无线通信在复杂电磁环境的抗干扰技术

摘要:无线通信技术的广泛应用,大幅提升了人类社会通信能力,满足了各个领域的通信需求。但在复杂电磁环境下,无线通信因其固有的通信特征,难免会受到诸多因素的干扰,使无线通信质量受到不同程度影响,尤其是在战时环境下的无线通信,对无线通信质量要求更高。据此,本文以复杂电磁环境为背景,针对无线通信技术的信号干扰与防治技术加以探讨,以通过技术层面缓解复杂电磁环境所带来的影响,提升无线通信的抗干扰能力,最大程度提升无线通信的可靠性与安全性。

关键词:复杂电磁环境；无线通信；信号干扰；防治技术

1复杂电磁环境分析

复杂电磁环境是时展背景下所衍生的概念,特别是在军事领域得到具体的强调,即主要指在一定的作战时空内,人为电磁发射和多种电磁现象的总合。从复杂电磁环境的生成方式看,主要包括敌我双方间的电子对抗,各类武器装备之间的无线交互、大范围的民用无线通信,甚至还包括自然界电磁波辐射等[1]。随着无线通信技术的升级,打赢信息化战争已成为我军发展重点,而无线通信技术保障是重要的前提条件,因此必须要针对复杂电磁环境进行技术锤炼,最终赢得在无线通信领域的优势。海湾战争的“沙漠风暴”行动,是现代战争的典型案例,其中核心便是大量的无线通信对抗,通过无线通信技术的压倒性优势,使伊拉克军队通信全面瓦解,丧失了基本的军队指挥权,从而为美军的胜利奠定了基础。由此可见,现代无线通信技术已经与信息化战争绑定,要想夺取信息权则必须夺取制电磁权,而应对好复杂电磁环境下的干扰问题,势必成为其中最基本的需求,必须加以重视和完善。

2无线通信电磁干扰原理

无线通信技术(WirelessCommunication)的原理,即利用无线收发设备实现信息与电磁信号之间的相互转换,并实现一定的距离、范围内的传输的过程。随着现代科技的进步与需求的增加,无线通信设备应用规模与日俱增,由于忽视了电磁信号干扰方面和因素,使各类设备在使用时受到不同程度干扰,造成信号传输质量的下降。因此在常见无线通信过程中,常常会产生串台或者串接的现象,导致无线通信的可靠性与安全性受到制约[2]。依据无线通信技术原理,电磁信号由无线发射机设备发射,经由天线进行辐射后进行空间层面的传播。无线通信接收天线在接收到特定的电磁信号后,会将该信号传输至接收机中进行信号放大和解调,从而完成与发射端相反的转化过程,最终完成信息的无线传输。由于电磁信号传播的广泛性及频率的局限性,在频率接近的电磁环境中,电磁信号则极易受到干扰,影响有效信号的传输。并且,电磁干扰一般覆盖信息传输的全过程,因此无线通信线路越长,其受干扰的风险也越高,影响程度越大。

3复杂电磁环境下干扰的类型与分级量化

3.1无线通信干扰类型

在复杂电磁环境下,干扰因素的生成方式多种多样,除自然因素所形成的干扰外,还包括了诸多人为因素,尤其是在军事领域内的敌对通信干扰,将成为无线通信技术面临的关键干扰因素。在复杂电磁环境下的无线通信中,敌方将试图通过信号干扰满足侦收、分析、识别与干扰需求,从而达到破坏我方无线通信体系的目的。常见的干扰类型包括窄带干扰、宽带干扰和跟踪式干扰等。其中,窄带干扰即专指在通信中产生的局部频段干扰,部分专用窄带干扰设备能够实现集中式的大功率干扰;宽带干扰主要是指对通信频段的大范围干扰,多频点的梳状干扰同属宽带干扰的一种,尤其是当宽带干扰达到全频段覆盖时,一旦干扰功率足够大,将形成阻塞式干扰,导致无线通信系统的崩溃;跟踪式干扰属于最具威胁的干扰方式,即干扰机在扫描分析信号后,在相同的中心频率上发射干扰信号,从而对跳频等通信方式形成干扰破坏。

3.2无线通信干扰分级量化

依据《战场电磁环境分类与分级国家军用标准》的权威评估标准,对于复杂电磁环境中的无线通信干扰进行了细致评估,尤其是针对战时条件下的复杂电磁环境,具有极强的指导价值和意义。其中,将其主要划分为四个等级,即重度、中度、轻度、简单。并且,由于战场条件下的复杂电磁环境具有较强的参考性,因此在分析中主要以战时标准进行分析。根据对复杂电磁环境干扰分级量化标准,对其部分变量进行如下假设:(1)时域假设,假设电磁干扰源与通信系统信号产生时间重合;(2)频域假设,假设电磁干扰源与无线通信设备频率处于接近状态,使各类干扰信号与通信频率产生碰撞;(3)能域假设,假设电磁信号干扰源满足无线信号最低干扰功率,形成对无线信号传输的有效干扰;(4)空域假设,假设在干扰源已经形成干扰的时机下,干扰机的位置配置仍具有较大选择空间,其干扰范畴最大概率取值为发信机至收信机的3.162倍。通过上述条件的确立,可建立通用电磁干扰环境等级划分标准,如表1所示。

4复杂电磁环境下无线通信抗干扰技术

4.1跳频技术

跳频技术的应用实现了无线通信抗干扰领域的实质性突破,由于其优异的抗干扰效果,受到了广泛的认可和欢迎,并被应用于微波、毫米波无线通信之中。从跳频技术的原理上讲,其主要是通过无线电频率之间依据特定规律进行跳变,使干扰信号难以进行干扰或者追踪,其抗干扰性远远优于固定频率无线信号,同时也实现了扩展频谱的目的。另外,跳频技术的抗干扰能力主要取决于跳频速度,即跳频速度与抗干扰能力之间成正比。在跳频过程中所获取的部分额外频谱,也将进一步提升抗干扰性,跳频频带宽则表示其抗干扰性越强。由此可见,跳频技术应用的关键在于提升跳频速度与跳频带宽,这将使跳频技术获得更佳的应用效果,特别是在复杂电磁环境下,跳频技术的升级和改善,势必为无线通信安全和可靠提供有力保证。

4.2扩频技术

所谓扩频技术即利用对无线电频谱的拓展,使有效信号被隐藏于频谱之中,从而增加了被跟踪或者截取的难度,无形之中提升了无线通信的安全性和抗干扰性,在扩频技术应用中的典型代表为CDMA通信。目前,直接序列方式属于扩频技术的常见方式,主要是指利用通信频谱的扩展,使传输信号功率谱密度有效降低,以此来提升无线通信的抗干扰性,并提升复杂电磁环境下的通信保密性。扩频技术同时还能够形成相应的组合,如跳频/直扩、跳时/直扩、跳频/跳时等。此类无线通信抗干扰技术被广泛应用于卫星通信及蜂窝通信中。

4.3智能天线技术

智能天线技术即利用现代智能化控制算法,以实现天线的定向波束传输,尤其是在传输过程中可以利用主瓣指向特定用户,而旁瓣或后瓣则指向非特定用户,在保证了自身信号传输质量的同时,还能够伺机对非特定用户进行一定干扰,极大改善了电磁污染问题。智能天线技术的出现,使无线通信抗干扰能力获得跨越式发展,其利用天线物理层面的控制,使天线的信噪比大幅增加,实现对不同方向干扰信号的抑制,从而获得了较好的抗干扰性。但智能天线技术仍然处于不断研究与发展阶段,其性能与需求仍有较大差距,如智能天线技术中的物理天线的设计要求天线波束能够尽可能变窄,而满足波束变窄的要求,则需要更多天线单元进行覆盖,从而增加了天线设计难度。随着智能天线技术的发展,更多先进技术被引入其中,如MIMO多天线技术能够利用OFDM以及空时编码技术,使系统的信道容量成倍增加,极大增强了无线通信抗干扰能力。

4.4混合技术

在复杂电磁环境下提升无线通信抗干扰能力,除了使用更多单一的抗干扰技术外,混合技术同样值得关注和应用。其具体的抗干扰思路即通过多种技术的混合应用,使无线通信能够应对不同场景下的干扰情况,以提升无线通信抗干扰的适应性,并且依托混合技术实现1+1＞2的效果。受制于单一抗干扰技术的缺陷,在不同的应用场景下将产生一定的局限性,而混合技术的适用性、灵活性与抗干扰性都更强,能够弥补单一技术层面的缺陷,使无线通信能够较好适应复杂电磁环境带来的影响。比如,在直接序列扩频与跳频技术的混合中,无线通信可实现信号处理增益,且能够获得更宽的频谱和跳频效果强化。

5无线通信在复杂电磁环境下的抗干扰保障措施

5.1加强宣传力度和群防意识

随着社会对无线通信技术的依赖性增强,无线通信干扰问题必须受到广泛关注,由此则需要增强民众的参与,扩大防治的覆盖面。比如,增强对无线通信安全的宣传,帮助普通民众深度了解无线电干扰的产生原理,以及其带来的安全隐患与危害,让更多的民众加入防范行为,避免无意识的无线通信干扰问题产生。

5.2严格治理无线电干扰源头

复杂电磁环境下,无线通信干扰问题尤为突出,尤其是对干扰源的控制与治理,将属于一项系统性、长期性工程,需要投入更大的精力与时间。对于主管机构而言,应当加强与相关职能、执法机关的配合,做好违法电台及干扰源的整治。此外,对信号干扰设备的生产端要进行规范,切实从源头上降低干扰风险[3]。

5.3注重无线电台站管理审批

相关通信职能部门在无线电台管理及审批环节,应注重综合因素层面的考虑,对地点颁布、覆盖范围、使用状况等进行筹划,确保无线电台与正常无线通信之间互不干扰,同时提升审批门槛,尽量避免新的干扰源产生,发挥净化电磁环境的作用。

6结语

伴随着社会科技的持续发展,无线通信技术将承担更重要的服务使命,尤其是无线通信规模的增加,通信环境日益复杂。在这种复杂电磁环境下,如何控制无线通信干扰问题必将成为重点,因此在实践中应从不同的技术层面综合研究,提出更多元化的抗干扰技术手段。特别是分析复杂电磁环境的特点、生成因素及控制方法,以此作为抗干扰技术发展的依据,使之不断适应全新的无线通信环境,提升无线通信的安全性、可靠性和抗干扰性。将无线通信抗干扰技术应用于军事领域,可以提升军队的信息化保障能力,推动强军目标的实现,彰显抗干扰技术的国防优势。

参考文献

[1]张兴,杜明星,魏克新.开关电源传导电磁干扰测试方法的研究[J].制造业自动化,2017,39(3):64-67+74.

[2]张桐,肖正庭,王成.无线通信设备的电磁干扰研究[J].通讯世界,2017(5):145.

[3]樊迪.抗电磁干扰措施在中短波广播发射中的应用研究[J].通信电源技术,2019,36(1):88-89.

作者：闵全 张格鹏 鲁晓飞 单位：中国人民解放军31619部队