一種智能抗干擾無人機測控系統(tǒng)設計 *

陳會林 ,教富龍,袁泮江,洪志勇,王 羽

(1.中國西南電子技術研究所，成都610036;2.北京跟蹤與通信技術研究所，北京100083;3.西安衛(wèi)星測控中心天津測控站，天津301900)

0 引 言

伊朗軍隊干擾和擊落美軍先進無人機的實踐表明，利用電磁干擾技術和手段，容易對無人機的工作頻段形成壓制性或欺騙性干擾[1]，造成通信中斷、指揮癱瘓、控制失控，甚至被擊落[2]。為此，世界各國均提高了對無人機系統(tǒng)的安全性設計。為權衡無人機數據鏈的安全與性能，美軍利用新型、高效的調制解調技術、糾錯編碼技術、高速跳頻和寬帶擴頻及相關技術，研制了具有電磁兼容性好、截獲概率低、抗干擾能力強的高性能無人機數據鏈。從Link16開始，采用了可靠的抗干擾模式，數據鏈工作頻段向高頻段發(fā)展，跳頻仍是核心技術，同時向著與擴頻、跳時、高效編譯碼、頻譜感知等技術聯(lián)合智能抗干擾新趨勢發(fā)展。高速跳變使得無人機數據鏈的發(fā)射信號難以被追蹤和截獲,迫使敵方干擾機必須工作在很寬的頻率段上,從而顯著降低了干擾的效能。同時采用時隙交織技術來應對突發(fā)干擾，使用循環(huán)頻移鍵控(Cycle Code Shift Keying，CCSK)技術來實現直序擴頻。脈沖字符的實現不僅有利于信號能量的集中,更加增強了數據鏈的抗干擾功能。

戰(zhàn)術瞄準網絡技術(TacticalTargetting Network Technology，TTNT)系統(tǒng)作為美軍新一代數據鏈，在抗干擾、低截獲能力上進一步加強。它在跳頻、跳時技術的基礎上增加了速率自適應、編碼自適應以及功率自適應控制等技術，可以根據相互距離及接收信號的質量自適應地改變前向糾錯(Forward Error Correction，FEC)和編碼方式以及功率控制，在距離增大時自適應地調整傳輸速率。

德國萊茵金屬公司(Rheinmetall GmbH) 向德國陸軍交付的KZO (Kleinfluggerat Zielortung)戰(zhàn)術偵察無人機系統(tǒng)[3]，地面站和無人機的極窄波束天線可自動對準，系統(tǒng)還采用了跳擴頻技術和其他先進信號處理技術，保證了很強的抗干擾能力。歐洲宇航防務集團(European Aeronautic Defence and Space Company N.V.,EADS)防務電子部還提供雷達技術來測定無人機的精確位置，這樣即使GPS信號受到干擾或無人機的導航定位裝置失效，系統(tǒng)也不會失去無人機的位置信息。

目前，國內外無人機數據鏈路采用了多種抗干擾技術[4]，主要包括信道編碼技術、擴頻技術等，同時多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)、正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)擴/跳頻綜合和認知無線電(Cognitive Radio,CR)[5]等技術的出現，也為增強無人機數據鏈的抗干擾功能提供了有利的技術支撐。然而，為了應對通信對抗新技術和新干擾技術的發(fā)展[6]，需要提高無人機智能抗干擾能力，研制新的無人機抗干擾智能測控通信鏈路(UAV Intelligent TT&C Communication Link，CTTCL)，從而實現無人機系統(tǒng)的隨機接入與越區(qū)切換、無線資源管理、感知輔助安全防護以及鏈路自適應等功能，提高無人機系統(tǒng)在未來信息化戰(zhàn)場的適應性與作戰(zhàn)效能。

1 系統(tǒng)總體設計

整個系統(tǒng)由協(xié)議棧中若干功能實體(Protocol Entity)分別構成物理層和數據鏈路層兩層，共同完成智能測控通信鏈路的全部功能，如圖1所示。CTTCL協(xié)議棧在全系統(tǒng)中承擔了“無線接入網”的角色，有效鏈接指揮控制中心與任務載荷，并提供遙測、遙控、通信服務。

圖1 系統(tǒng)組成

數據鏈路層又細分為邏輯鏈路控制層(Logical Link Control,LLC)和媒體訪問層(Medium Access Control,MAC)，如圖2所示。

圖2 協(xié)議棧層次劃分

在物理層波形、高層協(xié)議以及工作流程的設計中，充分考慮抗干擾和低截獲能力的要求，滿足軍用測控通信鏈持續(xù)演進的基本需求。采用了偵通一體的干擾感知技術和感知輔助的鏈路級安全防護技術，有效規(guī)避干擾。下行廣播(Broadcast Channel，BCH)用于尋呼地面站，是完成隨機接入的關鍵環(huán)節(jié)。技術途徑上，采用突發(fā)+擴跳頻體制，突破傳統(tǒng)連續(xù)波體制，信號波形表現為時域的一個突發(fā)，確保抗干擾低截獲能力。由于無人機存在突前偵察的使命任務，前方電磁環(huán)境復雜，無人機接收存在很大的被干擾風險，因此上行鏈路需要采用擴頻體制，同時結合型號項目要求的擴頻增益，提高抗干擾容限。

敵方無源探測設備的脈沖分選功能受輻射信號在時域、空域、頻域的穩(wěn)定性和規(guī)律性影響，因此，在技術途徑上，設計靜默態(tài)提高隱蔽性，并且下行廣播和上行接入信道(Random Access Channel，RACH)的交互節(jié)拍可隨時調節(jié)。通過機載測控終端輻射信號的最大不確定性設計，即采用最小輻射能量自適應功率控制技術，使機載測控終端根據實際作用距離、信息速率及信道評估情況，在保證其性能指標不影響作戰(zhàn)使用的前提下，輻射最優(yōu)的射頻功率，減小被敵方無源偵察裝備發(fā)現或截獲的距離，使敵方無法對我方信號進行穩(wěn)定的截獲，可以直接影響無源探測設備的分選識別功能，無法進行測向、測距、定位等。

地面/艦面站使用定向天線，廣播信道傳輸幀內含GPS信息，可以輔助地面進行目標角度計算，進一步控制地面定向天線的指向，因此，除了近距離接入場景使用全向天線，其他上行接入及通信階段都采用定向天線，在能、空兩個維度大大降低敵方截獲概率；同時由于接收信號也具有方向性，提高了接收信號的抗干擾、抗入侵、防欺騙能力。

2 抗干擾智能測控關鍵技術

2.1 偵通一體的干擾感知設計

干擾感知技術的目的是提供可靠通信并有效利用頻譜資源。目前，涉及干擾感知技術研究的學科領域分別是電子偵察和認知無線電(Cognitive Radio,CR)。

電子偵察主要特征是寬開和掃描，主要目的是截獲敵方的輻射源信號，測量信號主要特征，與數據庫進行比較后進行目標識別，并結合測向/定位結果形成戰(zhàn)術情報信息。通常來說，用于戰(zhàn)場環(huán)境實時監(jiān)測的偵察設備由于運算量大，對設備體積和功耗的要求都比較高。

認知無線電的研究主要集中在頻譜感知、頻譜管理、頻譜共享三個方面:頻譜感知技術研究的是如何知道信道被使用的情況；頻譜管理的主要任務是進行頻譜分析、判決、分配；頻譜共享主要研究頻譜分配行為、頻譜接入技術。

無人機測控鏈路對干擾感知的需求主要包含以下方面：

(1)對工作頻帶范圍內的無線信道進行快速感知，評價各個頻點的信道質量信息(Channel Quality Indicator，CQI)，供管理模塊選擇本地可用信道。

(2)快速發(fā)現通信帶內干擾，并提供相關參數供管理模塊進行決策調整。

(3)能夠檢測并識別干擾類型，為上下行鏈路提供更多維度的安全防護可能。

(4)設備體積小，功耗少，最好能夠集成在通信模塊內。

為了滿足以上需求，針對無人機信道的復雜電磁環(huán)境，采用偵察技術和認知無線電技術結合，實現干擾的感知和識別。

2.1.1 干擾感知

干擾感知實際上是對信號有無及信號參數的估計。考慮不同干擾目標的頻域、時域特征不同，對鏈路的干擾效能也不同，因此有必要對干擾信號的參數進行進一步估計，提取出有用的部分進行描述，作為鏈路級管理的依據。干擾感知根據需要擇取合適的頻段掃描策略，在保證干擾感知全面性的前提下，提高其可靠性和精度。采用先進行全頻掃描再進行局部掃描的模式，即在全頻段掃描后選擇一個主通道用于當前使用，之外始終保有兩個候補信道，以便在通信質量下降時快速執(zhí)行信道切換。選用候補信道的數目應該根據頻譜的動態(tài)情況決定。

基于兩個候補信道的局部頻段掃描大致由如下幾個步驟構成：

(1)系統(tǒng)通過掃描全頻段來確定使用信道A和候補信道B和C；

(2)循環(huán)感知操作，系統(tǒng)每隔τ對信道A～C進行一次感知；

(3)循環(huán)感知操作中斷，通過掃描全頻段重新確立A～C。

信道A的感知結果為差時需要順次切換到B、C，此時需通過掃描剩余信道來發(fā)現合適的遞補信道。

信道B、C的感知結果為差時不適合作為候補信道時，通過掃描剩余頻段找到合適的遞補信道。

信道A連續(xù)N次感知結果顯示為較差，需要順次切換到B或C，再通過掃描剩余信道來發(fā)現合適的遞補信道；信道B或C連續(xù)N次感知結果顯示為較差，需要通過掃描剩余信道找到合適的遞補信道帶代替原有的信道B和C。

2.1.2 干擾識別

無人機鏈路常面臨的干擾信號類型可以根據頻域特性進行劃分。根據干擾信號帶寬與傳輸信號帶寬的比例關系，干擾信號可分為窄帶干擾和寬帶干擾(Wideband Interference，WBI)兩大類。窄帶干擾又可分為單音干擾、多音干擾、窄帶噪聲干擾，它們在能量、帶寬、時域幅度、頻譜和時頻域等方面分別體現出不同的特點，因此，利用時域、頻域和時頻域分析方法提取出一組無需干擾先驗知識并且對信噪比、干信比及干擾信號參數均不敏感的分類特征參數。圖3為含不同干擾的接收信號的歸一化頻譜圖。

圖3 含不同干擾的歸一化頻譜

干擾識別的意義在于對信道中的干擾分量進行基礎測量，得到頻域上幅頻特性參數(初級結果)。進一步，對測量的結果進行認知，得到與功能相結合的二級結果，就可以對可用頻段或備用頻點等進行決策，有助于增加鏈路對復雜環(huán)境的適應能力。

2.2 鏈路自適應設計

鏈路自適應技術是自適應編碼調制(Adaptive Modulationand Code，AMC)，結合感知結果、測量結果和狀態(tài)信息的多源融合自適應。

鏈路自適應的工作全部由MAC實現。圖4給出了一種可重配置抗干擾收發(fā)信機。根據干擾信號識別模塊提供的空、時、頻域干擾的具體大小，合理地選擇空、時、頻三維發(fā)射信號，以減輕干擾信號對可重配置抗干擾接收機的干擾。

圖4 可重配置抗干擾收發(fā)信機

可重配置抗干擾收發(fā)信機包括以下各功能模塊：

(1)信道編譯碼——對輸入的待發(fā)射信源數據進行編碼，以達到克服差錯、抗干擾的目的；

(2)交織器——配合信道編碼工作，使信道編碼的效果最大化；

(3)調制——可以選擇為擴頻調制，或SC-FDE調制，或者幾種調制CDMA；

(4)信道估計——校正信道的影響；

(5) 解調與干擾抑制——對進入基帶的干擾進行抑制與消除；

(6) 干擾迭代抑制——對解調后的信號、譯碼后的信號、干擾信號識別后的信號進行迭代聯(lián)合處理，最大化地抑制干擾信號對有用信號的干擾；該模塊屬于均衡的一部分；

(7)干擾信號識別——識別相對于自己是干擾的信號，包括空、時、頻波形特征；

(8) 可重配置模擬前端——模擬前端的中心頻率、載波帶寬是可以調節(jié)的；

(9)模擬前端抗干擾(可選)——為了防止模擬前端被干擾阻塞，需要模擬前端具備抗干擾措施；

(10)干擾信號非實時識別——對記錄的無線干擾信號進行識別，或者是對收集到的干擾信號進行整理；

(11)干擾信號先驗知識數據庫——將可能的無線干擾信號特征記錄下來，以提高實時干擾識別時的效率。

2.3 感知輔助的鏈路級安全防護策略

系統(tǒng)通過更換上下行頻點、帶寬、碼道、調制編碼方式等手段，對測控通信鏈進行干擾防護。

2.3.1 基于單點決策

依據干擾能量劃分為導致QoS不滿足的弱干擾等級和導致鏈路中斷的強干擾等級。

弱干擾等級中干擾造成QoS不能滿足要求的定義為：存在干擾，影響當前業(yè)務傳輸，但其強度不足以中斷遙測遙控。應對策略如圖5所示。

圖5 弱等級干擾的防護策略

強干擾等級分兩類情況：一是UAV與地面/艦面站之間單向鏈路中斷；二是UAV與地面/艦面站之間雙向鏈路中斷。

對于第一類情況，由于一方依然能夠正確接收信息，接收中斷的一方直接跳轉備用頻段，同時通知對端同步更改發(fā)射頻率，即可恢復連接。對于第二類情況，由于雙方已徹底失去原有鏈路，無法通過接收鏈路傳達切換指令，因此，收發(fā)雙方盲切換到備份頻點，嘗試恢復通信，如果失敗，需重新接入。

2.3.2 基于態(tài)勢廣播

基于態(tài)勢廣播，可以增強安全防護能力，如圖6所示。

圖6 態(tài)勢廣播

無人機1覆蓋區(qū)域為站點5～6，無人機2覆蓋區(qū)域為站點1～4，覆蓋區(qū)域內的站點集合稱為簇，簇2下行使用f1通信。假設站點2具有高增益天線。如果簇1沒有態(tài)勢廣播，站點2基于干擾感知，可能也選擇了f1通信，最壞情況將導致站點5、6全部受干擾。

態(tài)勢廣播可以解決上述問題。由于CTTCL的可擴展性設計，只要簇2中有地面設備支持一站多機，即可接入簇1，接收CCCH信號，利用CCCH中攜帶的MAC信息實現干擾規(guī)避的決策。

進一步，在一機多站的情況下(地面站數量多于飛機)，多站點可接入無人機但不預約資源，利用接收CCCH中共享的信息(與當前地面站的交互信令，甚至可以包含位置、時間、飛行姿態(tài)和航跡等)，實現無人機狀態(tài)的多點監(jiān)控，這極有利于UAV安全性提升，降低誘騙概率。

2.4 隨機接入及越區(qū)切換設計

隨機接入過程有兩種模式，即允許基于競爭的接入(隱含內在的沖突風險)或無競爭的接入。

在無競爭模式下，廣播幀指定了目標地面/艦面站的編號，所以只會有一個地面/艦面站發(fā)起上行接入，不存在沖突風險。

在基于競爭的接入模式下，地面/艦面站隨機地選擇簽名序列，結果是存在多個地面/艦面站同時傳輸相同簽名的可能，這導致需要沖突消解。

競爭解決流程如下：

(1)UAV與本地各預存一個包含N組簽名的序列集合，每組包含M個簽名。

(2)UAV通過本地廣播幀指定響應的簽名組編號和響應時間。

(3)地面/艦面站根據簽名組編號隨機抽取上行導頻信道使用的簽名序列。

(4)UAV在時間窗內對簽名序列進行搜索。

(5)UAV對滿足信干噪比條件的簽名序列通過廣播幀發(fā)射隨機接入響應(Random Access Response，RAR)。

(6)如果多個地面/艦面站由于選擇了相同的簽名序列而導致沖突，則會各自接收到RAR，為了達到沖突消解的目的，RAR需要指定隨機回退時延，使得隨機信道內盡量不發(fā)生沖突。

(7)UAV對隨機接入信道上的響應進行解調，如果可以解調完成，則可以通過廣播幀告知地面/艦面站所選擇的目標地面/艦面站編號，否則繼續(xù)接收隨機接入信道內的響應信息。

(8)多個地面/艦面站收到含目標編號的廣播幀后，目標地面/艦面站繼續(xù)完成后續(xù)握手，其他地面/艦面站停止發(fā)射。

(9)需利用仿真軟件對碰撞概率進行統(tǒng)計，設計簽名容量、回退時延等參數使沖突概率最小。

為了UAV與地面/艦面站高可靠接入提供安全機制，借鑒WiFi接入安全協(xié)議，適當改造。

UAV向地面/艦面站發(fā)送認證請求，地面/艦面站回復認證響應。UAV向地面/艦面站發(fā)送關聯(lián)請求，地面/艦面站回關聯(lián)響應。關聯(lián)成功之后，開始4次握手。握手成功后，雙方得到加密密鑰，用密鑰對傳送的數據加解密。

為了減少認證時間的問題，達到快速切換的目的，采用提前認證的機制。無人機與地面/艦面站可以利用BCH和RACH進行預溝通，在維持與原站業(yè)務傳輸的同時，完成密鑰的交互與認證，將認證結果納入目標庫中，并設計有效期。在有效期內需要進行越區(qū)切換時，可以簡化大部分握手次數，在維持原有安全性的同時減少了切換時間。

接入環(huán)節(jié)由于未知通信距離，從安全防護角度考慮，初始發(fā)射功率不宜過大,采用開環(huán)估計鏈路損耗、閉環(huán)調整發(fā)射功率的策略:第一步，地面站接收BCH，利用載波環(huán)路鎖定模塊對信噪比進行評估，同時反推鏈路損耗；第二步，考慮定向天線和全向天線增益差，設置UpPCH初始發(fā)射功率，并逐步增加發(fā)射功率，直到獲得響應；第三步，持續(xù)調整，直至鏈路增益達到動態(tài)平衡。

2.5 QoS保證的無線資源調度設計

在無人機通信場景中，業(yè)務類型包括上行遙控、數傳和下行遙測、圖像及大容量數據業(yè)務、實時視頻業(yè)務等共五種類型。所有五種業(yè)務都有自己的傳輸速率、誤比特率和時延要求，所以有嚴格的優(yōu)先級等級，需要根據典型通信場景和業(yè)務需求采用面向QoS保障的無線資源調度技術[7]。

在本文考慮的通信場景中，如圖7下行傳輸中的多業(yè)務流調度所示，資源管理器有可能要為不同的地面站同時調度多個具有不同優(yōu)先級和服務質量要求的業(yè)務流。這里的無人機是下行傳輸調度的決策者，它會根據當前的信道質量信息、隊列狀態(tài)信息(Queue State Information,QSI)和各業(yè)務的服務質量要求進行資源管理決策。此外，如果當前信道質量變差，例如一段時間內都只能提供低譜效的傳輸服務或者出現部分業(yè)務無法得到服務質量保障時，資源管理器還應考慮是否切換到信道感知模塊提供的備用信道。下面采用基于效用的方法對資源管理器在特定信道進行資源分配的方法進行簡要說明。

圖7 下行傳輸中的多業(yè)務流調度

這里效用的定義可以根據不同的優(yōu)化目標進行合理設計，如根據頻譜效率、能量效率、延遲違反概率或業(yè)務本身價值等。為了提供區(qū)分優(yōu)先級的QoS保障，下面結合異構業(yè)務的優(yōu)先級，給出一種分層調度的簡化設計思路。

原則上，高優(yōu)先級業(yè)務有比低優(yōu)先級業(yè)務優(yōu)先獲得無線資源的權力，所以類似于LTE系統(tǒng)對GBR和非GBR業(yè)務的調度[8]。可以先從最高級業(yè)務開始調度，即先為優(yōu)先級最高的遙測業(yè)務以本調度周期內總效用最大化為目標，在隊列中待發(fā)送數據包個數有限、最低平均傳輸速率和隊首數據包延遲需要保障的前提下進行資源分配。通常遙測業(yè)務的速率要求較低，所以在為該類業(yè)務完成資源分配后應仍有時頻資源可供其他類型業(yè)務分配。

當為圖像及大容量數據業(yè)務和實時視頻業(yè)務進行資源分配時，因為這兩種業(yè)務都需要大量帶寬資源且有嚴格的時延或時延抖動要求，所以不能完全按照優(yōu)先級把所有剩余的資源都分配給優(yōu)先級較高的圖像及大容量數據業(yè)務，可采取的策略是：當資源不足時，優(yōu)先保證優(yōu)先級較高的圖像及大容量數據業(yè)務的QoS要求；當資源充足時，在保證兩種業(yè)務基本QoS要求的情況下，最大化圖像及大容量數據業(yè)務的服務質量。

然后，對于剩余的資源，同樣以基本QoS要求保障為約束且以最小化資源使用量為目標分配給實時視頻業(yè)務。與圖像及大容量數據業(yè)務不同，這里在為實時視頻業(yè)務分配資源時需要額外考慮其時延抖動約束。

如果給優(yōu)先級最低的實時視頻業(yè)務分配完資源后仍有剩余資源，可以把剩余資源在圖像及大容量數據業(yè)務和實時視頻業(yè)務中做進一步分配：首先，把剩余的資源以效用最大化為目標分配給優(yōu)先級較高的圖像及大容量數據業(yè)務；然后，如果還有剩余未分配的時頻資源，只需要把它們以效用最大化為目標分配給優(yōu)先級最低的實時視頻業(yè)務。

3 結 論

本文提出的基于感知輔助的智能抗干擾無人機測控技術，以干擾防護的需求為出發(fā)點，采用通信偵察技術與認知無線電頻譜感知技術相結合，從多個維度評估外界復雜電磁環(huán)境，利用電偵和認知無線電的物理層干擾感知結果，實現跨層與其他參數進行融合，并在無線資源管理實體中完成調度算法，對當前使用的帶寬、頻率、調制編碼方式等無線資源參數進行調整，能夠實現無人機測控通信系統(tǒng)隨機接入與越區(qū)切換、無線資源管理、感知輔助安全防護、鏈路自適應等功能，提升了無人機系統(tǒng)的生存性、靈活性和作戰(zhàn)效能，以滿足未來復雜作戰(zhàn)場景的應用需求。