數據鏈多域聯合抗擾抗毀技術*

陳明德，王 群

（1.中國西南電子技術研究所，四川 成都 610036；2.中國人民解放軍93128 部隊，北京 100843）

0 引言

戰術數據鏈系統是用于傳輸高價值實時戰術情報信息的關鍵戰術信息系統，是敵方情報偵察、電子對抗、網絡入侵和攻擊系統的重點對抗對象，面臨電子干擾壓制、電磁兼容互擾、無線網絡攻擊等多重威脅，這要求數據鏈系統在復雜戰場環境下具備較強的抗擾抗毀能力。因此，應通過高維強糾錯編碼、強干擾抑制、隱蔽通信波形、功率控制等手段，提高數據鏈系統在復雜電磁條件下的強抗干擾通信能力。同時，應采用魯棒的網絡拓撲結構和路由協議設計，這樣在關鍵傳輸節點遭受火力打擊或者網絡攻擊癱瘓時，網絡拓撲能夠自動調整，優化數據鏈信息傳輸路由，實現高強度對抗條件下的抗毀頑存。

本文在分析總結數據鏈系統抗擾抗毀能力需求的基礎上，根據相關技術發展趨勢，梳理影響技術路線選擇的主要因素，提出多域聯合設計的思路，即綜合利用時間域、頻率域、功率域、空間域、信號域、信息域、認知域和網絡域等不同功能域的抗擾抗毀措施，在滿足系統復雜度、成本、設備體積重量功耗、頻譜資源等約束條件的情況下，實現數據鏈系統強抗擾和高抗毀，確保作戰獲取信息的真實性和準確性，以及信息傳輸的穩定性、可靠性和時效性。

1 數據鏈抗擾抗毀需求分析

1.1 外軍數據鏈分類

從功能域劃分，外軍典型數據鏈系統可劃分為指揮控制數據鏈、武器協同數據鏈和寬帶數據鏈[1]。

指揮控制數據鏈主要用于支持戰役指揮和控制、態勢感知和戰斗識別等。聯合數據網內信息傳輸的時間為秒級，信息精度達到部隊控制級。典型的指揮控制數據鏈有Link 16、Link 22 等。

武器協同數據鏈主要用于將戰區內的所有傳感器和武器連接成網絡，在網絡成員之間實時地傳送并共享精確的傳感器數據，可以生成單一綜合圖像，信息傳輸時間是亞秒級，信息精度達到了武器控制級。典型的武器協同數據鏈有戰術瞄準網絡技術（Tactical Targeting Network Technology，TTNT）、機間數據鏈（Intra-flight Data Link，IFDL）和多功能先進數據鏈（Multifunction Advanced Data Link，MADL）等。

寬帶數據鏈主要用于支持戰略級作戰規劃和態勢感知，信息傳輸時間為幾分鐘，精度達到決策制定和部隊協同所需的要求。典型的寬帶數據鏈有通用數據鏈（Common Data Link，CDL）系列數據鏈等。

1.2 不同戰場空間數據鏈抗擾抗毀需求

根據戰場空間內敵方作戰平臺具備的電子支援措施（Electronic Support Measures，ESM）、電子對抗措施（Electronic Counter Measures，ECM）的能力強弱，將作戰區域劃分為拒止空間、競爭空間和自由空間，如圖1 所示。

圖1 作戰區域劃分

1.2.1 拒止空間

拒止空間處于敵方重點防護區域，在該區域內，敵方會部署大量的ESM 和ECM 資源，作戰平臺數據鏈通信信號很容易被偵測和干擾，且隱蔽攻擊為典型作戰樣式，因此要求數據鏈在拒止空間中具有很強的抗截獲能力。在敵方強偵收和強干擾條件下，應重點通過隱身通信技術實現編隊內部和編隊之間的隱蔽協同通信。

拒止空間內，一般使用IFDL 和MADL 等具備極強抗干擾和抗截獲能力的定向體制武器協同數據鏈。IFDL 和MADL 是美軍F22、F35 兩型隱身作戰飛機編隊組網采用的協同數據鏈，是目前見到的唯一同時具有抗干擾、低截獲、隱身通信能力的實裝數據鏈系統。IFDL 和MADL 除采用傳統的多進制擴頻、高速跳頻、跳時、高維編碼、交織、分集發射等抗干擾措施，還采用了毫米波相控陣（或透鏡）定向天線、自適應功率控制和低截獲概率波形等復雜隱身通信技術，通過窄波束定向組網和低截獲概率波形設計確保戰術通信的隱蔽性，達到抗干擾、低截獲通信的效果[2]。

1.2.2 競爭空間

競爭空間處于敵我雙方交戰區域，在該區域內，敵方部署的ESM 和ECM 資源有限，一般進行防區外干擾、防區內干擾和隨隊干擾。交戰雙方在基本暴露的電磁環境下，對作戰平臺數據鏈通信信號偵測和干擾的能力相對較強，數據鏈網絡中的網絡管理、時間基準、中繼等重要網絡節點較容易被摧毀，因此要求數據鏈系統在競爭空間內具有較強的抗干擾和系統抗毀能力。在敵方較強干擾的條件下，應通過跳頻、擴頻等抗干擾通信體制，實現作戰平臺之間的可靠通信；同時通過重要網絡節點自動或人工替換能力提升抗毀能力。

競爭空間內，一般使用TTNT、CDL 等具備較強抗干擾能力的數據鏈。TTNT 是一種全向體制武器協同數據鏈，采用統計復用多址組網協議，在物理層采用擴頻、跳頻、交織、強糾錯編碼基礎上，通過接收機同時并行多頻點聯合檢測和譯碼，進行干擾信號規避抑制和差錯數據的校正，同時利用自組網體制提升網絡抗毀能力[3]。CDL 是一種寬帶數據鏈，廣泛應用于各種情報偵察平臺，特別是各種偵察監視無人機上[4]；然而由于該系統的下行鏈路傳輸速率在100 Mbit/s 量級，占用的瞬時頻帶較寬，發射功率大，難以采用傳統的擴頻、跳頻抗干擾措施，因此唯一可選的辦法就是采用高頻段窄波束定向天線，實現空域抗干擾。國外的Ku/Ka、毫米波、射頻/激光混合、利用機載相控陣雷達的雷達數據鏈等系統，均是遵循這個思路發展的。對于上行控制、測量、監視鏈路，其傳輸速率在數百Kbit/s 至Mbit/s 量級，可以采用傳統的時域、頻域加空域組合抗干擾措施，以及Mesh 組網體制，輔助各種安全加密協議，提供極強的抗干擾、抗截獲、抗摧毀和抗欺騙能力[3-5]。

1.2.3 自由空間

自由空間處于我方重點防護區域，敵方ESM和ECM 資源基本不能對我方作戰平臺數據鏈通信信號進行偵測和干擾，但我方ECM 資源可能會對數據鏈造成干擾。在自由空間中，傳輸方面重點需解決我方ECM 資源對數據鏈通信造成的干擾，可通過數據鏈工作頻點切換、降低信息傳輸速率、增大發射功率、更換工作頻段等手段提升數據鏈抗干擾能力；組網方面應具備多頻段、多信道綜合組網能力，提升系統抗毀能力。

在自由空間內，一般使用Link 16、Link 22 等具備大用戶容量且具備一定抗干擾能力的指揮控制數據鏈。Link 16 數據鏈將鏈路層和物理層抗干擾措施有效結合，采用偽隨機碼直接序列擴頻、快速跳頻、跳時、RS 糾錯編碼、信源編碼、密碼加密等抗干擾手段[6]。Link 16 快速跳頻的跳速為76 923跳/s（51 個跳頻頻率），消除了跟蹤轉發式干擾的威脅，并且擴跳混合擴頻信號具有較低功率譜密度和較低檢測概率，有很強的抗突發干擾和抗隨機干擾的能力。此外，通過跳時、多脈沖冗余發射、交織與糾錯編碼，可保證信號在傳輸過程中丟失30%的脈沖還能重新恢復報文。Link 22 采用多信道分布式動態TDMA 方式組網，并通過重構迂回鏈路規避干擾鏈路，具有網絡抗毀能力。

2 數據鏈抗擾抗毀技術發展趨勢

2.1 多種手段聯合應用的綜合抗干擾技術

單一的技術措施很難實現有效的抗干擾功能，因此綜合使用多種抗干擾手段，包括現有技術的組合應用以及新技術與傳統技術的綜合應用，使抗干擾效率最大化是今后數據鏈抗干擾的一個發展方向。綜合抗干擾技術的實例化除了傳統的直擴、跳頻相結合的方式，還在不斷出現一些新的聯合抗干擾技術組合，如歐洲安全軟件定義無線電（European Secure Software Defined Radio，ESSOR）項目所用的高速率波形，就綜合應用了跳頻、直擴、干擾對消等多種抗干擾手段，以及近年出現的非協作跳頻、消息驅動的跳頻等新概念[7-8]。

2.2 以網絡抗毀為目標

多年以來，國外軍隊一直在不斷改進數據鏈裝備的性能，以有效提升通信的可靠性，但以往這種改進主要集中于單個數據鏈節點和鏈路上，沒有基于整個數據鏈網絡性能和網絡泛在性所遇到的問題出發尋找解決途徑。在信息化戰爭時代，數據鏈裝備將以支持組網應用為最基本的需求，除了關注并繼續提升物理層傳輸安全性能，探索并研究網絡級的抗擾抗毀能力有著非常重要的意義。綜合分析數據鏈網絡體系易受干擾的薄弱環節，在整體上采取系統抗干擾措施，是未來信息化戰場上實施一體化作戰體系與體系對抗的客觀要求[9]。

2.3 發展空時頻聯合抗干擾抗截獲技術

數據鏈抗干擾抗截獲是數據鏈網絡安全的基礎。隨著通信抗干擾和頻譜監控感知技術的不斷演進，空時頻聯合自適應抗干擾技術的方法得到發展?？垢蓴_通信從傳統的時頻域擴展到空域，使得構建空域、時域、頻域的聯合抗干擾通信成為可能。利用空時頻聯合自適應抗干擾技術，可以使數據鏈通信系統更加適應復雜變化的電磁通信環境，更有效應對各種人為的敵意干擾，從而為作戰平臺提供高效可靠的通信保障，這對現有裝備的性能提升及新型裝備的研制都有重要意義。

2.4 更加強調和重視波形和算法的開發

隨著數據鏈裝備向著寬帶、多通道、多模式的軟件無線電方向發展，傳統上通過專用設備實現的抗干擾功能將逐漸被多種綜合性抗干擾波形代替，并且專用數據鏈端機的數量和品種將不斷減少，并逐漸向多通道、多波形的通用端機發展。這一發展趨勢將波形的設計和算法開發推到了比較重要的地位。回顧歐美各大防務公司的舉措，大多是先提出新型波形，然后再據此開發各種不同體制的數據鏈裝備。

2.5 向更高頻段尋求解決方案

射頻頻譜日益擁堵且呈碎片化，而各種軍事通信應用對無線電頻譜資源的依賴程度越來越高，因此對射頻通信信號的破壞或干擾可能會阻礙重要戰略與戰術無線通信鏈路。因此，軍事通信領域開始探索并嘗試向更高頻段尋求通信解決方案。美國國防部高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）于2014 年6 月提出的“超寬帶有效射頻信息”項目就試圖研究寬帶擴頻射頻通信的可行性，其利用編碼增益和自適應濾波，實現1 萬～2 萬MHz 頻段的通信，并要求干擾抑制能力超過70 dB[10]。

2.6 隱蔽通信技術

要實施干擾，首先得了解被干擾方的信號特征，其次才能針對性地實施干擾，而隱蔽通信技術就是讓對方發現不了自己，從而使對方無從干擾或需要付出相當大的代價才能干擾成功。隨著隱身飛機的發展，隱蔽通信技術已成為近年國內外關注和研究的熱點[2]。

3 影響數據鏈抗擾抗毀技術選擇的主要因素

抗擾抗毀體制是決定數據鏈系統傳輸、組網、應用性能的重要因素，直接影響著系統的可用性、先進性和合理性。數據鏈系統也有別于一般戰術通信系統的獨特需求和特色，必須系統綜合考慮和合理折衷，以確定最有效合理的抗干擾技術體制。影響數據鏈抗干擾技術體制的主要因素[11-12]如下文所述。

3.1 可用頻譜資源

劃分的工作頻段、與其他系統共享和分配頻譜資源的方式（頻分/時分、主用/次用、專用/共用）、允許的瞬時發射帶寬、最大允許發射功率及功率譜、最大傳輸速率、多系統平臺共址工作要求等，決定了是否可以采用基本的擴頻、跳頻或擴跳混合抗干擾體制，以及擴頻帶寬、跳頻頻點和跳頻速率等基本參數。

3.2 最大允許同步時間

最大允許同步時間是數據鏈有別于一般戰術通信系統的主要方面。數據鏈一般傳輸格式化戰術消息，用戶每幀傳輸的報文一般在數十至數百比特，占用傳輸時間一般在數毫秒至數十毫秒量級，屬于典型的短突發傳輸模式，要求系統完成各種同步的時間控制在毫秒量級。因此，在考慮采用多域聯合抗干擾以及認知抗干擾技術時，必須嚴格分析系統同步時間，確保滿足數據鏈的這一特殊要求?？焖賹?、捕獲、跟蹤與同步，往往是數據鏈系統抗干擾的關鍵環節。

3.3 網絡拓撲與網絡架構

不同的網絡拓撲結構，直接影響數據鏈網絡的抗毀性和頑存性。采取合適的網絡拓撲結構及網絡智能算法可以實現網絡拓撲結構信息的自動探測，并自動執行有效的控制方式，如自動路由選擇、自動適應動態網絡拓撲，從而提高數據鏈網自組織、自恢復能力，增強網絡的重建性、網絡擴容性和網絡頑存性。

3.4 授時定位識別功能支持

除基本的通信傳輸功能外，數據鏈系統一般還需提供自主的授時、測距、測角、測速、定位與網內成員識別功能，需要在信號格式與組網協議設計中，選擇能同時進行到達時延、到達方向、到達頻差、到達相差以及其他高階統計分量檢測的復合信號波形，然而在無法采用直接序列擴頻調制的情況下，如要達成上述目標，需要付出不小的代價。

3.5 系統兼容性

新型數據鏈發展面臨現役數據鏈裝備大批量應用的現實情況，必須在確?；ヂ摶ネɑゲ僮鞯那疤嵯聦崿F新舊系統的混合組網，兼容工作，平滑過渡；因此，需要在物理層、鏈路層、網絡層、應用層采取跨層設計和綜合集成措施，盡量選取具有向下兼容、可擴展的抗干擾傳輸波形體制。

3.6 平臺適應性

數據鏈裝備大量安裝在各種高機動傳感、指控、武器平臺上，體積重量功耗受限，共址工作環境復雜，與平臺其他系統深度交聯；因此，必須充分考慮裝備的集成加改裝環境限制，適應平臺任務電子系統綜合集成架構，在天線孔徑、射頻通道、信號處理、信息處理、系統管控、人機交互等方面分析論證抗干擾措施所需的資源需求和代價，對抗干擾體制和技術參數進行合理折衷。

4 數據鏈多域聯合抗擾抗毀發展思路

數據鏈聯合抗擾抗毀技術是通過時域、頻域、空域、網絡域等資源和處理域的綜合疊加或隨機切換來增加通信方信號空間的選擇自由度，增加偵察干擾方發現、捕獲、識別干擾的難度與概率，提升系統的抗擾抗毀性能。依據數據鏈抗擾抗毀能力需求，結合無線通信最新抗干擾技術，可從時間域、頻率域、功率域、空間域、信號域、信息域、認知域、網絡域等功能域，針對不同數據鏈的特點，進行數據鏈系統抗擾抗毀能力聯合設計，如圖2 所示。

圖2 數據鏈多域聯合抗擾抗毀設計思路

根據不同數據鏈系統特點和各種抗干擾技術措施的能力，未來數據鏈系統可采用的抗擾抗毀技術體制選擇如表1、表2 所示。表1中數據1～30 表示選擇的順序，1表示首選，數字越大選擇可能性越低。

表1 數據鏈系統典型抗擾抗毀措施分析

表2 數據鏈系統抗擾抗毀措施運用

總體而言，指揮控制數據鏈的主用抗擾抗毀措施是直擴（Direct Spread，DS）、跳頻（Frequency-Hopping，FH）、DS+FH 以及各種改進增效技術，必須輔助各種交織、編碼設計，依次可以增加跳時、速率自適應等時域抗干擾技術，干擾檢測、自適應干擾對消、動態頻譜接入、波形重構等認知域技術，中繼路由、多信道綜合組網、重要節點備份、無線入侵檢測控制等網絡抗毀技術，一般不采用定向窄波束、高頻段、大功率發射等空域、功率域技術。

全向體制武器協同數據鏈的主用抗干擾措施也是DS、FH、DS+FH 以及各種改進增效技術，必須輔助各種交織、編碼設計，依次可以增加干擾檢測、自適應干擾對消、動態頻譜接入、波形重構等認知域技術，猝發、速率自適應等時域抗干擾技術，功率自適應等功率域技術，自組織網絡、中繼路由、無線入侵檢測控制等網絡抗毀技術，一般不采用定向波束、天線調零等空域抗干擾技術。

定向體制武器協同數據鏈的主用抗干擾措施是高頻段定向窄波束、自適應空間調零等空域技術，必須輔助交織、編碼、DS、FH、跳時、功率控制等主要配套措施，依次可增加多進多出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）、正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）、定向強功率發射、中繼路由等增效措施，一般不采用干擾對消等信號處理域及頻譜監測、動態頻譜接入等認知域抗干擾技術。

寬帶數據鏈下行鏈路的主用抗干擾措施是高頻段高增益定向波束傳輸等空域技術，輔助OFDM、MIMO、交織、高維強糾錯編碼、空時頻編碼功率控制等主要配套措施，可以增加多進制擴頻、速率自適應、自適應干擾對消、信道實時探測、波形重構、自組織網絡、中繼路由、無線入侵檢測控制等時域、頻域、信號處理域、認知域及網絡域抗擾抗毀措施，一般不采用擴頻、跳頻、猝發、跳時等傳統抗干擾技術。寬帶數據鏈上行鏈路的抗干擾措施選擇與全向體制武器協同數據鏈類似。

5 結語

本文重點研究了不同戰場空間內外軍典型數據鏈抗擾抗毀需求和采取的措施，總結了數據鏈抗擾抗毀技術發展趨勢，梳理了影響數據鏈系統抗干擾抗毀技術路線選擇的主要因素。針對指揮控制數據鏈、武器協同數據鏈和寬帶數據鏈的不同需求，提出聯合時間域、頻率域、功率域、空間域、信號域、信息域、認知域和網絡域等多個功能域，分析了數據鏈抗擾抗毀能力多域聯合設計的思路，明確了各類數據鏈抗擾抗毀主用措施、輔助措施和增效措施，可為數據鏈系統總體設計提供參考。