对地域通信网跳频通信干扰及仿真研究

张东屹，吕久明，李仙茂

(1.解放军92403部队，福州 350007；2.中国酒泉卫星发射中心，酒泉 732750；3.海军工程大学，武汉 430033)



对地域通信网跳频通信干扰及仿真研究

张东屹1，吕久明2，李仙茂3

(1.解放军92403部队，福州 350007；2.中国酒泉卫星发射中心，酒泉 732750；3.海军工程大学，武汉 430033)

由于跳频通信的抗干扰性和保密性强，在地域通信网组网过程中得到了广泛的应用。分析了跳频通信的特点和抗干扰性，介绍了对其进行干扰的多种方法，提出了对跳频通信进行跟踪干扰时干扰机的有效配置区域，并对干扰机的配置区域进行了计算机仿真。

地域通信网；跳频通信；跟踪式干扰；有效配置区

0 引 言

地域通信网是在一定作战地域内开设若干个干线节点，以多路传输链路(有线链路和无线链路)互连，形成栅格状可移动的公用干线网，各级指挥所通过入口节点入网，达成作战信息传递的通信网络[1]。它可与上级网、友邻网及民用网等互连，提供对作战指挥的整体通信保障。

由于地域通信网中的通信要求绝对保密，故不易为对方所侦察、截获、破译、干扰。跳频通信作为扩频通信的一个分支，其突出优点是抗干扰性和保密性强，因而在军事领域得到了广泛的应用[2]。跳频通信是对抗无线电干扰的有效手段，被称之为无线电通信的“杀手锏”。采用跳频技术，使其所采用的频率不断变化，使对方难以捕捉现时所采用的频率，达到了通信保密和抗干扰的要求。因此，研究对跳频通信网的干扰具有非常重要的意义。

1 跳频通信特点分析

跳频通信系统是指在发送信号的同时，周期性地改变其频率或频率组的通信系统，频率或频率组的跳变规则由伪码序列构成跳频指令的跳频图案决定。因此，跳频信号可看成是载频按随机图样跳变的已调脉冲序列[3]。载频的跳变是在一个包含许多频道的频带上发生的。每个频道都占有一定的频谱区域，其带宽大得足以容纳相应载波脉冲的大部分功率。跳频通信具有一般扩频通信系统的高抗干扰性能及保密性能，还具有以下优点：

(1) 与现存调制方式的兼容性。跳频通信系统与一般的调幅、调频模拟调制以及慢速数字调制通信具有良好的兼容性，目前生产的慢跳频系统都可以同时采用不跳频的常规通信工作方式，且随着通信设备的逐步更新，易于向更先进的系统过渡。

(2) 基于现有无线通信设备，跳频技术的实现比较容易。由于跳频技术与现有的通信系统具有良好的兼容性，因此跳频技术的应用可以完全建立在现有通信设备的基础上。

(3) 跳频通信技术能有效克服“远近效应”，便于移动通信及通信组网[4]。如果地域通信网中某区域的所有用户均以相同的功率发射信号，则靠近基站的手机到达基站的信号就强，而远离基站的手机到达基站的信号就弱，这样将导致强信号掩盖弱信号，也即移动通信中的“远近效应”问题。因为所有用户共同使用同一频率(载波)，所以“远近效应”问题更加突出。跳频技术中功率控制的目的就是克服“远近效应”，使系统既能维持高质量通信，又不对占用同一信道的其它用户产生干扰。

由于跳频通信技术具有这些优点，使其在军事通信中获得广泛应用。鉴于跳频通信应用的广泛性和它特有的抗干扰特性，所以，很有必要加强对跳频通信干扰的研究。

2 跳频通信的干扰方法

跳频通信实际上是通过频率的跳变来躲避干扰，对其进行干扰比较有效的方式有2种：宽带阻塞式干扰和跟踪式干扰[5-7]。宽带阻塞式干扰通过发射宽带大功率信号占据整个跳频频段，使跳频电台无处可跳，系统不能正常工作。对跳频通信系统实施干扰最有效的方式是跟踪式干扰，其方式为把收到的跳频信号经过转发处理以最小的时延发射出去，形成转发式干扰。转发式干扰的关键在于转发信号的时延，如果时延大于信号的驻留时间则无效。

从跳频通信的特性上看，采用全频段宽带阻塞式干扰是对跳频通信有效的干扰方式，这时跳频系统所有可能的工作频道都被干扰，系统的正常通信无法进行。但采用全频段宽带阻塞式干扰,随之而来的是干扰功率的剧增，可能会使干扰功率大到难以接受的程度。除了采用各种降低干扰功率的措施外，采用部分频段拦阻式干扰是一种行之有效的干扰方法。

当跳频系统的全部频道数中被干扰的频道数目大到一定程度时，跳频系统的通信就不能正常工作了。实际战术应用中一般不需要对某一跳频系统进行全频段阻塞式干扰，只需对其全部频道数中的大部分频道进行有效干扰，就可获得良好的干扰效果。

窄带干扰能够针对某个频率(信道)集中较大的功率实施有效的干扰，但由于跳频系统是一种躲避式的抗人为干扰的通信体制，故定频瞄准的窄带干扰很难有效地干扰跳频通信系统。

对跳频通信系统采用频率跟踪式干扰，可充分发挥窄带干扰的优势[8]。要求干扰能够跟踪跳频信号频率的变化，以保证大部分干扰功率能够进入目标信道。通常需使用压缩接收机、声光接收机、信道化接收机或多路超外差接收机等来截获所有可能的目标跳频信号，利用高速数字信号处理器(DSP)来识别目标信号。为了对跳频信号实施有效的跟踪干扰，一般要求在一个载频上的干扰时间不小于信号驻留时间的一半，这就对干扰系统的反应速度提出了很高的要求。这种干扰对付慢跳频系统比较有效，而对快速跳频通信系统干扰的效果不理想，因为干扰系统的反应时间很难达到对快速跳频通信干扰的要求。

实施跟踪干扰需要的反应时间主要包括信号截获时间、信号分选识别时间和干扰引导时间，在作用距离较远时还要考虑电波传播时延时间。信号截获时间取决于截获跳频信号的接收机，采用截获速度较高的压缩接收机或数字接收机，其截获时间为tr。如要在上百个信号中分选出某一跳频信号，则分选识别的处理时间为tp。干扰引导时间主要取决于频率合成器的转换时间和信号建立时间，以目前频率合成器最快的转换速度计算，干扰引导所需的时间为tg。电波传播的时延时间取决于干扰机到跳频收、发信机距离之和减去收、发信机之间的距离之差。假设该距离差为Δd，对应也有电波传播引起的时延，设光速c=3×108m/s,将以上四部分数据加起来，总的时间为：

td=tr+tp+tg+Δd/c

(1)

取典型值tr=100 μs，tp=100 μs，tg=10 μs，Δd=5 km，则有td=226 μs。

按有效干扰时间不小于信号驻留时间的一半计算，根据以上数据估算，跟踪式干扰至多可以有效干扰跳频跳速不超过2千跳/s的跳频通信系统。而实际上，目前远未达到这样的跟踪干扰速度。对宽跳频范围、大频率集、高速跳频通信系统，跟踪式干扰很难对其构成威胁。此时可采用快速频率预测跟踪瞄准式干扰来减小干扰系统的反应时间，以增加有效干扰时间。实现正确快速频率预测难度很大，因此对信号处理水平提出了更高的要求。

如果通过侦察等手段获知了跳频通信的跳频图案，并且所发的干扰信号能与接收设备同步，那么就可以对跳频通信实施相关干扰[9]。如果跟踪式干扰机能及时跟踪跳频图案，便可以形成相关干扰，做到在跳频的每个频率驻留时间内使信号在部分时间受到干扰，这是完全可能的。只要保证在通信的每个频率驻留时间内有相当一部分时间受到有效干扰，则无论对模拟通信还是数字通信都是有效的。频率跟踪式干扰实质上是在侦听到跳频信号后立即实施瞄准式窄带干扰的一种方式，发送的干扰信号可以是本干扰机产生的，也可以是接收敌发射方信号后转发的，这种干扰方式对付慢速跳频通信是有效的，用来对付中、高速跳频通信效果欠佳，甚至无效。

3 对跳频通信跟踪式干扰的仿真

通信发射机T，通信接收机R，干扰机J的配置如图1所示。图中drt为通信距离，dtj为通信发射机到干扰机的距离，djr是干扰机到通信接收机的距离。

设TP是跟踪式干扰机的反应时间；τ是电台在各个频率上的驻留时间，它略小于跳频周期，一般设τ为跳频周期；设η∈(0,1)为一常数，它代表每个跳频周期中未被干扰时间(即转发时延)所占的比例，η越小，受干扰时间越多，干扰效果越好。无论对模拟通信还是数字通信，受干扰的时间大于50%就认为是有效干扰[10]，故通常取η≥0.5。数字话音是跳频网的主要通信业务。实验表明，如跳频电台在驻留时间的20%中受到干扰，便会使数字话音的可懂度恶劣到无法忍受的程度。故对数字话音跳频通信，假设η=0.8。由上述有关分析，欲实施有效干扰，以上各量应满足关系式：

dtj+djr≤c(ητ-Tp)+dtr

(2)

图1 跟踪式干扰时干扰机有效配置区域

由于受到Tp(跟踪干扰机的反应时间，现在的设备主要与DSP的处理时间有关)的限制，从dtj+djr-dtr≤c(ητ-Tp)(τ为跳频周期，等于跳速的倒数)可知，(ητ-Tp)>0时对敌方接收机进行跟踪式干扰才能起到应有的效果，通过仿真可验证这一结论。

下面分别给出跳速为100跳/s，η=0.5，0.8，Tp=2ms(其中Tp是跟踪式干扰机的反应时间)，以及跳速为50跳/s，η=0.8，Tp=14ms时的干扰机有效配置区域的立体图形(图2～图4)，其3个轴的坐标都表示空间位置，单位为m，其中纵轴表示高度。

图2 跳速为100跳/s，η=0.5时干扰机有效配置区域

图3 跳速为100跳/s，η=0.8时干扰机有效配置区域

图4 跳速为50跳/s，η=0.8时干扰机有效配置区域

通过上述图形的比较、分析，可知跳速越快，对其实施跟踪式干扰的难度越大，而且对干扰机的反应处理时间要求比较敏感，故跟踪式干扰往往只能对慢速跳频电台有效，而且要求干扰机反应特别迅速。结合图形，要使对跳频通信系统采用跟踪式干扰凑效，干扰机必须设置在以跳频通信发送、接收点为焦点的一个椭圆之内，由于路径差的影响，这个椭圆是较狭窄的。一般对慢速跳频通信跟踪干扰是比较有效的，但对快速跳频跟踪干扰很难获得好的效果。此外，采用跟踪干扰时除了时延影响外，通常还需要进行信号分选，以去除定频信号及非目标信号。考虑实际问题，为了保证最佳干扰效果，干扰机往往需配置在通信发射机与接收机的直线附近比较狭窄的半椭球区域。

4 结束语

跳频通信技术是一种具有高抗干扰性、高抗截获能力的扩频技术。随着微电子与数字信号处理技术的飞速发展，调频通信在军事通信中大展身手，较好地满足了现代战争提出的电子对抗与反对抗要求，因此，很有必要对跳频通信技术的对抗做进一步的研究。本文主要研究解决了跟踪式干扰的干扰机配置区域的计算问题，在干扰样式、干扰效果等方面还需要进一步的研究。

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[2] 闫云斌，全厚德，崔佩璋.GMSK跳频通信干扰模式分析及仿真[J].计算机测量与控制,2011,19(12):3082- 3088.

[3]PROAKISJG.DigitalCommunications[M].3版.北京:电子工业出版社,1998.

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[5] 童志鹏.综合电子信息系统[M].北京:国防工业出版社,2000.

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[8] 陈军.地空干扰站布站分析[J].电子对抗技术,1999,14(5):13-17.

[9]RAPPAPORTTS.WirelessCommunicationsPrinciplesandPractice[M].北京：人民邮电出版社,2001.

[10]王勋,郝中军.跳频通信干扰问题研究[J].数字技术与应用,2010(5)：169-170.

Frequency Hopping Communication Jamming and Simulation Study to Area Communication Network

ZHANG Dong-yi1,LV Jiu-ming2,LI Xian-mao3

(1.Unit 92403 of PLA,Fuzhou 350007,China; 2.Jiuquan Satellite Launch Center in China,Jiuquan 732750,China;3.Naval Engineering University,Wuhan 430033,China)

Because of strong anti-jamming performance and confidentiality of frequency hopping communication,it has been widely used in networking process of area communication network.This paper analyzes the characteristics and anti-jamming performance of frequency hopping communication,introduces several jamming methods to it,puts forward effective configuration zone of the jammer when the tracking jamming is performed to frequency hopping communication,and carries through the computer simulation to configuration zone of the jammer.

area communication network；frequency hopping communication；tracking jamming；effective configuration zone

2016-05-11

TN975；TP391.9

A

CN32-1413(2016)05-0056-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.05.014