基于叠加扩频频谱中心技术的抗欺骗干扰研究

安巧静 ，孙志成 ，马丽丽 ，王 磊 ，高喜俊 ，胡爱兰

(1.中国人民解放军63861 部队，吉林 白城 137000；2.陆军工程大学石家庄校区，河北 石家庄 050003；3.中国电子信息产业集团有限公司第六研究所，北京 100083)

0 引言

干扰问题一直是MIMO 系统领域研究的热点，其抗干扰能力直接关系着MIMO 系统的性能。在电子对抗中，欺骗干扰及防欺骗干扰多用于雷达系统中，尤其是DRFM 技术的出现和发展加深了研究人员对欺骗干扰的研究[1-3]。目前欺骗干扰的研究热点多集中在欺骗干扰信号的特征提取识别研究，文献[4]、[5]中阐述了雷达欺骗干扰的多普勒识别方法，文献[6]～[9]介绍了基于距离、角度、速度等参数的欺骗干扰识别方法，文献[10]介绍了MIMO 雷达利用回波信号相关性差异识别欺骗干扰的方法。

目前根据常见的欺骗干扰类型，其干扰特征主要表现为三方面，即欺骗干扰信号大于遥控信号、两者存在时延差以及虚假遥控指令3 种情况。因为前两种情况容易识别，本文将重点研究存在虚假指令的欺骗干扰，对完善机载多天线收发系统的欺骗干扰系统具有重要意义。

本文通过分析基于机载MIMO 系统虚假指令欺骗干扰的特征，阐述了虚假指令欺骗干扰的形成原理，并制定了相应的欺骗干扰预防方案。最后通过搭建试验平台，验证了该方法的可行性。

1 虚假指令的欺骗干扰分析

欺骗干扰信号中存在虚假遥控指令的实现方法通常表现为敌方在伪码序列中加入虚假遥控指令产生欺骗干扰信号。若被机载多天线接收解算后，按照敌方操控意图致使试验装备渐渐脱离地面控制站对设备的控制操作，达到欺骗干扰的目的。

一般情况下存在虚假指令的欺骗干扰会结合高信号强度欺骗干扰对遥控设备进行实施，首先利用干扰信号强度的优势到达机载多天线接收端的捕获解算链路，然后利用错误的遥控指令致使机载设备运行轨迹脱离地面控制站，最后实现对设备的控制或摧毁。

2 基于干扰认知的抗欺骗干扰

结合欺骗干扰的信号特征，MIMO 系统测控链路可以采用相应的方法进行预防。

针对欺骗干扰信号中存在虚假遥控指令，文献[11]中采用叠加扩频MIMO 抗干扰方法，已使得敌方干扰机产生相似遥控指令难度增大。为了进一步遏制虚假欺骗干扰信息的侵入，本文提出一种基于Walsh 序列的叠加扩频频谱中心检测法。

Walsh 序列一种“±1”为元素的二值完备正交序列，因其具有较好的正交和完备性在通信系统中得到广泛应用[12-13]。Walsh 序列具有多个不同的描述和表示方式，这里主要采用Hadamard 矩阵得到的Walsh 序列[14]。Hadamard 矩阵的每一行或者每一列均可以作为一个Walsh 序列，表示为WalH(m)，m 为Hadamard 矩阵的行序号或者列序号。Walsh 序列的列率是指序列中码元组合的重复周期数。具有相同列率的不同Walsh 序列除了时间延迟不同，其具有相同的周期延拓波形。2 阶矩阵可表示为H2，可递推出2N 阶Hadamard 矩阵[15]为：

在Hadamard 矩阵中，任意两行(或两列)的对应元素相乘之和等于零，即互相关函数为零。Hadamard 矩阵的每一行或每一列代表一个Walsh 序列，这N 个Walsh 序列构成一个Walsh 序列组。以8 阶Hadamard 矩阵产生的Walsh 序列为例，Hadamard 有：

可见，在行序中，WalH(3)与WalH(4)具有相同的列率，WalH(5)与WalH(7)具有相同的列率，WalH(6)与WalH(8)具有相同的列率。8 阶Hadamard 矩阵产生的Walsh 序列的归一化频谱结构如图1 所示，定义该Walsh 序列频谱结构中谱线幅值最高点对应的频率为其中心频率。可见，不同列率的Walsh 序列具有不同的频谱结构和不同的中心频率。WalH(1)序列虽然具有与其他序列不同的列率，但其码元的平衡性较差，不适宜应用。因此，可将不同列率且平衡性较好的Walsh 序列集W 作为叠加扩频序列用于欺骗干扰预防，实现方法为：无人机测控链路两端约定采用某一频率中心的Walsh 序列作为扩频码，在接收端检测收到的Walsh 序列中心频率来识别出有效信号，当中心频率不满足所约定的序列中心频率时，则可认为是欺骗的干扰信息。采用这种方法实现对欺骗干扰信号预防的同时，也增大了敌方实施欺骗干扰的难度。

图1 Walsh 序列频谱结构图

3 基于MIMO 的抗干扰性能理论分析

根据欺骗干扰特征分析，接收信干比并能不反映出欺骗干扰和抗欺骗干扰的性能。本文主要根据系统误码率来说明机载多天线的抗欺骗干扰性能。

在一般机载多天线系统抗干扰方法中，干扰、噪声及信道估计是影响系统误码性能的主要因素。下面分析信道对系统误码性能的影响。

结合机载天线测控链路的通信特点，其信道主要包括直射分量和散射分量，因此可以假设信道H 为莱斯衰落信道，则hji可以看作实部和虚部均值分别为方差为σ2的复高斯变量，则Φ=服从自由度为2Num2的非中心χ2分布，结合概率密度函数f(φ)、ML 译码中BPSK 信号瞬时负载差错概率等定义(推导过程参考文献[11])，获得理论上的系统误码率：

其中，n0为信号样本量；K 为莱斯参数，表示为：

伽马(Γ)函数为：

4 仿真试验

为进一步验证本文方法的可行性，基于本方法搭建了2×2 MIMO 抗干扰系统试验环境，进行了欺骗干扰试验。

首先对MIMO 分集收发实验的相关参数进行说明：随机生成6 000 个“0”、“1”数据，数据包保护头为38 bit数据，数据包头中编号和总数据包大小均为16 bit 数据，每次发送1 500 个数据 (6 000 个数据要经4 次发送)，数据包保护尾200 bit 数据(这样，每次发送1 770 个数据)。采用8PSK 方式调制，发射、接收频率均为4.95 GHz，IQ速率为500 kHz，误码率采用蒙特卡罗方式统计，次数为100，总体观测统计20 次的误码率 (每次为6×106个数据)，总计为1.2×107个数据的统计结果。信源经星座映射后得出发射数据的复信号星座，其频谱和时域波形分别如图2(a)、图2(b)所示，图中两组发射信号分别由黑色和灰色线表示。其中，图2(a)所示的频谱是射频发射频谱映射到基带的频谱图。

为验证系统对欺骗干扰的预防“警惕性”，干扰端生成了一组与发射序列例似的随机数，并采用不同于发射端的扩频码对欺骗干扰数据进行扩频，定义欺骗干扰的IQ 速率同样为500 kHz，干信比为10 dB，其发射欺骗干扰两组信号的频谱如图3(a)所示，分别由黑色和灰色线表示。在欺骗干扰下，MIMO 综合抗干扰系统接收到的两组射频信号的频域和时域波形分别如图3(b)、图3(c)所示，两组接收信号分别由黑色和灰色线表示。由图3（c）可见，该欺骗干扰会导致时域一定程度的“紊乱”，且在时域中，会明显存在某一段信号被干扰所掩埋。

为了观测欺骗干扰对系统的影响，通过持续的欺骗干扰，观测了整个20 次误码率统计时间内的抗干扰情况，图4 为该欺骗干扰情况下的误码率统计值。从误码率统计结成果整体看来，只存在两次“尖峰”，即被干扰功入侵，该系统基本能够有效剔除欺骗干扰的影响，整体误码率稳定保持在1×10-5左右。

图2 发射信号波形图

5 结论

为验证所研究抗干扰方法的可靠性，采用软件无线电平台，在MIMO 分集实验平台的基础上，搭建了2×2 MIMO 抗干扰实验验证系统，并采用虚假指令欺骗干扰对其抗干扰性能进行了测试，为完善机载多天线系统测控链路中抗欺骗研究提供了有利依据。结果表明，该系统能够实现虚假指令欺骗干扰的预防。

图3 欺骗干扰及接收信号时频波形图

图4 欺骗干扰下MIMO 综合抗干扰系统误码率统计结果