反RCIED防護(hù)技術(shù)研究*

鄧 曦，鄧 招，彭 麟，宋 滔

（中國電子科技網(wǎng)絡(luò)信息安全有限公司，四川 成都 610041）

0 引 言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)、無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線電子設(shè)備在為人們生活帶來極大便利、為社會帶來巨大進(jìn)步的同時，也被恐怖分子、非法武裝等組織或個人成功運用到了爆炸裝置中，形成了新的爆炸裝置，即無線電控制簡易爆炸裝置--RCIED（Radio Controlled Improvised Explosive Device）。RCIED是一種利用無線發(fā)射器在遠(yuǎn)處遙控引爆簡易炸彈的裝置。它由遙控發(fā)射裝置和定點接收裝置構(gòu)成。遙控發(fā)射裝置發(fā)射引爆信號至爆炸裝置的無線通信接收端口，接收端口經(jīng)過事先改裝過的信號接收器，將引爆信號發(fā)送至炸彈引爆部分[1]。

目前，RCIED反制措施主要有：

（1）威脅探測與消除：利用雷達(dá)探測、激光探測和掃雷機(jī)器人等技術(shù)，對潛在的IED進(jìn)行探測，并解除或摧毀IED的爆炸威脅；

（2）裝甲加強(qiáng)：采用新型裝甲材料、附加裝甲和改善裝甲防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計等，加強(qiáng)裝甲平臺抵抗爆炸摧毀能力；

（3）電子干擾主動防護(hù)：通過電磁手段干擾和屏蔽遙控起爆裝置。

近年來，業(yè)界一直認(rèn)為抵抗簡易爆炸裝置最有效的辦法是通過電子干擾設(shè)備反制RCIED。全球許多電子系統(tǒng)研發(fā)公司紛紛研制出許多以射頻電子干擾機(jī)為主體，用來干擾壓制RCIED遙控引爆信號的電子防護(hù)系統(tǒng)，以通過電子干擾阻止或延緩引爆器啟動，確?；顒踊蛐袆訁^(qū)域安全。

1 RCIED裝置種類介紹和分類

目前，被恐怖分子、非法武裝等廣泛使用的RCIED裝置的無線通信協(xié)議，主要包括遙控玩具、航模飛機(jī)、汽車遙控鎖、電子門鈴、對講機(jī)、手機(jī)、WiFi終端和海事衛(wèi)星電話等。

根據(jù)這些RCIED裝置的遙控設(shè)備發(fā)射的控制信號功率大小，可劃分為高功率RCIED和低功率RCIED兩種類型。低功率RCIED發(fā)射器發(fā)出的信號功率一般低于27 dBm（0.5 W），高功率RCIED發(fā)射器發(fā)出的信號功率大于等于27 dBm（0.5 W）。詳細(xì)分類和通信控制特點，如表1所示。

根據(jù)RCIED裝置的通信體制，還可將RCIED發(fā)射裝置劃分為無基站轉(zhuǎn)發(fā)點對點直接通信類和有基站轉(zhuǎn)發(fā)通信類。其中，不需要基站轉(zhuǎn)發(fā)可進(jìn)行點對點直接通信的有各類遙控玩具、航模玩具、汽車鎖、電子門鈴和對講機(jī)等；需要基站或其他輔助設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)通信的有手機(jī)、海事衛(wèi)星電話和WiFi終端等。具體劃分如表2所示。

由表1和表2可知，RCIED裝置種類繁多，通信體制多樣。但是，RCIED裝置雖然種類及其通信體制繁多，但其工作頻率多分布在10～6 000 MHz。由于在有基站或轉(zhuǎn)發(fā)類設(shè)備中，RCIED裝置接收的頻率為基站或設(shè)備發(fā)送給裝置的下行頻率，因此本文列舉了各類RCIED裝置的遙控頻率或基站給裝置的下行頻率，如表3所示。

由表1、表2和表3可見，RCIED裝置種類繁多、通信體制多樣、通信頻率分布較廣，且部分通信體制抗人為干擾，能在低信噪比下通信[2]。因此，為有效反制RCIED裝置，最簡單有效的方式是對所有頻段進(jìn)行瞄準(zhǔn)式壓制干擾。

2 干擾防護(hù)半徑指標(biāo)論證分析

由于RCIED裝置通信種類繁多，通信體制多樣，因此本文以GSM通信體制為例，分析并論證其干擾效果[3-4]。

GSM作為全球第二代移動通信，其主要包括GSM900和DSC1800兩個工作頻段，具體的頻率劃分如表4所示。

表1 RCIED裝置按發(fā)射功率分類

表2 RCIED裝置按通信體制分類

表3 RCIED裝置工作頻率統(tǒng)計表

針對GSM頻段，系統(tǒng)主要用于防范手機(jī)改制的RCIED。干擾機(jī)只要使一定范圍內(nèi)的手機(jī)終端無法解析基站下行信號，即可對手機(jī)實施有效干擾，從而阻止恐怖分子引爆手機(jī)RCIED。因此，系統(tǒng)干擾GSM下行頻段，分別為935～960 MHz和1 805 ～ 1 880 MHz。

對于GSM900頻段，干擾機(jī)發(fā)射功率設(shè)定為5 W（37 dBmW），發(fā)射天線增益Gt=0 dBi，饋線損耗Lt=0.9 dB，干擾機(jī)距離目標(biāo)接收機(jī)30 m，頻率取上限值960 MHz。GSM網(wǎng)絡(luò)建設(shè)設(shè)計的干擾保護(hù)比為-9 dB，為了確保干擾有效，干信比取為6 dB。

根據(jù)式（1），計算得出：

根據(jù)式（2），以98%的位置覆蓋率為例，計算得出：

表4 GSM移動通信系統(tǒng)頻段劃分

在掃頻模式下，根據(jù)GSM規(guī)范，GSM900從935.2 MHz至960 MHz共包括124個通信信道，干擾信號也為124個。因此，有：

在阻斷模式下，采用的是白噪聲阻塞。理想狀態(tài)下，在頻帶范圍fw=25 MHz內(nèi)功率是平坦的。對于干擾目標(biāo)而言，某一時刻進(jìn)入接收機(jī)的干擾信號帶寬fi=200 kHz，則有：

由以上計算可以看出，對于GSM通信，采用掃頻干擾和阻塞式干擾的干擾威力相同。

將以上計算值代入式（5），計算得出：

對于DCS1800頻段，干擾機(jī)發(fā)射功率為5 W（37 dBmW），發(fā)射天線增益Gt=0 dBi，饋線損耗Lt=1.5 dB，干擾機(jī)距離目標(biāo)接收機(jī)30 m，頻率取上限值1 880 MHz。采用相同的公式，計算得出：DCS1800的有效干擾功率為-58.58 dBmW。

因此，當(dāng)基站信號電平為-70 dBm時，要達(dá)到30 m的干擾距離，需要干擾機(jī)發(fā)出的干擾信號在30 m處的信號強(qiáng)度P＞70 dBmW。經(jīng)上述計算可見，顯然P＞70 dBmW能夠?qū)SM手機(jī)實施有效干擾。

此外，為了充分保證系統(tǒng)的干擾可靠性，根據(jù)系統(tǒng)需要的輸出功率應(yīng)在5 W左右的特點，在該頻段內(nèi)發(fā)射機(jī)的輸出功率應(yīng)取大于等于5 W。

以上論證按照干擾距離為30 m計算，總結(jié)出干擾機(jī)對各類干擾對象所需發(fā)射的理論最小功率。而WCDMA、海事衛(wèi)星電話和WiFi終端等通信體制的干擾防護(hù)半徑論證指標(biāo)分析與GSM頻段指標(biāo)論證分析方法一致，本文不再一一列舉。

3 反RCIED防護(hù)系統(tǒng)組成

3.1 反RCIED干擾機(jī)總體規(guī)劃

反RCIED防護(hù)系統(tǒng)按照功能模塊劃分，主要由功率放大器、射頻激勵源模塊、基帶模塊、電源模塊、發(fā)射天線、控制模塊和有線遙控裝置等組成，如圖1所示。

圖1 反RCIED防護(hù)系統(tǒng)組成

其中，功放模塊包含低頻遙控功放、V/UHF對講機(jī)/電子門鈴/汽車遙控功放、CDMA功放、GSM功放、海事通信衛(wèi)星功放、DCS1800功放、CDMA2000功放、WCDMA功放、TD-LTE功放、FDD-LTE功放和WiFi功放等。需要說明的是，功放模塊包含20～3 000 MHz所有無線電設(shè)備的使用頻率。

3.2 功放電路設(shè)計

功率放大器芯片采用第四代半導(dǎo)體材料。放大芯片輸入、輸出采用微帶線寬帶匹配，保證全頻段內(nèi)的頻率響應(yīng)。放大器的電路板采用介電常數(shù)穩(wěn)定的聚四氟乙烯金板材，保證在溫度變化或頻段范圍內(nèi)的分布參數(shù)穩(wěn)定。各功率放大器電路原理都較相似，區(qū)別在于選擇功率放大器芯片型號不同。放大模塊的電路原理框圖如圖2所示。

功率放大器采用前放級、推動級和末放級三級設(shè)計。每級功放包括相應(yīng)的輸入、輸出匹配電路、定向耦合器，用于功率采樣和功放保護(hù)，且在發(fā)射狀態(tài)下具備溫度、駐波保護(hù)和狀態(tài)告警功能。

圖2 功放電路原理

3.3 射頻激勵模塊設(shè)計

反RCIED防護(hù)系統(tǒng)具有頻段跨度大、掃描范圍寬等特點。使用傳統(tǒng)方法產(chǎn)生射頻激勵信號，會導(dǎo)致電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、雜波成分大且頻譜純度低，同時頻率轉(zhuǎn)換時間達(dá)不到系統(tǒng)要求，使得傳統(tǒng)方法在干擾機(jī)設(shè)備中靈活度不夠，難以應(yīng)用于寬帶射頻電路。

所以，本系統(tǒng)采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)，優(yōu)點是頻率切換時間短、分辨率高、相對帶寬寬且易于編程控制。

本系統(tǒng)中，頻率低于1 000 MHz時采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)，頻率高于1 000 MHz時采用DDS加混頻或變頻技術(shù)。射頻激勵模塊集成了DDS、集成VCO頻率源和發(fā)射激勵，如圖3所示。

20～100MHz段由數(shù)字芯片產(chǎn)生20～100 MHz射頻信號，經(jīng)低通濾波器、放大器、數(shù)控衰減器和后級放大器，輸出一個-20～+10 dBm幅度可控、頻率范圍20～100 MHz的射頻激勵信號。

100～500MHz段由數(shù)字芯片產(chǎn)生100～500 MHz射頻信號，經(jīng)低通濾波器、放大器、數(shù)控衰減器和后級放大器，輸出一個-20～+10 dBm幅度可控、頻率范圍100～500 MHz的射頻激勵信號。

500～2 000 MHz段由數(shù)字芯片產(chǎn)生250～1 000 MHz射頻信號，經(jīng)低通濾波器、放大器、×2倍頻器、低通濾波器、數(shù)控衰減器和后級放大器，輸出一個-20～+10 dBm幅度可控、頻率范圍500～2 000 MHz的射頻激勵信號。

2 000～3000 MHz段由數(shù)字芯片產(chǎn)生500～750 MHz射頻信號，經(jīng)低通濾波器、放大器、×2倍頻器、低通濾波器、放大器、×2倍頻器、數(shù)控衰減器和后級放大器，輸出一個-20～+10 dBm幅度可控、頻率范圍2 000～3 000 MHz的射頻激勵信號。

圖3 射頻激勵模塊架構(gòu)

射頻控制部分主要進(jìn)行通道選擇、DDS和集成VCO控制、增益控制和電源管理。

3.4 電源模塊設(shè)計

本設(shè)計中，功放模塊相互獨立，因此每個功放模塊需有對應(yīng)的電源模塊進(jìn)行供電。

電源模塊主要由整流濾波單元、功率轉(zhuǎn)換單元、時序控制單元和時延單元構(gòu)成，另帶有軟啟動電路、復(fù)位電路和狀態(tài)監(jiān)測電路。電源模塊與整機(jī)其他各模塊的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 電源模塊與整機(jī)其它模塊關(guān)系

其中，電源模塊A、B、C、D等分別對功放A、B、C、D等進(jìn)行供電，每個電源模塊獨立對相應(yīng)的功放供電。電源模塊N對射頻激勵、基帶模塊和控制模塊進(jìn)行供電，控制模塊又對電源模塊進(jìn)行控制與反饋。

3.5 控制模塊設(shè)計

控制模塊的主要功能是根據(jù)系統(tǒng)工作狀態(tài)或者控制終端下達(dá)的任務(wù)指令，進(jìn)行任務(wù)分析，產(chǎn)生控制指令對各模塊進(jìn)行任務(wù)分配，并收集各功能模塊的反饋信息?？刂颇K與其他各功能模塊的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 控制模塊關(guān)系

控制模塊分別與功放模塊、射頻激勵模塊、基帶模塊、控制終端模塊和電源模塊連接。

（1）與功放模塊的關(guān)系

功放模塊涉及控制的單元有電路使能開關(guān)、功率調(diào)制電路、溫度和駐波保護(hù)電路反饋信息等。功放模塊由于需要覆蓋不同頻段而進(jìn)行了多段涉及，所以在設(shè)計控制電路時需設(shè)計為多段。

（2）與射頻激勵模塊的關(guān)系

多段射頻激勵模塊可能要求同時工作，所以在考慮射頻控制時，各段控制信號相對獨立不可復(fù)用，只有系統(tǒng)時鐘信號能進(jìn)行復(fù)用。

（3）與電源模塊的關(guān)系

電源模塊功率較大，產(chǎn)生的電磁干擾和噪聲也較大。電源內(nèi)部電磁干擾信號有可能會耦合到控制線上，形成脈沖或者耦合電壓抬高使控制不穩(wěn)定，從而影響其他模塊的正常工作。所以，設(shè)計控制模塊與電源控制接口交互信息時，盡量少用控制線。時序控制單元和時延單元由電源自身電路完成，控制模塊只獲取電源模塊的信息。

3.6 整機(jī)性能介紹

反RCIED防護(hù)系統(tǒng)采用一體化、通用化設(shè)計思路，遵循簡單、易用設(shè)計原則，按照頻段模塊化、小型化、低功耗進(jìn)行設(shè)計，并具備易升級、可擴(kuò)展和方便維修等特性。同時，有效避讓特殊工作頻點及內(nèi)部通信頻點，如民航的導(dǎo)航頻點、廣播頻率和公安內(nèi)部通話頻點等。

主機(jī)包含12個獨立功放模塊，輸出功率可調(diào)節(jié)，各模塊可以獨立開關(guān)，且具備過功率、過熱、駐波告警及保護(hù)功能。由于整機(jī)設(shè)備對干擾頻段采取有效分段，因此其只干擾下行頻段，不會對基站造成影響。

該整機(jī)在使用增益為6 dB的全向天線時，能對20～3 000 MHz范圍內(nèi)，包括低頻遙控、V/UHF對講機(jī)、電子門鈴、汽車遙控、CDMA體制、GSM體制、海事通信衛(wèi)星、DCS1800體制、CDMA2000體制、WCDMA體制、TD-LTE體制、FDD-LTE體制和WiFi等進(jìn)行干擾壓制。在信號強(qiáng)度為-75 dBm條件下，有效干擾半徑大于50 m。

圖6為反RCIED防護(hù)系統(tǒng)主機(jī)。

圖6 反RCIED防護(hù)系統(tǒng)主機(jī)

4 應(yīng)用前景

反RCIED防護(hù)系統(tǒng)可應(yīng)用于以下領(lǐng)域。

4.1 車隊行軍反RCIED防護(hù)

在局勢動蕩和恐怖主義活動頻發(fā)的地帶，路邊遙控炸彈等對車隊行軍安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。通過在車隊中加裝反IED系統(tǒng)，能有效壓制車輛行進(jìn)途中的各類遙控爆炸物引爆信號，確保車隊在行軍過程中不受路邊炸彈的威脅。

4.2 重點場所保密防護(hù)

對重要部門的建筑物、工作區(qū)域以及重要會議現(xiàn)場進(jìn)行通信對抗保護(hù)，防止敵對勢力通過無線通信進(jìn)行竊密傳輸，防止外部通過電磁注入對我重要裝備進(jìn)行干擾、破壞[4]。

4.3 突發(fā)事件通信封鎖

在無線通信已普及的情況下，通信封鎖管制作為重大突發(fā)事件管制措施中的一種，重要性不言而喻。比如，在爆恐事件中，恐怖分子越來越多地通過無線通信進(jìn)行組織、策劃、勾連和活動，這時需要阻斷壓制特定區(qū)域一切無關(guān)對外無線通信，壓制區(qū)域內(nèi)無線通信信息擴(kuò)散影響，以防止因無關(guān)對外無線通信帶來的安全隱患。

4.4 敏感區(qū)域防通信泄密

斯諾登事件后，曝光的“量子行動”敵對竊聽竊密計劃和各種新型竊密手段的出現(xiàn)，使我國重要涉密場所和敏感區(qū)域的防通信泄密能力建設(shè)面臨嚴(yán)峻考驗。反RCIED防護(hù)系統(tǒng)通過壓制相關(guān)通信頻段，對敏感區(qū)域進(jìn)行隔離保護(hù)，可防止外部通過無線通信進(jìn)行竊密。

5 結(jié) 語

反RCIED防護(hù)系統(tǒng)需要綜合考慮干擾壓制半徑、功耗、主機(jī)重量、電源轉(zhuǎn)換效率、天線電磁兼容性和器件價格等問題，但這些因素是相互關(guān)聯(lián)的，需結(jié)合具體應(yīng)用合理選擇。例如，若對干擾半徑指標(biāo)要求苛刻，則各個頻段需使用獨立的天線，而天線數(shù)量的增加又會導(dǎo)致電磁兼容性較差；若需要干擾壓制半徑較小，則可考慮多個功率放大器通過合路器設(shè)計后公用一個天線的思路。另外，干擾壓制半徑指標(biāo)又與選用定向天線或全向天線有關(guān)。因此，反RCIED防護(hù)技術(shù)是一個體系化系統(tǒng)，需按照實際需求進(jìn)行定制化設(shè)計。

反RCIED防護(hù)系統(tǒng)的搭載方式包括汽車搭載型、船舶搭載型、機(jī)載型及可便攜式等搭載方式。每種搭載方式對防護(hù)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)側(cè)重點不同。例如，汽車搭載型較關(guān)注天線電磁兼容性、整車電磁防護(hù)設(shè)計和系統(tǒng)散熱等問題；機(jī)載型更關(guān)注系統(tǒng)的功耗、電源轉(zhuǎn)換效率等。值得一提的是，機(jī)載型設(shè)備可利用每架無人機(jī)搭載一個頻段的功放，通過無人集群實現(xiàn)全頻段覆蓋，從而實現(xiàn)利用無人機(jī)群進(jìn)行反RCIED防護(hù)的目標(biāo)[5]。

綜上，研究低功耗、高電源轉(zhuǎn)換效率技術(shù)，實現(xiàn)寬頻段低功率小型化樣機(jī)，是今后反RCIED防護(hù)技術(shù)的發(fā)展方向。

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