韓雪謙

(海軍駐南京地區(qū)航空軍事代表室，　南京 210002)

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·電子對(duì)抗·

衛(wèi)星通信系統(tǒng)多域協(xié)同抗干擾技術(shù)

韓雪謙

(海軍駐南京地區(qū)航空軍事代表室，南京 210002)

摘要：針對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)在惡劣電磁環(huán)境下單一技術(shù)體制抗干擾效果不佳的情況，發(fā)展了多域協(xié)同抗干擾技術(shù)。該技術(shù)基于凸集投影理論，把時(shí)、頻、空域等多種抗干擾技術(shù)進(jìn)行有機(jī)融合，從不同的角度和層面進(jìn)行多域協(xié)同處理，使得干擾能夠最大化地消除。該技術(shù)通過域間或域內(nèi)的切換技術(shù)作為基本實(shí)現(xiàn)，可促進(jìn)發(fā)展衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的多模式、多頻段和多平臺(tái)協(xié)作通信，實(shí)現(xiàn)通信信號(hào)的多參數(shù)實(shí)時(shí)變化，加強(qiáng)抗干擾、反偵察和抗截獲的一體化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：抗干擾；多域協(xié)同；衛(wèi)星通信；凸集投影

0引言

衛(wèi)星通信具有覆蓋范圍廣、通信容量大和通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在軍事和民用上的應(yīng)用越來越廣泛。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，電磁環(huán)境日趨惡化，蓄意干擾技術(shù)更加高明，電子偵察技術(shù)不斷完善，使得通信中受到的干擾越來越復(fù)雜且難以甄別，單一體制的抗干擾技術(shù)已經(jīng)力不從心?，F(xiàn)代通信一般都采用多種抗干擾手段來提高通信系統(tǒng)的可靠性，以保障通信系統(tǒng)能在干擾環(huán)境下準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、連續(xù)地傳輸信息。由于在實(shí)際應(yīng)用中，各抗干擾技術(shù)間的融合性差，協(xié)同處理基礎(chǔ)弱。因此，本文根據(jù)凸集投影理論，給出了多域協(xié)同抗干擾技術(shù)的原理，研究在時(shí)、頻、空域適應(yīng)多波束、變帶寬、正交跳頻技術(shù)，旨在把現(xiàn)有抗干擾技術(shù)歸納在統(tǒng)一的理論框架下，使它們有機(jī)地結(jié)合，協(xié)同工作，以增強(qiáng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的綜合抗干擾能力。

1衛(wèi)星通信系統(tǒng)抗干擾技術(shù)現(xiàn)狀

衛(wèi)星通信技術(shù)由于其信道的開放性，一些強(qiáng)電磁干擾，尤其是人為蓄意干擾，如：阻塞、跟蹤和轉(zhuǎn)發(fā)等，嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。抗干擾通過一定的信道控制技術(shù)來提高通信質(zhì)量，一般可分為以下四類[1-4]：

(1) 基于信號(hào)處理的擴(kuò)頻通信。如：跳頻(FH)、跳時(shí)和直接序列(DS)擴(kuò)頻等，其中，F(xiàn)H和DS應(yīng)用最多，技術(shù)也較成熟，是信道的頻域處理技術(shù)。

(2) 基于空間處理的多波束通信。如：波束形成、自適應(yīng)天線調(diào)零技術(shù)和鄰近波束通信等，是信道的空域處理技術(shù)。

(3) 基于時(shí)間處理的猝發(fā)傳輸技術(shù)。可以實(shí)現(xiàn)超寬帶信息傳輸，未來避免與其他設(shè)備干擾，一般需要配合FH，是信道的時(shí)域處理技術(shù)。

(4) 變速率傳輸或跳碼等其他技術(shù)。在信道環(huán)境惡劣的情況下，可以降低信號(hào)的傳輸速率，以甚低速率傳輸達(dá)到增加時(shí)間分集(積分時(shí)間)，也可合并信道，增加帶寬以增加信道分集(帶寬)，是信道的時(shí)頻域處理技術(shù)。

由于單一體制的抗干擾效果不佳，現(xiàn)在衛(wèi)星通信抗干擾普遍都采用了幾種抗干擾技術(shù)的組合，以提高抗干擾能力。如：美國的軍事星系統(tǒng)MILSTAR系列衛(wèi)星中主要的抗干擾方法是采用跳頻、自適應(yīng)天線調(diào)零處理等技術(shù)；美國的先進(jìn)極高頻AEHF衛(wèi)星除了采用MILSTAR所具備的技術(shù)外，還有波束成形網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和相控陣天線技術(shù)等[5]，基本實(shí)現(xiàn)多個(gè)維域抗干擾技術(shù)的組合或協(xié)同工作，如圖1所示。其中，擴(kuò)頻通信是現(xiàn)在應(yīng)用最為廣泛的抗干擾技術(shù)，建立在下列三個(gè)定理之上：(1) 香農(nóng)的信道容量理論，指出增大帶寬可以降低信息的差錯(cuò)率；(2) 香農(nóng)的最佳信號(hào)理論，指出最佳信號(hào)具有白噪聲的統(tǒng)計(jì)特性；(3) 哈爾凱威奇抗多徑衰落理論，指出抗多徑衰落的信號(hào)同樣具有白噪聲統(tǒng)計(jì)特性。因此，擴(kuò)頻通信有著堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，是抗干擾技術(shù)的基礎(chǔ)出發(fā)點(diǎn)，在擴(kuò)頻通信的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展的抗干擾體制是可靠可行的。

圖1　多域協(xié)同抗干擾技術(shù)

2多域協(xié)同抗干擾理論

通過以上分析可知，按照處理域的不同，衛(wèi)星通信抗干擾的基本體制可分為頻域處理、時(shí)域處理、空域處理和時(shí)頻域處理。多域協(xié)同抗干擾技術(shù)將時(shí)、頻、空域歸納到一個(gè)理論框架下，能夠在實(shí)際抗干擾技術(shù)實(shí)施中靈活調(diào)整和運(yùn)用。

2.1時(shí)頻空域的等效性

考慮空間中的一個(gè)任意邊長的長方體盒子，如圖2所示。如果要描述這個(gè)長方體盒子，只要選中對(duì)角上的頂點(diǎn)坐標(biāo)就可以唯一確定這個(gè)盒子，如圖中的(x0,y0,z0)和(x1,y1,z1)兩點(diǎn)。

圖2　三維空間中的長方體盒子的描述

把上面三維空間的三個(gè)維分別替換為時(shí)間(T)、頻率(F)和空間(S)，一維對(duì)應(yīng)一域，那么這個(gè)盒子就變成“時(shí)頻空盒子”，它描述了在特定空間中具有特定帶寬的持續(xù)特定時(shí)間的一類信號(hào)，此時(shí)“時(shí)頻空盒子”的密度代表了信息的傳輸速率，那么這個(gè)盒子就成為三維空間里的一個(gè)實(shí)體，可以用信號(hào)的開始和結(jié)束時(shí)刻、載頻的中心頻率、帶寬、位置和大小以及傳輸速率來描述這個(gè)盒子。圖2中的“時(shí)頻空盒子”是海森堡時(shí)頻盒子的擴(kuò)展，通過對(duì)等變換，在圖2中就可以對(duì)各個(gè)維(時(shí)、頻、空域)進(jìn)行無差別對(duì)待，也就是說時(shí)、頻、空域具有等效性，這樣就為多域協(xié)同抗干擾體制的提出提供一個(gè)良好的基礎(chǔ)。舉例說明時(shí)空的等效性，如增加信號(hào)的帶寬可以增加通信系統(tǒng)的抗干擾能力(干擾容限)，同樣增加信號(hào)的空間頻率(來波方向)也具有抗干擾的能力，也就是多星協(xié)同的跳星跳波束體制。

2.2多域協(xié)同抗干擾

多域協(xié)同抗干擾的基礎(chǔ)仍引用2.1節(jié)中的三條定理，只是把“擴(kuò)譜”的概念繼續(xù)擴(kuò)展，其基本思想是采用隨機(jī)序列來擴(kuò)展信號(hào)各域的“帶寬”，即同時(shí)在時(shí)、頻、空域等多域都用隨機(jī)序列來擴(kuò)展和控制，把跳時(shí)、DS擴(kuò)頻、FH擴(kuò)頻、多波束、天線調(diào)零、多入多出和星上處理都融合在一起，實(shí)現(xiàn)多域協(xié)同最優(yōu)控制。此時(shí)“譜”已經(jīng)不單指頻譜了，而是所有的控制量都是廣義的譜。

圖2中，物理信道中的信號(hào)采用一個(gè)“時(shí)頻空盒子”表示，如果在時(shí)空坐標(biāo)系中堆滿互不重疊的這樣大小不一的時(shí)頻空盒子，如圖3所示，表示的就是一個(gè)多維的正交信道，它表示在不同頻帶、不同時(shí)隙、不同衛(wèi)星、不同波束里以不同速率傳輸?shù)男盘?hào)。

圖3　三維信道中正交信號(hào)的時(shí)頻空表示

在通信過程中有許多信號(hào)的時(shí)、頻、空域的參數(shù)組合可供選擇，即在時(shí)、頻、空域里信號(hào)的位置、頻率等參數(shù)很多。在任一時(shí)段，只選擇其中很小的子集，而干擾者無法知道這個(gè)子集的參數(shù)，系統(tǒng)的誤碼率只是信噪比的函數(shù)。此時(shí)，干擾信號(hào)只能在有限的時(shí)頻空間釋放干擾。當(dāng)不能確定信號(hào)參數(shù)時(shí)，只能通過向這個(gè)時(shí)頻空間釋放等強(qiáng)度干擾，結(jié)果落在每一個(gè)通信點(diǎn)上的干擾功率很?。换蛘呦蚰承┕潭ɑ螂S機(jī)空間點(diǎn)上釋放強(qiáng)干擾，結(jié)果與通信點(diǎn)以某個(gè)小概率相遇，造成一定的誤碼。通信選擇的維度越大，或者坐標(biāo)范圍越大，干擾的難度就越大。

2.3理論基礎(chǔ)

多域協(xié)同抗干擾技術(shù)的理論基礎(chǔ)是凸集投影理論，它是信號(hào)處理的重要方式，也是一大類迭代算法的基礎(chǔ)。凸集投影可表示為：xn+1=Txn，xn為希爾伯特閉凸子空間中的元素，T為投影算子，n為投影的次數(shù)。凸集投影經(jīng)過迭代最終達(dá)到一個(gè)定點(diǎn)，如圖4所示，即：Tnx0→x∞，其意義說明閉凸集中的元素經(jīng)過多次迭代投影后其結(jié)果趨于一個(gè)定點(diǎn)。

圖4　凸集投影的幾何示意

具體到信號(hào)處理就是未知信號(hào)滿足若干個(gè)不同的限制，每一個(gè)限制對(duì)應(yīng)于一個(gè)閉凸集，即信號(hào)在一組閉凸集的交集中。通過信號(hào)處理(凸集投影)，解出滿足所有限制的點(diǎn)，即為所求信息。在衛(wèi)星通信抗干擾中，有用信息和干擾信息之間的差別就構(gòu)成限制條件，如：直擴(kuò)中所有的碼字集合就構(gòu)成一個(gè)閉凸集，跳頻中跳頻圖案也構(gòu)成一個(gè)閉凸集，重疊的多個(gè)波束也構(gòu)成一個(gè)閉凸集等。在這種意義下，抗干擾技術(shù)就是從接收信號(hào)中通過投影把有用信息和干擾信息分開的過程。

3域內(nèi)和域間切換

多域協(xié)同抗干擾的工程化就是各域內(nèi)和域間的切換技術(shù)，包括波束切換、信道切換、頻率切換、衛(wèi)星切換、多天線以及多域協(xié)同多域自適應(yīng)切換等。其切換的主要準(zhǔn)則是根據(jù)干擾平臺(tái)分析的結(jié)果，如：信干比、接收電平和功率控制等進(jìn)行自適應(yīng)信道控制。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)切換的實(shí)施中，切換執(zhí)行過程可以分為切換準(zhǔn)則、切換控制和切換信道分配三個(gè)子進(jìn)程，其策略將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行性能。

3.1波束切換

波束切換是指由于移動(dòng)或者波束堵塞等原因，地面站從正在服務(wù)的波束切換到另一波束的過程。在該過程中，切換判決算法一般根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度和信噪比/信干比等參數(shù)或者干擾分析平臺(tái)的指令，來判決是否需要進(jìn)行切換，主要目的是保證移動(dòng)地面站在移動(dòng)中的通信連續(xù)性及信號(hào)傳播質(zhì)量。干擾分析平臺(tái)分析出當(dāng)前波束或者點(diǎn)波束被阻塞干擾，其性能嚴(yán)重下降甚至完全不能使用時(shí)，信關(guān)站發(fā)出指令關(guān)閉受干擾的波束，防止干擾其他波束。根據(jù)點(diǎn)波束覆蓋重疊特性，用戶站嘗試?yán)孟噜彶ㄊM(jìn)行再通信。用戶站測(cè)量下行信號(hào)強(qiáng)度，選擇最強(qiáng)波束進(jìn)行重新入網(wǎng)登記。

跳波束時(shí)的波束選擇原則主要分為隨機(jī)跳變和選擇跳變。如：在受到強(qiáng)干擾情況下進(jìn)行選擇跳變，避開強(qiáng)干擾從而避免波束阻塞，此時(shí)要進(jìn)行跳變策略選擇。其基本思想是針對(duì)受到干擾波束下的用戶集再次反饋部分信道信息，使得在系統(tǒng)用戶數(shù)受到干擾時(shí)系統(tǒng)總速率得到有效提高，主要有平均功率分配多用戶多波束選擇策略和自適應(yīng)功率分配多用戶多波束選擇。平均功率分配多用戶多波束選擇策略要求每個(gè)用戶反饋其最大的信干比及最大信干比對(duì)應(yīng)的波束序號(hào)，則基站將波束分配給最大信干比對(duì)應(yīng)的用戶；自適應(yīng)功率分配多用戶多波束選擇策略要求功率在各個(gè)波束間自適應(yīng)分配。

3.2信道切換

信道切換主要是指不同帶寬之間的信道切換，即變帶寬通信。在受到干擾時(shí)，采用降低信息速率和低碼率編碼的方式獲得更大的處理增益。尤其對(duì)于直擴(kuò)系統(tǒng)，提高偽碼的速率和降低基帶信息速率是提高擴(kuò)頻增益的有效途徑。在抗干擾衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，可設(shè)置兩種信道傳輸模式：一種是中速業(yè)務(wù)，稱為普通模式，用于平時(shí)通信；另一種是甚低速業(yè)務(wù)，稱為健壯模式，用于在強(qiáng)干擾情況下的通信，健壯模式將比普通模式添加更多的冗余信息和使用更為健壯的糾錯(cuò)碼。基于上述傳輸模式的定義，衛(wèi)星通信系統(tǒng)中波束內(nèi)信道切換的類型主要有兩種：一種是將呼叫切換到采用普通模式傳輸?shù)男碌目捎妙l率/時(shí)隙；另一種是將呼叫切換到采用健壯模式傳輸?shù)男碌目捎妙l率/時(shí)隙。

在切換測(cè)量階段，地面站和信關(guān)站干擾分析平臺(tái)同時(shí)對(duì)信號(hào)接收強(qiáng)度(信號(hào)電平)和信號(hào)接收質(zhì)量(誤比特率)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。移動(dòng)地面站每隔一定時(shí)間將測(cè)量結(jié)果通過衛(wèi)星慢速輔助控制信道向信關(guān)站進(jìn)行報(bào)告。信關(guān)站對(duì)接收到的測(cè)量結(jié)果始終保持監(jiān)視，進(jìn)行實(shí)時(shí)切換。切換執(zhí)行過程中的信道分配是為系統(tǒng)中的切換請(qǐng)求分配網(wǎng)絡(luò)資源的過程，主要解決有限信道資源的高效分配問題，它作為無線資源管理的一個(gè)組成部分，對(duì)于系統(tǒng)資源的有效利用起著極為重要的作用，可分為兩類：(1) 基于信道分配的切換信道分配策略，有固定信道分配方式、靈活信道分配方式和動(dòng)態(tài)信道分配方式三種；(2) 基于切換性能保證的切換信道分配策略，一般通過預(yù)留信道方式、優(yōu)先級(jí)方式和子速率方式等對(duì)切換呼叫或者實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)提供一定程度的保護(hù)，從而有效降低通信中斷概率。

3.3頻率切換

頻率切換采用多個(gè)載波頻率并在這些頻率間隨機(jī)跳變，由于載頻切換需要時(shí)間，故又工作在突發(fā)傳輸狀態(tài)，所以具有很強(qiáng)的抗干擾能力。對(duì)擴(kuò)頻帶寬較寬的情況，跳頻比直接序列擴(kuò)頻更為實(shí)用。跳頻系統(tǒng)的重要參數(shù)是擴(kuò)頻增益和跳頻速率，跳頻范圍越寬，抗寬帶阻塞式干擾能力越強(qiáng)；跳頻速率越高，抗跟蹤式干擾能力越強(qiáng)。對(duì)跳頻系統(tǒng)的限制在于頻率合成器的高速轉(zhuǎn)換而無雜波產(chǎn)生，目前我國對(duì)中速跳頻技術(shù)已基本掌握，對(duì)快速跳頻還在跟蹤研究。跳頻信號(hào)的特征參數(shù)有：信號(hào)頻率、跳頻速率、信號(hào)駐留時(shí)間、信號(hào)的到達(dá)時(shí)間和結(jié)束時(shí)間、信號(hào)的換頻時(shí)間等。

為避免衛(wèi)星之間的相互干擾和有效利用頻率資源，正交跳頻通信技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。正交跳頻是指跳頻圖案不發(fā)生重疊，即跳頻頻率在時(shí)頻域上相互不發(fā)生重疊，其優(yōu)點(diǎn)是不存在干擾、頻譜占用率高、可組網(wǎng)數(shù)目大等。由于其同步且頻率集相同，大大提高了抗干擾性能，即任何時(shí)刻在頻率集中都會(huì)同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)頻率信號(hào)，給跳頻跟蹤式干擾帶來困難。傳統(tǒng)接收機(jī)無法截獲跳頻信號(hào)，更談不上對(duì)跳頻信號(hào)進(jìn)行分選和識(shí)別，對(duì)跳頻信號(hào)的截獲只能依靠新型的快速掃描式接收機(jī)或非搜索體制的接收機(jī)。跳頻技術(shù)是研究最早的抗干擾技術(shù)，相對(duì)比較成熟，其他相關(guān)技術(shù)還包括跳頻序列的設(shè)計(jì)和跳頻同步等，這里就不贅述了。

3.4多域自適應(yīng)切換

通過上面的分析可以看出，多域協(xié)同抗干擾的基本實(shí)現(xiàn)是切換技術(shù)，按照資源可用度和技術(shù)復(fù)雜度，分別是頻率切換(跳頻)、信道切換(變帶寬)、波束切換(跳波束)和星際切換。這些技術(shù)既可以簡(jiǎn)單地串聯(lián)也可以并聯(lián)，或者是混合實(shí)施，此時(shí)就需要復(fù)雜的控制技術(shù)，一般由干擾分析平臺(tái)的結(jié)果，配合相應(yīng)算法來實(shí)施。在具體實(shí)施過程中，星際切換屬于最高層，跳頻屬于最底層。也就是說為了保持正常通信，跳頻(或者直擴(kuò))是必不可少的：當(dāng)干擾加強(qiáng)時(shí)，考慮跳波束或者是變帶寬通信；當(dāng)受到嚴(yán)重干擾或者需要衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)，考慮星際切換。跳變算法中跳頻算法是根據(jù)跳圖確定，變帶寬算法是根據(jù)業(yè)務(wù)需求和信干比等參數(shù)確定。跳波束和星際切換是通信路由的再選擇，屬于路由技術(shù)，在強(qiáng)干擾情況下的波束/星際切換算法包含切換重建算法和概率算法等。

4結(jié)束語

本文針對(duì)現(xiàn)代干擾技術(shù)綜合化、靈巧化和智能化的特點(diǎn)，發(fā)展了多域協(xié)同抗干擾技術(shù)。該技術(shù)針對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的廣域時(shí)空覆蓋特性，可有效指導(dǎo)衛(wèi)星通信系統(tǒng)綜合抗干擾的總體設(shè)計(jì)。通過討論可以看出，多域協(xié)同的基礎(chǔ)是多域間的變量廣義化，即打破域間差異，把不同域的參數(shù)和變量統(tǒng)一對(duì)待。本文在理論框架上給出了初步討論，具體的多域統(tǒng)一理論、域間協(xié)同算法以及工程化實(shí)現(xiàn)還需要進(jìn)一步的研究。

參 考 文 獻(xiàn)

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韓雪謙男，1983年生，工程師。研究方向?yàn)橥ㄐ偶夹g(shù)。

Multi-domain Collaborative Anti-jamming Technique for Satellite Communication System

HAN Xueqian

(Aviation Military Affairs Deputy Office of PLA Navy in Nanjing Zone,Nanjing 210002, China)

Abstract：Since the effect of single anti-jamming technology in the harsh electromagnetic environment for satellite communication system is poor, there is a developed technology of multi-domain collaborative anti-jamming based on convex set projection, which combines plenty of anti-jamming technology in time-domain, frequency-domain and spatial-domain. This technology is multi-layer processed and eliminates the jamming maximally. It appears the handover technology of intra-domain and inter-domain basically, and promotes to develop the multi-mode, multi-frequency and multi-plat communication of satellite communication system, realize the communication signal parameter real-time mutative, and integrate anti-jamming, counter-reconnaissance and anti-interception.

Key words：anti-jamming; multi-domain collaboration; satellite communication; convex set projection

DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.05.018

通信作者：韓雪謙Email：172701105@qq.com

收稿日期：2015-12-11

修訂日期：2016-02-08

中圖分類號(hào)：TN972

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004-7859(2016)05-0078-04