汪琛龍

(河南大學(xué) 歐亞國(guó)際學(xué)院，河南 開(kāi)封 475001)

當(dāng)前，計(jì)算機(jī)通信技術(shù)不斷發(fā)展，智能終端普及，信息通信傳輸在許多領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用。相對(duì)于有線通信，無(wú)線通信能夠通過(guò)公共空間中的無(wú)線電波進(jìn)行信號(hào)傳輸，不再局限于封閉的環(huán)境內(nèi)。但是無(wú)線通信容易受到外界的干擾，降低整個(gè)系統(tǒng)的性能。抑制干擾對(duì)無(wú)線通信傳輸?shù)挠绊?，提高傳輸?shù)目煽啃?，?shí)現(xiàn)信息安全，對(duì)安全生產(chǎn)十分重要。

1 干擾因素

無(wú)線通信傳輸?shù)母蓴_源分為兩類：第一類來(lái)自通信系統(tǒng)內(nèi)部，包括大氣噪聲和工業(yè)干擾，這類干擾是不可避免的，它可能發(fā)生在任何無(wú)線通信傳輸網(wǎng)絡(luò)中。第二類來(lái)自一些人為干擾。從干擾結(jié)果，可以將干擾分為“非致命干擾”和“致命干擾”?！胺侵旅蓴_”包括抑制干擾、欺騙干擾、屏蔽干擾；“致命干擾”包括利用射頻干擾武器等，典型的手段有締結(jié)電磁炸彈、大功率微波武器。本研究重點(diǎn)分析第二類干擾及其解決方案。

1.1 抑制干擾

抑制干擾主要是目標(biāo)干擾、阻塞干擾和追蹤干擾。它通過(guò)干擾頻率和占用與信號(hào)相同的頻率，使用較多的干擾功率來(lái)惡意阻塞通信信道，使信號(hào)無(wú)法被正確調(diào)制。這種干擾影響大，但是需要得到非常精確的頻率，很多情況下，需要裝備能夠引起干擾頻率的設(shè)備。

阻塞干擾也稱窒息干擾，干擾信號(hào)的頻譜寬度需要覆蓋整個(gè)通信頻率，這種干擾裝置不需要發(fā)射非常精確的頻率，可以同時(shí)阻塞多條無(wú)線電。但是這種干擾需要大功率設(shè)備，并且自身的無(wú)線電工作頻率會(huì)落入干擾頻率中。

追蹤干擾的特點(diǎn)是根據(jù)干擾的變化及時(shí)改變無(wú)線電工作頻率，可以在許多通信系統(tǒng)中產(chǎn)生更強(qiáng)的干擾效果。

1.2 欺騙干擾

欺騙干擾包括傳輸欺騙和做出回應(yīng)欺騙。在這種干擾中，干擾器分析信號(hào)幅度、相位和頻率，然后根據(jù)實(shí)際信號(hào)和阻塞產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)。

1.3 屏蔽干擾

屏蔽干擾屬于被動(dòng)干擾，主要包括箔片干擾、電離氣體干擾和煙霧干擾。這種干擾在通信信道中釋放一些特殊屏蔽材料，使信號(hào)劇烈衰減。通過(guò)該方式，可在特殊時(shí)間達(dá)到目的。

1.4 “致命干擾”

有效的干擾功率一般低于千瓦級(jí)，但是“致命干擾”功率一般大于兆瓦級(jí)，可將其命名為射頻干擾武器。射頻干擾武器比一般電磁干擾具有更高功率，產(chǎn)生的脈沖可以摧毀任何電子設(shè)備。典型代表包括電磁炸彈、高功率微波武器和超寬帶干擾機(jī)。

2 抗干擾策略

2.1 抗抑制干擾技術(shù)

抑制干擾的基本原則是使用更高功率堵塞通信渠道。實(shí)際上，干擾寬帶和干擾功率是一個(gè)矛盾。如果干擾機(jī)具有寬的工作頻帶，則干擾功率不可能更高。

2.1.1 抗目標(biāo)干擾技術(shù)

抗目標(biāo)干擾解決方案是擴(kuò)頻通信技術(shù)。在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，基帶頻譜通過(guò)擴(kuò)頻序列擴(kuò)展到幾十倍甚至幾百倍，擴(kuò)頻序列在發(fā)送端具有非常寬的頻譜。在接收器終端，接收信號(hào)由相同的擴(kuò)頻序列解擴(kuò)，并同時(shí)擴(kuò)展干擾信號(hào)[2]。整個(gè)過(guò)程集中了接收信號(hào)的功率并降低了干擾信號(hào)的功率，對(duì)抗目標(biāo)干擾有更好的效果，如圖1所示。

圖1 擴(kuò)頻前后特征頻譜圖

另一種有效的抗干擾策略是用自適應(yīng)零天線陣列作為接受天線，根據(jù)實(shí)時(shí)情況調(diào)整天線陣的方位，增強(qiáng)信號(hào)，抑制干擾。根據(jù)信號(hào)干擾的不同，可調(diào)整天線陣的內(nèi)部參數(shù)，使主瓣瞄準(zhǔn)信號(hào)的方位，而邊緣瞄準(zhǔn)干擾的方位。

2.1.2 抗阻塞干擾技術(shù)

跳頻通?？梢杂行У貙?duì)抗實(shí)際通信系統(tǒng)中的阻塞干擾。扼流干擾信號(hào)的能力和寬帶是相互制約的，跳頻的工作頻率是連續(xù)變化的。因此，阻塞干擾只阻塞工作頻率的一部分，跳頻可有效抗扼流圈塞。

2.2 抗欺騙干擾技術(shù)

欺騙干擾的基本特征是干擾信號(hào)基于原點(diǎn)信號(hào)，根據(jù)改變?cè)c(diǎn)信號(hào)的幅度或相位可以確定欺騙干擾信號(hào)?？蛊垓_干擾的常見(jiàn)方案是通信抗干擾逆技術(shù)，在接收器端構(gòu)造一組信號(hào)和干擾，并從信號(hào)和干擾的混合波中搜索原始干擾?？蚣苋鐖D2所示。

圖2 抗欺騙干擾框架圖

接收器信號(hào)是欺騙干擾信號(hào)與噪聲的集合。通過(guò)信號(hào)和干擾完整的設(shè)置，可以消除混合信號(hào)中的干擾信號(hào)。通過(guò)該方式，可消除錯(cuò)誤信號(hào)并抗欺騙干擾，該方案的關(guān)鍵技術(shù)是如何找到一套完整的信號(hào)和干擾。

2.3 抗“致命干擾”技術(shù)

電子脈沖可以破壞保護(hù)裝置，如保險(xiǎn)絲，并使得通信系統(tǒng)間歇性失效?？刹捎靡恍┍Ｗo(hù)性的解決方案，如屏蔽，分離和過(guò)濾掉抗電子脈沖干擾[3]。對(duì)于重要的電子設(shè)備，可使用具有較高抗電子干擾能力的特殊電子設(shè)備，如用光纖代替電纜。

2.4 抗干擾混合技術(shù)

2.4.1 干擾自適應(yīng)技術(shù)

干擾自適應(yīng)是采用不同抗干擾解決方案對(duì)抗不同干擾的手段。在實(shí)踐中，常采用干擾自適應(yīng)跳頻，無(wú)線電根據(jù)惡意干擾頻率自動(dòng)選擇頻率信道。

2.4.2 窄帶干擾抑制技術(shù)

擴(kuò)頻通信系統(tǒng)與當(dāng)前窄帶無(wú)線電具有較好的兼容性，但是存在窄帶干擾的問(wèn)題。盡管DS-SS系統(tǒng)具有克服窄帶干擾的一些能力，但當(dāng)干擾功率高得多或者擴(kuò)展增益不足以進(jìn)行干擾時(shí)，需要新技術(shù)來(lái)克服窄帶干擾，改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性?？拐瓗Ц蓴_的解決方案是在解擴(kuò)之前進(jìn)行干擾抑制[4]。常見(jiàn)的技術(shù)就是干擾消除，根據(jù)歷史樣本評(píng)估當(dāng)前樣本，由于窄帶干擾的相關(guān)性具有峰值，但DS相關(guān)性非常平坦，所以可以取消窄帶干擾信號(hào)。

3 抗干擾新技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)

3.1 抗干擾新技術(shù)

3.1.1 實(shí)時(shí)抗干擾MIMO-OFDM無(wú)線通信系統(tǒng)

由發(fā)射器、接收器和高功率寬帶無(wú)線電干擾器組成，通過(guò)利用Wi-Fi設(shè)備上的多個(gè)天線進(jìn)行干擾攻擊，開(kāi)發(fā)了一種干擾抑制算法，它可以消除信號(hào)，并從合法的發(fā)射機(jī)中恢復(fù)所需的信號(hào)。與現(xiàn)有的干擾抑制算法相比，它依賴于精確的干擾信道比的可用性，所提出的干擾消除算法，不需要任何信道信息。它開(kāi)發(fā)了一種抗干擾接收器，保證合法的Wi-Fi通信免受恒定寬帶的影響，可以在存在多個(gè)未知干擾信號(hào)的情況下解碼來(lái)自合法發(fā)射機(jī)的數(shù)據(jù)包。

3.1.2 拒絕服務(wù)攻擊

攻擊者有目的地發(fā)射射頻信號(hào)以破壞正常節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線傳輸。攻擊者首先會(huì)破壞某些合法的傳感器節(jié)點(diǎn)以獲取傳感器網(wǎng)絡(luò)的公共加密信息，然后通過(guò)這些受損節(jié)點(diǎn)阻塞網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理通信信道由所有傳感器節(jié)點(diǎn)共享的組密鑰確定。當(dāng)發(fā)生內(nèi)部干擾時(shí)，網(wǎng)絡(luò)將生成新的組密鑰，僅由非受損節(jié)點(diǎn)共享。之后，內(nèi)部干擾器被撤銷，并且將無(wú)法預(yù)測(cè)未受損節(jié)點(diǎn)使用的未來(lái)通信信道。

3.1.3 改變微波通信鏈路

微波通信鏈路中繼所需信號(hào)的主波束和旁瓣干擾信號(hào)的隔離是通過(guò)包括扁平天線罩、彎曲反射器和發(fā)射偶極子的抗干擾天線實(shí)現(xiàn)的。位于偶極子附近的是單脈沖饋電和主波束干擾比較器(雙平面單脈沖，多模多層饋電)。形成集成天線一部分的還有用于近旁瓣和遠(yuǎn)旁瓣干擾的輔助單元。由于微波通信鏈路中所需輸入信號(hào)的方向是精確已知的，因此抗干擾天線使用方位角和仰角單脈沖在期望輸入信號(hào)和干擾信號(hào)之間進(jìn)行空間區(qū)分。

3.1.4 抗干擾通信效能

低復(fù)雜度的無(wú)線通信系統(tǒng)抗干擾能力評(píng)估方法，稱為抗干擾通信效能(CEAJ)。 CEAJ包括躲避和抑制干擾的有效性兩個(gè)方面，在兩個(gè)方面都考慮了幾種抗干擾技術(shù)的影響。 典型無(wú)線通信系統(tǒng)的數(shù)值示例表明CEAJ提供了直接的計(jì)算。 此外，CEAJ在不同的無(wú)線通信系統(tǒng)中是有效的。

3.1.5 差分FH系統(tǒng)

由于其跳頻速度快，因此具有良好的跟蹤抗干擾性能。 但是，它在抗單音干擾方面很弱。 基于FH和DFH的這些問(wèn)題，描述了一種新的FH系統(tǒng)， 分析和仿真表明，與傳統(tǒng)的FH系統(tǒng)和差分FH系統(tǒng)相比，新的FH系統(tǒng)在防跟蹤和反單音干擾方面更有效。

3.1.6 無(wú)線通信系統(tǒng)評(píng)估分析

在分析層次過(guò)程(AHP)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一套不良電磁環(huán)境下無(wú)線通信系統(tǒng)評(píng)估指標(biāo)。此外，還有一套評(píng)估模型。 提出了無(wú)線通信系統(tǒng)的抗干擾效果。通過(guò)歸一化處理，利用該模型可以評(píng)估無(wú)線通信的基本要素及無(wú)線通信系統(tǒng)在各種對(duì)抗條件下的抗干擾能力。仿真結(jié)果表明了改進(jìn)無(wú)線通信系統(tǒng)的有效性。 通過(guò)評(píng)估模型和干擾檢測(cè)方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的抗干擾能力。

3.2 發(fā)展趨勢(shì)

(1)將在線優(yōu)化理論引入到解決方案中，基于UFH的抗干擾通信進(jìn)行全面的定量性能表征。 實(shí)現(xiàn)漸近最優(yōu)，并在不同的信息編碼場(chǎng)景下分析證明了它的最優(yōu)性。 進(jìn)行廣泛的模擬評(píng)估，以驗(yàn)證在遺忘和自適應(yīng)干擾策略下的理論分析。

(2)軌道角動(dòng)量(OAM)為無(wú)線通信提供了新的角度/模式尺寸，為抗干擾提供一種有效的方法。使用OAM模式的正交性來(lái)進(jìn)行無(wú)線通信中的抗干擾和多用戶場(chǎng)景的誤碼率(BER)的閉式表達(dá)式。

(3) 博弈理論被提出作為處理干擾問(wèn)題的有力工具，可以將其視為玩家(干擾者)正在與用戶(發(fā)射器)對(duì)戰(zhàn)。與現(xiàn)有結(jié)果不同，提出博弈框架，用于對(duì)發(fā)射機(jī)與干擾機(jī)之間的交互過(guò)程進(jìn)行建模，得到了線性約束下Nash均衡(NE)策略的充分必要條件。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究主要介紹無(wú)線通信傳輸中的主要干擾因素，根據(jù)因素特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行了分析研究，得到抗干擾關(guān)鍵技術(shù)。干擾和抗干擾之間的博弈沒(méi)有完全的贏家，干擾技術(shù)和抗干擾技術(shù)都在不斷提高，只有不斷分析干擾特性，研究抗干擾技術(shù)，才能持續(xù)提高無(wú)線通信傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。