懸浮式彈載通信干擾模型構(gòu)建方法研究

張 杰

（陸軍炮兵防空兵學院高過載彈藥制導(dǎo)控制與信息感知實驗室，合肥 230031）

0 引言

彈載式通信干擾機是指依托彈藥作為搭載發(fā)射平臺，由發(fā)射裝置發(fā)射到目標區(qū)域，對敵通信設(shè)備進行干擾的通信干擾裝備［1-3］。其中懸浮式彈載通信干擾機的簡要工作流程如圖1 所示。

圖1 懸浮式彈載通信干擾機簡要工作過程

懸浮式彈載通信干擾機能夠在空中對目標進行邊降落邊干擾，與扎地式干擾相比，不受具體的地形和地物限制，能夠以較小的干擾發(fā)射功率獲得較大的干擾范圍和較好的干擾效果［1］。

本文借助OPNET 平臺，研究懸浮式彈載通信干擾系統(tǒng)仿真模型構(gòu)建的方法和步驟，為更深入地了解和掌握懸浮式彈載通信干擾機的干擾性能奠定基礎(chǔ)。

1 懸浮式彈載通信干擾機的干擾對象

跳頻電臺由于其優(yōu)越的性能，使其成為“電子戰(zhàn)”戰(zhàn)場上經(jīng)常使用的一種通信裝備，也日益成為通信電子戰(zhàn)場上的主要作戰(zhàn)對象［4-5］。彈載通信干擾機主要以干擾敵跳頻電臺為主。外軍部分典型短波（超短波）跳頻電臺的性能指標如表1 所示［6-7］。

為了有效針對外軍短波（超短波）頻段的跳頻電臺進行干擾，結(jié)合表1，本文討論的懸浮式彈載通信干擾機的工作頻段為1.5 MHz～120 MHz［6，8］。

表1 外軍典型跳頻通信裝備及其主要指標

2 懸浮式彈載通信干擾系統(tǒng)仿真模型構(gòu)建的邊界條件設(shè)定

2.1 被干擾跳頻電臺的特點

2.1.1 被干擾跳頻電臺使用的天線類別

由于天線發(fā)射效率受天線尺寸與信號波長的1/2 間關(guān)系的影響，超短波波段相對短波波段來說，波長較短，因此，天線尺寸較短，通常選擇鞭狀天線。相對而言，短波天線的尺寸需要很長才能有效發(fā)射短波信號。本文討論的被干擾跳頻電臺均是戰(zhàn)術(shù)意義上的跳頻電臺，而且在個人便攜式通信過程中，一般會選擇使用鞭狀天線。綜上，被干擾跳頻電臺無論是超短波頻段還是短波頻段，都采用鞭狀天線［9］。

2.1.2 被干擾跳頻電臺的信號傳播方式

短波的主要傳播方式包括天波傳輸和地波傳輸兩種，由于天波傳輸過程中需要考慮不同層高大氣層的性質(zhì)特點以及具體地理位置的氣象條件等因素，導(dǎo)致短波的天波傳播模型不易刻畫［6］，時變性很強［4］，所以本文討論的短波傳輸方式不考慮天波傳播，而是地波傳播。而地波傳播方式主要包括地面繞射波傳播、地面直射波傳播和地面反射波傳播，但是從戰(zhàn)術(shù)跳頻電臺的角度考慮，只考慮地面繞射波傳播和地面直射波傳播方式，并且與地面直射波傳播相比，地面繞射波傳播完全可以忽略不計。因此，本文討論的敵跳頻電臺采取地波傳輸中的直射波傳播方式［4，10］。

2.2 被干擾跳頻電臺的跳速和頻率間隔

超短波跳頻電臺采用常規(guī)中速（100 Hop/s～500 Hop/s）數(shù)字跳頻技術(shù)體制，而常規(guī)用途超短波跳頻電臺的跳頻速率一般?。?00 Hop/s～1 000 Hop/s）為宜［6］；實用短波跳頻電臺的主要性能為：跳速在幾跳每秒至100 Hop/s 之間，大部分在50 Hop/s 以下，很少有在1 000 Hop/s 以上［6］。因此，超短波跳頻電臺和短波跳頻電臺的跳速分別為500 Hop/s 和100 Hop/s。

根據(jù)跳頻電臺通用規(guī)范［11-12］，戰(zhàn)術(shù)超短波跳頻電臺的信道間隔是25 kHz，并且至少能存儲兩個跳頻頻率集，每個跳頻頻率集的頻率數(shù)不少于32 個；戰(zhàn)術(shù)短波跳頻電臺的信道間隔是100 Hz，每張頻率表的跳頻頻率數(shù)為8、16、32、64（個），能儲存3 張?zhí)l頻率表。

2.3 被干擾跳頻電臺的調(diào)制解調(diào)方式

不同調(diào)制解調(diào)方式的跳頻電臺由于干擾導(dǎo)致其接收端的信號誤碼率也不相同，因此，必須首選明確跳頻電臺具體的調(diào)制解調(diào)方式。一般情況下，跳頻通信系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)方式必須滿足以下兩點：

1）調(diào)制方式具有恒包絡(luò)特性。因為恒包絡(luò)調(diào)制具有很好的抗幅度衰落特性，有利于降低對功率放大器的線性要求，減少非線性失真和限幅失真［6］，而無線通信在移動信道中又存在著嚴重的幅度衰落。

2）因為跳頻載波是不斷跳變的，因此，很難保證跳頻通信系統(tǒng)收發(fā)兩端的載波相位的一致性，即相干性不能保證。這時，跳頻通信系統(tǒng)必須支持非相干解調(diào)方式。但是，隨著技術(shù)的進步，如果能夠保持收發(fā)兩端載波相位的相干性，總體來講，相干解調(diào)方式還是要優(yōu)于非相干解調(diào)方式的［13］。也就是說，跳頻通信系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)方式必須既支持非相干解調(diào)，又支持相干解調(diào)。

跳頻通信中常用的調(diào)制方式有2FSK、2PSK、2DPSK、MSK 和GMSK［14］。其中，F(xiàn)SK 和PSK 調(diào)制均屬于相位不連續(xù)的恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)，而MSK 和GMSK 均屬于相位連續(xù)的恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)［15］。其中，MSK 是2FSK 信號的改進型，又稱為CP2FSK［15］，MSK 信號的解調(diào)方式包括相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩種［16］，而且MSK 系統(tǒng)在滿足最佳接收條件下的誤碼率與QPSK 是相同的［15］；GMSK 調(diào)制方式是MSK 信號的改進型，是在MSK 調(diào)制器之前加入一個高斯低通濾波器，GMSK 信號的解調(diào)也與FSK 相似，可以采用相干解調(diào)，也可以采用非相干解調(diào)［16-17］，當其他條件相同，GMSK 誤碼率性能要比MSK 差，即GMSK 信號頻譜的改善是以損失誤碼率性能為代價的［15，18］。

根據(jù)GJB 2928-1997 戰(zhàn)術(shù)超短波跳頻電臺通用規(guī)范和GJB 2929-1997 戰(zhàn)術(shù)短波跳頻電臺通用規(guī)范中規(guī)定的跳頻電臺使用的工作種類［11-12］，綜上所述，跳頻通信的常用調(diào)制解調(diào)方式為2FSK、2DPSK。

2.4 懸浮式彈載通信干擾機的干擾種類

明確懸浮式彈載通信干擾機的干擾種類，既要明確具體的干擾方式，又要明確具體的干擾樣式［19］。其中，干擾方式包括欺騙式干擾［20］、壓制式干擾（包括阻塞式干擾和掃頻式干擾）、跟蹤式干擾、瞄準式干擾等；干擾樣式分為噪聲調(diào)頻干擾、高斯白噪聲干擾、正弦掃頻波干擾等。

目前，普遍認為對跳頻通信實施有效干擾的方式有：阻塞式干擾、掃頻式干擾、跟蹤式干擾［21-22］和瞄準式干擾。本文討論的彈載通信干擾機的干擾種類為壓制式掃頻干擾。如圖2 所示。

圖2 懸浮式彈載通信干擾機組成框圖

彈載通信干擾機主要由鋸齒波信號發(fā)生器、壓控振蕩器、功率放大器和鞭形天線匹配器等組成。

基本工作原理：鋸齒波信號發(fā)生器加載到壓控振蕩器上，通過鋸齒波信號發(fā)生器的電壓變化，使得壓控振蕩器產(chǎn)生一定帶寬的干擾信號，經(jīng)功率放大器放大再由天線匹配器進行末端匹配輸出，然后對敵方通信實施有效的干擾。

3 OPNET 軟件環(huán)境下彈載通信干擾系統(tǒng)模型的建立

3.1 OPNET 軟件介紹

OPNET 網(wǎng)絡(luò)仿真平臺［23-24］為用戶提供了較為完整的建模、開發(fā)和應(yīng)用環(huán)境，其基本模型庫豐富齊全。研究者可以依照基本模型庫，根據(jù)實際定制所需要的仿真開發(fā)模型。與此同時，OPNET 具有強大的仿真結(jié)果收集和分析功能，能根據(jù)研究需要顯示相應(yīng)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)或變化曲線，使結(jié)果更加直觀。綜合以上因素，本文選取OPNET 仿真平臺對懸浮式彈載通信干擾系統(tǒng)進行模型構(gòu)建。

3.2 OPNET 平臺下懸浮式彈載通信干擾系統(tǒng)的模型構(gòu)建

如圖3 所示，在OPNET 環(huán)境下搭建了彈載通信干擾模型，其中，節(jié)點0 和1 代表超短波跳頻電臺的發(fā)送端和接收端，節(jié)點2 和3 代表短波跳頻電臺的發(fā)送端和接收端。

圖3 基于OPNET 的彈載通信干擾系統(tǒng)模型

3.2.1 節(jié)點模型

3.2.1.1 電臺節(jié)點

該節(jié)點模型主要由信源、信宿、接入層、發(fā)射端、接收端和天線等模型組成，如圖4 所示。

圖4 電臺節(jié)點模型

信源模型：用于產(chǎn)生指定報文格式的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，并按一定規(guī)律進行發(fā)送；

信宿模型：用于對接收到的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計；

接入層模型：基于TDMA 機制進行數(shù)據(jù)傳輸，采用USAP 統(tǒng)一時隙分配協(xié)議進行時隙資源的分配，具備同步功能和跳頻功能；

發(fā)射機模型：用于對報文數(shù)據(jù)在無線信道上進行發(fā)射；

接收機模型：用于接收無線信道上的報文數(shù)據(jù)；天線模型：對收發(fā)數(shù)據(jù)信號增加天線增益。

該節(jié)點可收集的統(tǒng)計結(jié)果主要包括：信道接入時延、接入層端到端時延、接入層收發(fā)吞吐量、接入層投遞率、時隙利用率、時隙沖突率、業(yè)務(wù)報文的端到端時延、業(yè)務(wù)報文收發(fā)吞吐量、誤碼率、丟包率、信噪比、同步入網(wǎng)時間等，如圖5 所示。

圖5 電臺節(jié)點可收集仿真結(jié)果

3.2.1.2 干擾機節(jié)點

干擾機節(jié)點模型主要由干擾源、短波發(fā)射端、短波天線、超短波發(fā)射端和超短波天線等模型構(gòu)成，如圖6 所示。

圖6 干擾機節(jié)點模型

其中，干擾源模型：生成短波和超短波波段的干擾信號；

短波發(fā)射端模型：根據(jù)一定的規(guī)律，將短波波段的干擾信號發(fā)射出去；

超短波發(fā)射端模型：根據(jù)一定的規(guī)律，將超短波波段的干擾信號發(fā)射出去；

天線模型：用于對不同頻段的干擾信號添加天線增益。

該節(jié)點可收集的統(tǒng)計結(jié)果主要包括：干擾機電池容量、干擾機生存時長、干擾信號的發(fā)送吞吐量等，如圖7 所示。

圖7 干擾機節(jié)點可收集仿真結(jié)果

3.2.2 進程模型

3.2.2.1 干擾源

該進程模型包括4 種狀態(tài)，分別為初始狀態(tài)、空閑狀態(tài)、干擾機工作狀態(tài)、干擾機停止狀態(tài)，如圖8 所示。其中，初始狀態(tài)負責讀取干擾機模型屬性參數(shù)，并初始化相關(guān)變量；空閑狀態(tài)為該進程的空閑等待狀態(tài)，在不同的事件觸發(fā)下跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)的狀態(tài)執(zhí)行對應(yīng)的操作，類似于事件操作的起始點；干擾機工作狀態(tài)為干擾機開始產(chǎn)生干擾信號并進行干擾時（按照一定規(guī)律發(fā)送干擾信號）的工作狀態(tài)；干擾機停止狀態(tài)為干擾機停止干擾工作時的狀態(tài)。

圖8 干擾源進程模型

3.2.2.2 電臺業(yè)務(wù)源

該進程模型的有限狀態(tài)機包括init 狀態(tài)、generate 狀態(tài)和stop 狀態(tài)，如圖9 所示。其中，init 狀態(tài)負責對該進程的相關(guān)狀態(tài)變量進行初始化，讀取外部配置屬性參數(shù)，并進行相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果的注冊；generate 狀態(tài)在一定的觸發(fā)條件下不斷生成對應(yīng)的數(shù)據(jù)報文；stop 狀態(tài)在需要結(jié)束時停止業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)報文的創(chuàng)建。

圖9 電臺業(yè)務(wù)源進程模型

3.2.2.3 信宿

該進程模型的有限狀態(tài)機包括init 狀態(tài)和discard 狀態(tài)。其中，init 狀態(tài)用于注冊相關(guān)統(tǒng)計量信息；discard 狀態(tài)對接收到的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)報文進行統(tǒng)計和銷毀，如圖10 所示。

圖10 信宿進程模型

3.2.2.4 TDMA MAC 進程模型

該進程模型的有限狀態(tài)機包括init 狀態(tài)、idle狀態(tài)、higher 上層業(yè)務(wù)流處理狀態(tài)、lower 下層業(yè)務(wù)流處理狀態(tài)、時隙調(diào)度狀態(tài)schedule 和跳頻狀態(tài)freq_hop，如圖11 所示。其中，init 狀態(tài)通過usap_tdma_sv_init（）函數(shù)讀取外部配置的屬性參數(shù)，對相關(guān)變量進行初始化，并進行統(tǒng)計結(jié)果的注冊。通過usap_tdma_get_local_address（）函數(shù)獲取節(jié)點自身的地址信息，通過fhss_mgr_frequencies_generate（）函數(shù)生成對應(yīng)的跳頻圖案；idle 狀態(tài)為該進程的空閑等待狀態(tài)，在不同的事件觸發(fā)下跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)的狀態(tài)執(zhí)行對應(yīng)的操作，類似于事件操作的起始點；higher 狀態(tài)對從高層到達的業(yè)務(wù)報文進行緩存處理，等待在對應(yīng)的時隙進行發(fā)送；lower 狀態(tài)對從底層到達的報文進行相應(yīng)的處理。例如，通過recv_NMOP_handle（）函數(shù)處理接收到的廣播報文，更新本地的同步響應(yīng)隊列信息和鄰居隊列信息，以備后續(xù)發(fā)送同步響應(yīng)報文和時隙分配更新；通過recv_tod_rep_handle（）函數(shù)處理接收到的同步響應(yīng)報文，更新同步隊列信息和同步ToD 報文的投遞率，從而確定是否觸發(fā)干擾機停止工作；通過recv_data_handle（）函數(shù)對接收到的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)報文進行統(tǒng)計；schedule 狀態(tài)是節(jié)點對每個時隙調(diào)度的響應(yīng)狀態(tài)，在該狀態(tài)里，首先通過delete_neighbor_in formation（）函數(shù)刪除過時的鄰居節(jié)點信息。在屬于本節(jié)點時幀的第一個時隙里通過 generate_NMOP_pro（）函數(shù)生成廣播報文，向其他節(jié)點廣播自身的時隙占用情況和自己鄰居節(jié)點的時隙占用情況。此外，schedule 狀態(tài)在屬于本節(jié)點的時隙里發(fā)送業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)報文或同步響應(yīng)報文。freq_hop 狀態(tài)負責在每個跳頻周期內(nèi)根據(jù)生成的跳頻圖案改變節(jié)點收發(fā)信機的工作頻帶。

圖11 TDMA MAC 進程模型

3.2.3 主要配置參數(shù)

1）干擾機

①干擾機的下降速度；

②干擾機開始下降時的高度；

③掃頻干擾信號的周期；

④干擾短波跳頻電臺的頻帶寬度；

⑤干擾短波跳頻電臺的發(fā)射功率；

⑥干擾超短波跳頻電臺的頻帶寬度；

⑦干擾超短波跳頻電臺的發(fā)射功率。

具體配置如圖12 所示。

圖12 干擾機參數(shù)配置

2）跳頻電臺

①模型的應(yīng)用層屬性配置，主要包括：

a）電臺間報文發(fā)送的通信目的節(jié)點；

b）電臺間報文的發(fā)送間隔時間，可選擇服從不同的概率分布；

c）電臺報文的比特大小，可選擇服從不同的概率分布；

②電臺發(fā)送端屬性配置，主要包括：

a）發(fā)送端的工作帶寬；

b）發(fā)送端的數(shù)據(jù)發(fā)送速率；

c）電臺發(fā)送端的起始頻率，即跳頻起始頻率；

d）調(diào)制方式；

e）發(fā)送功率；

③電臺接收端屬性配置，主要包括：

a）接收端的工作帶寬；

b）接收端的數(shù)據(jù)發(fā)送速率；

c）電臺接收端的起始頻率，即跳頻起始頻率；

d）調(diào)制方式；

e）接收端靈敏度；

④電臺的接入層屬性配置，主要包括：

a）電臺的頻率表表號；

b）跳頻間隔；

c）跳頻頻率數(shù)；

d）跳頻速率；

e）密鑰。同一頻段內(nèi)的跳頻電臺只有所選的頻率表一致，且該頻率表內(nèi)的頻率數(shù)量和密鑰均一致時才能通信。具體配置如圖13 所示。

圖13 電臺參數(shù)配置

4 結(jié)果分析

4.1 場景配置

如圖3 所示，彈載通信干擾機從3 km 高度以6 m/s 的速度勻速降落，超短波電臺0 和超短波電臺1 相距3 km，發(fā)射功率為5 W；短波電臺2 和短波電臺3 相距5 km，發(fā)射功率為10 W。干擾機與短波電臺的接收端3 和超短波電臺的接收端1 均保持相同的距離，仿真中將跳頻電臺天線設(shè)置成自由傳輸方式（電臺信號傳播的路徑損耗與地表面參數(shù)無關(guān)，不需要考慮具體工作環(huán)境［20］）。干擾機針對這兩組通信電臺同時實施掃頻干擾。

4.2 統(tǒng)計結(jié)果

4.2.1 電臺接收端的信噪比

圖14 電臺接收端的信噪比

4.2.2 電臺接收端的誤碼率

圖15 電臺接收端的誤碼率

4.2.3 電臺接收端的丟包率

由上述對比結(jié)果可見，當采用自由空間的傳播模型時，其信道模型的衰減影響因素僅考慮收發(fā)節(jié)點間的距離，而其他因素（如地表反射率、折射率、電導(dǎo)率）被忽略，因而造成路損衰減的影響相對不明顯，計算出的通信電臺信噪比偏高，導(dǎo)致電臺的誤碼率和丟包率偏低。

圖16 電臺接收端的丟包率

5 結(jié)論

基于OPNET 仿真平臺構(gòu)建的懸浮式彈載通信干擾系統(tǒng)仿真模型為更深入地研究懸浮式彈載通信干擾機的干擾性能奠定了基礎(chǔ)。在構(gòu)建完彈載通信干擾系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，可以進一步研究不同條件下的彈載通信干擾效果，比如，被干擾電臺天線架設(shè)的高低之分以及不同的作戰(zhàn)環(huán)境等。