對認知無線電用頻OODA環(huán)的主動有源電子對抗偵察

石 榮，鄧 科，劉 江，胡 蘇

(1.電子信息控制重點實驗室，四川 成都 610036；2.電子科技大學通信抗干擾國家重點實驗室，四川 成都 611731)

0 引 言

電子對抗偵察是電子戰(zhàn)的三大組成部分之一，主要是截獲分析敵方電子信息設備所輻射的電磁信號，以獲取其技術參數(shù)和位置，并確定該設備的用途和類型等情報的偵察[1-2]。傳統(tǒng)的電子對抗偵察是典型的被動無源偵察，偵察設備自身不對外產(chǎn)生電磁輻射，僅僅是被動接收外界電磁輻射源產(chǎn)生的信號，并以此作為后續(xù)情報生成的原始輸入來進行信息加工。這樣一來，傳統(tǒng)電子對抗偵察面臨的最大問題就是輻射源目標的電磁靜默和非完備輻射[3]，造成電磁目標在電磁域消失或電磁特征信息殘缺不全。特別是近年來具有頻譜自動感知和自適應頻譜空洞利用能力的認知無線電迅速發(fā)展[4-5]，這使得信號情報生成的有效性和全面性帶來了極大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)偵察方法對此類目標實施偵察時受到了嚴重制約[6]，所以主動有源電子對抗偵察應運而生[7]，并與傳統(tǒng)偵察方式一起形成了全新的電子對抗偵察系統(tǒng)。

針對上述技術發(fā)展趨勢，本文利用電磁輻射源行為學中的原理和方法[8]，對認知無線電通信終端的用頻行為進行了研究，揭示了其所具有的觀察、調(diào)整、決策和行動的OODA環(huán)典型特征，對這一OODA環(huán)的通用描述參數(shù)進行了歸納總結。并針對上述參數(shù)一一闡述了實施主動有源電子對抗偵察的方法與流程，在此基礎上以變換域通信系統(tǒng)這一具有代表性的認知無線電設備為實驗對象，通過主動有源電子對抗偵察方法獲得了其用頻OODA環(huán)的各項特征參數(shù)，驗證了該方法的有效性與實用性，詳細闡述如下。

1 認知無線電用頻行為的OODA環(huán)

1999年MILTRE公司的Joseph Mitola博士在IEEE Personal Communications 雜志上發(fā)表論文，首次提出“認知無線電”的概念，這實際上是Mitola博士以前提出的“軟件無線電”概念的升級與發(fā)展。認知無線電采用基于模型的方法，按照無線電頻譜使用規(guī)則進行各種知識的表征與推理，在對外界電磁環(huán)境感知的基礎上，對工作頻段、發(fā)射功率、調(diào)制方式等進行自適應調(diào)整，以適應通信終端的動態(tài)頻譜應用，從而提高頻譜使用的效率。由此可見，認知無線電可按照某種“伺機”方式工作在已授權的頻段內(nèi)，及時發(fā)現(xiàn)可被利用的“頻譜空洞”，并合理地加以利用。

認知無線電對頻譜空洞的檢測實際上就是對其所在電磁環(huán)境的觀察(Observe)；然后對接收到的電磁信號進行頻譜分析，搜尋出其中的備選頻譜空洞，這一步相當于對所得到的數(shù)據(jù)進行信息加工與調(diào)整(Orient)；在此基礎上根據(jù)用頻規(guī)則，以及自身所積累的用頻經(jīng)驗，做出高效合理的用頻決策(Decide)，即哪些頻譜空洞是可以利用的，而哪些頻譜空洞是需要保護的；最后執(zhí)行用頻決策，即行動環(huán)節(jié)(Act)，在頻譜空洞中進行通信信息的交換與傳輸。由此可見，認知無線電的整個頻率使用的工作流程可概括為：頻譜感知，頻譜分析、信道容量估計與供需預測，頻譜資源使用決策，用頻通信傳輸。于是認知無線電用頻行為的OODA循環(huán)總結如圖1所示。

圖1 認知無線電用頻行為的OODA環(huán)圖示

上述OODA環(huán)模型是一個最簡版，實際上更復雜的模型還包含了OODA大循環(huán)中嵌套了各種小的OODA循環(huán)[9]，但更復雜的模型是以圖1為代表的簡化模型為基礎，對簡化模型的清晰分析是后續(xù)進一步深化研究的前提。接下來就以圖1中的認知無線電用頻行為的OODA環(huán)為研究對象，對其特征參數(shù)進行歸納總結如下。

2 用頻行為的OODA環(huán)通用描述參數(shù)

認知無線電用頻行為OODA環(huán)的通用描述參數(shù)主要有如下6類：

(1)工作頻段范圍Bf

工作頻段實際上是所有電磁目標最基本的特性之一，同時也是用頻OODA環(huán)能夠建立與運行的基礎與前提。認知無線電用頻OODA循環(huán)中第一個環(huán)節(jié)就是觀察，對應了電磁信號的接收，相當于整個系統(tǒng)的輸入；而最后一個環(huán)節(jié)就是行動，對應了電磁信號的發(fā)射，相當于整個系統(tǒng)的輸出。所以工作頻段范圍Bf可進一步細分為觀察端工作頻段范圍Bob與行動端工作頻段范圍Bact。Bob是指認知無線電能夠接收和感知外界電磁信號的頻段范圍；而Bact是指認知無線電自身輻射電磁信號的頻段范圍。

(2)反應時間τr

反應時間τr用于描述一個認知無線電設備完成從觀測、調(diào)整、決策到最后行動的一次完整OODA循環(huán)所耗費的時間長度；反應時間的倒數(shù)又稱為反應速度vr=1/τr，同樣是描述OODA循環(huán)快慢的參數(shù)。如果將一次OODA循環(huán)進行細分，可分別得到觀察時間τob、調(diào)整時間τori、決策時間τdec和行動時間τact，且有下式成立：

τr=τob+τori+τdec+τact

(1)

相應的上述各個參數(shù)的倒數(shù)也分別對應了觀測速度vob、調(diào)整速度vori、決策速度vdec和行動速度vact。

(3)反應靈敏度sr,min

反應靈敏度sr,min即是能夠使認知無線電狀態(tài)發(fā)生改變的外界最小刺激信號強度。一般情況下狀態(tài)的改變是通過行動來體現(xiàn)的，相當于通過對認知無線電的輸出信號的觀測來推斷其狀態(tài)是否發(fā)生改變。另一方面，反應靈敏度可能會隨著外界刺激信號形式不同而不同，所以在描述認知無線電的反應靈敏度時一定要附加說明外界施加的刺激信號的形式，包括該信號的各種調(diào)制參數(shù)。這對于準確描述在不同形式的外界刺激信號作用下認知無線電用頻OODA環(huán)的特性是必要的。

需要區(qū)分認知無線電的反應靈敏度sr,min與觀測靈敏度sob,min，sob,min是指其OODA循環(huán)中的第一個觀察環(huán)節(jié)能夠接收到的最小信號強度。在電子對抗中所面對的電磁目標大多數(shù)都是非合作的，所以sob,min一般難以估計，而sr,min可通過主動有源電子對抗偵察手段來獲得。

(4)能夠承受外界最大的刺激強度sr,max

認知無線電對外界刺激信號的接收與觀測是存在一定極限的，如果超過這一極限，其用頻OODA循環(huán)將會發(fā)生混亂或中斷，導致其任務完成率急劇降低，所以能夠承受外界最大的刺激強度sr,max是認知無線電用頻OODA環(huán)的一個重要參數(shù)。通過sr,max和sr,min這兩個參數(shù)即可計算出認知無線電能夠承受外界刺激的動態(tài)范圍dr如下式所表達：

dr=sr,max-sr,min

(2)

同樣sr,max可能會隨著外界刺激信號形式不同而不同，所以在描述認知無線電的sr,max時一定要附加說明外界施加刺激信號的形式，包括該信號的各種調(diào)制參數(shù)。

(5)環(huán)路系統(tǒng)時變特性判定參數(shù)Jtv

環(huán)路系統(tǒng)時變特性判定參數(shù)Jtv是一個二值化參數(shù)，當Jtv=0時表示該認知無線電用頻OODA環(huán)路是一個時不變系統(tǒng)，即狀態(tài)演化和行動輸出僅僅依賴于當前的狀態(tài)和未來的系統(tǒng)觀察輸入，而與時刻無關；當Jtv=1時表示該認知無線電用頻OODA環(huán)路系統(tǒng)是一個時變系統(tǒng)，即狀態(tài)演化和行動輸出不僅依賴于當前的狀態(tài)和未來的系統(tǒng)觀察輸入，而且還依賴于不同的時刻值。時變OODA環(huán)相對于非時變OODA環(huán)所表現(xiàn)出來的特性是大不一樣的，前面我們所歸納總結的4類特征參數(shù)：工作頻段范圍、反應時間、反應靈敏度和能夠承受外界最大的刺激強度，對于時變OODA環(huán)來講都可能隨時間發(fā)生改變，表現(xiàn)為時間的函數(shù)；而非時變OODA環(huán)中的上述4類特征參數(shù)是一個固定值，不會隨時間改變。

(6)對特定刺激的反應正確率rcor

反應正確率rcor是針對某種特定刺激反復施加于認知無線電系統(tǒng)之后，對系統(tǒng)產(chǎn)生合理預定行為的概率統(tǒng)計值，記反復施加相同刺激的次數(shù)為Ntotal，而產(chǎn)生合理預定行為的次數(shù)為Ncor，則反應正確率rcor如下式所表達：

(3)

由此可見，在給出反應正確率時一定要對特定刺激的信號形式進行詳細記錄，因為不同的刺激信號其正確率也不相同。實際上正確率參數(shù)主要用于對不同認知無線電的用頻OODA環(huán)的性能對比，從而間接反映其判斷調(diào)整與決策行動環(huán)節(jié)的相關特性。

上述6類參數(shù)是所有認知無線電用頻OODA環(huán)都具有的通用參數(shù)，除此之外，不同的認知無線電系統(tǒng)，其OODA環(huán)還有自己特有的專用參數(shù)，專用參數(shù)是與具體的目標對象緊密結合在一起中，關于這一點后續(xù)還會進一步地分析。

3 對此類OODA環(huán)主動有源偵察方法

針對前面歸納總結的認知無線電用頻OODA環(huán)6類通用描述參數(shù)，可采用主動有源電子對抗偵察方法進行估計，分別闡述如下：

(1)工作頻段參數(shù)的估計

如前所述，工作頻段參數(shù)細分為觀察端工作頻段范圍Bob與行動端工作頻段范圍Bact。其中Bact對應了電磁目標發(fā)射電磁信號的頻段范圍，利用偵察設備通過長期控守偵測與統(tǒng)計即可獲得，這是傳統(tǒng)信號偵察手段所完全具備的。但是對于認知無線電的觀察端工作頻段范圍Bob，由于這對應于電磁信號的輸入范圍，這個參數(shù)在傳統(tǒng)信號偵察中是無法獲得的。但我們采用主動有源電子對抗偵察方法，在保持其它外界電磁環(huán)境因素恒定不變的條件下，對電磁目標主動輻射電磁探測信號Spr，同時觀察接收其輻射輸出信號的變化，如果輸出有變化，說明其對Spr有應激效應，則意味著上述主動輻射Spr的頻率成分中一定有一部分包含在認知無線電觀察端工作頻段范圍Bob之內(nèi)。按照這一原理，通過發(fā)射不同波形的探測信號，長期統(tǒng)計觀察來推斷Bob。

假設采用窄帶探測信號Sp,i對電磁目標實施激勵，i∈{1,2,…,N}，N為探測信號的個數(shù)，其對應的頻率記為fp,i，通過激勵之后可由下式推斷出認知無線電觀察端工作頻段范圍Bob為：

Bob=∪{fp,i|Sp,iisavailable}

(4)

其中∪表示集合的并運算，available表示認知無線電對Sp,i有反應。實際上針對不同類型的認知無線電其探測信號的設計也各不相同，需要具體問題具體分析。

(2)反應時間的估計

如式(1)所示，雖然認知無線電用頻的OODA反應時間τr由觀察時間τob、調(diào)整時間τori、決策時間τdec和行動時間τact四部分組成，但τob、τori、τdec、τact都是其內(nèi)部狀態(tài)轉換的時間，在非合作條件下是難以從外部準確觀察的，但總的反應時間τr卻可以通過主動有源電子對抗偵察方法來測量。同樣采用在其觀察端工作頻段范圍Bob之內(nèi)的探測信號Spr對電磁目標進行激勵，設探測信號的發(fā)射時刻為tpr，信號從我方發(fā)射端傳輸至電磁目標的距離為dIo，我方偵察接收端觀察到電磁目標對外電磁輻射發(fā)生變化的時刻為tch，則電磁目標的反應時間τr如下式所表達。

τr=tch-tpr-2dIo/c

(5)

式(5)中c=3×108m/s為電磁波傳播速度。同樣，針對不同形式的探測信號，測量得到的反應時間可能有差異，所以在確定反應時間時一定要說明具體的探測信號形式。

(3)反應靈敏度和最大刺激強度參數(shù)的估計

(6)

實際上反應靈敏度和最大刺激強度參數(shù)與探測信號的形式也是直接關聯(lián)的，所以在確定這兩個參數(shù)時需說明所采用的探測信號的形式。

(4)環(huán)路系統(tǒng)時變特性的判定

如果采用同一類具有相同參數(shù)的探測信號Spr前后兩次在同一外界環(huán)境下對認知無線電實施激勵，且這兩次激勵之間的時間間隔足夠長，以致于可以看成兩次獨立的激勵，對認知無線電的兩次輸出輻射進行記錄，分別記為：Sout,1和Sout,2。如果在觀察誤差范圍內(nèi)Sout,1和Sout,2完全相同則表明該認知無線電的用頻OODA環(huán)是時不變的；如果不同則表明其具有時變特性。對于時變系統(tǒng)的辨識是非常困難的，幾乎只能定性地分析；而對于時不變系統(tǒng)，目前已有的很多系統(tǒng)辨識方法與模型都可以利用。所以一般情況下，即使一個系統(tǒng)是時變的，我們也傾向于時間上的分段處理，即在一小段時間內(nèi)可近似認為認知無線電系統(tǒng)保持時不變特性。

(5)對特定刺激的反應正確率的估計

(7)

由上可見，采用主動有源電子對抗偵察方法，對認知無線電系統(tǒng)主動施加探測信號進行激勵，并觀察記錄其輸出輻射響應，通過激勵與響應之間的關系分析，可測量并計算出認知無線電用頻OODA環(huán)的各項參數(shù)。

4 以TDCS為典型對象的實驗驗證

TDCS(Transform Domain Communication System)變換域通信系統(tǒng)是典型的認知無線電系統(tǒng)[10,11]，我們以某大學研制的一套TDCS實物為實驗對象，如圖2所示，對前文提出的針對認知無線電用頻OODA環(huán)的主動有源電子對抗偵察方法開展實驗驗證，實驗系統(tǒng)組成如圖3所示。所有設備均安置于實驗室內(nèi)，天線之間的距離dIo<6 m。

圖2 TDCS實驗對象

圖3 實驗系統(tǒng)組成框圖

針對TDCS實驗對象，首先進行工作頻段參數(shù)的估計，按照前文提出的方法，通過長期控守偵察可得該TDCS設備行動端工作頻段范圍Bact為2 408.5～2 411.5 MHz，其典型信號的時域波形與頻域幅度譜如圖4所示。

圖4 實驗對象的典型時域波形與頻域幅度譜

采用帶寬為15 kHz且滾降系數(shù)小于0.1的QPSK數(shù)字調(diào)制探測信號從30 MHz～3 GHz進行探測，頻率步進為10 kHz，探測信號的功率設置成不同檔位，在同一檔位上需將所有頻點探測完全，然后再更換功率檔位。在探測過程中，接收TDCS輻射的信號進行頻譜變換檢測與統(tǒng)計分析，并由式(4)可估計出該TDCS觀察端工作頻率范圍Bob為2 408.5～2 411.5 MHz。由此可見Bact=Bob。在估計出工作頻段范圍參數(shù)之后，將探測信號的發(fā)射頻段范圍設置成Bob，接著進行反應時間參數(shù)的估計。

由于Bact=Bob，為了解決同頻段收發(fā)隔離問題，這套TDCS在信號發(fā)射期間不能同時進行信號接收，這也意味著TDCS自己在對外輻射電磁信號的同時不能進行電磁環(huán)境的感知，所以這套TDCS采取的是間斷性感知策略。對TDCS進行反應時間的估計，探測信號的發(fā)射時刻為tpr設置在TDCS的電磁靜默期內(nèi)，在探測信號發(fā)射之后觀察其輻射的通信信號頻譜相對于探測信號發(fā)射之前的變化，并記錄發(fā)生變化的時刻為tch，然后由式(5)可計算出TDCS的反應時間。在發(fā)射探測信號之后，TDCS會將探測信號所占的頻帶空出來，如圖5所示。在圖5中采用的是載波頻率為2 410 MHz，帶寬500 kHz且滾降系數(shù)小于0.1的QPSK探測信號，TDCS將探測信號所在頻段空了出來，表明其具有對外界電磁環(huán)境進行自適應準確感知的能力。

圖5 探測信號存在時TDCS的頻域幅度譜

對比圖5與圖4(b)即可發(fā)現(xiàn)，TDCS對外界的刺激產(chǎn)生了反應，于是可通過TDCS信號頻譜的改變來測試其反應時間。在實驗中所采用的不同形式的探測信號與測得的反應時間如表1所示。

表1 在不同探測信號條件下的反應時間測試結果

由表1的數(shù)據(jù)可得該TDCS的反應時間τr=100 ms。

在TDCS觀察端工作頻率范圍Bob內(nèi)任選一個頻率點，同樣采用上述探測信號進行探測，首先設置探測信號功率電平與環(huán)境噪聲基底電平一致，然后以1 dBm為步進進行功率電平的遞增，每次功率調(diào)整之后都觀察TDCS發(fā)射信號頻譜的變化。當觀測到探測信號電平高于一個門限值STdown時，TDCS信號將感知到此信號，從而將探測信號所在頻段處的對應頻帶空出來，此時就將STdown作為該TDCS的反應靈敏度。繼續(xù)提高探測信號的功率電平，當發(fā)現(xiàn)TDCS的頻率再次發(fā)生異常改變時，即可將此時探測信號的功率作為該TDCS在頻率點上的最大刺激強度值STup。本實驗中所采用的不同形式的探測信號與測得的實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 在不同探測信號條件下反應靈敏度與

為了判斷TDCS環(huán)路的時變特性，可重復開展前述對工作頻段、反應時間、靈敏度和最大可承受刺激強度的測試實驗。發(fā)現(xiàn)上述參數(shù)估計值呈現(xiàn)穩(wěn)定特性，這說明我們所偵察的這套TDCS的用頻OODA環(huán)路是一個時不變系統(tǒng)，即Jtv=0。

在完成上述5類參數(shù)的估計之后，在TDCS的工作頻段范圍內(nèi)，采用掃頻探測信號，同時調(diào)節(jié)探測信號強度位于TDCS的感知靈敏度與最大可承受刺激強度范圍之內(nèi)，對TDCS施加刺激，同時記錄其輸出信號頻譜的變化。根據(jù)TDCS的工作原理，TDCS應當將探測信號所在頻段空出來，然后利用剩余的頻譜帶寬進行通信傳輸，這就是由理論模型推導出的期望響應圍內(nèi)Rep，同時通過多次主動偵察試驗記錄該TDCS的實際頻譜響應Rre，通過二者一致度的統(tǒng)計，最終得到該TDCS對掃頻探測信號的反應正確率為100%。

通過上述主動有源電子對抗偵察實驗，我們已經(jīng)全面獲得了該TDCS用頻OODA環(huán)的特征參數(shù)，這些特征參數(shù)對于進一步分析推斷該TDCS的行為規(guī)律，進行后續(xù)的行為預測提供了重要基礎。

5 結 語

本文利用電磁輻射源行為學中的原理與方法，對認知無線電用頻OODA環(huán)的6類特征描述參數(shù)進行了歸納總結，同時詳細闡述了通過主動有源電子對抗偵察獲得上述特征參數(shù)的方法與流程。在此基礎上，以典型的認知無線電TDCS為實驗對象，對其工作頻段范圍、反應時間、反應靈敏度、能夠承受外界最大的刺激強度、環(huán)路系統(tǒng)時變特性、對特定刺激的反應正確率這六類參數(shù)進行了估計分析。通過主動有源電子對抗偵察結果與目標對象參數(shù)設置的對比來看，偵察結果準確有效，驗證了所提出方法的可行性與有效性。從而為主動有源電子對抗偵察的應用實踐與認知電子戰(zhàn)的深化研究提供了重要參考。