數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)綜合抗干擾性能評估方法研究

馬麗麗 ，孫志成 ，安巧靜 ，董佳新 ，胡愛蘭

(1.中國人民解放軍63861部隊，吉林 白城 137000；2.中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司第六研究所，北京 100083)

0 引言

信息化條件下的聯(lián)合作戰(zhàn)中，數(shù)據(jù)鏈的突出作用越加明顯，是基于信息系統(tǒng)的體系作戰(zhàn)能力的力量倍增器[1]，它集綜合通信、導(dǎo)航和識別功能于一體，是一種高保密性、大容量、抗干擾、擴(kuò)頻/時分多址作的信息分發(fā)系統(tǒng)[2]，為參戰(zhàn)人員實(shí)時提供相關(guān)數(shù)據(jù)和完整的戰(zhàn)場態(tài)勢信息。當(dāng)前數(shù)據(jù)鏈通信面臨戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境的威脅，信號檢測手段已擴(kuò)展到多維聯(lián)合檢測，實(shí)現(xiàn)了多維空間上的通信干擾[3]。所以，數(shù)據(jù)鏈的抗干擾性能直接影響著數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的性能，是其發(fā)揮作戰(zhàn)效能的關(guān)鍵指標(biāo)[4-5]，關(guān)乎戰(zhàn)爭的成敗。

當(dāng)前對數(shù)據(jù)鏈抗干擾性能的評估方法通常只涉及單一干擾樣式的一個性能指標(biāo)[6-9]，得出的結(jié)果也是零散的、不成系統(tǒng)的，缺乏對數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)綜合的抗干擾性能的評估。但是，戰(zhàn)場環(huán)境下，數(shù)據(jù)鏈通信中需要面臨的干擾樣式并非簡單、單一的，而是各種威脅混合在一起。在這種情況下，數(shù)據(jù)鏈對某一種干擾信號的獨(dú)立抗干擾性能指標(biāo)無法代表該數(shù)據(jù)鏈的整體抗干擾性能。所以，需要一種評估方法實(shí)現(xiàn)綜合評估數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的抗干擾性能。

為了解決上述問題，本文結(jié)合數(shù)據(jù)鏈綜合抗干擾評估目標(biāo)，建立了層次化結(jié)構(gòu)的指標(biāo)模型，并在模型的基礎(chǔ)上對數(shù)據(jù)鏈的綜合抗干擾性能進(jìn)行定量計算，得到抗干擾性能指標(biāo)權(quán)重，作為評估數(shù)據(jù)鏈抗干擾性能的基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)鏈抗干擾指標(biāo)層次模型

數(shù)據(jù)鏈干擾樣式中，以部分頻帶干擾、寬帶阻塞干擾、轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾使用得最為頻繁，也是目前對數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)影響最大的干擾，所以本文綜合這3種干擾樣式，對數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的綜合抗干擾性能進(jìn)行分析。

1.1 抗干擾性能指標(biāo)選擇

抗干擾性能的衡量指標(biāo)有很多，不同的干擾樣式會有不同的表現(xiàn)形式。

(1)誤碼率

誤碼率是指在實(shí)際通信中傳輸二進(jìn)制碼元的出錯概率。誤碼率的概念清晰，理論嚴(yán)謹(jǐn)，能夠正確體現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈信息傳輸功能的抗干擾能力。但是，誤碼率并不能全面衡量數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的抗干擾能力，所以在建立抗干擾指標(biāo)層次模型的時候還引入其他抗干擾指標(biāo)。

(2)誤信率

誤信率是指錯誤接收的指令在傳送信息總量中所占的比例。正常傳輸中，如果指令被干擾，那么數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)應(yīng)該檢測出有指令丟失，但是誤信則指系統(tǒng)接收到錯誤的指令或是信息，但是卻認(rèn)為接收到的是正確的，導(dǎo)致產(chǎn)生誤信。

誤信率尤其反映的是欺騙干擾環(huán)境下指令信息執(zhí)行情況，該指標(biāo)體現(xiàn)的是數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)抗欺騙干擾的性能。

(3)功率抑制度

部分頻帶干擾的干擾信號功率通常會大于測控信號，因此在射頻前端會設(shè)置信號功率準(zhǔn)入限制，對于一些智能化程度較高的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，可根據(jù)當(dāng)前的傳輸距離自適應(yīng)調(diào)整信號功率準(zhǔn)入門限，以實(shí)現(xiàn)對大功率部分頻帶干擾的有效抑制，因此功率抑制度就是指通過功率準(zhǔn)入門限來抑制干擾信號的能力指標(biāo)。

(4)頻率抑制度

隨著戰(zhàn)場上各類用頻裝備的日益增多，在可用頻段內(nèi)的電磁信號越來越密集，使得電磁環(huán)境日益復(fù)雜，頻率抑制度就是指未被干擾占用的頻點(diǎn)與全部可用頻點(diǎn)的比值。

(5)空間抑制度

空間抑制度體現(xiàn)了數(shù)據(jù)鏈在來波方向上對抗干擾的思路，尤其是數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中采用定向天線或者陣列天線時，通過天線波束變換可以在來波方向上實(shí)現(xiàn)對干擾的有效抑制，空間抑制度主要用來衡量數(shù)量系統(tǒng)抗寬帶阻塞式干擾的能力。

(6)時延抑制度

時延抑制度主要表征接收機(jī)允許輸入的最小轉(zhuǎn)發(fā)信號與自身信號的時延差τj。時間延遲τ 是表征一個信號的重要參量，準(zhǔn)確、迅速地估計和測定接收端所接收到的地面發(fā)射的同源信號之間的時間延遲，可以作為區(qū)別有用信號與干擾信號的一個時延指標(biāo)。該容限反映了數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)接收同步時容許的自身信號時延窗大?。é樱瑒t數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)能正常工作的條件是τj＜（τ 。當(dāng)滿足該條件時，數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)能夠抵抗住轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾的影響進(jìn)行正常通信。

(7)同步時間

針對數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的典型干擾機(jī)理，在工作中受到干擾時，信號的同步過程將將會受到影響，可能造成長時間無法進(jìn)入同步環(huán)節(jié)。因此，在干擾條件下，數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)能否在設(shè)定時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)同步過程是評價抗干擾性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

當(dāng)采用序列相位搜索捕獲同步時，設(shè)擴(kuò)頻碼長度為N，碼元寬度為TC，則周期為T=N×TC，搜索相位該變量TC/2，積分處理時間為TD，則有：

最大捕獲同步時間：TAcmax=2N×TD；

最小捕獲同步時間：TAcmin=TD。

當(dāng)采用匹配濾波器同步捕獲同步，設(shè)本地擴(kuò)頻碼寄存器長度為M，則有：

最大捕獲同步時間：TAcmax=MTC+(N-1)TC；

最小捕獲同步時間：TAcmin=MTC。

(8)干信分離度

干信分離度是指系統(tǒng)尚能工作時，接收機(jī)能夠從干擾環(huán)境中分離出有效信息的能力，也就是說：在保證系統(tǒng)正常工作的前提下，即系統(tǒng)輸出信噪比一定，接收機(jī)輸入端能夠承受的干擾功率比信號功率高出的分貝數(shù)。該指標(biāo)反映系統(tǒng)在干擾環(huán)境中對干擾的耐受能力，其值與干擾方式和樣式、信號形式和接收方法有關(guān)。干信分離度主要用于評價寬帶阻塞式干擾。

抗轉(zhuǎn)發(fā)類欺騙干擾通常僅干擾通信信道，不一定需要干擾信息碼，即只需要阻塞系統(tǒng)的相關(guān)接收通道。轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾是偵察系統(tǒng)接收到的測控信號經(jīng)過一定的延時和放大后再轉(zhuǎn)發(fā)出去。對數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的接收機(jī)來說，如果同時接收到同兩個信號，它們之間只是延時不同、幅度不同。由于干擾信號較強(qiáng)，使用它首先被接收機(jī)捕獲。在整個受干擾區(qū)域內(nèi)，所有的接收機(jī)都將優(yōu)先捕獲干擾信號?？罐D(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾能力可用時延抑制度、功率抑制度和誤信率等指標(biāo)來衡量。

1.2 模型的建立

通過對數(shù)據(jù)鏈抗干擾指標(biāo)的分析，可以看到，有些指標(biāo)是針對不同干擾通用的，而有的指標(biāo)則專門用在某種干擾樣式上，所以數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的綜合抗干擾性能評估是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程。

本文建立了三級性能評估層次模型，如圖1所示。用A、B、C幾個符號表示圖中所示的三級性能評估指標(biāo)，如A表示該數(shù)據(jù)鏈綜合抗干擾能力，B1表示抗寬帶阻塞干擾性能，B2表示抗部分頻帶干擾性能，B3表示抗轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾性能。與此類似，第三級的子能力指標(biāo)可用C表示，分別表示該干擾樣式下單個指標(biāo)的抗干擾能力。

結(jié)合指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)，要獲得A層級的綜合評分，就要得到C層級每個指標(biāo)的權(quán)重，再結(jié)合待評估對象在該指標(biāo)下的表現(xiàn)進(jìn)行綜合評價。

2 抗干擾性能計算

區(qū)別于傳統(tǒng)的層次分析法[10-12]中目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、方案層，尋找最優(yōu)方案的思想。本文是將整個抗干擾性能指標(biāo)逐層分解，通過比較計算，得出指標(biāo)的權(quán)重排序。

假設(shè)已知某型數(shù)據(jù)鏈，通過試驗(yàn)或者仿真方式，得到該數(shù)據(jù)鏈針對圖1中第3層各指標(biāo)的抗干擾情況。如果想得到它的綜合抗干擾情況，必須有各指標(biāo)的權(quán)重值，在層次模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重的計算。

圖1 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)綜合抗干擾性能評估層次模型

2.1 建立判斷矩陣群

融合多位從事相關(guān)工作及相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业囊庖?，從?層開始，針對上一層某個元素，對下一層與之相關(guān)的元素(即層間有連線的元素)進(jìn)行兩兩對比，并按其重要程度評定等級。

首先建立A-B的判斷矩陣，分析數(shù)據(jù)鏈在使用過程對3種干擾樣式中哪種干擾樣式的抗干擾性能要求更好，通過兩兩比較，可以得到第一層的判斷矩陣A。

從矩陣A中可以看出，數(shù)據(jù)鏈抗寬帶阻塞式干擾的性能最為重要，在數(shù)據(jù)鏈的實(shí)際運(yùn)用環(huán)境中，除了干擾設(shè)備專門的寬帶阻塞式干擾，還存在其他設(shè)備裝備的使用電磁干擾，這一部分和干擾機(jī)信號共同作用，進(jìn)一步增加了寬帶阻塞式干擾的信號強(qiáng)度和帶寬，如果數(shù)據(jù)鏈沒有良好的抗寬帶阻塞式干擾性能，在很多情況下則無法正常工作。

矩陣A的數(shù)值是根據(jù)兩目標(biāo)對比得出，如果i比j稍微重要，則aij=3，5表示明顯重要，7表示強(qiáng)烈重要[13]。

由于數(shù)據(jù)鏈的指標(biāo)之間比較更為復(fù)雜，且涉及很多細(xì)節(jié)，因此，為了清楚表示指標(biāo)之間的細(xì)微的差距，本文將AHP的重要性等級賦值進(jìn)行了擴(kuò)充，但無論如何擴(kuò)充，必須保證判斷矩陣的一致性。建立B-C層的判斷矩陣，同理，采用兩兩比較的方式，得到：

建立的判斷矩陣必須進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，如果一直性檢驗(yàn)不通過則證明該矩陣存在矛盾，不能作為計算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。SAATY T[14]提出取一致性指標(biāo)(CI)對隨機(jī)指標(biāo)均值(RI)之比，叫作一致性比率，記為CR，作為一致性檢驗(yàn)判別式。

(1)首先求取矩陣最大特征根λmax，然后按照式(2)計算CI值：

(2)按照矩陣階數(shù)從表1中查出RI值：

表1 矩陣階數(shù)為1～9的RI值

(3)按照式(3)計算CR值：

(4)如果CR＜0.1，檢驗(yàn)通過；否則需對判斷矩陣進(jìn)行某些調(diào)整，再返回步驟(1)。

按照該方法，矩陣A、B1、B2、B3均通過一致性檢驗(yàn)，可以用來計算。

2.2 計算權(quán)重向量

對于一致性矩陣A，本文采用幾何平均法針對每一行計算權(quán)重向量，如式(4)所示：

再規(guī)范化，得權(quán)重向量：

可以求得上述諸判斷矩陣的權(quán)重向量：

本文提出利用式(10)計算：

得到指標(biāo)權(quán)重總排序：

其中，“⊕”表示前后兩個向量按順序連接起來，矩陣整體列數(shù)增加，不進(jìn)行其他計算。

得到權(quán)重以后可以對某型數(shù)據(jù)鏈的抗干擾性能進(jìn)行綜合評價。假設(shè)有3種數(shù)據(jù)鏈α、β、γ，要對其進(jìn)行抗干擾性能綜合評價。通過真實(shí)試驗(yàn)或者仿真驗(yàn)證，得到數(shù)據(jù)鏈在不同干擾樣式下的抗干擾情況，進(jìn)而針對其各抗干擾指標(biāo)的表現(xiàn)打分，得到3種數(shù)據(jù)鏈11個指標(biāo)(如圖1所示)的抗干擾性能打分矩陣V，總分10分。

矩陣V的第一行元素vlj分別與ωB中的元素對應(yīng)相乘得到評價矩陣第一行、第二行和第三行，以此計算可以得到評價矩陣R，R=R1⊕R2⊕R3。

對矩陣R的每一行求和計算可以得到3種數(shù)據(jù)鏈的綜合抗干擾性能評分：R*=[8.110 5，7.035 3，6.617 8]T?？梢娊?jīng)過計算，數(shù)據(jù)鏈α 的綜合抗干擾性能最優(yōu)。

3 自適應(yīng)權(quán)重修正

通過上面的計算可以得到抗干擾性能評價結(jié)果，但是由于算法本身存在一定的不足，可能得到的最終評價結(jié)果并不完美。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈綜合抗干擾評估中，最終目的是對不同協(xié)議、不同類型的數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行綜合抗干擾評估，由于數(shù)據(jù)鏈的基本抗干擾技術(shù)是相同的，因此不同的數(shù)據(jù)鏈存在一些指標(biāo)的打分值變化不大，這類指標(biāo)對于區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)鏈的抗干擾性能意義不大，而打分值相差較大的指標(biāo)才能更好地體現(xiàn)該型數(shù)據(jù)鏈的特點(diǎn)。所以在評價時應(yīng)該使被評價指標(biāo)值相對集中的指標(biāo)權(quán)重有所下降，相對分散的指標(biāo)權(quán)重有所上升[15]。也就是說在評價矩陣中，如果存在某一列的評價值相近，則應(yīng)該適當(dāng)降低該列評價值多對應(yīng)的指標(biāo)；同理，如果某一列評價值相差較大，應(yīng)該適當(dāng)增加該列評價值對應(yīng)的指標(biāo)，以體現(xiàn)被評對象之間的不同。

本文提出性能指標(biāo)自適應(yīng)權(quán)重修正算法使之更能體現(xiàn)關(guān)鍵指標(biāo)的重要作用，稀釋區(qū)別不大的指標(biāo)對整體的影響。自適應(yīng)算法的核心思想是提高評價值的分散程度，所以選擇評價值的方差，構(gòu)建非線性規(guī)劃問題，如式(19)所示：

式(19)中：

則：

由式(22)可得權(quán)重自適應(yīng)修正算法如下：

自適應(yīng)修正是在計算得出的權(quán)重向量基礎(chǔ)上進(jìn)行修正的，不能脫離原來重要性關(guān)系隨意修正，權(quán)重的變化會反映在評價矩陣上，兩者之間通過不斷的反饋，修正了指標(biāo)權(quán)重值，實(shí)現(xiàn)對指標(biāo)的強(qiáng)化或弱化。

通過修正，可以得到另一組權(quán)重值，與原權(quán)重值作比較，如表2所示。

表2中權(quán)重變化為負(fù)，表示修正后權(quán)重減小了；權(quán)重變化為正，表示修正后，權(quán)重增加了。其中，第8項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重增加得最多，從圖1中查出，該指標(biāo)為數(shù)據(jù)鏈抗寬帶阻塞式干擾的誤碼率指標(biāo)，在評價矩陣R中，該指標(biāo)的評分相差較大，且該指標(biāo)更能體現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈的抗干擾能力，所以修正后增加權(quán)重有助于更好地作出評價；而第2項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重減少得最多，該指標(biāo)為抗部分頻帶干擾的頻率抑制度，在評價矩陣中，該指標(biāo)之間評分差距十分小，所以應(yīng)該減少該項(xiàng)權(quán)重，以突出重要指標(biāo)。

表2 原權(quán)重與修正后權(quán)重對比

利用修正后的抗干擾性能指標(biāo)權(quán)重值對3種數(shù)據(jù)鏈的綜合抗干擾性評分，可以得到：抗干擾性能排名沒有變化，但是評分略有調(diào)整，更能體現(xiàn)某些關(guān)鍵指標(biāo)的重要作用，在處理更多、更復(fù)雜的待評估對象時，能夠更好地發(fā)揮作用。

可見，通過本文的自適應(yīng)權(quán)重修正，可以對初步結(jié)算的權(quán)重進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，針對不同的待評價對象和打分矩陣，可以進(jìn)行不同的調(diào)整，進(jìn)而獲得更加科學(xué)的數(shù)據(jù)鏈綜合抗干擾性能評估結(jié)果。

4 結(jié)論

本文構(gòu)建了數(shù)據(jù)鏈綜合抗干擾性能評估指標(biāo)層次模型，綜合考慮抗部分頻帶干擾、抗寬帶阻塞干擾和抗轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾這3種主流干擾樣式。通過建立判斷矩陣，獲得各指標(biāo)的權(quán)重，再通過打分矩陣得到數(shù)據(jù)鏈綜合抗干擾性能的評價矩陣。針對權(quán)重?zé)o法反映指標(biāo)稀缺性的問題，本文提出了權(quán)重值自適應(yīng)調(diào)整算法，針對得到的評價矩陣自適應(yīng)對各指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行調(diào)整。通過分析，證明權(quán)重值的自適應(yīng)調(diào)整算法符合指標(biāo)稀缺性特點(diǎn)，能夠更加科學(xué)地反映各指標(biāo)在綜合評價中的地位，保證了評估結(jié)果的科學(xué)性。

在復(fù)雜電磁環(huán)境下，必須對數(shù)據(jù)鏈的抗干擾性能有充分的掌握，本文提出的評估方法全面包含了數(shù)據(jù)鏈在不同干擾樣式、不同指標(biāo)中的綜合性能，有助于全面掌握作戰(zhàn)效能，且該方法科學(xué)可行，是一種實(shí)施數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)綜合抗干擾性能評估的重要手段。