國外無線通信抗干擾技術(shù)研究進(jìn)展*

征惠玲

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

1 引言

無線通信易受各種噪聲和干擾信號(hào)的影響，經(jīng)過近幾十年的研究，目前我國軍事通信領(lǐng)域已基本形成了以頻譜擴(kuò)展技術(shù)為主的無線通信抗干擾體制。然而，絕大多數(shù)方法在設(shè)計(jì)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(shù)的應(yīng)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(shù)和信息網(wǎng)絡(luò)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(shù)來應(yīng)對(duì)敵方的通信干擾。而與此同時(shí)，相關(guān)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(shù)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(yīng)用的條件。因此，在當(dāng)今日益惡劣的電磁環(huán)境下，對(duì)無線通信抗干擾技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)而深入的研究對(duì)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(duì)近年來國外研究團(tuán)隊(duì)提出的通信抗干擾新概念進(jìn)行了梳理和綜述，并對(duì)未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)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(duì)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(duì)抗技術(shù)體系、方法和措施，從而提高其在通信對(duì)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(kuò)頻技術(shù)、跳頻技術(shù);二是空間處理，如自適應(yīng)天線技術(shù)、分離技術(shù)等;三是時(shí)域處理，如猝發(fā)通信技術(shù)。在現(xiàn)代通信領(lǐng)域里擴(kuò)頻抗干擾技術(shù)和自適應(yīng)天線技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，但它們?cè)趯?shí)現(xiàn)上各自都有一定的局限性。

擴(kuò)頻抗干擾技術(shù)通常包括直擴(kuò)(DS)和跳頻(FH)兩種方式，其抗干擾原理是將信號(hào)頻譜在頻域上進(jìn)行擴(kuò)展，降低信號(hào)功率密度，使目標(biāo)信號(hào)掩藏在干擾信號(hào)和噪聲中，從而避免被敵方截獲來實(shí)現(xiàn)抗干擾。跳頻則是擴(kuò)頻抗干擾技術(shù)中應(yīng)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(yīng)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(shù)在應(yīng)用時(shí)，除需要擴(kuò)展頻譜帶寬外，還要預(yù)先生成并向各通信節(jié)點(diǎn)分發(fā)擴(kuò)頻參數(shù)，并且只有在收發(fā)雙方建立同步以后才能進(jìn)行通信。從目前來看，這種應(yīng)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(diǎn)數(shù)較多且動(dòng)態(tài)建立的通信網(wǎng)絡(luò)中，生成并預(yù)分配擴(kuò)頻參數(shù)的應(yīng)用方式缺乏靈活性;存在同步時(shí)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(shí)的跳變會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)吞吐量的損失;更高速率的跳頻將會(huì)對(duì)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(yán)重不足的問題，這一問題迫使業(yè)界必須對(duì)傳統(tǒng)跳頻體制進(jìn)行改進(jìn)或者尋求其他的解決方案。

自適應(yīng)天線技術(shù)的原理是基于信號(hào)和干擾傳來的方向差異，通過自動(dòng)調(diào)整天線陣的內(nèi)部參數(shù)(主波束對(duì)準(zhǔn)信號(hào)方向，副波束對(duì)準(zhǔn)干擾)以達(dá)到抗干擾的目的。后續(xù)發(fā)展出的智能天線技術(shù)就是自適應(yīng)天線技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)與軟件無線電技術(shù)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(shí)現(xiàn)自適應(yīng)天線尚有一定的技術(shù)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(yīng)用前景。

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

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(shù)

多維聯(lián)合抗干擾技術(shù)的實(shí)例化就是各處理域內(nèi)和域間的切換技術(shù)，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(yīng)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(yīng)(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(dú)立使用時(shí)抗干擾效率并不高［1－2］。鑒于此，美國亞利桑那大學(xué)(University of Arizona)電子與計(jì)算機(jī)工程系M.Krunz教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)采用了主動(dòng)掃描式干擾攻擊模型對(duì)動(dòng)態(tài)跳頻和速率自適應(yīng)相結(jié)合的無線抗干擾措施進(jìn)行了研究［3］。他們對(duì)通道數(shù)K、干擾成本L和信道切換成本C等參數(shù)進(jìn)行了研究和仿真，并對(duì)這種最佳組合措施和最佳FH模式、最佳RA模式、隨機(jī)FH 3種抗干擾技術(shù)下各參數(shù)所能達(dá)到的性能進(jìn)行了對(duì)比。多次試驗(yàn)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(tuán)隊(duì)正準(zhǔn)備對(duì)波形自適應(yīng)與跳頻技術(shù)的聯(lián)合抗干擾效果進(jìn)行研究。

3.1.2 頻域－功率域聯(lián)合

近年來，不需要預(yù)先共享跳頻參數(shù)的抗干擾技術(shù)已經(jīng)受到廣泛的關(guān)注［4－5］，通常是采用一種被稱為非協(xié)同跳頻(UFH)的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。由于這種技術(shù)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(huì)對(duì)系統(tǒng)性能造成制約的不足。盡管研究人員們對(duì)非協(xié)同跳頻技術(shù)在持續(xù)進(jìn)行改進(jìn)，但也僅限于頻域處理一個(gè)維度上。2012年，美國伊利諾理工學(xué)院(Illinois Institute of Technology)助理教授Kui Ren帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)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(gè)維度上實(shí)現(xiàn)抗干擾決策，以有效改善UFH技術(shù)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(xué)習(xí)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(gè)等級(jí)，功率預(yù)算有限的發(fā)送方可根據(jù)自身?xiàng)l件選擇發(fā)射通道和相應(yīng)的傳輸功率。發(fā)送方將持續(xù)保持對(duì)信道狀態(tài)的知悉，并根據(jù)接收方反饋的信息自適應(yīng)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(jī)干擾機(jī)分為最大延時(shí)干擾機(jī)(Type－1)和概率干擾機(jī)(Type－II)2類，大量的仿真已驗(yàn)證該方案也可以有效應(yīng)對(duì)各種不同的干擾攻擊。

3.1.3 空－時(shí)－頻域聯(lián)合

無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展加劇了對(duì)高速率應(yīng)用和寬帶業(yè)務(wù)的需求，而正交頻分多址(OFDMA)技術(shù)則是可以滿足這一需求的主要候選技術(shù)之一。它將整個(gè)信道分為多個(gè)相互正交的并行子信道，每個(gè)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(shù)可以緩解多徑環(huán)境下導(dǎo)致的符號(hào)間干擾(ISI)問題?？諘r(shí)編碼技術(shù)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(shù)雖然可以實(shí)現(xiàn)高速高質(zhì)量的無線傳輸，但其抗干擾能力卻并不強(qiáng)。尤其對(duì)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(guān)重要。針對(duì)傳統(tǒng)跳頻抗干擾措施的效率低且對(duì)未來通信系統(tǒng)高速大容量的需求，美國密西根州立大學(xué)(Michigan State University)寬帶接入無線通信實(shí)驗(yàn)室(BAWC)研究人員將OFDM、空時(shí)編碼和跳頻技術(shù)有效結(jié)合，于2008年提出一種基于OFDM技術(shù)的空－時(shí)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(duì)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(jìn)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(jī)框圖Fig.1 Block diagram of STC－CFFH transmitter

試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室針對(duì)該技術(shù)形成了多項(xiàng)研究成果。

此外，在空－時(shí)域聯(lián)合抗干擾方面空時(shí)自適應(yīng)處理(Space－ Time Adaptive Processing，STAP)技術(shù)也已經(jīng)在眾多領(lǐng)域應(yīng)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(xué)院(ETH Zurich)Christina P?pper教授帶領(lǐng)的抗干擾研究團(tuán)隊(duì)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(jī)選擇跳頻信道進(jìn)行信息傳輸，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在同一個(gè)時(shí)隙周期內(nèi)跳到同一個(gè)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(diǎn)之間預(yù)先協(xié)同跳頻參數(shù)。該技術(shù)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(shí)現(xiàn)抗干擾，本質(zhì)上也是一種多維聯(lián)合抗干擾技術(shù)。

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

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

3.1.5 消息驅(qū)動(dòng)的跳頻

當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)用戶在同一頻段上進(jìn)行通信時(shí)，采用傳統(tǒng)的跳頻通信方式會(huì)發(fā)生沖突，導(dǎo)致頻譜效率比較低。而今年提出的消息驅(qū)動(dòng)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(jī)序列預(yù)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(shí)現(xiàn)更快速的跳頻，而且還會(huì)解決多址跳頻系統(tǒng)中存在的沖突問題。該技術(shù)本質(zhì)上是一種多手段聯(lián)合的廣義抗干擾技術(shù)。

自美國密西根州立大學(xué)寬帶接入無線通信實(shí)驗(yàn)室(BAWC)2007年提出這一概念后［12］，科研人員一直在對(duì)其做深入研究，2013年1月發(fā)表了關(guān)于該技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和能力分析的相關(guān)研究成果［13－14］。

3.2 認(rèn)知抗干擾

認(rèn)知抗干擾技術(shù)是認(rèn)知通信思想在抗干擾通信領(lǐng)域的應(yīng)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(shí)現(xiàn)高效可靠的抗干擾通信。認(rèn)知抗干擾通信技術(shù)通過對(duì)復(fù)雜電磁干擾環(huán)境的認(rèn)知，采用學(xué)習(xí)和智能決策方法，實(shí)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(guān)于認(rèn)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(rèn)知抗干擾

美國馬里蘭大學(xué)(University of Maryland)K.J.Ray Liu教授所帶領(lǐng)的信號(hào)與信息研究組將認(rèn)知通信網(wǎng)絡(luò)中的次級(jí)用戶和干擾方之間的對(duì)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(shù)

MIMO技術(shù)作為近年來通信領(lǐng)域的一個(gè)重要技術(shù)，引起了人們的廣泛關(guān)注與研究興趣，亞利桑那大學(xué)Marwan Krunz教授的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)將MIMO技術(shù)引入認(rèn)知無線系統(tǒng)進(jìn)行了研究，這樣使標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)知無線系統(tǒng)在功率控制和頻率管理之外又引入了兩個(gè)新的控制維度:由天線進(jìn)行功率分配(空間域)和干擾管理。這樣的MIMO－CR節(jié)點(diǎn)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(duì)消

意大利羅馬大學(xué)(Sapienza University of Rome)的Roberto Di Pietro y和Gabriele Oligeri 2013年提出了一種可以對(duì)抗認(rèn)知干擾的創(chuàng)新技術(shù)，它將分布式、概率協(xié)議引入頻譜配對(duì)的網(wǎng)絡(luò)中［17］，使得每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以動(dòng)態(tài)的發(fā)現(xiàn)匹配的目標(biāo)并在一個(gè)隨機(jī)可用的頻率上實(shí)現(xiàn)同步。他們認(rèn)為這一概念將為認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)抗干擾技術(shù)進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。

4 抗干擾通信技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)與建議

隨著人們對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的依賴性越來越高，泛在的無線網(wǎng)絡(luò)互連同時(shí)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(dòng)力。

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

(1)對(duì)一些新興的概念和技術(shù)進(jìn)行深入的分析和研究，如非協(xié)同跳頻、消息驅(qū)動(dòng)的跳頻和認(rèn)知抗干擾技術(shù)，以及國內(nèi)學(xué)者龍德浩、陳志清提出的δ/θ型基帶相關(guān)檢測(cè)/解擴(kuò)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(shù)的組合應(yīng)用以及新技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的綜合應(yīng)用，使抗干擾效率最大化;

(3)考慮網(wǎng)絡(luò)化、體系化和智能化抗干擾的發(fā)展所需要手段和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)級(jí)的抗干擾能力。

美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)(Carnegie Menon University)的健壯型無線通信系統(tǒng)研究團(tuán)隊(duì)也正著手對(duì)下一代干擾攻擊及其對(duì)抗方法進(jìn)行研究。團(tuán)隊(duì)研究人員認(rèn)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(luò)中，對(duì)物理層實(shí)施干擾會(huì)引起高層協(xié)議的共鳴，比如會(huì)增加MAC層的沖突和競爭，妨礙網(wǎng)絡(luò)層的路由發(fā)現(xiàn)，增加傳輸層的延時(shí)并會(huì)影響傳輸速率控制，以及導(dǎo)致應(yīng)用層的罷工。干擾方可以針對(duì)這一特點(diǎn)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(shí)施干擾，對(duì)特定的地理位置或來自特定應(yīng)用的目標(biāo)數(shù)據(jù)包實(shí)施重點(diǎn)干擾。而且，同樣的攻擊技術(shù)可以用于對(duì)抗其他威脅。而隨著軟件無線電技術(shù)的推廣應(yīng)用，可以利用新型的通過軟件實(shí)現(xiàn)的信號(hào)處理、通信和組網(wǎng)技術(shù)來消除各種方式的干擾攻擊。這種方法通常包括可準(zhǔn)確診斷并修復(fù)協(xié)議?；蛲ㄟ^網(wǎng)絡(luò)接口共享信息和信號(hào)的跨層設(shè)計(jì)技術(shù)。最后，研究表明，多通道通信、多徑路由、自適應(yīng)傳輸協(xié)議都可以用于實(shí)現(xiàn)各個(gè)層次的分集以幫助消除干擾攻擊，甚至在干擾方處于移動(dòng)和相對(duì)隱身狀態(tài)時(shí)。

5 結(jié)語

通信干擾與抗干擾都是電子戰(zhàn)的一部分，面對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境尤其是敵方的電子進(jìn)攻，通信抗干擾的作用將越來越重要?？傊?，當(dāng)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(rèn)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(duì)我國軍事系統(tǒng)的通信、指揮控制甚至全軍信息網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)均有至關(guān)重要的意義。

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