三類視距無多徑空間信道對通信對抗的影響分析?

石 榮 謝佳霖 胡 柱

（電子信息控制重點實驗室 成都 610036）

1 引言

狹義上的信道是指信號傳輸的通道，對通信系統而言，信道是信號從發射端傳輸至接收端所經過的傳輸媒質，通常劃分為有線信道、無線信道和存儲信道等［1～2］。如果再細分下去，有線信道細分為雙絞線信道、同軸電纜信道、光纖信道等；無線信道則細分為短波信道、超短波信道、微波信道、激光信道等，根據不同的準則有不同的劃分方法與類別［3～5］。而廣義上的信道還包括了信號傳輸的相關設備，即發射機、接收機、收發天線等。本文所討論的空間信道屬于廣義無線信道，與無線電波的空間傳輸特性直接相關，特別是收發天線的波束方向圖在各個空間方向上的增益差異，導致無線電波在空間不同方向上信號傳輸強度各不相同，所以在本文的討論分析中信號收發雙方的天線，包括發射天線和接收天線及其之間的傳輸媒質共同構成了一個空間信道［6］。

關于信號在信道中傳輸特性的分析早已成為各類地面無線通信系統研究的重要內容之一，各種典型的地面無線通信信道包括：多徑信道、瑞利衰落信道、萊斯衰落信道、Nakagami-m 信道等，在有關移動通信的教科書與各類技術文獻中廣泛討論［7～9］。如果按照無線傳輸收發雙方之間是否存在視距、以及是否存在多徑這兩個特征維度來劃分，在本文所關注的視距無多徑空間信道中，發射端天線與接收端天線之間存在視距傳輸條件，且沒有多徑傳輸分量，此類信道在空空通信與星間通信等應用場景中十分常見［10～12］。如果不考慮收發兩端的天線波束方向圖的影響，此類信道近似于自由空間傳輸，所以很難引起大家的關注，有關這方面的討論也非常少，但是一旦將收發雙方的天線作為廣義信道的一部分來加以研究，則會發現此類信道對通信對抗的效能會產生巨大影響，甚至在理論模型上會導致通信對抗中攻防雙方的地位發生翻天覆地的變化。

所以本文在對具有代表性的三類視距無多徑空間信道傳輸特性歸納總結之后，針對通信雙方均采用全向天線、分別采用全向與定向天線、以及均采用定向天線這三類情況，從理論模型上闡述了視距無多徑空間信道傳輸對通信偵察、通信干擾、通信電子防御的影響，并在此基礎上對陣列天線波束零點調控中的固定方向波束置零與自適應波束方向圖置零所導致通信偵察干擾的效能下降問題進行了進一步分析與討論，揭示了通信偵察與通信干擾向分布式協同方向發展的必然趨勢。

2 三類視距無多徑空間信道及其特性

如前所述，視距無多徑空間信道傳輸的差異主要體現在收發雙方所使用的天線上。記發射方與接收方的天線增益分別為GT,dB和GR,dB（單位dB），收發天線之間的直線距離為dTR,km（單位km）。對于頻率為fGHz（單位GHz）的信號來講，從發射天線入口處至接收天線出口處的信號傳輸衰減HTR,dB通常由下式表達：

式（1）中FfGHz,dB(dTR,km) 表示頻率為fGHz，傳輸距離為dTR,km條件下的自由空間傳輸衰減，如下所示：

從天線波束方向圖的角度考慮，選取其中最具代表性的兩種情況，即全向天線與高增益定向天線來進行后續分析。理論上全向天線的波束方向圖為空間中的一個標準球面，天線增益Gom,dB=0dB；高增益定向天線有主波束、旁瓣波束的差異，在主波束方向上增益Gmain,dB較高，信號輻射強度較大，而在旁瓣波束方向上增益Gside,dB很低，信號輻射強度也很小。二者之間的差異稱為定向天線的主副比：

根據收發兩端的天線類型，將視距無多徑空間信道劃分為如下三類：

1）收發雙方均采用全向天線。在此條件下GT,dB=GR,dB=0dB，于是收發雙方之間的信號傳輸衰減Hoo,dB將退化為標準的自由空間傳輸損耗：

2）收發雙方分別采用全向與定向天線。在此條件下信號傳輸衰減Hod,dB為

3）收發雙方均采用定向天線。在此條件下信號傳輸衰減Hdd,dB為：

式（6）中Gmain1,dB和Gmain2,dB分別表示收發兩端定向天線的主波束增益。

通過式（4）～式（6）的對比可知，當定向天線增益遠大于全向天線增益時，有下式成立：

在通信傳輸中傳輸損耗越低意味著通信接收端收到的信號能量越大，在相同信息傳輸速率條件下比特能量信噪比Eb/n0越大，通信的可靠性越高，抗干擾能力越強。不僅通信傳輸會經歷視距無多徑空間信道，而且通信偵察與通信干擾同樣也會受上述信道傳輸的影響，但由于通信對抗設備與通信收發設備在空間位置上的差異，所以產生的影響也是不同的，接下來繼續分析。

3 視距無多徑信道對通信對抗的影響

雖然廣義的通信對抗包含了通信偵察、通信干擾與通信電子防御三個方面，但在此我們主要研究通信偵察與干擾。記通信雙方的距離為dCom,km，通信偵察天線的增益為GRec,dB，其與通信發射天線之間的距離為dRec,km，通信干擾天線的增益為GJam,dB，其與通信接收天線之間的距離為dJam,km。假設通信收發雙方的天線均準確指向了對方，偵察天線準確指向了通信發射端天線，干擾天線也準確指向了通信接收端天線，且通信信道、偵察信道、干擾信道均是視距無多徑空間信道。在此條件下，這三類信道之間的差異除了傳輸距離不同之外，則主要體現在通信收發天線、偵察天線與干擾天線的波束方向圖上，所以下面以通信收發雙方所采用的不同天線類型分別進行討論。

3.1 通信雙方均采用全向天線

在通信雙方均采用全向天線的條件下，整個偵察干擾應用場景如圖1所示。

圖1 在通信雙方均采用全向天線條件下的對抗場景

圖1 所示的通信場景在空空戰術無線通信電臺之間的信號傳輸應用中比較常見，通信收發雙方的天線在360°方位向所輻射的信號強度相同，具有全向輻射特征。在此場景中偵察距離dRec,km、干擾距離dJam,km與通信距離dCom,km通常在同一個數量級上，相差不大。如果偵察天線與干擾天線也采用全向天線，由式（4）可知，偵察信號傳輸衰減、干擾信號傳輸衰減與通信信號傳輸衰減均由自由空間傳輸損耗而定，相差不大。另一方面，偵察干擾方還可采用定向天線，其增益分別為GRec,dB和GJam,dB，按照對比分析方法，對于偵察來講，在此條件下截獲到的目標信號強度甚至比通信接收方接收到的正常通信信號還要高，完全能夠確保信號偵察任務的有效完成；對于干擾來講，注入到通信接收機中的干擾信號強度甚至比原有的通信信號還要強，這也有利于提升干擾的有效性。總地來講，圖1 所示的通信雙方均采用全向天線的應用場景對于通信偵察干擾的實施是非常有利的，這也是傳統通信對抗的主要應用場景之一。

3.2 通信雙方分別采用全向與定向天線

此類通信場景又可細分為兩種，分別討論如下。

1）通信發射端采用定向天線、接收端采用全向天線，此時的偵察干擾應用場景如圖2所示。

圖2 在通信發射端采用定向天線、接收端采用全向天線條件下的對抗場景

圖2 所示的通信場景在遙控傳輸應用中比較常見，遙控指令發射端通常采用高增益定向天線，其增益為GCom,dB，主波束方向指向被控制的接收端，而接收端為了確保平臺在各種姿態下都能夠有效接收遙控信號通常采用全向天線；地對空長距離無人機遙控和地對天衛星遙控都是其典型應用代表。于是通信傳輸的空間信道衰減HC,od,dB為

干擾信號的空間傳輸衰減HJ,do,dB為

通常情況下干擾距離dJam,km與通信距離dCom,km在同一個量級上，當通信定向發射天線增益GCom,dB與定向干擾天線增益GJam,dB相差不大的情況下，干擾信號傳輸衰減HJ,do,dB與通信信號空間信道衰減HC,od,dB均在同一量級上，相差也不大。所以對于干擾方來講，通過適當增大干擾發射機輸出功率等手段，也能夠在一定程度上使得注入到通信接收機中的干擾信號強度比原有的通信信號還要強，可以確保干擾的有效性。

對于偵察來講，由于偵察天線方向上對準的是通信發射天線的旁瓣波束，于是偵察信道上空間傳輸衰減HRe,dB如下式所表達。

如果天線旁瓣增益按0dBi 量級考慮，那么GCom,dB≈GMS,dB，對比式（10）與式（8）可知，在偵察天線增益GRec,dB與通信發射天線的增益GCom,dB在同一量級條件下，按照對比分析法，偵察截獲到的目標信號強度與正常通信接收方所接收到的通信信號強度在同一量級上，在此情況下仍可以確保偵察的有效性。

2）通信發射端采用全天線、接收端采用定向天線，此時的偵察干擾應用場景如圖3所示。

圖3 在通信發射端采用全向天線、接收端采用定向天線條件下的對抗場景

圖3 所示場景在遙測通信傳輸應用中比較常見，遙測接收方作為通信接收端通常采用高增益定向天線，其增益仍然為GCom,dB，而遙測信號發射設備作為通信發射端為了確保平臺在各種姿態下都能夠有效發出遙測信號通常采用全向天線，通信傳輸空間信道的衰減HC,od,dB仍然如式（8）所表達。地對空長距離無人機遙測信號接收和地對天衛星遙測信號接收都是其典型應用代表。偵察干擾應用條件與圖2類似，于是從圖3可以看出，偵察信號傳輸衰減與通信信號空間信道傳輸衰減均在同一量級上，相差不大；所以對于偵察方來講，偵察截獲的目標信號強度與通信接收端接收到的正常通信信號的強度在同一量級上，可以確保實施有效偵察。

對于干擾信道來講，定向干擾天線主波束方向對準的是通信接收天線的旁瓣波束，于是干擾信號的空間傳輸衰減HJ,od,dB為

如果天線旁瓣增益按0dBi 量級考慮，那么GCom,dB≈GMS,dB，對比式（11）與式（8）可知，在干擾天線增益GJam,dB與通信發射天線的增益GCom,dB在同一量級的條件下，按照對比分析法，進入到通信接收機的干擾信號強度與正常通信接收方所接收到的通信信號強度在同一量級上，再加上干擾方還可以提升干擾發射機輸出功率來增強干擾，所以一般可以確保干擾的有效性。

3.3 通信雙方均采用定向天線互指

在通信雙方均采用定向天線的條件下，整個偵察干擾應用場景如圖4所示。

圖4 在通信雙方均采用定向天線的條件下的對抗場景

圖4 所示通信場景在微波點對點通信傳輸、激光點對點通信傳輸中十分常見。在此場景中，通信收發雙方與偵察干擾方均采用定向天線，通信收發雙方的天線增益均為GCom,dB，而偵察干擾通過目標天線的旁瓣方向進行。于是通信傳輸空間信道的衰減HC,dd,dB為

偵察信號的空間傳輸衰減HRe,dd,dB為

干擾信號的空間傳輸衰減HJ,dd,dB為

通常偵察距離dRec,km、干擾距離dJam,km與通信距離dCom,km在同一個量級上，如果通信收發天線的增益GCom,dB、偵察天線的增益GRec,dB和干擾天線的增益GJam,dB也在同一量級上，且在旁瓣偵察與旁瓣干擾條件下，GCom,dB≈GMS,dB。對比式（12）～式（14）可知，偵察信號傳輸衰減與干擾信號傳輸衰減比正常通信信號的傳輸衰減都要高約GCom,dB。這意味著：偵察方截獲到的信號強度將比正常通信信號弱GCom,dB，而干擾方按照與通信發射方幾乎一樣的發射功率發射干擾信號，而進入通信接收機的干擾信號功率也將比正常通信信號弱GCom,dB，上述空間信道傳輸條件對偵察干擾的實施是極為不利的，即通信收發雙方的高增益天線窄波束通信傳輸具有極強的反偵察與抗干擾的通信電子防御能力。

造成上述現象的原因主要在于旁瓣偵察與旁瓣干擾條件下，通信收發雙方定向天線的旁瓣增益很低。以地面大口徑反射面天線為例，當天線口徑波長比D/λ≥50 時，天線方向圖的旁瓣峰值增益GSP,dB（單位dBi）需滿足下式［13］，式中θ為離軸角：

由式（15）可見，當離軸角超過15°時，大口徑天線的旁瓣增益就在0dBi 以下了。實際上在工程應用中當離軸角超過90°以上時，采用低旁瓣設計的高增益天線的平均旁瓣增益一般在-10dBi～-20dBi的范圍。

特別是在通信雙方采用高增益窄波束定向天線時，主瓣增益GCom,dB很大，而旁瓣增益很低，從而使得其反偵察與抗干擾的特性更加突出。例如在30GHz 的毫米波頻段，0.5m 口徑大小的天線的主瓣增益GCom,dB可達到47dB 左右；而當工作頻段達到200THz～300THz 激光頻段時，一個0.1m 口徑的光學天線組件的增益GCom,dB就高達100dB 量級。在實施反通信偵察時，通信發射端還能夠控制發射機輸出功率，使得經過空間信道之后的正常通信信號在通信接收機入口處的電平超過接收機噪聲基底之上的分貝數剛好滿足通信解調門限要求，而遠遠小于GCom,dB，在此條件下由式（13）可知：通信偵察方在旁瓣方向上截獲到的信號強度將遠遠低于接收機的噪聲基底，幾乎無法檢測到目標通信信號的存在，這樣就從理論上實現了LPI/LPD 的安全通信傳輸。在實施抗干擾通信時，通信發射端控制發射機滿功率發射，此時即便處于接收天線旁瓣方向上的通信干擾方采用同樣的發射機滿功率發射干擾信號，由式（14）可知：干擾信號在通信接收機入口處信號電平仍然遠遠小于正常的通信信號，無法對其實施有效干擾。由上可見，通信雙方采用高增益窄波束定向天線互指傳輸，特別是進入毫米波、太赫茲和激光通信頻段之后，從理論上講，將會使得常規的通信偵察與干擾方法幾乎完全失效，從而達到有效的通信電子防御目的。

4 陣列天線波束零點調控的影響

在3.3節的通信雙方采用高增益定向窄波束天線互指傳輸過程中，偵察干擾都只能通過目標天線的旁瓣來實施，如果天線旁瓣增益按0dBi，或者-10dBi～-20dBi 的量級來估算，這樣的應用條件其實并不算苛刻。實際上在陣列天線的工程應用中，通過對各個單元天線進行有效的加權控制，便能夠使得陣列天線在主波束指向預定方向的條件下，調控天線波束方向圖零點位置，使得零點方向的天線增益遠遠低于0dBi，達到-30dBi，甚至-50dBi 的量級。這樣一來將進一步拉大通信信道與偵察干擾信道之間的傳輸損耗差距，更加提升了通信雙方反偵察與抗干擾的能力。具體來講有兩種方式：

1）在設定時段對固定方向進行波束方向圖置零

如果通信雙方均已知偵察干擾方的位置信息，顯然通過空間幾何關系即可計算出偵察方相對于通信發射天線的方位角θRe-C，以及干擾方相對于通信接收天線的方位角θJ-C。在通信收發雙方均采用陣列天線的條件下，利用上述信息，通信發射方通過發射陣列加權處理，使得發射天線主波束準確指向通信接收方的同時，在θRe-C角方向上形成發射天線波束方向圖的零點。從理論上講，天線波束零點方向的信號強度為零，以至于偵察方接收不到任何信號，無法完成偵察任務。同理，通信接收方通過接收陣列加權處理，使得接收天線主波束準確指向通信發射方的同時，在θJ-C角方向上形成接收天線波束方向圖的零點。從理論上講，天線波束零點方向的信號強度為零，以至于干擾信號完全不能進入通信接收機，無法實現有效干擾。如圖5所示。

圖5 通信雙方均采用陣列天線，且使用天線波束在固定方向置零來反偵察抗干擾的應用場景

由圖5 可見：從理論上講通信雙方采用陣列天線后，通過使用在固定方向上的天線波束方向圖置零能夠達到完美的反偵察與抗干擾的效果。但是工程實際應用效果與理論極限之間還是存在一定差距的，主要是由于天線波束零點深度還不夠深，以及零點方向還不夠準確等原因而造成的，所以工程實際應用效果取決于研制的陣列天線的性能究竟能達到何種水平，即天線方向圖的工程實際調零深度與理論值之間的差異。

2）自適應波束方向圖調零

前述采用固定方向波束置零的前提條件是通信雙方準確已知偵察干擾方所在的方向，但在實際應用中，這一條件并不能隨時得以滿足。對此通信接收方還可以采用陣列天線的自適應波束調零技術來實現接收天線在干擾來波方向上自動形成天線波束方向圖的零點。該技術在各種陣列信號處理文獻中都已經大量報道，所以在此就不再展開贅述，大家直接參見相關文獻即可。

通過自適應波束置零技術，在通信接收端同樣能夠在干擾信號來波方向上合成天線波束方向圖的零點，從而使得干擾信號無法進入到通信接收機之中。雖然部分文獻也報道過干擾方通過閃爍干擾、交叉極化干擾等手段來降低通信接收方的自適應波束調零的效果，但實際上這取決于通信接收方所使用的自適應波束調零算法的種類與設置的參數。有的算法可以被干擾方利用并攻擊，但有的算法卻可以使得閃爍干擾等失效，其中技術實現的關鍵在于通信接收端對各種波束調零算法的綜合應用與快速切換，甚至還可以與固定方向波束置零方法組合應用，最終達到魯棒抗干擾的目的，這實際上體現了干擾與抗干擾雙方博弈對抗的過程，沒有絕對的優劣結果，主要取決于雙方各自的智慧與能力。

綜上所述，通信收發雙方采用陣列天線的波束零點調控實際上也是廣義空間信道控制的重要手段之一，只要通信收發雙發能夠更好地利用空間信道傳輸控制手段，就能夠在反偵察抗干擾的對抗過程中占得先機。當然，偵察干擾方也會采用新的方法與技術來爭奪優勢，接下來繼續討論。

5 偵察干擾向分布式協同方向發展

由上可知，當通信雙方所使用的天線從全向天線演變到定向天線，并在高增益窄波束定向天線互指條件下，具備了極強的反偵察與抗干擾能力。甚至在通信收發雙方采用陣列天線時，通過固定波束方向置零技術已經從理論上具備了完美的反偵察與抗干擾特性，偵察干擾行動的實施在理論上幾乎已經失去了進一步發展的空間，留下的工作僅僅是工程實現與理論模型之間的差距彌補而已。實際上對于單個偵察干擾設備來講，在上述應用場景中理論上的進一步提升空間的確受限，但是對于多個偵察干擾設備所組成的集群對抗網絡來講，通過分布式協同對抗仍然具備進一步的發展潛力。

分布式協同偵察干擾，即將偵察干擾設備部署于大量各類平臺上，各平臺在整個空間中按照一定規律設計分布位置。這就意味著，部分偵察干擾平臺就能夠進入到通信收發雙方的天線主波束所覆蓋的空間范圍之內，此時就可實施主瓣偵察與主瓣干擾，有效消除了旁瓣偵察與旁瓣干擾由于目標天線較高的主副比所帶來對抗效能下降的問題。即便是偵察干擾平臺沒有位于目標通信天線的主波束覆蓋范圍內，至少也可以位于主波束的近旁瓣角度區域。以高增益反射面天線為例，其第一旁瓣的增益通常比主波束低12dB～14dB，所以近旁瓣的增益損失并不太大，此時仍然能極大地提升偵察截獲的信號強度，增大注入到目標天線中的干擾信號強度，從而提升偵察干擾的效能。

另一方面，分布式偵察干擾平臺數量眾多，部分平臺可以實施近距離的抵近偵察與抵近干擾，通過偵察和干擾距離的縮短來減少空間信道傳輸衰減，通過距離優勢來彌補旁瓣偵察與旁瓣干擾的劣勢，這樣也能夠提升偵察干擾的效能。而在分布式基礎上的協同應用則意味著可以用數量優勢去彌補空間信道傳輸衰減的弱勢，信號級的協同不僅可以提升偵察截獲信號的信噪比，也能提升干擾信號對目標信號的干信比，而且在群體目標對抗過程中，以多對多的協同偵察干擾也是必然采取的對抗策略，這些都為通信偵察干擾效能的提升開辟了又一條全新的發展之路。

由上可見，通信對抗的未來發展趨勢之一必然是多平臺分布式協同偵察干擾，只有這樣才能突破通信收發雙發采用高增益天線定向窄波束傳輸所帶來的對抗理論上的瓶頸限制，進入新的博弈階段。

6 結語

本文以通信雙方均采用全向天線、分別采用全向與定向天線、以及全部采用定向天線這三類情況為例，對三類視距無多徑空間信道中信號傳輸的衰減特性進行了定量的分析與對比，展現了通信雙方采用高增益定向窄波束天線互指所具有的極強反偵察與抗干擾能力。在此基礎上進一步指出了陣列天線對固定方向進行波束方向圖置零、以及自適應波束方向圖調零給通信偵察與通信干擾所帶來的巨大挑戰。最后針對以上挑戰，分析并推斷了未來的通信對抗向分布式協同方向發展的必然趨勢，從而為通信對抗的未來發展規劃研究提供了重要參考。