軍事智能抗干擾無(wú)線(xiàn)通信發(fā)展要求及分析

郭 銳，閆建峰，梁 亮

(中國(guó)艦船研究院，北京 100192)

軍事智能抗干擾無(wú)線(xiàn)通信發(fā)展要求及分析

郭 銳，閆建峰，梁 亮

(中國(guó)艦船研究院，北京 100192)

探討了未來(lái)軍事無(wú)線(xiàn)通信干擾手段的發(fā)展趨勢(shì)和抗干擾無(wú)線(xiàn)通信發(fā)展的要求。提出了智能抗干擾無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)應(yīng)具備的基本能力，并對(duì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)描述和分析，在使無(wú)線(xiàn)頻譜資源最優(yōu)化動(dòng)態(tài)利用的同時(shí)，為軍事抗干擾無(wú)線(xiàn)通信提供了一個(gè)可選擇的技術(shù)參考途徑。

抗干擾通信;動(dòng)態(tài)頻譜感知;智能決策

0 引言

軍事通信系統(tǒng)是現(xiàn)代和未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)指揮控制的重要神經(jīng)系統(tǒng)，無(wú)線(xiàn)通信是戰(zhàn)爭(zhēng)中敵方首要攻擊、破壞的目標(biāo)。“制電磁頻譜權(quán)”已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中敵我雙方除海、陸、空、天外爭(zhēng)奪的第五維戰(zhàn)場(chǎng)空間。在以信息作戰(zhàn)和網(wǎng)絡(luò)作戰(zhàn)為特征的現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，圍繞電磁頻譜的爭(zhēng)奪和對(duì)抗成為戰(zhàn)爭(zhēng)中奪取的重要制高點(diǎn)。要使作戰(zhàn)單元在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間獲取可靠信息，發(fā)揮最大的戰(zhàn)斗效能，軍事通信系統(tǒng)必須具有頑強(qiáng)的生存能力，主要表現(xiàn)在抗干擾、反偵察、抗毀、機(jī)動(dòng)和保密等5個(gè)方面。在面向信息對(duì)抗和網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，軍事通信抗干擾已經(jīng)成為信息化作戰(zhàn)關(guān)注的焦點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題［1］。

因此，在未來(lái)的戰(zhàn)場(chǎng)上要保證戰(zhàn)場(chǎng)通信，必須要發(fā)展新的智能化的抗干擾通信技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)敵方的各種干擾手段，要求通信系統(tǒng)的干擾感知與通信抗干擾一體化設(shè)計(jì)，這樣才能保證通信抗干擾具有針對(duì)性和實(shí)時(shí)性［2－3］。戰(zhàn)場(chǎng)的無(wú)線(xiàn)抗干擾通信技術(shù)要求在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，能實(shí)時(shí)偵查、識(shí)別出戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的干擾體制或方法，以便選擇最佳的通信方式與之對(duì)抗，保證通信的連續(xù)性。

1 未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信干擾手段的發(fā)展趨勢(shì)

目前，軍事通信干擾技術(shù)正朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展:綜合化、一體化、智能化通信對(duì)抗條件下的通信干擾技術(shù);遠(yuǎn)程大功率干擾技術(shù)不斷應(yīng)用;分布式網(wǎng)絡(luò)化干擾技術(shù)成為發(fā)展重點(diǎn);干擾領(lǐng)域向多維對(duì)抗的方向發(fā)展;通信對(duì)抗盲偵察、盲干擾技術(shù)不斷得到應(yīng)用。

在傳統(tǒng)電子戰(zhàn)中，一旦通信方的自適應(yīng)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)針對(duì)有意或無(wú)意的干擾做出了信號(hào)調(diào)整后，干擾方的一般做法是先記錄下新的信號(hào)，然后送回實(shí)驗(yàn)室分析，再進(jìn)行干擾決策與實(shí)施，由于處理周期較長(zhǎng)，干擾識(shí)別和干擾施加的實(shí)時(shí)性很難保證，干擾的效能也很難估計(jì)。

但在未來(lái)電子戰(zhàn)中，干擾設(shè)備是集信號(hào)偵查與識(shí)別、通信信號(hào)的特征描述、干擾效果的評(píng)估、干擾指揮與顯示的一體化設(shè)計(jì)，使得干擾設(shè)備具備更強(qiáng)的偵查能力。這種自適應(yīng)電子戰(zhàn)的行為學(xué)習(xí)能力將使電子戰(zhàn)設(shè)備能在戰(zhàn)場(chǎng)上實(shí)時(shí)地自行檢測(cè)、分析、識(shí)別敵方新的通信信號(hào)，而后對(duì)他們進(jìn)行高效的干擾，并評(píng)估射頻干擾效果。通過(guò)這一能力，可有效對(duì)付敵方先進(jìn)通信設(shè)備的抗干擾手段，從而確保己方對(duì)敵方通信進(jìn)行持續(xù)干擾。基本工作過(guò)程如圖1所示。

圖1 自適應(yīng)電子戰(zhàn)的行為學(xué)習(xí)過(guò)程Fig.1 The behavior study process of adaptive electronic warfare

干擾系統(tǒng)通過(guò)前端高性能的寬帶接收機(jī)，可以快速識(shí)別工作頻段的所有已知和未知非協(xié)作信號(hào)，對(duì)已知的非協(xié)作信號(hào)進(jìn)行快速檢測(cè)和特征描述，并與歷史數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)比，快速做出干擾反應(yīng);對(duì)未知的非協(xié)作信號(hào)，首先進(jìn)行特征分析與描述，傳送至指揮與顯示中心，采用人工與機(jī)器自動(dòng)識(shí)別相結(jié)合的方式進(jìn)行判別，并在最短的時(shí)間內(nèi)根據(jù)信號(hào)的特征啟動(dòng)最有效的干擾方式，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)通過(guò)反復(fù)分析、迭代，最終把未知的非協(xié)作信號(hào)的基本特征提取出來(lái)變成已知的非協(xié)作信號(hào)，存入歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，該類(lèi)信號(hào)再次出現(xiàn)時(shí)，干擾系統(tǒng)能快速做出反應(yīng)。

在未來(lái)這種具有自適應(yīng)電子戰(zhàn)的行為學(xué)習(xí)能力的干擾方式下，傳統(tǒng)的抗干擾通信體制已經(jīng)很難達(dá)到抗偵查、抗干擾的目的。

2 未來(lái)抗干擾無(wú)線(xiàn)通信的發(fā)展要求

通信對(duì)抗中的通信一方努力避開(kāi)干擾頻段重新尋找可用頻譜資源，而本已緊張的頻譜資源，加上敵方干擾的寬帶化、大功率化、多樣化、智能化的發(fā)展，使得為對(duì)抗干擾而尋找新的可用頻譜資源的努力受到極大限制。為達(dá)到更好的通信抗干擾效果，需要更大的頻譜變化范圍和更寬的工作帶寬，而頻譜資源緊張和使用不均衡造成常常出現(xiàn)已無(wú)可跳、可擴(kuò)頻段的情況。傳統(tǒng)的抗干擾通信的體制缺陷日益突出，已成為制約信息對(duì)抗領(lǐng)域通信方發(fā)展的瓶頸之一。

目前的抗干擾通信多基于固定頻譜通信，固定頻譜通信體制由于通信過(guò)程中心頻率(或頻率集)固定不變或變化不大，頻譜會(huì)表現(xiàn)出重復(fù)性規(guī)律，給偵察提供了大量固定的信號(hào)特征信息，也給偵察以充分的處理時(shí)間，便于存儲(chǔ)和建立信號(hào)特征數(shù)據(jù)庫(kù)，在戰(zhàn)時(shí)對(duì)出現(xiàn)該類(lèi)信號(hào)能被快速判別和進(jìn)行干擾和破壞。

為對(duì)抗敵方的偵查與干擾，通常采用自適應(yīng)無(wú)線(xiàn)通信方式是一個(gè)很好的選擇。自適應(yīng)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)能自動(dòng)進(jìn)行信號(hào)調(diào)整，以對(duì)付有意或無(wú)意的干擾。但傳統(tǒng)的自適應(yīng)無(wú)線(xiàn)通信由于其自適應(yīng)調(diào)節(jié)的參數(shù)狀態(tài)有限，再加上工作時(shí)對(duì)外部的頻譜或其他干擾特征的實(shí)時(shí)感知能力有限，因此表現(xiàn)出的抗干擾能力也非常有限。

智能自適應(yīng)無(wú)線(xiàn)電是無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)，可根據(jù)環(huán)境變化自適應(yīng)調(diào)整的系統(tǒng)的工作參數(shù)，包括頻率、瞬時(shí)帶寬、調(diào)制方式、糾錯(cuò)編碼、補(bǔ)償策略、系統(tǒng)定時(shí)、數(shù)據(jù)速率、發(fā)射功率、濾波特性等［4］，所有的這些智能自適應(yīng)特性都必須建立在強(qiáng)大的環(huán)境感知能力與智能的決策能力基礎(chǔ)上。

未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)是體系對(duì)體系的對(duì)抗，如何在電磁對(duì)抗中取得優(yōu)勢(shì)是決定未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)的首要因素。要在戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜多變的電磁環(huán)境下獲得現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的信息制高點(diǎn)，必須通過(guò)實(shí)時(shí)感知干擾和己方工作頻譜的動(dòng)態(tài)變化情況，認(rèn)知干擾和頻譜空洞特征，通過(guò)智能推理與決策，自主選擇頻譜并動(dòng)態(tài)重構(gòu)各類(lèi)調(diào)制波形，適應(yīng)電磁環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)高效、可靠的抗干擾通信。只有充分利用頻域、空域、時(shí)域及能量域抗干擾空間，自動(dòng)適應(yīng)和對(duì)抗敵方不斷發(fā)展的偵察和干擾手段，才能最大限度發(fā)揮無(wú)線(xiàn)通信裝備與網(wǎng)絡(luò)體系作戰(zhàn)效能。智能抗干擾通信系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖2所示。

1)寬帶接收機(jī)

寬帶接收機(jī)是智能抗干擾通信系統(tǒng)最重要的前端設(shè)備之一，要求頻帶寬，靈敏度高，分辨率高，是對(duì)無(wú)線(xiàn)電通信電磁環(huán)境感知的基礎(chǔ)設(shè)備，通過(guò)它能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電磁頻譜態(tài)勢(shì)的快速變化，通過(guò)時(shí)、頻、空多維感知，為系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的電磁頻譜環(huán)境分析提供動(dòng)態(tài)輸入。

圖2 智能抗干擾無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)基本構(gòu)成Fig.2 The structure of intelligent anti-interference wireless communications system

2)頻譜檢測(cè)與特征描述

根據(jù)寬帶接收機(jī)輸入的多維電磁頻譜環(huán)境數(shù)據(jù)信息，對(duì)監(jiān)視頻段內(nèi)的相關(guān)電磁環(huán)境參量進(jìn)行描述和分類(lèi)，如背景噪聲幅度、穩(wěn)定性、時(shí)效性、干擾溫度、典型干擾信號(hào)、非典型干擾信號(hào)等［5－9］。建立各種背景噪聲、信號(hào)的特征數(shù)據(jù)庫(kù)，為下一階段的頻譜、干擾分析提供輸入。

3)動(dòng)態(tài)共享頻譜池

高效的動(dòng)態(tài)頻譜分配是智能抗干擾無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的必然要求，動(dòng)態(tài)頻譜分配和頻譜共享技術(shù)都能顯著提高頻譜利用率，也是提高頻譜利用率的根本方法［10－11］。但動(dòng)態(tài)頻譜分配方式需要改變現(xiàn)有頻譜分配總體結(jié)構(gòu)，對(duì)頻譜管理、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、通信終端等方面要求改動(dòng)較大，實(shí)現(xiàn)難度較大;而頻譜共享技術(shù)在不改變現(xiàn)有頻譜分配總體機(jī)構(gòu)下，通過(guò)無(wú)線(xiàn)電頻譜共享方式來(lái)提高頻譜利用率，實(shí)現(xiàn)難度相對(duì)動(dòng)態(tài)頻譜分配更小一些。根據(jù)各類(lèi)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)在時(shí)間、頻率、空間上對(duì)頻率資源利用的不均衡，采用共享方式充分利用未得到利用的頻譜資源。

具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程是通過(guò)頻譜檢測(cè)與特征描述提供的背景噪聲、信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)信息，結(jié)合頻率預(yù)測(cè)、干擾信號(hào)預(yù)測(cè)、信道預(yù)測(cè)(探測(cè))和具體的頻率優(yōu)選策略建立共享頻譜池，而且頻譜池能動(dòng)態(tài)的隨頻譜環(huán)境的變化而實(shí)時(shí)更新，為動(dòng)態(tài)頻譜介入提供優(yōu)等頻率資源。

4)干擾模式與頻譜預(yù)測(cè)

未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)的無(wú)線(xiàn)抗干擾通信技術(shù)要求在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，能實(shí)時(shí)偵查、識(shí)別出干擾體制或方法，以便選擇最佳的通信方式與之對(duì)抗。確定噪聲門(mén)限及干擾門(mén)限，進(jìn)行干擾情況下的頻譜空洞預(yù)測(cè)，為鏈路控制層及介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制層實(shí)時(shí)提供可用信道資源;通過(guò)干擾模式的偵查、識(shí)別，為頻譜空洞智能化選擇及綜合智能抗干擾策略提供決策依據(jù)。

5)波形庫(kù)

建立適合多種信道條件的完備波形庫(kù)，供智能決策庫(kù)選擇，以適應(yīng)復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜環(huán)境。

6)信道探測(cè)/預(yù)測(cè)

信道探測(cè)需要與實(shí)際通信過(guò)程相結(jié)合，通過(guò)探測(cè)可實(shí)時(shí)掌握實(shí)際工作信道的信道特性、通信性能，同時(shí)對(duì)當(dāng)前信道特性、通信指標(biāo)進(jìn)行存儲(chǔ)記錄，并建立信道特性數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)歷史信道特征庫(kù)對(duì)信道特性進(jìn)行有限時(shí)間內(nèi)的準(zhǔn)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，為最優(yōu)信道的選取和與之相匹配波形的選擇提供基礎(chǔ)參數(shù)。

7)智能決策庫(kù)

智能決策庫(kù)是智能抗干擾無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的核心，通過(guò)智能的綜合、推理和決策，自主地從“動(dòng)態(tài)共享頻譜池”選擇適合當(dāng)前信道特性的工作頻率和與之相匹配的通信波形，并調(diào)整本系統(tǒng)的工作方式與參數(shù)進(jìn)行重構(gòu)，從而達(dá)到快速適應(yīng)電磁頻譜環(huán)境的變化，有效、連續(xù)傳輸信息的目的。

8)通信效果評(píng)估與分析

對(duì)實(shí)際通信過(guò)程的通信效果進(jìn)行評(píng)估，建立通信效果評(píng)估等級(jí)，估計(jì)必要的系統(tǒng)參數(shù)，為智能決策庫(kù)提供反饋信息，以便進(jìn)行更精確的參數(shù)調(diào)整。通信效果評(píng)估與分析結(jié)果也可以直接輸出至控制與顯示模塊，為系統(tǒng)的使用者或決策者提供參考。

9)控制和顯示

為智能抗干擾無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)提供輸入、輸出。系統(tǒng)的使用者或決策者可以通過(guò)控制功能對(duì)系統(tǒng)本身的決策庫(kù)進(jìn)行干預(yù)，調(diào)整決策策略。通過(guò)顯示功能為使用者提供系統(tǒng)頻譜態(tài)勢(shì)、通信效果、通信指標(biāo)等具體參考信息。

10)自適應(yīng)控制器

自適應(yīng)控制器是智能抗干擾通信系統(tǒng)執(zhí)行控制中心，它需要綜合智能決策庫(kù)、通信效果評(píng)估與分析、控制和顯示等輸入信息，啟動(dòng)相應(yīng)的外圍設(shè)備開(kāi)始相應(yīng)的通信功能。

各模塊協(xié)調(diào)工作，構(gòu)成了完整的智能抗干擾無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)可隨通信干擾技術(shù)和手段的發(fā)展以及系統(tǒng)本身相關(guān)設(shè)備性能指標(biāo)的提高而不斷的優(yōu)化、完備，從而達(dá)到有效對(duì)抗各種新式干擾的目的。

3 結(jié)語(yǔ)

未來(lái)的智能抗干擾無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)可實(shí)時(shí)感知判斷戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的頻譜態(tài)勢(shì)，對(duì)頻譜環(huán)境的變化快速做出反應(yīng)，使通信能實(shí)時(shí)利用最優(yōu)的頻譜資源和最佳匹配波形，最大程度上保證通信過(guò)程的持續(xù)性。這種集頻譜態(tài)勢(shì)感知、頻譜管理、智能決策一體的通信手段，在最優(yōu)化利用頻譜資源的同時(shí)也達(dá)到了智能抗干擾通信的目的。

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The development requirements and analysis of military intelligent anti-interference wireless communications

GUO Rui，YAN Jian-feng，LIANG Liang
(China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，China)

This article explores the means of future military wireless communication interference trend and the development of anti-interference wireless communication requirements.Proposed the basic ability of intelligent anti-interference wireless communication should have described and analyzed the implementation process.Wireless spectrum not only the most optimal use of resources and provides an alternative way of technical information for military intelligent anti-interference wireless communications.

anti-interference wireless communication;dynamic spectrum sensing;intelligent decision-making

TN97

A

1672－7649(2011)06－0019－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.06.005

2011－05－06

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(60832006)

郭銳(1977－)，男，碩士，工程師，主要從事無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域研究。