不同隱蔽通信管控策略下的任務(wù)性能分析

高鵬程

（中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引言

目前飛行器上的全向通信系統(tǒng)為了保證自身的通信性能，一般以最大功率輻射，對自身輻射信號不必要的外泄缺乏充分考慮，造成飛行器平臺在較遠(yuǎn)距離下被敵方偵察機(jī)截獲，進(jìn)而被定位攻擊[1-2]。因此，機(jī)載平臺全向通信系統(tǒng)的低截獲（Low Probability of Intercept，LPI）措施（即隱蔽通信措施）尤為關(guān)鍵[3-5]，一般隱蔽通信措施包括4 類：（1）LPI 波形設(shè)計(jì)[6-8]；（2）功率控制[9-11]；（3）天線調(diào)零[12-13]；（4）定向通信[14-15]。對于全向通信系統(tǒng)而言，可采用LPI 波形設(shè)計(jì)和功率控制來實(shí)現(xiàn)隱蔽通信。LPI波形是由通信系統(tǒng)波形設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，而功率控制則涉及通信系統(tǒng)的使用、管控。根據(jù)已有文獻(xiàn)，目前隱蔽通信的研究主要側(cè)重于實(shí)現(xiàn)方法和低截獲效果的評估，如文獻(xiàn)[7]評估了直接序列擴(kuò)頻信號的低截獲性能，文獻(xiàn)[9]提出了基于混沌粒子群優(yōu)化的低截獲編隊(duì)通信方法，而少有評估隱蔽通信管控策略下的通信系統(tǒng)任務(wù)性能。本文主要針對機(jī)載全向通信系統(tǒng)在不同隱蔽通信管控策略下的任務(wù)性能進(jìn)行分析評估。

1 隱蔽通信的任務(wù)性能

隱蔽通信是指通信在保證不被敵方無源探測系統(tǒng)截獲的前提下，最大程度地維持其任務(wù)性能。通信的任務(wù)性能包括作用距離、通信速率、誤碼率、通信時長等。

不考慮大氣、雨、霧等衰減和極化失配，通信鏈路傳播公式為：

轉(zhuǎn)化為dB 的形式，有：

式中，Pt為發(fā)射功率，Gt為發(fā)射天線增益，Gr為接收天線增益，RD為作用距離，λ 為工作波長，Lt為發(fā)射損耗，Lr為接收損耗，PrminC表示通信接收機(jī)靈敏度，f 為工作頻率。

通信接收機(jī)靈敏度和通信速率的關(guān)系為：

式中，NF為噪聲系數(shù)；k 是波耳茲曼常數(shù)（1.38×10-23J/K）；T0為標(biāo)準(zhǔn)室溫，一般取290 K；Rb為通信速率；Eb為每比特碼元能量，N0為噪聲單邊功率譜密度，對于最小頻移鍵控（Minimum Shift Keying，MSK）信號，其誤碼率，erfc 為互補(bǔ)誤差函數(shù)。

綜上，含通信速率、誤碼率、作用距離的通信鏈路傳播公式為：

對于全向通信系統(tǒng)，不考慮大氣、雨、霧等衰減及極化失配，截獲鏈路傳播公式為：

式中，GtI為截獲接收機(jī)方向的發(fā)射天線增益，RI為截獲距離，Pt為發(fā)射功率，PrminI為截獲接收機(jī)系統(tǒng)（含天線）靈敏度。

對于給定的敵方探測系統(tǒng)，其與我方通信載機(jī)距離為d，限定我方通信載機(jī)不被截獲，有：

記Pti為滿足隱蔽通信要求的最大輸出功率，有Pti=PrminI+20lgd+20lgf+32.44-GtI+Lt，則隱蔽通信對功能傳感器的發(fā)射功率要求為Pt＜Pti。

同時，為了滿足通信速率、誤碼率、通信距離的要求，發(fā)射功率必須滿足Pt＞Ptc，其中，Ptc為滿足通信要求的最小輸出功率：

（1）當(dāng)Ptc≤Pti時，任務(wù)性能和隱蔽通信不存在沖突，通信系統(tǒng)以發(fā)射功率Pti進(jìn)行輻射。

（2）當(dāng)Ptc＞Pti時，為了滿足隱蔽通信要求，通信系統(tǒng)的任務(wù)性能必須降級。按照任務(wù)性能喪失的嚴(yán)重程度，有3 種降級方式：①降低通信速率；②增加誤碼率；③斷網(wǎng)。

2 隱蔽通信管控策略下的任務(wù)性能分析

不同的隱蔽通信管控策略允許不同的任務(wù)性能降級，因此隱蔽通信的任務(wù)性能與隱蔽通信管控策略的選擇息息相關(guān)。本文分別比較了通斷管控、功率管控以及功率和速率聯(lián)合管控3 種不同策略下的通信任務(wù)性能。

2.1 通斷管控策略下的任務(wù)性能分析

通斷管控是指機(jī)載通信系統(tǒng)輻射信號有無的管控。“通”是指機(jī)載通信系統(tǒng)工作于正常收發(fā)或“非靜默”的狀態(tài)，“斷”是指機(jī)載通信系統(tǒng)工作于只收不發(fā)或“靜默”的狀態(tài)。隱蔽通信下的通斷管控是指對于給定的敵方偵察機(jī)截獲靈敏度，當(dāng)通信載機(jī)與截獲接收機(jī)的距離大于通信載機(jī)被敵方偵察機(jī)截獲距離時，使機(jī)載通信系統(tǒng)處于“通”的狀態(tài)；當(dāng)通信載機(jī)與截獲接收機(jī)的距離小于或等于通信載機(jī)被敵方偵察機(jī)截獲距離時，使機(jī)載通信系統(tǒng)處于“斷”的狀態(tài)。

通斷管控策略如圖1 所示。

圖1 通斷管控策略

其管控步驟如下：

（1）根據(jù)隱蔽通信要求，如截獲距離、截獲接收機(jī)靈敏度，計(jì)算功能傳感器最大輻射功率Pti；

（2）根據(jù)任務(wù)性能要求，如通信距離、通信速率和誤碼率限制，計(jì)算功能傳感器最小輻射功率Ptc；

（3）若Pti≥Ptc，比較Pti與功能傳感器最大輻射功率Pt0的大小，若Pti≥Pt0，此時功能傳感器以Pt0輻射，否則，功能傳感器斷網(wǎng)；

（4）若Pti＜Ptc，功能傳感器斷網(wǎng)。

2.2 功率管控策略下的任務(wù)性能分析

功率管控是指機(jī)載通信系統(tǒng)輻射信號功率大小的管控。低截獲性能優(yōu)先下的功率管控是指根據(jù)敵方位置、靈敏度等參數(shù)，調(diào)整我方通信系統(tǒng)輻射功率，以保證我方通信系統(tǒng)不被敵方偵察系統(tǒng)截獲；輻射功率的降低會影響鏈路的通信質(zhì)量，導(dǎo)致誤碼率升高，通信系統(tǒng)會實(shí)時監(jiān)測通信鏈路的誤碼率，當(dāng)誤碼率超過事先設(shè)定的門限時，斷開通信鏈路。功率管控策略如圖2 所示。

圖2 功率管控策略

其管控步驟如下：

（1）根據(jù)隱蔽通信要求，如截獲距離、截獲接收機(jī)靈敏度，計(jì)算功能傳感器最大輻射功率Pti；

（2）根據(jù)任務(wù)性能要求，如通信距離、通信速率和誤碼率限制，計(jì)算功能傳感器最小輻射功率Ptc；

（3）若Pti≥Ptc，比較Pti與功能傳感器最大輻射功率Pt0的大小，若Pti≥Pt0，此時功能傳感器以Pt0輻射，否則，功能傳感器以Pti輻射；

（4）若Pti＜Ptc，功能傳感器斷網(wǎng)。

2.3 功率和速率聯(lián)合管控管控策略下的任務(wù)性能分析

功率和速率聯(lián)合管控是指對機(jī)載通信系統(tǒng)的輻射信號功率和通信速率的聯(lián)合管控。低截獲性能優(yōu)先下的聯(lián)合管控是指通信系統(tǒng)以不被截獲的最大功率輻射，初始狀態(tài)通信速率為最高擋，當(dāng)誤碼率高于門限時，降低一擋速率，當(dāng)通信速率為最低擋且誤碼率超過門限時斷開通信鏈路。基于功率和速率的聯(lián)合控制方案如圖3 所示。

圖3 功率和速率的聯(lián)合管控策略

其管控步驟如下：

（1）根據(jù)隱蔽通信要求，如截獲距離、截獲接收機(jī)靈敏度，計(jì)算功能傳感器最大輻射功率Pti；

（2）根據(jù)任務(wù)性能要求，如通信距離、通信速率和誤碼率限制，計(jì)算功能傳感器最小輻射功率Ptc；

（3）若Pti≥Ptc，比較Pti與功能傳感器最大輻射功率Pt0的大小，若Pti≥Pt0，此時功能傳感器以Pt0輻射，否則，功能傳感器以Pti輻射；

（4）若Pti＜Ptc，判斷當(dāng)前通信速率是否為最低擋；

（5）若當(dāng)前通信速率為最低檔，則判斷可否允許提高通信誤碼率，若允許，則功能傳感器以Pti輻射，否則，關(guān)閉功能傳感器；

（6）若當(dāng)前通信速率不是最低擋，則降低一擋通信速率，重復(fù)步驟（2）～步驟（5）。

3 仿真驗(yàn)證

仿真場景如圖4 所示。

圖4 仿真場景

我機(jī)編隊(duì)保持間距400 km，突前通信載機(jī)1 與敵方偵察機(jī)初始間距500 km，相向飛行，速度均為1 馬赫。在通信載機(jī)1 與敵方偵察機(jī)間距[500 km，100 km]的區(qū)間內(nèi)，分別仿真功能傳感器做通斷管控、功率管控和聯(lián)合管控3 種策略的情況。3 種策略下均保證我方通信載機(jī)不被截獲，以通信時長作為任務(wù)性能度量指標(biāo)，通信時間越長則任務(wù)性能越好。仿真參數(shù)如表1 所示。

表1 仿真參數(shù)

不同隱蔽通信管控策略下的傳感器狀態(tài)變化如圖5～圖7 所示。

圖5 通斷管控下的傳感器狀態(tài)變化

圖6 功率管控下的傳感器狀態(tài)變化

圖7 聯(lián)合管控下的傳感器狀態(tài)變化

由圖5～圖7 可以看出，通斷管控在飛行過程中傳感器以最大功率/最高擋位速率輻射，保證飛行過程中的低可截獲狀態(tài)，在被截獲前一個時間戳斷網(wǎng)；功率管控在飛行過程中，傳感器以不被截獲的最大功率輻射，通信速率固定為最高擋，當(dāng)誤碼率超過門限時斷開；功率和速率聯(lián)合管控在飛行過程中，傳感器以不被截獲的最大功率輻射，初始時刻通信速率為最高擋，當(dāng)誤碼率高于門限時，降低一擋速率。

3 種管控策略均能保證傳感器在考核區(qū)間內(nèi)不被敵方無源探測系統(tǒng)截獲，但3 種策略下的通信時長不同，仿真結(jié)果如圖8 所示。

圖8 不同策略下的通信時長對比

由圖8 可以看出，通斷管控策略的通信時長為240 s，功率管控策略的通信時長為342 s，功率和速率聯(lián)合管控策略的通信時長為538 s。功率和速率聯(lián)合管控的通信時長最長，為通斷管控策略的2.24 倍，為功率管控策略的1.57 倍，可以在保證不被敵方無源探測系統(tǒng)截獲的前提下，通過先降低通信速率，再允許誤碼率增加，最后再斷網(wǎng)，以任務(wù)性能逐步降低的方式，盡可能地維持通信，提高了通信時長。

4 結(jié)論

本文研究了機(jī)載全向通信系統(tǒng)在通斷管控、功率管控、功率和速率聯(lián)合管控3 種管控策略下的任務(wù)性能，并針對典型作戰(zhàn)場景進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明功率和速率聯(lián)合管控策略下的通信時間最長，任務(wù)性能最優(yōu)。本文側(cè)重于機(jī)載全向通信系統(tǒng)發(fā)射功率和通信速率的管控，下一步的工作重點(diǎn)為充分挖掘全向通信系統(tǒng)其他可管控參量，尋找最優(yōu)的隱蔽通信管控策略。