衛星通信系統多域協同抗干擾技術

韓雪謙

(海軍駐南京地區航空軍事代表室，　南京 210002)

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衛星通信系統多域協同抗干擾技術

韓雪謙

(海軍駐南京地區航空軍事代表室，南京 210002)

摘要：針對衛星通信系統在惡劣電磁環境下單一技術體制抗干擾效果不佳的情況，發展了多域協同抗干擾技術。該技術基于凸集投影理論，把時、頻、空域等多種抗干擾技術進行有機融合，從不同的角度和層面進行多域協同處理，使得干擾能夠最大化地消除。該技術通過域間或域內的切換技術作為基本實現，可促進發展衛星通信系統中的多模式、多頻段和多平臺協作通信，實現通信信號的多參數實時變化，加強抗干擾、反偵察和抗截獲的一體化設計。

關鍵詞：抗干擾；多域協同；衛星通信；凸集投影

0引言

衛星通信具有覆蓋范圍廣、通信容量大和通用性強等優點，在軍事和民用上的應用越來越廣泛。隨著通信技術的發展，電磁環境日趨惡化，蓄意干擾技術更加高明，電子偵察技術不斷完善，使得通信中受到的干擾越來越復雜且難以甄別，單一體制的抗干擾技術已經力不從心。現代通信一般都采用多種抗干擾手段來提高通信系統的可靠性，以保障通信系統能在干擾環境下準確、實時、連續地傳輸信息。由于在實際應用中，各抗干擾技術間的融合性差，協同處理基礎弱。因此，本文根據凸集投影理論，給出了多域協同抗干擾技術的原理，研究在時、頻、空域適應多波束、變帶寬、正交跳頻技術，旨在把現有抗干擾技術歸納在統一的理論框架下，使它們有機地結合，協同工作，以增強衛星通信系統的綜合抗干擾能力。

1衛星通信系統抗干擾技術現狀

衛星通信技術由于其信道的開放性，一些強電磁干擾，尤其是人為蓄意干擾，如：阻塞、跟蹤和轉發等，嚴重影響通信質量。抗干擾通過一定的信道控制技術來提高通信質量，一般可分為以下四類[1-4]：

(1) 基于信號處理的擴頻通信。如：跳頻(FH)、跳時和直接序列(DS)擴頻等，其中，FH和DS應用最多，技術也較成熟，是信道的頻域處理技術。

(2) 基于空間處理的多波束通信。如：波束形成、自適應天線調零技術和鄰近波束通信等，是信道的空域處理技術。

(3) 基于時間處理的猝發傳輸技術。可以實現超寬帶信息傳輸，未來避免與其他設備干擾，一般需要配合FH，是信道的時域處理技術。

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

由于單一體制的抗干擾效果不佳，現在衛星通信抗干擾普遍都采用了幾種抗干擾技術的組合，以提高抗干擾能力。如：美國的軍事星系統MILSTAR系列衛星中主要的抗干擾方法是采用跳頻、自適應天線調零處理等技術；美國的先進極高頻AEHF衛星除了采用MILSTAR所具備的技術外，還有波束成形網絡技術和相控陣天線技術等[5]，基本實現多個維域抗干擾技術的組合或協同工作，如圖1所示。其中，擴頻通信是現在應用最為廣泛的抗干擾技術，建立在下列三個定理之上：(1) 香農的信道容量理論，指出增大帶寬可以降低信息的差錯率；(2) 香農的最佳信號理論，指出最佳信號具有白噪聲的統計特性；(3) 哈爾凱威奇抗多徑衰落理論，指出抗多徑衰落的信號同樣具有白噪聲統計特性。因此，擴頻通信有著堅實的理論基礎，是抗干擾技術的基礎出發點，在擴頻通信的基礎上進行擴展的抗干擾體制是可靠可行的。

圖1　多域協同抗干擾技術

2多域協同抗干擾理論

通過以上分析可知，按照處理域的不同，衛星通信抗干擾的基本體制可分為頻域處理、時域處理、空域處理和時頻域處理。多域協同抗干擾技術將時、頻、空域歸納到一個理論框架下，能夠在實際抗干擾技術實施中靈活調整和運用。

2.1時頻空域的等效性

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

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維分別替換為時間(T)、頻率(F)和空間(S)，一維對應一域，那么這個盒子就變成“時頻空盒子”，它描述了在特定空間中具有特定帶寬的持續特定時間的一類信號，此時“時頻空盒子”的密度代表了信息的傳輸速率，那么這個盒子就成為三維空間里的一個實體，可以用信號的開始和結束時刻、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盒子。圖2中的“時頻空盒子”是海森堡時頻盒子的擴展，通過對等變換，在圖2中就可以對各個維(時、頻、空域)進行無差別對待，也就是說時、頻、空域具有等效性，這樣就為多域協同抗干擾體制的提出提供一個良好的基礎。舉例說明時空的等效性，如增加信號的帶寬可以增加通信系統的抗干擾能力(干擾容限)，同樣增加信號的空間頻率(來波方向)也具有抗干擾的能力，也就是多星協同的跳星跳波束體制。

2.2多域協同抗干擾

多域協同抗干擾的基礎仍引用2.1節中的三條定理，只是把“擴譜”的概念繼續擴展，其基本思想是采用隨機序列來擴展信號各域的“帶寬”，即同時在時、頻、空域等多域都用隨機序列來擴展和控制，把跳時、DS擴頻、FH擴頻、多波束、天線調零、多入多出和星上處理都融合在一起，實現多域協同最優控制。此時“譜”已經不單指頻譜了，而是所有的控制量都是廣義的譜。

圖2中，物理信道中的信號采用一個“時頻空盒子”表示，如果在時空坐標系中堆滿互不重疊的這樣大小不一的時頻空盒子，如圖3所示，表示的就是一個多維的正交信道，它表示在不同頻帶、不同時隙、不同衛星、不同波束里以不同速率傳輸的信號。

圖3　三維信道中正交信號的時頻空表示

在通信過程中有許多信號的時、頻、空域的參數組合可供選擇，即在時、頻、空域里信號的位置、頻率等參數很多。在任一時段，只選擇其中很小的子集，而干擾者無法知道這個子集的參數，系統的誤碼率只是信噪比的函數。此時，干擾信號只能在有限的時頻空間釋放干擾。當不能確定信號參數時，只能通過向這個時頻空間釋放等強度干擾，結果落在每一個通信點上的干擾功率很小；或者向某些固定或隨機空間點上釋放強干擾，結果與通信點以某個小概率相遇，造成一定的誤碼。通信選擇的維度越大，或者坐標范圍越大，干擾的難度就越大。

2.3理論基礎

多域協同抗干擾技術的理論基礎是凸集投影理論，它是信號處理的重要方式，也是一大類迭代算法的基礎。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。凸集投影經過迭代最終達到一個定點，如圖4所示，即：Tnx0→x∞，其意義說明閉凸集中的元素經過多次迭代投影后其結果趨于一個定點。

圖4　凸集投影的幾何示意

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

3域內和域間切換

多域協同抗干擾的工程化就是各域內和域間的切換技術，包括波束切換、信道切換、頻率切換、衛星切換、多天線以及多域協同多域自適應切換等。其切換的主要準則是根據干擾平臺分析的結果，如：信干比、接收電平和功率控制等進行自適應信道控制。在衛星通信系統切換的實施中，切換執行過程可以分為切換準則、切換控制和切換信道分配三個子進程，其策略將直接影響到整個系統的運行性能。

3.1波束切換

波束切換是指由于移動或者波束堵塞等原因，地面站從正在服務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接收信號強度和信噪比/信干比等參數或者干擾分析平臺的指令，來判決是否需要進行切換，主要目的是保證移動地面站在移動中的通信連續性及信號傳播質量。干擾分析平臺分析出當前波束或者點波束被阻塞干擾，其性能嚴重下降甚至完全不能使用時，信關站發出指令關閉受干擾的波束，防止干擾其他波束。根據點波束覆蓋重疊特性，用戶站嘗試利用相鄰波束進行再通信。用戶站測量下行信號強度，選擇最強波束進行重新入網登記。

跳波束時的波束選擇原則主要分為隨機跳變和選擇跳變。如：在受到強干擾情況下進行選擇跳變，避開強干擾從而避免波束阻塞，此時要進行跳變策略選擇。其基本思想是針對受到干擾波束下的用戶集再次反饋部分信道信息，使得在系統用戶數受到干擾時系統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用戶反饋其最大的信干比及最大信干比對應的波束序號，則基站將波束分配給最大信干比對應的用戶；自適應功率分配多用戶多波束選擇策略要求功率在各個波束間自適應分配。

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，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。尤其對于直擴系統，提高偽碼的速率和降低基帶信息速率是提高擴頻增益的有效途徑。在抗干擾衛星通信系統中，可設置兩種信道傳輸模式：一種是中速業務，稱為普通模式，用于平時通信；另一種是甚低速業務，稱為健壯模式，用于在強干擾情況下的通信，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碼。基于上述傳輸模式的定義，衛星通信系統中波束內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的新的可用頻率/時隙；另一種是將呼叫切換到采用健壯模式傳輸的新的可用頻率/時隙。

在切換測量階段，地面站和信關站干擾分析平臺同時對信號接收強度(信號電平)和信號接收質量(誤比特率)進行實時測量。移動地面站每隔一定時間將測量結果通過衛星慢速輔助控制信道向信關站進行報告。信關站對接收到的測量結果始終保持監視，進行實時切換。切換執行過程中的信道分配是為系統中的切換請求分配網絡資源的過程，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組成部分，對于系統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態信道分配方式三種；(2) 基于切換性能保證的切換信道分配策略，一般通過預留信道方式、優先級方式和子速率方式等對切換呼叫或者實時業務提供一定程度的保護，從而有效降低通信中斷概率。

3.3頻率切換

頻率切換采用多個載波頻率并在這些頻率間隨機跳變，由于載頻切換需要時間，故又工作在突發傳輸狀態，所以具有很強的抗干擾能力。對擴頻帶寬較寬的情況，跳頻比直接序列擴頻更為實用。跳頻系統的重要參數是擴頻增益和跳頻速率，跳頻范圍越寬，抗寬帶阻塞式干擾能力越強；跳頻速率越高，抗跟蹤式干擾能力越強。對跳頻系統的限制在于頻率合成器的高速轉換而無雜波產生，目前我國對中速跳頻技術已基本掌握，對快速跳頻還在跟蹤研究。跳頻信號的特征參數有：信號頻率、跳頻速率、信號駐留時間、信號的到達時間和結束時間、信號的換頻時間等。

為避免衛星之間的相互干擾和有效利用頻率資源，正交跳頻通信技術得到廣泛的應用。正交跳頻是指跳頻圖案不發生重疊，即跳頻頻率在時頻域上相互不發生重疊，其優點是不存在干擾、頻譜占用率高、可組網數目大等。由于其同步且頻率集相同，大大提高了抗干擾性能，即任何時刻在頻率集中都會同時出現多個頻率信號，給跳頻跟蹤式干擾帶來困難。傳統接收機無法截獲跳頻信號，更談不上對跳頻信號進行分選和識別，對跳頻信號的截獲只能依靠新型的快速掃描式接收機或非搜索體制的接收機。跳頻技術是研究最早的抗干擾技術，相對比較成熟，其他相關技術還包括跳頻序列的設計和跳頻同步等，這里就不贅述了。

3.4多域自適應切換

通過上面的分析可以看出，多域協同抗干擾的基本實現是切換技術，按照資源可用度和技術復雜度，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。這些技術既可以簡單地串聯也可以并聯，或者是混合實施，此時就需要復雜的控制技術，一般由干擾分析平臺的結果，配合相應算法來實施。在具體實施過程中，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)是必不可少的：當干擾加強時，考慮跳波束或者是變帶寬通信；當受到嚴重干擾或者需要衛星網絡通信時，考慮星際切換。跳變算法中跳頻算法是根據跳圖確定，變帶寬算法是根據業務需求和信干比等參數確定。跳波束和星際切換是通信路由的再選擇，屬于路由技術，在強干擾情況下的波束/星際切換算法包含切換重建算法和概率算法等。

4結束語

本文針對現代干擾技術綜合化、靈巧化和智能化的特點，發展了多域協同抗干擾技術。該技術針對衛星通信系統的廣域時空覆蓋特性，可有效指導衛星通信系統綜合抗干擾的總體設計。通過討論可以看出，多域協同的基礎是多域間的變量廣義化，即打破域間差異，把不同域的參數和變量統一對待。本文在理論框架上給出了初步討論，具體的多域統一理論、域間協同算法以及工程化實現還需要進一步的研究。

參 考 文 獻

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韓雪謙男，1983年生，工程師。研究方向為通信技術。

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：TN972

文獻標志碼：A

文章編號：1004-7859(2016)05-0078-04