基于疊加擴頻頻譜中心技術的抗欺騙干擾研究

安巧靜 ，孫志成 ，馬麗麗 ，王 磊 ，高喜俊 ，胡愛蘭

(1.中國人民解放軍63861 部隊，吉林 白城 137000；2.陸軍工程大學石家莊校區，河北 石家莊 050003；3.中國電子信息產業集團有限公司第六研究所，北京 100083)

0 引言

干擾問題一直是MIMO 系統領域研究的熱點，其抗干擾能力直接關系著MIMO 系統的性能。在電子對抗中，欺騙干擾及防欺騙干擾多用于雷達系統中，尤其是DRFM 技術的出現和發展加深了研究人員對欺騙干擾的研究[1-3]。目前欺騙干擾的研究熱點多集中在欺騙干擾信號的特征提取識別研究，文獻[4]、[5]中闡述了雷達欺騙干擾的多普勒識別方法，文獻[6]～[9]介紹了基于距離、角度、速度等參數的欺騙干擾識別方法，文獻[10]介紹了MIMO 雷達利用回波信號相關性差異識別欺騙干擾的方法。

目前根據常見的欺騙干擾類型，其干擾特征主要表現為三方面，即欺騙干擾信號大于遙控信號、兩者存在時延差以及虛假遙控指令3 種情況。因為前兩種情況容易識別，本文將重點研究存在虛假指令的欺騙干擾，對完善機載多天線收發系統的欺騙干擾系統具有重要意義。

本文通過分析基于機載MIMO 系統虛假指令欺騙干擾的特征，闡述了虛假指令欺騙干擾的形成原理，并制定了相應的欺騙干擾預防方案。最后通過搭建試驗平臺，驗證了該方法的可行性。

1 虛假指令的欺騙干擾分析

欺騙干擾信號中存在虛假遙控指令的實現方法通常表現為敵方在偽碼序列中加入虛假遙控指令產生欺騙干擾信號。若被機載多天線接收解算后，按照敵方操控意圖致使試驗裝備漸漸脫離地面控制站對設備的控制操作，達到欺騙干擾的目的。

一般情況下存在虛假指令的欺騙干擾會結合高信號強度欺騙干擾對遙控設備進行實施，首先利用干擾信號強度的優勢到達機載多天線接收端的捕獲解算鏈路，然后利用錯誤的遙控指令致使機載設備運行軌跡脫離地面控制站，最后實現對設備的控制或摧毀。

2 基于干擾認知的抗欺騙干擾

結合欺騙干擾的信號特征，MIMO 系統測控鏈路可以采用相應的方法進行預防。

針對欺騙干擾信號中存在虛假遙控指令，文獻[11]中采用疊加擴頻MIMO 抗干擾方法，已使得敵方干擾機產生相似遙控指令難度增大。為了進一步遏制虛假欺騙干擾信息的侵入，本文提出一種基于Walsh 序列的疊加擴頻頻譜中心檢測法。

Walsh 序列一種“±1”為元素的二值完備正交序列，因其具有較好的正交和完備性在通信系統中得到廣泛應用[12-13]。Walsh 序列具有多個不同的描述和表示方式，這里主要采用Hadamard 矩陣得到的Walsh 序列[14]。Hadamard 矩陣的每一行或者每一列均可以作為一個Walsh 序列，表示為WalH(m)，m 為Hadamard 矩陣的行序號或者列序號。Walsh 序列的列率是指序列中碼元組合的重復周期數。具有相同列率的不同Walsh 序列除了時間延遲不同，其具有相同的周期延拓波形。2 階矩陣可表示為H2，可遞推出2N 階Hadamard 矩陣[15]為：

在Hadamard 矩陣中，任意兩行(或兩列)的對應元素相乘之和等于零，即互相關函數為零。Hadamard 矩陣的每一行或每一列代表一個Walsh 序列，這N 個Walsh 序列構成一個Walsh 序列組。以8 階Hadamard 矩陣產生的Walsh 序列為例，Hadamard 有：

可見，在行序中，WalH(3)與WalH(4)具有相同的列率，WalH(5)與WalH(7)具有相同的列率，WalH(6)與WalH(8)具有相同的列率。8 階Hadamard 矩陣產生的Walsh 序列的歸一化頻譜結構如圖1 所示，定義該Walsh 序列頻譜結構中譜線幅值最高點對應的頻率為其中心頻率。可見，不同列率的Walsh 序列具有不同的頻譜結構和不同的中心頻率。WalH(1)序列雖然具有與其他序列不同的列率，但其碼元的平衡性較差，不適宜應用。因此，可將不同列率且平衡性較好的Walsh 序列集W 作為疊加擴頻序列用于欺騙干擾預防，實現方法為：無人機測控鏈路兩端約定采用某一頻率中心的Walsh 序列作為擴頻碼，在接收端檢測收到的Walsh 序列中心頻率來識別出有效信號，當中心頻率不滿足所約定的序列中心頻率時，則可認為是欺騙的干擾信息。采用這種方法實現對欺騙干擾信號預防的同時，也增大了敵方實施欺騙干擾的難度。

圖1 Walsh 序列頻譜結構圖

3 基于MIMO 的抗干擾性能理論分析

根據欺騙干擾特征分析，接收信干比并能不反映出欺騙干擾和抗欺騙干擾的性能。本文主要根據系統誤碼率來說明機載多天線的抗欺騙干擾性能。

在一般機載多天線系統抗干擾方法中，干擾、噪聲及信道估計是影響系統誤碼性能的主要因素。下面分析信道對系統誤碼性能的影響。

結合機載天線測控鏈路的通信特點，其信道主要包括直射分量和散射分量，因此可以假設信道H 為萊斯衰落信道，則hji可以看作實部和虛部均值分別為方差為σ2的復高斯變量，則Φ=服從自由度為2Num2的非中心χ2分布，結合概率密度函數f(φ)、ML 譯碼中BPSK 信號瞬時負載差錯概率等定義(推導過程參考文獻[11])，獲得理論上的系統誤碼率：

其中，n0為信號樣本量；K 為萊斯參數，表示為：

伽馬(Γ)函數為：

4 仿真試驗

為進一步驗證本文方法的可行性，基于本方法搭建了2×2 MIMO 抗干擾系統試驗環境，進行了欺騙干擾試驗。

首先對MIMO 分集收發實驗的相關參數進行說明：隨機生成6 000 個“0”、“1”數據，數據包保護頭為38 bit數據，數據包頭中編號和總數據包大小均為16 bit 數據，每次發送1 500 個數據 (6 000 個數據要經4 次發送)，數據包保護尾200 bit 數據(這樣，每次發送1 770 個數據)。采用8PSK 方式調制，發射、接收頻率均為4.95 GHz，IQ速率為500 kHz，誤碼率采用蒙特卡羅方式統計，次數為100，總體觀測統計20 次的誤碼率 (每次為6×106個數據)，總計為1.2×107個數據的統計結果。信源經星座映射后得出發射數據的復信號星座，其頻譜和時域波形分別如圖2(a)、圖2(b)所示，圖中兩組發射信號分別由黑色和灰色線表示。其中，圖2(a)所示的頻譜是射頻發射頻譜映射到基帶的頻譜圖。

為驗證系統對欺騙干擾的預防“警惕性”，干擾端生成了一組與發射序列例似的隨機數，并采用不同于發射端的擴頻碼對欺騙干擾數據進行擴頻，定義欺騙干擾的IQ 速率同樣為500 kHz，干信比為10 dB，其發射欺騙干擾兩組信號的頻譜如圖3(a)所示，分別由黑色和灰色線表示。在欺騙干擾下，MIMO 綜合抗干擾系統接收到的兩組射頻信號的頻域和時域波形分別如圖3(b)、圖3(c)所示，兩組接收信號分別由黑色和灰色線表示。由圖3（c）可見，該欺騙干擾會導致時域一定程度的“紊亂”，且在時域中，會明顯存在某一段信號被干擾所掩埋。

為了觀測欺騙干擾對系統的影響，通過持續的欺騙干擾，觀測了整個20 次誤碼率統計時間內的抗干擾情況，圖4 為該欺騙干擾情況下的誤碼率統計值。從誤碼率統計結成果整體看來，只存在兩次“尖峰”，即被干擾功入侵，該系統基本能夠有效剔除欺騙干擾的影響，整體誤碼率穩定保持在1×10-5左右。

圖2 發射信號波形圖

5 結論

為驗證所研究抗干擾方法的可靠性，采用軟件無線電平臺，在MIMO 分集實驗平臺的基礎上，搭建了2×2 MIMO 抗干擾實驗驗證系統，并采用虛假指令欺騙干擾對其抗干擾性能進行了測試，為完善機載多天線系統測控鏈路中抗欺騙研究提供了有利依據。結果表明，該系統能夠實現虛假指令欺騙干擾的預防。

圖3 欺騙干擾及接收信號時頻波形圖

圖4 欺騙干擾下MIMO 綜合抗干擾系統誤碼率統計結果