軍事智能抗干擾無線通信發(fā)展要求及分析

郭 銳，閆建峰，梁 亮

(中國艦船研究院，北京 100192)

軍事智能抗干擾無線通信發(fā)展要求及分析

郭 銳，閆建峰，梁 亮

(中國艦船研究院，北京 100192)

探討了未來軍事無線通信干擾手段的發(fā)展趨勢和抗干擾無線通信發(fā)展的要求。提出了智能抗干擾無線通信系統(tǒng)應(yīng)具備的基本能力，并對實現(xiàn)過程進行了詳細描述和分析，在使無線頻譜資源最優(yōu)化動態(tài)利用的同時，為軍事抗干擾無線通信提供了一個可選擇的技術(shù)參考途徑。

抗干擾通信;動態(tài)頻譜感知;智能決策

0 引言

軍事通信系統(tǒng)是現(xiàn)代和未來戰(zhàn)爭指揮控制的重要神經(jīng)系統(tǒng)，無線通信是戰(zhàn)爭中敵方首要攻擊、破壞的目標?！爸齐姶蓬l譜權(quán)”已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中敵我雙方除海、陸、空、天外爭奪的第五維戰(zhàn)場空間。在以信息作戰(zhàn)和網(wǎng)絡(luò)作戰(zhàn)為特征的現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，圍繞電磁頻譜的爭奪和對抗成為戰(zhàn)爭中奪取的重要制高點。要使作戰(zhàn)單元在任何地點、任何時間獲取可靠信息，發(fā)揮最大的戰(zhàn)斗效能，軍事通信系統(tǒng)必須具有頑強的生存能力，主要表現(xiàn)在抗干擾、反偵察、抗毀、機動和保密等5個方面。在面向信息對抗和網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的戰(zhàn)場環(huán)境下，軍事通信抗干擾已經(jīng)成為信息化作戰(zhàn)關(guān)注的焦點和難點問題［1］。

因此，在未來的戰(zhàn)場上要保證戰(zhàn)場通信，必須要發(fā)展新的智能化的抗干擾通信技術(shù)來應(yīng)對敵方的各種干擾手段，要求通信系統(tǒng)的干擾感知與通信抗干擾一體化設(shè)計，這樣才能保證通信抗干擾具有針對性和實時性［2－3］。戰(zhàn)場的無線抗干擾通信技術(shù)要求在戰(zhàn)場環(huán)境下，能實時偵查、識別出戰(zhàn)場環(huán)境下的干擾體制或方法，以便選擇最佳的通信方式與之對抗，保證通信的連續(xù)性。

1 未來無線通信干擾手段的發(fā)展趨勢

目前，軍事通信干擾技術(shù)正朝著以下幾個方向發(fā)展:綜合化、一體化、智能化通信對抗條件下的通信干擾技術(shù);遠程大功率干擾技術(shù)不斷應(yīng)用;分布式網(wǎng)絡(luò)化干擾技術(shù)成為發(fā)展重點;干擾領(lǐng)域向多維對抗的方向發(fā)展;通信對抗盲偵察、盲干擾技術(shù)不斷得到應(yīng)用。

在傳統(tǒng)電子戰(zhàn)中，一旦通信方的自適應(yīng)無線通信系統(tǒng)針對有意或無意的干擾做出了信號調(diào)整后，干擾方的一般做法是先記錄下新的信號，然后送回實驗室分析，再進行干擾決策與實施，由于處理周期較長，干擾識別和干擾施加的實時性很難保證，干擾的效能也很難估計。

但在未來電子戰(zhàn)中，干擾設(shè)備是集信號偵查與識別、通信信號的特征描述、干擾效果的評估、干擾指揮與顯示的一體化設(shè)計，使得干擾設(shè)備具備更強的偵查能力。這種自適應(yīng)電子戰(zhàn)的行為學(xué)習(xí)能力將使電子戰(zhàn)設(shè)備能在戰(zhàn)場上實時地自行檢測、分析、識別敵方新的通信信號，而后對他們進行高效的干擾，并評估射頻干擾效果。通過這一能力，可有效對付敵方先進通信設(shè)備的抗干擾手段，從而確保己方對敵方通信進行持續(xù)干擾?；竟ぷ鬟^程如圖1所示。

圖1 自適應(yīng)電子戰(zhàn)的行為學(xué)習(xí)過程Fig.1 The behavior study process of adaptive electronic warfare

干擾系統(tǒng)通過前端高性能的寬帶接收機，可以快速識別工作頻段的所有已知和未知非協(xié)作信號，對已知的非協(xié)作信號進行快速檢測和特征描述，并與歷史數(shù)據(jù)庫對比，快速做出干擾反應(yīng);對未知的非協(xié)作信號，首先進行特征分析與描述，傳送至指揮與顯示中心，采用人工與機器自動識別相結(jié)合的方式進行判別，并在最短的時間內(nèi)根據(jù)信號的特征啟動最有效的干擾方式，同時系統(tǒng)會通過反復(fù)分析、迭代，最終把未知的非協(xié)作信號的基本特征提取出來變成已知的非協(xié)作信號，存入歷史數(shù)據(jù)庫，該類信號再次出現(xiàn)時，干擾系統(tǒng)能快速做出反應(yīng)。

在未來這種具有自適應(yīng)電子戰(zhàn)的行為學(xué)習(xí)能力的干擾方式下，傳統(tǒng)的抗干擾通信體制已經(jīng)很難達到抗偵查、抗干擾的目的。

2 未來抗干擾無線通信的發(fā)展要求

通信對抗中的通信一方努力避開干擾頻段重新尋找可用頻譜資源，而本已緊張的頻譜資源，加上敵方干擾的寬帶化、大功率化、多樣化、智能化的發(fā)展，使得為對抗干擾而尋找新的可用頻譜資源的努力受到極大限制。為達到更好的通信抗干擾效果，需要更大的頻譜變化范圍和更寬的工作帶寬，而頻譜資源緊張和使用不均衡造成常常出現(xiàn)已無可跳、可擴頻段的情況。傳統(tǒng)的抗干擾通信的體制缺陷日益突出，已成為制約信息對抗領(lǐng)域通信方發(fā)展的瓶頸之一。

目前的抗干擾通信多基于固定頻譜通信，固定頻譜通信體制由于通信過程中心頻率(或頻率集)固定不變或變化不大，頻譜會表現(xiàn)出重復(fù)性規(guī)律，給偵察提供了大量固定的信號特征信息，也給偵察以充分的處理時間，便于存儲和建立信號特征數(shù)據(jù)庫，在戰(zhàn)時對出現(xiàn)該類信號能被快速判別和進行干擾和破壞。

為對抗敵方的偵查與干擾，通常采用自適應(yīng)無線通信方式是一個很好的選擇。自適應(yīng)無線通信系統(tǒng)能自動進行信號調(diào)整，以對付有意或無意的干擾。但傳統(tǒng)的自適應(yīng)無線通信由于其自適應(yīng)調(diào)節(jié)的參數(shù)狀態(tài)有限，再加上工作時對外部的頻譜或其他干擾特征的實時感知能力有限，因此表現(xiàn)出的抗干擾能力也非常有限。

智能自適應(yīng)無線電是無線通信系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，可根據(jù)環(huán)境變化自適應(yīng)調(diào)整的系統(tǒng)的工作參數(shù)，包括頻率、瞬時帶寬、調(diào)制方式、糾錯編碼、補償策略、系統(tǒng)定時、數(shù)據(jù)速率、發(fā)射功率、濾波特性等［4］，所有的這些智能自適應(yīng)特性都必須建立在強大的環(huán)境感知能力與智能的決策能力基礎(chǔ)上。

未來戰(zhàn)爭是體系對體系的對抗，如何在電磁對抗中取得優(yōu)勢是決定未來戰(zhàn)爭勝負的首要因素。要在戰(zhàn)場復(fù)雜多變的電磁環(huán)境下獲得現(xiàn)代戰(zhàn)爭的信息制高點，必須通過實時感知干擾和己方工作頻譜的動態(tài)變化情況，認知干擾和頻譜空洞特征，通過智能推理與決策，自主選擇頻譜并動態(tài)重構(gòu)各類調(diào)制波形，適應(yīng)電磁環(huán)境的動態(tài)變化，實現(xiàn)高效、可靠的抗干擾通信。只有充分利用頻域、空域、時域及能量域抗干擾空間，自動適應(yīng)和對抗敵方不斷發(fā)展的偵察和干擾手段，才能最大限度發(fā)揮無線通信裝備與網(wǎng)絡(luò)體系作戰(zhàn)效能。智能抗干擾通信系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖2所示。

1)寬帶接收機

寬帶接收機是智能抗干擾通信系統(tǒng)最重要的前端設(shè)備之一，要求頻帶寬，靈敏度高，分辨率高，是對無線電通信電磁環(huán)境感知的基礎(chǔ)設(shè)備，通過它能實時監(jiān)測電磁頻譜態(tài)勢的快速變化，通過時、頻、空多維感知，為系統(tǒng)進行實時的電磁頻譜環(huán)境分析提供動態(tài)輸入。

圖2 智能抗干擾無線通信系統(tǒng)基本構(gòu)成Fig.2 The structure of intelligent anti-interference wireless communications system

2)頻譜檢測與特征描述

根據(jù)寬帶接收機輸入的多維電磁頻譜環(huán)境數(shù)據(jù)信息，對監(jiān)視頻段內(nèi)的相關(guān)電磁環(huán)境參量進行描述和分類，如背景噪聲幅度、穩(wěn)定性、時效性、干擾溫度、典型干擾信號、非典型干擾信號等［5－9］。建立各種背景噪聲、信號的特征數(shù)據(jù)庫，為下一階段的頻譜、干擾分析提供輸入。

3)動態(tài)共享頻譜池

高效的動態(tài)頻譜分配是智能抗干擾無線通信系統(tǒng)的必然要求，動態(tài)頻譜分配和頻譜共享技術(shù)都能顯著提高頻譜利用率，也是提高頻譜利用率的根本方法［10－11］。但動態(tài)頻譜分配方式需要改變現(xiàn)有頻譜分配總體結(jié)構(gòu)，對頻譜管理、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、通信終端等方面要求改動較大，實現(xiàn)難度較大;而頻譜共享技術(shù)在不改變現(xiàn)有頻譜分配總體機構(gòu)下，通過無線電頻譜共享方式來提高頻譜利用率，實現(xiàn)難度相對動態(tài)頻譜分配更小一些。根據(jù)各類無線通信系統(tǒng)在時間、頻率、空間上對頻率資源利用的不均衡，采用共享方式充分利用未得到利用的頻譜資源。

具體實現(xiàn)過程是通過頻譜檢測與特征描述提供的背景噪聲、信號數(shù)據(jù)庫信息，結(jié)合頻率預(yù)測、干擾信號預(yù)測、信道預(yù)測(探測)和具體的頻率優(yōu)選策略建立共享頻譜池，而且頻譜池能動態(tài)的隨頻譜環(huán)境的變化而實時更新，為動態(tài)頻譜介入提供優(yōu)等頻率資源。

4)干擾模式與頻譜預(yù)測

未來戰(zhàn)場的無線抗干擾通信技術(shù)要求在戰(zhàn)場環(huán)境下，能實時偵查、識別出干擾體制或方法，以便選擇最佳的通信方式與之對抗。確定噪聲門限及干擾門限，進行干擾情況下的頻譜空洞預(yù)測，為鏈路控制層及介質(zhì)訪問控制層實時提供可用信道資源;通過干擾模式的偵查、識別，為頻譜空洞智能化選擇及綜合智能抗干擾策略提供決策依據(jù)。

5)波形庫

建立適合多種信道條件的完備波形庫，供智能決策庫選擇，以適應(yīng)復(fù)雜的戰(zhàn)場電磁頻譜環(huán)境。

6)信道探測/預(yù)測

信道探測需要與實際通信過程相結(jié)合，通過探測可實時掌握實際工作信道的信道特性、通信性能，同時對當前信道特性、通信指標進行存儲記錄，并建立信道特性數(shù)據(jù)庫。通過歷史信道特征庫對信道特性進行有限時間內(nèi)的準實時預(yù)測，為最優(yōu)信道的選取和與之相匹配波形的選擇提供基礎(chǔ)參數(shù)。

7)智能決策庫

智能決策庫是智能抗干擾無線通信系統(tǒng)的核心，通過智能的綜合、推理和決策，自主地從“動態(tài)共享頻譜池”選擇適合當前信道特性的工作頻率和與之相匹配的通信波形，并調(diào)整本系統(tǒng)的工作方式與參數(shù)進行重構(gòu)，從而達到快速適應(yīng)電磁頻譜環(huán)境的變化，有效、連續(xù)傳輸信息的目的。

8)通信效果評估與分析

對實際通信過程的通信效果進行評估，建立通信效果評估等級，估計必要的系統(tǒng)參數(shù)，為智能決策庫提供反饋信息，以便進行更精確的參數(shù)調(diào)整。通信效果評估與分析結(jié)果也可以直接輸出至控制與顯示模塊，為系統(tǒng)的使用者或決策者提供參考。

9)控制和顯示

為智能抗干擾無線通信系統(tǒng)提供輸入、輸出。系統(tǒng)的使用者或決策者可以通過控制功能對系統(tǒng)本身的決策庫進行干預(yù)，調(diào)整決策策略。通過顯示功能為使用者提供系統(tǒng)頻譜態(tài)勢、通信效果、通信指標等具體參考信息。

10)自適應(yīng)控制器

自適應(yīng)控制器是智能抗干擾通信系統(tǒng)執(zhí)行控制中心，它需要綜合智能決策庫、通信效果評估與分析、控制和顯示等輸入信息，啟動相應(yīng)的外圍設(shè)備開始相應(yīng)的通信功能。

各模塊協(xié)調(diào)工作，構(gòu)成了完整的智能抗干擾無線通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)可隨通信干擾技術(shù)和手段的發(fā)展以及系統(tǒng)本身相關(guān)設(shè)備性能指標的提高而不斷的優(yōu)化、完備，從而達到有效對抗各種新式干擾的目的。

3 結(jié)語

未來的智能抗干擾無線通信系統(tǒng)可實時感知判斷戰(zhàn)場環(huán)境的頻譜態(tài)勢，對頻譜環(huán)境的變化快速做出反應(yīng)，使通信能實時利用最優(yōu)的頻譜資源和最佳匹配波形，最大程度上保證通信過程的持續(xù)性。這種集頻譜態(tài)勢感知、頻譜管理、智能決策一體的通信手段，在最優(yōu)化利用頻譜資源的同時也達到了智能抗干擾通信的目的。

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The development requirements and analysis of military intelligent anti-interference wireless communications

GUO Rui，YAN Jian-feng，LIANG Liang
(China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，China)

This article explores the means of future military wireless communication interference trend and the development of anti-interference wireless communication requirements.Proposed the basic ability of intelligent anti-interference wireless communication should have described and analyzed the implementation process.Wireless spectrum not only the most optimal use of resources and provides an alternative way of technical information for military intelligent anti-interference wireless communications.

anti-interference wireless communication;dynamic spectrum sensing;intelligent decision-making

TN97

A

1672－7649(2011)06－0019－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.06.005

2011－05－06

國家自然科學(xué)基金重點資助項目(60832006)

郭銳(1977－)，男，碩士，工程師，主要從事無線通信領(lǐng)域研究。