(dòng)態(tài)斯坦伯格博弈，研究分布式、快速的無(wú)人機(jī)單跳中繼選擇策略。根據(jù)預(yù)知的飛行軌跡指導(dǎo)中繼節(jié)點(diǎn)選擇決策，充分利用無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中所帶來(lái)的中繼傳輸機(jī)會(huì)，協(xié)助增強(qiáng)智能干擾下的無(wú)人機(jī)用戶的通信能力。

（2）智能干擾下的無(wú)人機(jī)協(xié)同傳輸中的多跳中繼協(xié)同。考慮智能干擾者干擾策略的智能調(diào)整，在無(wú)人機(jī)的飛行軌跡是預(yù)定且已知的情況下，擬將無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化的多跳中繼選擇問(wèn)題建模為多層動(dòng)態(tài)斯坦伯格博弈，研究可擴(kuò)展的無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)多跳中繼協(xié)同策略。

2.2 智能干擾下無(wú)人機(jī)功率控制和航跡聯(lián)合優(yōu)化

第二種無(wú)人機(jī)協(xié)同對(duì)抗智能干擾的方案是通過(guò)無(wú)人機(jī)的航跡控制和功率控制來(lái)提升其對(duì)抗智能干擾的能力。假設(shè)無(wú)線通信系統(tǒng)中存在無(wú)人機(jī)用戶和智能干擾者。無(wú)人機(jī)用戶的目的是在飛往其目的地的過(guò)程中保持與接收無(wú)人機(jī)的通信。同時(shí)，用戶在各個(gè)時(shí)間段有不同的可選飛行軌跡，將聯(lián)合軌跡優(yōu)化和功率控制抗干擾問(wèn)題建模為斯坦伯格博弈，設(shè)計(jì)相關(guān)算法得出用戶不同策略下的累積效用，進(jìn)而選擇最優(yōu)功率策略和軌跡策略對(duì)抗智能干擾者的攻擊。這種無(wú)人機(jī)收發(fā)協(xié)同傳輸聯(lián)合優(yōu)化方案，如圖2所示。

3 現(xiàn)有研究存在的問(wèn)題及發(fā)展前景

3.1 現(xiàn)有研究存在的問(wèn)題

總結(jié)無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)抗智能干擾方面的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，基于博弈學(xué)習(xí)的無(wú)人機(jī)協(xié)同傳輸抗干擾技術(shù)已經(jīng)取得了一些成果，但是針對(duì)智能干擾者干擾方式動(dòng)態(tài)變化、干擾策略快速調(diào)整和干擾位置隱蔽等特點(diǎn)，仍存在一些亟待解決的問(wèn)題：

（1）沒(méi)有充分考慮攻擊者的智能性和攻擊策略改變的靈活性；

（2）合法用戶和智能攻擊者之間的對(duì)抗大多在完美信息條件下進(jìn)行研究，較少考慮動(dòng)態(tài)變化和不完全信息條件下的安全可靠通信；

（3）無(wú)人機(jī)協(xié)同傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)還沒(méi)有充分被發(fā)掘，具體表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)協(xié)作規(guī)模較小，沒(méi)有發(fā)揮規(guī)模龐大的無(wú)人機(jī)群體智能優(yōu)勢(shì)。

3.2 未來(lái)發(fā)展前景

在面向智能攻擊時(shí)，依靠無(wú)人機(jī)智能決策，采用無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作傳輸，是對(duì)抗智能攻擊者一個(gè)有效手段。

利用無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)智能協(xié)同來(lái)提升安全穩(wěn)健的通信具有廣闊的發(fā)展前景。

（1）隨著智能干擾技術(shù)的發(fā)展，尤其是在融入了人工智能和通信對(duì)抗技術(shù)后，具備感知、學(xué)習(xí)和決策能力的智能干擾設(shè)備將成為通信對(duì)抗領(lǐng)域的重要對(duì)手。因此，研究智能干擾下的基于博弈學(xué)習(xí)的對(duì)抗方法是未來(lái)值得關(guān)注的研究方向。

（2）在研究無(wú)人機(jī)協(xié)同傳輸抗干擾問(wèn)題時(shí)，充分發(fā)掘無(wú)人機(jī)通信機(jī)動(dòng)性、智能性和軌跡可控的優(yōu)勢(shì)，考慮環(huán)境動(dòng)態(tài)變化、信道狀態(tài)信息不完美等條件下的穩(wěn)健可靠通信具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

（3）為了進(jìn)一步提高無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)抗干擾的有效性，可以考慮在多個(gè)維度靈活采用多種類型的抗干擾策略，研究面向無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的多域聯(lián)合抗干擾方法?？紤]到目前無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)作規(guī)模比較小和抗干擾手段單一的情況，研究大規(guī)模的無(wú)人機(jī)集群通信網(wǎng)絡(luò)多域聯(lián)合抗干擾方法會(huì)是一個(gè)具有挑戰(zhàn)的研究方向。

4 結(jié) 語(yǔ)

探究無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的抗智能干擾方法，通過(guò)博弈學(xué)習(xí)的方法，從協(xié)同中繼、功率控制和軌跡優(yōu)化等方面研究無(wú)人機(jī)協(xié)同傳輸抗干擾技術(shù)。針對(duì)目前抗智能干擾方面的局限性，提出在多個(gè)維度靈活采用多種類型的抗干擾策略相關(guān)前景展望，研究如何進(jìn)一步提高未來(lái)無(wú)人機(jī)群協(xié)同抗智能干擾的有效性。