無線通信在復雜電磁環境的抗干擾技術

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摘要:無線通信技術的廣泛應用,大幅提升了人類社會通信能力,滿足了各個領域的通信需求。但在復雜電磁環境下,無線通信因其固有的通信特征,難免會受到諸多因素的干擾,使無線通信質量受到不同程度影響,尤其是在戰時環境下的無線通信,對無線通信質量要求更高。據此,本文以復雜電磁環境為背景,針對無線通信技術的信號干擾與防治技術加以探討,以通過技術層面緩解復雜電磁環境所帶來的影響,提升無線通信的抗干擾能力,最大程度提升無線通信的可靠性與安全性。

關鍵詞:復雜電磁環境；無線通信；信號干擾；防治技術

1復雜電磁環境分析

復雜電磁環境是時展背景下所衍生的概念,特別是在軍事領域得到具體的強調,即主要指在一定的作戰時空內,人為電磁發射和多種電磁現象的總合。從復雜電磁環境的生成方式看,主要包括敵我雙方間的電子對抗,各類武器裝備之間的無線交互、大范圍的民用無線通信,甚至還包括自然界電磁波輻射等[1]。隨著無線通信技術的升級,打贏信息化戰爭已成為我軍發展重點,而無線通信技術保障是重要的前提條件,因此必須要針對復雜電磁環境進行技術錘煉,最終贏得在無線通信領域的優勢。海灣戰爭的“沙漠風暴”行動,是現代戰爭的典型案例,其中核心便是大量的無線通信對抗,通過無線通信技術的壓倒性優勢,使伊拉克軍隊通信全面瓦解,喪失了基本的軍隊指揮權,從而為美軍的勝利奠定了基礎。由此可見,現代無線通信技術已經與信息化戰爭綁定,要想奪取信息權則必須奪取制電磁權,而應對好復雜電磁環境下的干擾問題,勢必成為其中最基本的需求,必須加以重視和完善。

2無線通信電磁干擾原理

無線通信技術(WirelessCommunication)的原理,即利用無線收發設備實現信息與電磁信號之間的相互轉換,并實現一定的距離、范圍內的傳輸的過程。隨著現代科技的進步與需求的增加,無線通信設備應用規模與日俱增,由于忽視了電磁信號干擾方面和因素,使各類設備在使用時受到不同程度干擾,造成信號傳輸質量的下降。因此在常見無線通信過程中,常常會產生串臺或者串接的現象,導致無線通信的可靠性與安全性受到制約[2]。依據無線通信技術原理,電磁信號由無線發射機設備發射,經由天線進行輻射后進行空間層面的傳播。無線通信接收天線在接收到特定的電磁信號后,會將該信號傳輸至接收機中進行信號放大和解調,從而完成與發射端相反的轉化過程,最終完成信息的無線傳輸。由于電磁信號傳播的廣泛性及頻率的局限性,在頻率接近的電磁環境中,電磁信號則極易受到干擾,影響有效信號的傳輸。并且,電磁干擾一般覆蓋信息傳輸的全過程,因此無線通信線路越長,其受干擾的風險也越高,影響程度越大。

3復雜電磁環境下干擾的類型與分級量化

3.1無線通信干擾類型

在復雜電磁環境下,干擾因素的生成方式多種多樣,除自然因素所形成的干擾外,還包括了諸多人為因素,尤其是在軍事領域內的敵對通信干擾,將成為無線通信技術面臨的關鍵干擾因素。在復雜電磁環境下的無線通信中,敵方將試圖通過信號干擾滿足偵收、分析、識別與干擾需求,從而達到破壞我方無線通信體系的目的。常見的干擾類型包括窄帶干擾、寬帶干擾和跟蹤式干擾等。其中,窄帶干擾即專指在通信中產生的局部頻段干擾,部分專用窄帶干擾設備能夠實現集中式的大功率干擾;寬帶干擾主要是指對通信頻段的大范圍干擾,多頻點的梳狀干擾同屬寬帶干擾的一種,尤其是當寬帶干擾達到全頻段覆蓋時,一旦干擾功率足夠大,將形成阻塞式干擾,導致無線通信系統的崩潰;跟蹤式干擾屬于最具威脅的干擾方式,即干擾機在掃描分析信號后,在相同的中心頻率上發射干擾信號,從而對跳頻等通信方式形成干擾破壞。

3.2無線通信干擾分級量化

依據《戰場電磁環境分類與分級國家軍用標準》的權威評估標準,對于復雜電磁環境中的無線通信干擾進行了細致評估,尤其是針對戰時條件下的復雜電磁環境,具有極強的指導價值和意義。其中,將其主要劃分為四個等級,即重度、中度、輕度、簡單。并且,由于戰場條件下的復雜電磁環境具有較強的參考性,因此在分析中主要以戰時標準進行分析。根據對復雜電磁環境干擾分級量化標準,對其部分變量進行如下假設:(1)時域假設,假設電磁干擾源與通信系統信號產生時間重合;(2)頻域假設,假設電磁干擾源與無線通信設備頻率處于接近狀態,使各類干擾信號與通信頻率產生碰撞;(3)能域假設,假設電磁信號干擾源滿足無線信號最低干擾功率,形成對無線信號傳輸的有效干擾;(4)空域假設,假設在干擾源已經形成干擾的時機下,干擾機的位置配置仍具有較大選擇空間,其干擾范疇最大概率取值為發信機至收信機的3.162倍。通過上述條件的確立,可建立通用電磁干擾環境等級劃分標準,如表1所示。

4復雜電磁環境下無線通信抗干擾技術

4.1跳頻技術

跳頻技術的應用實現了無線通信抗干擾領域的實質性突破,由于其優異的抗干擾效果,受到了廣泛的認可和歡迎,并被應用于微波、毫米波無線通信之中。從跳頻技術的原理上講,其主要是通過無線電頻率之間依據特定規律進行跳變,使干擾信號難以進行干擾或者追蹤,其抗干擾性遠遠優于固定頻率無線信號,同時也實現了擴展頻譜的目的。另外,跳頻技術的抗干擾能力主要取決于跳頻速度,即跳頻速度與抗干擾能力之間成正比。在跳頻過程中所獲取的部分額外頻譜,也將進一步提升抗干擾性,跳頻頻帶寬則表示其抗干擾性越強。由此可見,跳頻技術應用的關鍵在于提升跳頻速度與跳頻帶寬,這將使跳頻技術獲得更佳的應用效果,特別是在復雜電磁環境下,跳頻技術的升級和改善,勢必為無線通信安全和可靠提供有力保證。

4.2擴頻技術

所謂擴頻技術即利用對無線電頻譜的拓展,使有效信號被隱藏于頻譜之中,從而增加了被跟蹤或者截取的難度,無形之中提升了無線通信的安全性和抗干擾性,在擴頻技術應用中的典型代表為CDMA通信。目前,直接序列方式屬于擴頻技術的常見方式,主要是指利用通信頻譜的擴展,使傳輸信號功率譜密度有效降低,以此來提升無線通信的抗干擾性,并提升復雜電磁環境下的通信保密性。擴頻技術同時還能夠形成相應的組合,如跳頻/直擴、跳時/直擴、跳頻/跳時等。此類無線通信抗干擾技術被廣泛應用于衛星通信及蜂窩通信中。

4.3智能天線技術

智能天線技術即利用現代智能化控制算法,以實現天線的定向波束傳輸,尤其是在傳輸過程中可以利用主瓣指向特定用戶,而旁瓣或后瓣則指向非特定用戶,在保證了自身信號傳輸質量的同時,還能夠伺機對非特定用戶進行一定干擾,極大改善了電磁污染問題。智能天線技術的出現,使無線通信抗干擾能力獲得跨越式發展,其利用天線物理層面的控制,使天線的信噪比大幅增加,實現對不同方向干擾信號的抑制,從而獲得了較好的抗干擾性。但智能天線技術仍然處于不斷研究與發展階段,其性能與需求仍有較大差距,如智能天線技術中的物理天線的設計要求天線波束能夠盡可能變窄,而滿足波束變窄的要求,則需要更多天線單元進行覆蓋,從而增加了天線設計難度。隨著智能天線技術的發展,更多先進技術被引入其中,如MIMO多天線技術能夠利用OFDM以及空時編碼技術,使系統的信道容量成倍增加,極大增強了無線通信抗干擾能力。

4.4混合技術

在復雜電磁環境下提升無線通信抗干擾能力,除了使用更多單一的抗干擾技術外,混合技術同樣值得關注和應用。其具體的抗干擾思路即通過多種技術的混合應用,使無線通信能夠應對不同場景下的干擾情況,以提升無線通信抗干擾的適應性,并且依托混合技術實現1+1＞2的效果。受制于單一抗干擾技術的缺陷,在不同的應用場景下將產生一定的局限性,而混合技術的適用性、靈活性與抗干擾性都更強,能夠彌補單一技術層面的缺陷,使無線通信能夠較好適應復雜電磁環境帶來的影響。比如,在直接序列擴頻與跳頻技術的混合中,無線通信可實現信號處理增益,且能夠獲得更寬的頻譜和跳頻效果強化。

5無線通信在復雜電磁環境下的抗干擾保障措施

5.1加強宣傳力度和群防意識

隨著社會對無線通信技術的依賴性增強,無線通信干擾問題必須受到廣泛關注,由此則需要增強民眾的參與,擴大防治的覆蓋面。比如,增強對無線通信安全的宣傳,幫助普通民眾深度了解無線電干擾的產生原理,以及其帶來的安全隱患與危害,讓更多的民眾加入防范行為,避免無意識的無線通信干擾問題產生。

5.2嚴格治理無線電干擾源頭

復雜電磁環境下,無線通信干擾問題尤為突出,尤其是對干擾源的控制與治理,將屬于一項系統性、長期性工程,需要投入更大的精力與時間。對于主管機構而言,應當加強與相關職能、執法機關的配合,做好違法電臺及干擾源的整治。此外,對信號干擾設備的生產端要進行規范,切實從源頭上降低干擾風險[3]。

5.3注重無線電臺站管理審批

相關通信職能部門在無線電臺管理及審批環節,應注重綜合因素層面的考慮,對地點頒布、覆蓋范圍、使用狀況等進行籌劃,確保無線電臺與正常無線通信之間互不干擾,同時提升審批門檻,盡量避免新的干擾源產生,發揮凈化電磁環境的作用。

6結語

伴隨著社會科技的持續發展,無線通信技術將承擔更重要的服務使命,尤其是無線通信規模的增加,通信環境日益復雜。在這種復雜電磁環境下,如何控制無線通信干擾問題必將成為重點,因此在實踐中應從不同的技術層面綜合研究,提出更多元化的抗干擾技術手段。特別是分析復雜電磁環境的特點、生成因素及控制方法,以此作為抗干擾技術發展的依據,使之不斷適應全新的無線通信環境,提升無線通信的安全性、可靠性和抗干擾性。將無線通信抗干擾技術應用于軍事領域,可以提升軍隊的信息化保障能力,推動強軍目標的實現,彰顯抗干擾技術的國防優勢。

參考文獻

[1]張興,杜明星,魏克新.開關電源傳導電磁干擾測試方法的研究[J].制造業自動化,2017,39(3):64-67+74.

[2]張桐,肖正庭,王成.無線通信設備的電磁干擾研究[J].通訊世界,2017(5):145.

[3]樊迪.抗電磁干擾措施在中短波廣播發射中的應用研究[J].通信電源技術,2019,36(1):88-89.

作者：閔全 張格鵬 魯曉飛 單位：中國人民解放軍31619部隊