無(wú)線通信在復(fù)雜電磁環(huán)境下的抗干擾技術(shù)研究

(中國(guó)人民解放軍31619 部隊(duì),江蘇南京 210008)

1 復(fù)雜電磁環(huán)境分析

復(fù)雜電磁環(huán)境是時(shí)代發(fā)展背景下所衍生的概念,特別是在軍事領(lǐng)域得到具體的強(qiáng)調(diào),即主要指在一定的作戰(zhàn)時(shí)空內(nèi),人為電磁發(fā)射和多種電磁現(xiàn)象的總合。從復(fù)雜電磁環(huán)境的生成方式看,主要包括敵我雙方間的電子對(duì)抗,各類武器裝備之間的無(wú)線交互、大范圍的民用無(wú)線通信,甚至還包括自然界電磁波輻射等[1]。隨著無(wú)線通信技術(shù)的升級(jí),打贏信息化戰(zhàn)爭(zhēng)已成為我軍發(fā)展重點(diǎn),而無(wú)線通信技術(shù)保障是重要的前提條件,因此必須要針對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境進(jìn)行技術(shù)錘煉,最終贏得在無(wú)線通信領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。

海灣戰(zhàn)爭(zhēng)的“沙漠風(fēng)暴”行動(dòng),是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的典型案例,其中核心便是大量的無(wú)線通信對(duì)抗,通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)的壓倒性優(yōu)勢(shì),使伊拉克軍隊(duì)通信全面瓦解,喪失了基本的軍隊(duì)指揮權(quán),從而為美軍的勝利奠定了基礎(chǔ)。由此可見(jiàn),現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)已經(jīng)與信息化戰(zhàn)爭(zhēng)綁定,要想奪取信息權(quán)則必須奪取制電磁權(quán),而應(yīng)對(duì)好復(fù)雜電磁環(huán)境下的干擾問(wèn)題,勢(shì)必成為其中最基本的需求,必須加以重視和完善。

2 無(wú)線通信電磁干擾原理

無(wú)線通信技術(shù)(Wireless Communication)的原理,即利用無(wú)線收發(fā)設(shè)備實(shí)現(xiàn)信息與電磁信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換,并實(shí)現(xiàn)一定的距離、范圍內(nèi)的傳輸?shù)倪^(guò)程。隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步與需求的增加,無(wú)線通信設(shè)備應(yīng)用規(guī)模與日俱增,由于忽視了電磁信號(hào)干擾方面和因素,使各類設(shè)備在使用時(shí)受到不同程度干擾,造成信號(hào)傳輸質(zhì)量的下降。因此在常見(jiàn)無(wú)線通信過(guò)程中,常常會(huì)產(chǎn)生串臺(tái)或者串接的現(xiàn)象,導(dǎo)致無(wú)線通信的可靠性與安全性受到制約[2]。

依據(jù)無(wú)線通信技術(shù)原理,電磁信號(hào)由無(wú)線發(fā)射機(jī)設(shè)備發(fā)射,經(jīng)由天線進(jìn)行輻射后進(jìn)行空間層面的傳播。無(wú)線通信接收天線在接收到特定的電磁信號(hào)后,會(huì)將該信號(hào)傳輸至接收機(jī)中進(jìn)行信號(hào)放大和解調(diào),從而完成與發(fā)射端相反的轉(zhuǎn)化過(guò)程,最終完成信息的無(wú)線傳輸。由于電磁信號(hào)傳播的廣泛性及頻率的局限性,在頻率接近的電磁環(huán)境中,電磁信號(hào)則極易受到干擾,影響有效信號(hào)的傳輸。并且,電磁干擾一般覆蓋信息傳輸?shù)娜^(guò)程,因此無(wú)線通信線路越長(zhǎng),其受干擾的風(fēng)險(xiǎn)也越高,影響程度越大。

3 復(fù)雜電磁環(huán)境下干擾的類型與分級(jí)量化

3.1 無(wú)線通信干擾類型

在復(fù)雜電磁環(huán)境下,干擾因素的生成方式多種多樣,除自然因素所形成的干擾外,還包括了諸多人為因素,尤其是在軍事領(lǐng)域內(nèi)的敵對(duì)通信干擾,將成為無(wú)線通信技術(shù)面臨的關(guān)鍵干擾因素。在復(fù)雜電磁環(huán)境下的無(wú)線通信中,敵方將試圖通過(guò)信號(hào)干擾滿足偵收、分析、識(shí)別與干擾需求,從而達(dá)到破壞我方無(wú)線通信體系的目的。常見(jiàn)的干擾類型包括窄帶干擾、寬帶干擾和跟蹤式干擾等。其中,窄帶干擾即專指在通信中產(chǎn)生的局部頻段干擾,部分專用窄帶干擾設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)集中式的大功率干擾;寬帶干擾主要是指對(duì)通信頻段的大范圍干擾,多頻點(diǎn)的梳狀干擾同屬寬帶干擾的一種,尤其是當(dāng)寬帶干擾達(dá)到全頻段覆蓋時(shí),一旦干擾功率足夠大,將形成阻塞式干擾,導(dǎo)致無(wú)線通信系統(tǒng)的崩潰;跟蹤式干擾屬于最具威脅的干擾方式,即干擾機(jī)在掃描分析信號(hào)后,在相同的中心頻率上發(fā)射干擾信號(hào),從而對(duì)跳頻等通信方式形成干擾破壞。

3.2 無(wú)線通信干擾分級(jí)量化

依據(jù)《戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境分類與分級(jí)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)》的權(quán)威評(píng)估標(biāo)準(zhǔn),對(duì)于復(fù)雜電磁環(huán)境中的無(wú)線通信干擾進(jìn)行了細(xì)致評(píng)估,尤其是針對(duì)戰(zhàn)時(shí)條件下的復(fù)雜電磁環(huán)境,具有極強(qiáng)的指導(dǎo)價(jià)值和意義。其中,將其主要?jiǎng)澐譃樗膫€(gè)等級(jí),即重度、中度、輕度、簡(jiǎn)單。并且,由于戰(zhàn)場(chǎng)條件下的復(fù)雜電磁環(huán)境具有較強(qiáng)的參考性,因此在分析中主要以戰(zhàn)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析。根據(jù)對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境干擾分級(jí)量化標(biāo)準(zhǔn),對(duì)其部分變量進(jìn)行如下假設(shè):(1)時(shí)域假設(shè),假設(shè)電磁干擾源與通信系統(tǒng)信號(hào)產(chǎn)生時(shí)間重合;(2)頻域假設(shè),假設(shè)電磁干擾源與無(wú)線通信設(shè)備頻率處于接近狀態(tài),使各類干擾信號(hào)與通信頻率產(chǎn)生碰撞;(3)能域假設(shè),假設(shè)電磁信號(hào)干擾源滿足無(wú)線信號(hào)最低干擾功率,形成對(duì)無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)挠行Ц蓴_;(4)空域假設(shè),假設(shè)在干擾源已經(jīng)形成干擾的時(shí)機(jī)下,干擾機(jī)的位置配置仍具有較大選擇空間,其干擾范疇最大概率取值為發(fā)信機(jī)至收信機(jī)的3.162倍。通過(guò)上述條件的確立,可建立通用電磁干擾環(huán)境等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn),如表1所示。

4 復(fù)雜電磁環(huán)境下無(wú)線通信抗干擾技術(shù)

4.1 跳頻技術(shù)

跳頻技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了無(wú)線通信抗干擾領(lǐng)域的實(shí)質(zhì)性突破,由于其優(yōu)異的抗干擾效果,受到了廣泛的認(rèn)可和歡迎,并被應(yīng)用于微波、毫米波無(wú)線通信之中。從跳頻技術(shù)的原理上講,其主要是通過(guò)無(wú)線電頻率之間依據(jù)特定規(guī)律進(jìn)行跳變,使干擾信號(hào)難以進(jìn)行干擾或者追蹤,其抗干擾性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于固定頻率無(wú)線信號(hào),同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)展頻譜的目的。另外,跳頻技術(shù)的抗干擾能力主要取決于跳頻速度,即跳頻速度與抗干擾能力之間成正比。在跳頻過(guò)程中所獲取的部分額外頻譜,也將進(jìn)一步提升抗干擾性,跳頻頻帶寬則表示其抗干擾性越強(qiáng)。由此可見(jiàn),跳頻技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵在于提升跳頻速度與跳頻帶寬,這將使跳頻技術(shù)獲得更佳的應(yīng)用效果,特別是在復(fù)雜電磁環(huán)境下,跳頻技術(shù)的升級(jí)和改善,勢(shì)必為無(wú)線通信安全和可靠提供有力保證。

4.2 擴(kuò)頻技術(shù)

所謂擴(kuò)頻技術(shù)即利用對(duì)無(wú)線電頻譜的拓展,使有效信號(hào)被隱藏于頻譜之中,從而增加了被跟蹤或者截取的難度,無(wú)形之中提升了無(wú)線通信的安全性和抗干擾性,在擴(kuò)頻技術(shù)應(yīng)用中的典型代表為CDMA 通信。目前,直接序列方式屬于擴(kuò)頻技術(shù)的常見(jiàn)方式,主要是指利用通信頻譜的擴(kuò)展,使傳輸信號(hào)功率譜密度有效降低,以此來(lái)提升無(wú)線通信的抗干擾性,并提升復(fù)雜電磁環(huán)境下的通信保密性。擴(kuò)頻技術(shù)同時(shí)還能夠形成相應(yīng)的組合,如跳頻/直擴(kuò)、跳時(shí)/直擴(kuò)、跳頻/跳時(shí)等。此類無(wú)線通信抗干擾技術(shù)被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信及蜂窩通信中。

4.3 智能天線技術(shù)

智能天線技術(shù)即利用現(xiàn)代智能化控制算法,以實(shí)現(xiàn)天線的定向波束傳輸,尤其是在傳輸過(guò)程中可以利用主瓣指向特定用戶,而旁瓣或后瓣則指向非特定用戶,在保證了自身信號(hào)傳輸質(zhì)量的同時(shí),還能夠伺機(jī)對(duì)非特定用戶進(jìn)行一定干擾,極大改善了電磁污染問(wèn)題。智能天線技術(shù)的出現(xiàn),使無(wú)線通信抗干擾能力獲得跨越式發(fā)展,其利用天線物理層面的控制,使天線的信噪比大幅增加,實(shí)現(xiàn)對(duì)不同方向干擾信號(hào)的抑制,從而獲得了較好的抗干擾性。但智能天線技術(shù)仍然處于不斷研究與發(fā)展階段,其性能與需求仍有較大差距,如智能天線技術(shù)中的物理天線的設(shè)計(jì)要求天線波束能夠盡可能變窄,而滿足波束變窄的要求,則需要更多天線單元進(jìn)行覆蓋,從而增加了天線設(shè)計(jì)難度。隨著智能天線技術(shù)的發(fā)展,更多先進(jìn)技術(shù)被引入其中,如MIMO 多天線技術(shù)能夠利用OFDM 以及空時(shí)編碼技術(shù),使系統(tǒng)的信道容量成倍增加,極大增強(qiáng)了無(wú)線通信抗干擾能力。

表1 通用電磁干擾環(huán)境等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 General standards for the classification of electromagnetic interference environment

4.4 混合技術(shù)

在復(fù)雜電磁環(huán)境下提升無(wú)線通信抗干擾能力,除了使用更多單一的抗干擾技術(shù)外,混合技術(shù)同樣值得關(guān)注和應(yīng)用。其具體的抗干擾思路即通過(guò)多種技術(shù)的混合應(yīng)用,使無(wú)線通信能夠應(yīng)對(duì)不同場(chǎng)景下的干擾情況,以提升無(wú)線通信抗干擾的適應(yīng)性,并且依托混合技術(shù)實(shí)現(xiàn)1+1＞2的效果。受制于單一抗干擾技術(shù)的缺陷,在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下將產(chǎn)生一定的局限性,而混合技術(shù)的適用性、靈活性與抗干擾性都更強(qiáng),能夠彌補(bǔ)單一技術(shù)層面的缺陷,使無(wú)線通信能夠較好適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境帶來(lái)的影響。比如,在直接序列擴(kuò)頻與跳頻技術(shù)的混合中,無(wú)線通信可實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理增益,且能夠獲得更寬的頻譜和跳頻效果強(qiáng)化。

5 無(wú)線通信在復(fù)雜電磁環(huán)境下的抗干擾保障措施

5.1 加強(qiáng)宣傳力度和群防意識(shí)

隨著社會(huì)對(duì)無(wú)線通信技術(shù)的依賴性增強(qiáng),無(wú)線通信干擾問(wèn)題必須受到廣泛關(guān)注,由此則需要增強(qiáng)民眾的參與,擴(kuò)大防治的覆蓋面。比如,增強(qiáng)對(duì)無(wú)線通信安全的宣傳,幫助普通民眾深度了解無(wú)線電干擾的產(chǎn)生原理,以及其帶來(lái)的安全隱患與危害,讓更多的民眾加入防范行為,避免無(wú)意識(shí)的無(wú)線通信干擾問(wèn)題產(chǎn)生。

5.2 嚴(yán)格治理無(wú)線電干擾源頭

復(fù)雜電磁環(huán)境下,無(wú)線通信干擾問(wèn)題尤為突出,尤其是對(duì)干擾源的控制與治理,將屬于一項(xiàng)系統(tǒng)性、長(zhǎng)期性工程,需要投入更大的精力與時(shí)間。對(duì)于主管機(jī)構(gòu)而言,應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)與相關(guān)職能、執(zhí)法機(jī)關(guān)的配合,做好違法電臺(tái)及干擾源的整治。此外,對(duì)信號(hào)干擾設(shè)備的生產(chǎn)端要進(jìn)行規(guī)范,切實(shí)從源頭上降低干擾風(fēng)險(xiǎn)[3]。

5.3 注重?zé)o線電臺(tái)站管理審批

相關(guān)通信職能部門在無(wú)線電臺(tái)管理及審批環(huán)節(jié),應(yīng)注重綜合因素層面的考慮,對(duì)地點(diǎn)頒布、覆蓋范圍、使用狀況等進(jìn)行籌劃,確保無(wú)線電臺(tái)與正常無(wú)線通信之間互不干擾,同時(shí)提升審批門檻,盡量避免新的干擾源產(chǎn)生,發(fā)揮凈化電磁環(huán)境的作用。

6 結(jié)語(yǔ)

伴隨著社會(huì)科技的持續(xù)發(fā)展,無(wú)線通信技術(shù)將承擔(dān)更重要的服務(wù)使命,尤其是無(wú)線通信規(guī)模的增加,通信環(huán)境日益復(fù)雜。在這種復(fù)雜電磁環(huán)境下,如何控制無(wú)線通信干擾問(wèn)題必將成為重點(diǎn),因此在實(shí)踐中應(yīng)從不同的技術(shù)層面綜合研究,提出更多元化的抗干擾技術(shù)手段。特別是分析復(fù)雜電磁環(huán)境的特點(diǎn)、生成因素及控制方法,以此作為抗干擾技術(shù)發(fā)展的依據(jù),使之不斷適應(yīng)全新的無(wú)線通信環(huán)境,提升無(wú)線通信的安全性、可靠性和抗干擾性。將無(wú)線通信抗干擾技術(shù)應(yīng)用于軍事領(lǐng)域,可以提升軍隊(duì)的信息化保障能力,推動(dòng)強(qiáng)軍目標(biāo)的實(shí)現(xiàn),彰顯抗干擾技術(shù)的國(guó)防優(yōu)勢(shì)。