对认知无线电用频OODA环的主动有源电子对抗侦察

石 荣，邓 科，刘 江，胡 苏

(1.电子信息控制重点实验室，四川 成都 610036；2.电子科技大学通信抗干扰国家重点实验室，四川 成都 611731)

0 引 言

电子对抗侦察是电子战的三大组成部分之一，主要是截获分析敌方电子信息设备所辐射的电磁信号，以获取其技术参数和位置，并确定该设备的用途和类型等情报的侦察[1-2]。传统的电子对抗侦察是典型的被动无源侦察，侦察设备自身不对外产生电磁辐射，仅仅是被动接收外界电磁辐射源产生的信号，并以此作为后续情报生成的原始输入来进行信息加工。这样一来，传统电子对抗侦察面临的最大问题就是辐射源目标的电磁静默和非完备辐射[3]，造成电磁目标在电磁域消失或电磁特征信息残缺不全。特别是近年来具有频谱自动感知和自适应频谱空洞利用能力的认知无线电迅速发展[4-5]，这使得信号情报生成的有效性和全面性带来了极大的挑战，传统侦察方法对此类目标实施侦察时受到了严重制约[6]，所以主动有源电子对抗侦察应运而生[7]，并与传统侦察方式一起形成了全新的电子对抗侦察系统。

针对上述技术发展趋势，本文利用电磁辐射源行为学中的原理和方法[8]，对认知无线电通信终端的用频行为进行了研究，揭示了其所具有的观察、调整、决策和行动的OODA环典型特征，对这一OODA环的通用描述参数进行了归纳总结。并针对上述参数一一阐述了实施主动有源电子对抗侦察的方法与流程，在此基础上以变换域通信系统这一具有代表性的认知无线电设备为实验对象，通过主动有源电子对抗侦察方法获得了其用频OODA环的各项特征参数，验证了该方法的有效性与实用性，详细阐述如下。

1 认知无线电用频行为的OODA环

1999年MILTRE公司的Joseph Mitola博士在IEEE Personal Communications 杂志上发表论文，首次提出“认知无线电”的概念，这实际上是Mitola博士以前提出的“软件无线电”概念的升级与发展。认知无线电采用基于模型的方法，按照无线电频谱使用规则进行各种知识的表征与推理，在对外界电磁环境感知的基础上，对工作频段、发射功率、调制方式等进行自适应调整，以适应通信终端的动态频谱应用，从而提高频谱使用的效率。由此可见，认知无线电可按照某种“伺机”方式工作在已授权的频段内，及时发现可被利用的“频谱空洞”，并合理地加以利用。

认知无线电对频谱空洞的检测实际上就是对其所在电磁环境的观察(Observe)；然后对接收到的电磁信号进行频谱分析，搜寻出其中的备选频谱空洞，这一步相当于对所得到的数据进行信息加工与调整(Orient)；在此基础上根据用频规则，以及自身所积累的用频经验，做出高效合理的用频决策(Decide)，即哪些频谱空洞是可以利用的，而哪些频谱空洞是需要保护的；最后执行用频决策，即行动环节(Act)，在频谱空洞中进行通信信息的交换与传输。由此可见，认知无线电的整个频率使用的工作流程可概括为：频谱感知，频谱分析、信道容量估计与供需预测，频谱资源使用决策，用频通信传输。于是认知无线电用频行为的OODA循环总结如图1所示。

图1 认知无线电用频行为的OODA环图示

上述OODA环模型是一个最简版，实际上更复杂的模型还包含了OODA大循环中嵌套了各种小的OODA循环[9]，但更复杂的模型是以图1为代表的简化模型为基础，对简化模型的清晰分析是后续进一步深化研究的前提。接下来就以图1中的认知无线电用频行为的OODA环为研究对象，对其特征参数进行归纳总结如下。

2 用频行为的OODA环通用描述参数

认知无线电用频行为OODA环的通用描述参数主要有如下6类：

(1)工作频段范围Bf

工作频段实际上是所有电磁目标最基本的特性之一，同时也是用频OODA环能够建立与运行的基础与前提。认知无线电用频OODA循环中第一个环节就是观察，对应了电磁信号的接收，相当于整个系统的输入；而最后一个环节就是行动，对应了电磁信号的发射，相当于整个系统的输出。所以工作频段范围Bf可进一步细分为观察端工作频段范围Bob与行动端工作频段范围Bact。Bob是指认知无线电能够接收和感知外界电磁信号的频段范围；而Bact是指认知无线电自身辐射电磁信号的频段范围。

(2)反应时间τr

反应时间τr用于描述一个认知无线电设备完成从观测、调整、决策到最后行动的一次完整OODA循环所耗费的时间长度；反应时间的倒数又称为反应速度vr=1/τr，同样是描述OODA循环快慢的参数。如果将一次OODA循环进行细分，可分别得到观察时间τob、调整时间τori、决策时间τdec和行动时间τact，且有下式成立：

τr=τob+τori+τdec+τact

(1)

相应的上述各个参数的倒数也分别对应了观测速度vob、调整速度vori、决策速度vdec和行动速度vact。

(3)反应灵敏度sr,min

反应灵敏度sr,min即是能够使认知无线电状态发生改变的外界最小刺激信号强度。一般情况下状态的改变是通过行动来体现的，相当于通过对认知无线电的输出信号的观测来推断其状态是否发生改变。另一方面，反应灵敏度可能会随着外界刺激信号形式不同而不同，所以在描述认知无线电的反应灵敏度时一定要附加说明外界施加的刺激信号的形式，包括该信号的各种调制参数。这对于准确描述在不同形式的外界刺激信号作用下认知无线电用频OODA环的特性是必要的。

需要区分认知无线电的反应灵敏度sr,min与观测灵敏度sob,min，sob,min是指其OODA循环中的第一个观察环节能够接收到的最小信号强度。在电子对抗中所面对的电磁目标大多数都是非合作的，所以sob,min一般难以估计，而sr,min可通过主动有源电子对抗侦察手段来获得。

(4)能够承受外界最大的刺激强度sr,max

认知无线电对外界刺激信号的接收与观测是存在一定极限的，如果超过这一极限，其用频OODA循环将会发生混乱或中断，导致其任务完成率急剧降低，所以能够承受外界最大的刺激强度sr,max是认知无线电用频OODA环的一个重要参数。通过sr,max和sr,min这两个参数即可计算出认知无线电能够承受外界刺激的动态范围dr如下式所表达：

dr=sr,max-sr,min

(2)

同样sr,max可能会随着外界刺激信号形式不同而不同，所以在描述认知无线电的sr,max时一定要附加说明外界施加刺激信号的形式，包括该信号的各种调制参数。

(5)环路系统时变特性判定参数Jtv

环路系统时变特性判定参数Jtv是一个二值化参数，当Jtv=0时表示该认知无线电用频OODA环路是一个时不变系统，即状态演化和行动输出仅仅依赖于当前的状态和未来的系统观察输入，而与时刻无关；当Jtv=1时表示该认知无线电用频OODA环路系统是一个时变系统，即状态演化和行动输出不仅依赖于当前的状态和未来的系统观察输入，而且还依赖于不同的时刻值。时变OODA环相对于非时变OODA环所表现出来的特性是大不一样的，前面我们所归纳总结的4类特征参数：工作频段范围、反应时间、反应灵敏度和能够承受外界最大的刺激强度，对于时变OODA环来讲都可能随时间发生改变，表现为时间的函数；而非时变OODA环中的上述4类特征参数是一个固定值，不会随时间改变。

(6)对特定刺激的反应正确率rcor

反应正确率rcor是针对某种特定刺激反复施加于认知无线电系统之后，对系统产生合理预定行为的概率统计值，记反复施加相同刺激的次数为Ntotal，而产生合理预定行为的次数为Ncor，则反应正确率rcor如下式所表达：

(3)

由此可见，在给出反应正确率时一定要对特定刺激的信号形式进行详细记录，因为不同的刺激信号其正确率也不相同。实际上正确率参数主要用于对不同认知无线电的用频OODA环的性能对比，从而间接反映其判断调整与决策行动环节的相关特性。

上述6类参数是所有认知无线电用频OODA环都具有的通用参数，除此之外，不同的认知无线电系统，其OODA环还有自己特有的专用参数，专用参数是与具体的目标对象紧密结合在一起中，关于这一点后续还会进一步地分析。

3 对此类OODA环主动有源侦察方法

针对前面归纳总结的认知无线电用频OODA环6类通用描述参数，可采用主动有源电子对抗侦察方法进行估计，分别阐述如下：

(1)工作频段参数的估计

如前所述，工作频段参数细分为观察端工作频段范围Bob与行动端工作频段范围Bact。其中Bact对应了电磁目标发射电磁信号的频段范围，利用侦察设备通过长期控守侦测与统计即可获得，这是传统信号侦察手段所完全具备的。但是对于认知无线电的观察端工作频段范围Bob，由于这对应于电磁信号的输入范围，这个参数在传统信号侦察中是无法获得的。但我们采用主动有源电子对抗侦察方法，在保持其它外界电磁环境因素恒定不变的条件下，对电磁目标主动辐射电磁探测信号Spr，同时观察接收其辐射输出信号的变化，如果输出有变化，说明其对Spr有应激效应，则意味着上述主动辐射Spr的频率成分中一定有一部分包含在认知无线电观察端工作频段范围Bob之内。按照这一原理，通过发射不同波形的探测信号，长期统计观察来推断Bob。

假设采用窄带探测信号Sp,i对电磁目标实施激励，i∈{1,2,…,N}，N为探测信号的个数，其对应的频率记为fp,i，通过激励之后可由下式推断出认知无线电观察端工作频段范围Bob为：

Bob=∪{fp,i|Sp,iisavailable}

(4)

其中∪表示集合的并运算，available表示认知无线电对Sp,i有反应。实际上针对不同类型的认知无线电其探测信号的设计也各不相同，需要具体问题具体分析。

(2)反应时间的估计

如式(1)所示，虽然认知无线电用频的OODA反应时间τr由观察时间τob、调整时间τori、决策时间τdec和行动时间τact四部分组成，但τob、τori、τdec、τact都是其内部状态转换的时间，在非合作条件下是难以从外部准确观察的，但总的反应时间τr却可以通过主动有源电子对抗侦察方法来测量。同样采用在其观察端工作频段范围Bob之内的探测信号Spr对电磁目标进行激励，设探测信号的发射时刻为tpr，信号从我方发射端传输至电磁目标的距离为dIo，我方侦察接收端观察到电磁目标对外电磁辐射发生变化的时刻为tch，则电磁目标的反应时间τr如下式所表达。

τr=tch-tpr-2dIo/c

(5)

式(5)中c=3×108m/s为电磁波传播速度。同样，针对不同形式的探测信号，测量得到的反应时间可能有差异，所以在确定反应时间时一定要说明具体的探测信号形式。

(3)反应灵敏度和最大刺激强度参数的估计

(6)

实际上反应灵敏度和最大刺激强度参数与探测信号的形式也是直接关联的，所以在确定这两个参数时需说明所采用的探测信号的形式。

(4)环路系统时变特性的判定

如果采用同一类具有相同参数的探测信号Spr前后两次在同一外界环境下对认知无线电实施激励，且这两次激励之间的时间间隔足够长，以致于可以看成两次独立的激励，对认知无线电的两次输出辐射进行记录，分别记为：Sout,1和Sout,2。如果在观察误差范围内Sout,1和Sout,2完全相同则表明该认知无线电的用频OODA环是时不变的；如果不同则表明其具有时变特性。对于时变系统的辨识是非常困难的，几乎只能定性地分析；而对于时不变系统，目前已有的很多系统辨识方法与模型都可以利用。所以一般情况下，即使一个系统是时变的，我们也倾向于时间上的分段处理，即在一小段时间内可近似认为认知无线电系统保持时不变特性。

(5)对特定刺激的反应正确率的估计

(7)

由上可见，采用主动有源电子对抗侦察方法，对认知无线电系统主动施加探测信号进行激励，并观察记录其输出辐射响应，通过激励与响应之间的关系分析，可测量并计算出认知无线电用频OODA环的各项参数。

4 以TDCS为典型对象的实验验证

TDCS(Transform Domain Communication System)变换域通信系统是典型的认知无线电系统[10,11]，我们以某大学研制的一套TDCS实物为实验对象，如图2所示，对前文提出的针对认知无线电用频OODA环的主动有源电子对抗侦察方法开展实验验证，实验系统组成如图3所示。所有设备均安置于实验室内，天线之间的距离dIo<6 m。

图2 TDCS实验对象

图3 实验系统组成框图

针对TDCS实验对象，首先进行工作频段参数的估计，按照前文提出的方法，通过长期控守侦察可得该TDCS设备行动端工作频段范围Bact为2 408.5～2 411.5 MHz，其典型信号的时域波形与频域幅度谱如图4所示。

图4 实验对象的典型时域波形与频域幅度谱

采用带宽为15 kHz且滚降系数小于0.1的QPSK数字调制探测信号从30 MHz～3 GHz进行探测，频率步进为10 kHz，探测信号的功率设置成不同档位，在同一档位上需将所有频点探测完全，然后再更换功率档位。在探测过程中，接收TDCS辐射的信号进行频谱变换检测与统计分析，并由式(4)可估计出该TDCS观察端工作频率范围Bob为2 408.5～2 411.5 MHz。由此可见Bact=Bob。在估计出工作频段范围参数之后，将探测信号的发射频段范围设置成Bob，接着进行反应时间参数的估计。

由于Bact=Bob，为了解决同频段收发隔离问题，这套TDCS在信号发射期间不能同时进行信号接收，这也意味着TDCS自己在对外辐射电磁信号的同时不能进行电磁环境的感知，所以这套TDCS采取的是间断性感知策略。对TDCS进行反应时间的估计，探测信号的发射时刻为tpr设置在TDCS的电磁静默期内，在探测信号发射之后观察其辐射的通信信号频谱相对于探测信号发射之前的变化，并记录发生变化的时刻为tch，然后由式(5)可计算出TDCS的反应时间。在发射探测信号之后，TDCS会将探测信号所占的频带空出来，如图5所示。在图5中采用的是载波频率为2 410 MHz，带宽500 kHz且滚降系数小于0.1的QPSK探测信号，TDCS将探测信号所在频段空了出来，表明其具有对外界电磁环境进行自适应准确感知的能力。

图5 探测信号存在时TDCS的频域幅度谱

对比图5与图4(b)即可发现，TDCS对外界的刺激产生了反应，于是可通过TDCS信号频谱的改变来测试其反应时间。在实验中所采用的不同形式的探测信号与测得的反应时间如表1所示。

表1 在不同探测信号条件下的反应时间测试结果

由表1的数据可得该TDCS的反应时间τr=100 ms。

在TDCS观察端工作频率范围Bob内任选一个频率点，同样采用上述探测信号进行探测，首先设置探测信号功率电平与环境噪声基底电平一致，然后以1 dBm为步进进行功率电平的递增，每次功率调整之后都观察TDCS发射信号频谱的变化。当观测到探测信号电平高于一个门限值STdown时，TDCS信号将感知到此信号，从而将探测信号所在频段处的对应频带空出来，此时就将STdown作为该TDCS的反应灵敏度。继续提高探测信号的功率电平，当发现TDCS的频率再次发生异常改变时，即可将此时探测信号的功率作为该TDCS在频率点上的最大刺激强度值STup。本实验中所采用的不同形式的探测信号与测得的实验数据如表2所示。

表2 在不同探测信号条件下反应灵敏度与

为了判断TDCS环路的时变特性，可重复开展前述对工作频段、反应时间、灵敏度和最大可承受刺激强度的测试实验。发现上述参数估计值呈现稳定特性，这说明我们所侦察的这套TDCS的用频OODA环路是一个时不变系统，即Jtv=0。

在完成上述5类参数的估计之后，在TDCS的工作频段范围内，采用扫频探测信号，同时调节探测信号强度位于TDCS的感知灵敏度与最大可承受刺激强度范围之内，对TDCS施加刺激，同时记录其输出信号频谱的变化。根据TDCS的工作原理，TDCS应当将探测信号所在频段空出来，然后利用剩余的频谱带宽进行通信传输，这就是由理论模型推导出的期望响应围内Rep，同时通过多次主动侦察试验记录该TDCS的实际频谱响应Rre，通过二者一致度的统计，最终得到该TDCS对扫频探测信号的反应正确率为100%。

通过上述主动有源电子对抗侦察实验，我们已经全面获得了该TDCS用频OODA环的特征参数，这些特征参数对于进一步分析推断该TDCS的行为规律，进行后续的行为预测提供了重要基础。

5 结 语

本文利用电磁辐射源行为学中的原理与方法，对认知无线电用频OODA环的6类特征描述参数进行了归纳总结，同时详细阐述了通过主动有源电子对抗侦察获得上述特征参数的方法与流程。在此基础上，以典型的认知无线电TDCS为实验对象，对其工作频段范围、反应时间、反应灵敏度、能够承受外界最大的刺激强度、环路系统时变特性、对特定刺激的反应正确率这六类参数进行了估计分析。通过主动有源电子对抗侦察结果与目标对象参数设置的对比来看，侦察结果准确有效，验证了所提出方法的可行性与有效性。从而为主动有源电子对抗侦察的应用实践与认知电子战的深化研究提供了重要参考。