数据链多域联合抗扰抗毁技术*
时间：2023-01-20 12:15:12 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
陈明德，王 群
（1.中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036；
2.中国人民解放军93128 部队，北京 100843）
战术数据链系统是用于传输高价值实时战术情报信息的关键战术信息系统，是敌方情报侦察、电子对抗、网络入侵和攻击系统的重点对抗对象，面临电子干扰压制、电磁兼容互扰、无线网络攻击等多重威胁，这要求数据链系统在复杂战场环境下具备较强的抗扰抗毁能力。因此，应通过高维强纠错编码、强干扰抑制、隐蔽通信波形、功率控制等手段，提高数据链系统在复杂电磁条件下的强抗干扰通信能力。同时，应采用鲁棒的网络拓扑结构和路由协议设计，这样在关键传输节点遭受火力打击或者网络攻击瘫痪时，网络拓扑能够自动调整，优化数据链信息传输路由，实现高强度对抗条件下的抗毁顽存。
本文在分析总结数据链系统抗扰抗毁能力需求的基础上，根据相关技术发展趋势，梳理影响技术路线选择的主要因素，提出多域联合设计的思路，即综合利用时间域、频率域、功率域、空间域、信号域、信息域、认知域和网络域等不同功能域的抗扰抗毁措施，在满足系统复杂度、成本、设备体积重量功耗、频谱资源等约束条件的情况下，实现数据链系统强抗扰和高抗毁，确保作战获取信息的真实性和准确性，以及信息传输的稳定性、可靠性和时效性。
1.1 外军数据链分类
从功能域划分，外军典型数据链系统可划分为指挥控制数据链、武器协同数据链和宽带数据链[1]。
指挥控制数据链主要用于支持战役指挥和控制、态势感知和战斗识别等。联合数据网内信息传输的时间为秒级，信息精度达到部队控制级。典型的指挥控制数据链有Link 16、Link 22 等。
武器协同数据链主要用于将战区内的所有传感器和武器连接成网络，在网络成员之间实时地传送并共享精确的传感器数据，可以生成单一综合图像，信息传输时间是亚秒级，信息精度达到了武器控制级。典型的武器协同数据链有战术瞄准网络技术（Tactical Targeting Network Technology，TTNT）、机间数据链（Intra-flight Data Link，IFDL）和多功能先进数据链（Multifunction Advanced Data Link，MADL）等。
宽带数据链主要用于支持战略级作战规划和态势感知，信息传输时间为几分钟，精度达到决策制定和部队协同所需的要求。典型的宽带数据链有通用数据链（Common Data Link，CDL）系列数据链等。
1.2 不同战场空间数据链抗扰抗毁需求
根据战场空间内敌方作战平台具备的电子支援措施（Electronic Support Measures，ESM）、电子对抗措施（Electronic Counter Measures，ECM）的能力强弱，将作战区域划分为拒止空间、竞争空间和自由空间，如图1 所示。
图1 作战区域划分
1.2.1 拒止空间
拒止空间处于敌方重点防护区域，在该区域内，敌方会部署大量的ESM 和ECM 资源，作战平台数据链通信信号很容易被侦测和干扰，且隐蔽攻击为典型作战样式，因此要求数据链在拒止空间中具有很强的抗截获能力。在敌方强侦收和强干扰条件下，应重点通过隐身通信技术实现编队内部和编队之间的隐蔽协同通信。
拒止空间内，一般使用IFDL 和MADL 等具备极强抗干扰和抗截获能力的定向体制武器协同数据链。IFDL 和MADL 是美军F22、F35 两型隐身作战飞机编队组网采用的协同数据链，是目前见到的唯一同时具有抗干扰、低截获、隐身通信能力的实装数据链系统。IFDL 和MADL 除采用传统的多进制扩频、高速跳频、跳时、高维编码、交织、分集发射等抗干扰措施，还采用了毫米波相控阵（或透镜）定向天线、自适应功率控制和低截获概率波形等复杂隐身通信技术，通过窄波束定向组网和低截获概率波形设计确保战术通信的隐蔽性，达到抗干扰、低截获通信的效果[2]。
1.2.2 竞争空间
竞争空间处于敌我双方交战区域，在该区域内，敌方部署的ESM 和ECM 资源有限，一般进行防区外干扰、防区内干扰和随队干扰。交战双方在基本暴露的电磁环境下，对作战平台数据链通信信号侦测和干扰的能力相对较强，数据链网络中的网络管理、时间基准、中继等重要网络节点较容易被摧毁，因此要求数据链系统在竞争空间内具有较强的抗干扰和系统抗毁能力。在敌方较强干扰的条件下，应通过跳频、扩频等抗干扰通信体制，实现作战平台之间的可靠通信；
同时通过重要网络节点自动或人工替换能力提升抗毁能力。
竞争空间内，一般使用TTNT、CDL 等具备较强抗干扰能力的数据链。TTNT 是一种全向体制武器协同数据链，采用统计复用多址组网协议，在物理层采用扩频、跳频、交织、强纠错编码基础上，通过接收机同时并行多频点联合检测和译码，进行干扰信号规避抑制和差错数据的校正，同时利用自组网体制提升网络抗毁能力[3]。CDL 是一种宽带数据链，广泛应用于各种情报侦察平台，特别是各种侦察监视无人机上[4]；
然而由于该系统的下行链路传输速率在100 Mbit/s 量级，占用的瞬时频带较宽，发射功率大，难以采用传统的扩频、跳频抗干扰措施，因此唯一可选的办法就是采用高频段窄波束定向天线，实现空域抗干扰。国外的Ku/Ka、毫米波、射频/激光混合、利用机载相控阵雷达的雷达数据链等系统，均是遵循这个思路发展的。对于上行控制、测量、监视链路，其传输速率在数百Kbit/s 至Mbit/s 量级，可以采用传统的时域、频域加空域组合抗干扰措施，以及Mesh 组网体制，辅助各种安全加密协议，提供极强的抗干扰、抗截获、抗摧毁和抗欺骗能力[3-5]。
1.2.3 自由空间
自由空间处于我方重点防护区域，敌方ESM和ECM 资源基本不能对我方作战平台数据链通信信号进行侦测和干扰，但我方ECM 资源可能会对数据链造成干扰。在自由空间中，传输方面重点需解决我方ECM 资源对数据链通信造成的干扰，可通过数据链工作频点切换、降低信息传输速率、增大发射功率、更换工作频段等手段提升数据链抗干扰能力；
组网方面应具备多频段、多信道综合组网能力，提升系统抗毁能力。
在自由空间内，一般使用Link 16、Link 22 等具备大用户容量且具备一定抗干扰能力的指挥控制数据链。Link 16 数据链将链路层和物理层抗干扰措施有效结合，采用伪随机码直接序列扩频、快速跳频、跳时、RS 纠错编码、信源编码、密码加密等抗干扰手段[6]。Link 16 快速跳频的跳速为76 923跳/s（51 个跳频频率），消除了跟踪转发式干扰的威胁，并且扩跳混合扩频信号具有较低功率谱密度和较低检测概率，有很强的抗突发干扰和抗随机干扰的能力。此外，通过跳时、多脉冲冗余发射、交织与纠错编码，可保证信号在传输过程中丢失30%的脉冲还能重新恢复报文。Link 22 采用多信道分布式动态TDMA 方式组网，并通过重构迂回链路规避干扰链路，具有网络抗毁能力。
2.1 多种手段联合应用的综合抗干扰技术
单一的技术措施很难实现有效的抗干扰功能，因此综合使用多种抗干扰手段，包括现有技术的组合应用以及新技术与传统技术的综合应用，使抗干扰效率最大化是今后数据链抗干扰的一个发展方向。综合抗干扰技术的实例化除了传统的直扩、跳频相结合的方式，还在不断出现一些新的联合抗干扰技术组合，如欧洲安全软件定义无线电（European Secure Software Defined Radio，ESSOR）项目所用的高速率波形，就综合应用了跳频、直扩、干扰对消等多种抗干扰手段，以及近年出现的非协作跳频、消息驱动的跳频等新概念[7-8]。
2.2 以网络抗毁为目标
多年以来，国外军队一直在不断改进数据链装备的性能，以有效提升通信的可靠性，但以往这种改进主要集中于单个数据链节点和链路上，没有基于整个数据链网络性能和网络泛在性所遇到的问题出发寻找解决途径。在信息化战争时代，数据链装备将以支持组网应用为最基本的需求，除了关注并继续提升物理层传输安全性能，探索并研究网络级的抗扰抗毁能力有着非常重要的意义。综合分析数据链网络体系易受干扰的薄弱环节，在整体上采取系统抗干扰措施，是未来信息化战场上实施一体化作战体系与体系对抗的客观要求[9]。
2.3 发展空时频联合抗干扰抗截获技术
数据链抗干扰抗截获是数据链网络安全的基础。随着通信抗干扰和频谱监控感知技术的不断演进，空时频联合自适应抗干扰技术的方法得到发展。抗干扰通信从传统的时频域扩展到空域，使得构建空域、时域、频域的联合抗干扰通信成为可能。利用空时频联合自适应抗干扰技术，可以使数据链通信系统更加适应复杂变化的电磁通信环境，更有效应对各种人为的敌意干扰，从而为作战平台提供高效可靠的通信保障，这对现有装备的性能提升及新型装备的研制都有重要意义。
2.4 更加强调和重视波形和算法的开发
随着数据链装备向着宽带、多通道、多模式的软件无线电方向发展，传统上通过专用设备实现的抗干扰功能将逐渐被多种综合性抗干扰波形代替，并且专用数据链端机的数量和品种将不断减少，并逐渐向多通道、多波形的通用端机发展。这一发展趋势将波形的设计和算法开发推到了比较重要的地位。回顾欧美各大防务公司的举措，大多是先提出新型波形，然后再据此开发各种不同体制的数据链装备。
2.5 向更高频段寻求解决方案
射频频谱日益拥堵且呈碎片化，而各种军事通信应用对无线电频谱资源的依赖程度越来越高，因此对射频通信信号的破坏或干扰可能会阻碍重要战略与战术无线通信链路。因此，军事通信领域开始探索并尝试向更高频段寻求通信解决方案。美国国防部高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）于2014 年6 月提出的“超宽带有效射频信息”项目就试图研究宽带扩频射频通信的可行性，其利用编码增益和自适应滤波，实现1 万～2 万MHz 频段的通信，并要求干扰抑制能力超过70 dB[10]。
2.6 隐蔽通信技术
要实施干扰，首先得了解被干扰方的信号特征，其次才能针对性地实施干扰，而隐蔽通信技术就是让对方发现不了自己，从而使对方无从干扰或需要付出相当大的代价才能干扰成功。随着隐身飞机的发展，隐蔽通信技术已成为近年国内外关注和研究的热点[2]。
抗扰抗毁体制是决定数据链系统传输、组网、应用性能的重要因素，直接影响着系统的可用性、先进性和合理性。数据链系统也有别于一般战术通信系统的独特需求和特色，必须系统综合考虑和合理折衷，以确定最有效合理的抗干扰技术体制。影响数据链抗干扰技术体制的主要因素[11-12]如下文所述。
3.1 可用频谱资源
划分的工作频段、与其他系统共享和分配频谱资源的方式（频分/时分、主用/次用、专用/共用）、允许的瞬时发射带宽、最大允许发射功率及功率谱、最大传输速率、多系统平台共址工作要求等，决定了是否可以采用基本的扩频、跳频或扩跳混合抗干扰体制，以及扩频带宽、跳频频点和跳频速率等基本参数。
3.2 最大允许同步时间
最大允许同步时间是数据链有别于一般战术通信系统的主要方面。数据链一般传输格式化战术消息，用户每帧传输的报文一般在数十至数百比特，占用传输时间一般在数毫秒至数十毫秒量级，属于典型的短突发传输模式，要求系统完成各种同步的时间控制在毫秒量级。因此，在考虑采用多域联合抗干扰以及认知抗干扰技术时，必须严格分析系统同步时间，确保满足数据链的这一特殊要求。快速对准、捕获、跟踪与同步，往往是数据链系统抗干扰的关键环节。
3.3 网络拓扑与网络架构
不同的网络拓扑结构，直接影响数据链网络的抗毁性和顽存性。采取合适的网络拓扑结构及网络智能算法可以实现网络拓扑结构信息的自动探测，并自动执行有效的控制方式，如自动路由选择、自动适应动态网络拓扑，从而提高数据链网自组织、自恢复能力，增强网络的重建性、网络扩容性和网络顽存性。
3.4 授时定位识别功能支持
除基本的通信传输功能外，数据链系统一般还需提供自主的授时、测距、测角、测速、定位与网内成员识别功能，需要在信号格式与组网协议设计中，选择能同时进行到达时延、到达方向、到达频差、到达相差以及其他高阶统计分量检测的复合信号波形，然而在无法采用直接序列扩频调制的情况下，如要达成上述目标，需要付出不小的代价。
3.5 系统兼容性
新型数据链发展面临现役数据链装备大批量应用的现实情况，必须在确保互联互通互操作的前提下实现新旧系统的混合组网，兼容工作，平滑过渡；
因此，需要在物理层、链路层、网络层、应用层采取跨层设计和综合集成措施，尽量选取具有向下兼容、可扩展的抗干扰传输波形体制。
3.6 平台适应性
数据链装备大量安装在各种高机动传感、指控、武器平台上，体积重量功耗受限，共址工作环境复杂，与平台其他系统深度交联；
因此，必须充分考虑装备的集成加改装环境限制，适应平台任务电子系统综合集成架构，在天线孔径、射频通道、信号处理、信息处理、系统管控、人机交互等方面分析论证抗干扰措施所需的资源需求和代价，对抗干扰体制和技术参数进行合理折衷。
数据链联合抗扰抗毁技术是通过时域、频域、空域、网络域等资源和处理域的综合叠加或随机切换来增加通信方信号空间的选择自由度，增加侦察干扰方发现、捕获、识别干扰的难度与概率，提升系统的抗扰抗毁性能。依据数据链抗扰抗毁能力需求，结合无线通信最新抗干扰技术，可从时间域、频率域、功率域、空间域、信号域、信息域、认知域、网络域等功能域，针对不同数据链的特点，进行数据链系统抗扰抗毁能力联合设计，如图2 所示。
图2 数据链多域联合抗扰抗毁设计思路
根据不同数据链系统特点和各种抗干扰技术措施的能力，未来数据链系统可采用的抗扰抗毁技术体制选择如表1、表2 所示。表1中数据1～30 表示选择的顺序，1表示首选，数字越大选择可能性越低。
表1 数据链系统典型抗扰抗毁措施分析
表2 数据链系统抗扰抗毁措施运用
总体而言，指挥控制数据链的主用抗扰抗毁措施是直扩（Direct Spread，DS）、跳频（Frequency-Hopping，FH）、DS+FH 以及各种改进增效技术，必须辅助各种交织、编码设计，依次可以增加跳时、速率自适应等时域抗干扰技术，干扰检测、自适应干扰对消、动态频谱接入、波形重构等认知域技术，中继路由、多信道综合组网、重要节点备份、无线入侵检测控制等网络抗毁技术，一般不采用定向窄波束、高频段、大功率发射等空域、功率域技术。
全向体制武器协同数据链的主用抗干扰措施也是DS、FH、DS+FH 以及各种改进增效技术，必须辅助各种交织、编码设计，依次可以增加干扰检测、自适应干扰对消、动态频谱接入、波形重构等认知域技术，猝发、速率自适应等时域抗干扰技术，功率自适应等功率域技术，自组织网络、中继路由、无线入侵检测控制等网络抗毁技术，一般不采用定向波束、天线调零等空域抗干扰技术。
定向体制武器协同数据链的主用抗干扰措施是高频段定向窄波束、自适应空间调零等空域技术，必须辅助交织、编码、DS、FH、跳时、功率控制等主要配套措施，依次可增加多进多出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）、正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）、定向强功率发射、中继路由等增效措施，一般不采用干扰对消等信号处理域及频谱监测、动态频谱接入等认知域抗干扰技术。
宽带数据链下行链路的主用抗干扰措施是高频段高增益定向波束传输等空域技术，辅助OFDM、MIMO、交织、高维强纠错编码、空时频编码功率控制等主要配套措施，可以增加多进制扩频、速率自适应、自适应干扰对消、信道实时探测、波形重构、自组织网络、中继路由、无线入侵检测控制等时域、频域、信号处理域、认知域及网络域抗扰抗毁措施，一般不采用扩频、跳频、猝发、跳时等传统抗干扰技术。宽带数据链上行链路的抗干扰措施选择与全向体制武器协同数据链类似。
本文重点研究了不同战场空间内外军典型数据链抗扰抗毁需求和采取的措施，总结了数据链抗扰抗毁技术发展趋势，梳理了影响数据链系统抗干扰抗毁技术路线选择的主要因素。针对指挥控制数据链、武器协同数据链和宽带数据链的不同需求，提出联合时间域、频率域、功率域、空间域、信号域、信息域、认知域和网络域等多个功能域，分析了数据链抗扰抗毁能力多域联合设计的思路，明确了各类数据链抗扰抗毁主用措施、辅助措施和增效措施，可为数据链系统总体设计提供参考。
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