通信电子干扰的分类与发展*

逄天洋 ，李永贵 ，牛英滔 ，韩 晨 ，夏 志

（1.陆军工程大学，江苏 南京 210000；2.南京电讯技术研究所，江苏 南京 210000）

0 引 言

随着军事信息系统的不断发展，无线通信的内涵也从早期的无线电通信扩展到其他利用无线电作为传输媒介的军事信息系统（如数据链、导航测控、情报侦察、敌我识别等），成为作战行动中网络信息系统不可或缺的组成部分。然而，因为无线通信具有空间开放性、频谱非合作性，所以成为各种干扰和非期望信号进入信息系统的渠道，是导致信息传输可靠性、安全性降低的主要环节。同时，无线通信网络体系框架、协议、波形体制等具有相对固定性的特点，理论上敌方可以通过情报搜集和相关技术侦察手段进行破析，并进一步引导干扰、欺骗、入侵、截获等其他电子攻击。因此，在网络信息系统中，无线通信实质上已成为防御最前沿、系统最脆弱、对抗最激烈的环节。特别是随着侦察、分析、干扰技术和装备性能的迅速提高，对无线通信的蓄意干扰已经从传统的阻塞式干扰变得越来越高效、智能。有效对抗敌方的智能干扰，已成为现代无线通信面临的严峻挑战，不得不深入研究并提高有效应对的方法。

现有文献已对无线通信中的智能干扰做了部分研究。文献[1]将常规干扰分为单音干扰、宽带干扰和部分时间干扰，并将智能干扰定义为攻击目标除物理层之外的其他高层干扰，指出智能干扰的目标是在增大隐蔽性的前提下最大化干扰增益，并给出了数据链路层、网络层、传输层等几种典型的干扰方式。文献[2]指出认知干扰机具备了认知无线电的能力，能够像次级用户一样通过感知、学习、决策来选择最佳干扰策略，从而应对不同的无线通信系统。文献[3]提出了由接收模块、发射模块、效能评估模块、干扰策略制定模块以及知识库等组成的智能干扰系统的架构，还提出了基于遗传算法的认知引擎技术，基本思想是把智能干扰系统类比为一个生物系统，将系统获得的威胁参数、采取的干扰策略等定义为一个染色体，利用遗传这种生物行为进行干扰策略的优化。文献[4]针对数字调制信号提出了一种最优干扰信号模型。此干扰信号能够根据通信信号的数字调制方式和信噪比范围，适应性地更改干扰信号模型参数。此种最优干扰使得通信信号即使在信噪比较高的条件下，误码率也不会有明显的下降。已有文献虽对智能干扰有所涉及，但并未对智能干扰进行严格定义，未描述与常规的基本干扰不同的特征，且不同的文献对智能干扰的分类方法也不尽相同。

因此，本文尝试对基本的干扰样式进行总结分类，并在此基础上对智能干扰进行定义，对其特征进行梳理。

1 电子干扰的分类与演变

电子干扰泛指一切影响和破坏电子设备对有用信号检测的电子辐射。在军事领域，它特指为削弱或破坏敌方电子系统对有用信号检测所采取的各种电子扰乱措施。

1.1 干扰的分类与特征

电子干扰的种类繁多，按干扰产生的机理分为有源电子干扰和无源电子干扰；按干扰的作用方式，分为压制性电子干扰和欺骗性电子干扰；按干扰的对象，分为无线电通信干扰、雷达干扰、无线电遥控遥测干扰、红外干扰、水声干扰和激光干扰等[5]。其中，它最主要的表现形式有两种——压制干扰和诱骗干扰。

（1）压制干扰

压制干扰主要有两个层面的定义。一是从能量域（全部时频或部分时频）压制有效信号，降低通信接收机输入端信噪比而降低接收性能，即压制干扰（常用信干比表示干扰与信号的数值关系，可以通过计算方法将其干扰作用折算成信噪比，类似的还有信纳德（Sinad）、信干噪比等），是最常见的方法；二是通过强信号进入接收机前端，导致接收机前端因过载、超出线性工作范围而失去接收功能，如针对具体目标设备的致盲、目标区域内的电磁脉冲炸弹等。

（2）诱骗干扰

诱骗干扰指利用通信模拟设备或干扰设备，发射与通信信号特征及其时序相吻合的信号，诱骗通信方台/站/网络/系统产生非预期响应，以达到牵制、隔离用户/设备，侵占设备频谱资源的系统攻击目标，或使通信方使用者产生错误行为而达到战术目标的一类干扰。由于干扰方电子伪装（隐蔽），通信方往往在不知不觉中被麻痹、被欺骗，很难直接体验到诱骗攻击的存在和威胁，因而近年来被重新发掘和大力发展（对于诱骗干扰的研究不在本文讨论范围内）。

1.2 压制干扰的发展演变

压制干扰主要分为阻塞压制干扰和瞄准式干扰。阻塞式干扰以带宽/功率/全时拦阻为特征，追求时频空（或部分）拦阻战术目标，如频段阻塞干扰、扫描干扰和高速碰撞干扰等；瞄准式干扰则是在对通信方充分侦察的条件下，将干扰功率集中在通信信号的工作频率（除频率外，瞄准式干扰的含义还可以延伸到其他通信参数或结构，如通信协议、网络层级结构等）上，在非工作频段之外的能量损失小，追求高效率的精确打击目标，如单音干扰、跟踪干扰等。显然，一般对抗情况下，敌方不会使用功率代价高、风险大、对已方影响大的阻塞式干扰，而是选择不断提高技术侦察手段，引导更加精准、高效的瞄准式干扰，使得干扰效果、费效比、已方电磁兼容、自身安全性都得到同步提高。

智能干扰并不是一种新的干扰手段或样式，是在对通信方通信行为、通信方式、通信参数（时间、频率、协议、路由等）进行深度认知、演习的基础上，对基本干扰手段的高效、灵活、集成应用。可依据干扰的战术目的确定干扰目标（链路、网络、系统、体系），再通过智能决策综合应用（配合、协作，定制波形（参数））基本干扰手段，对无线通信链路、网络、系统和体系实施最有效、精准和动态干扰。所有基本干扰样式、手段、使用方法策略，都是它的“工具箱”。可见，智能干扰是具有高效、损人又利己、效费比高、动态性强的一种干扰方式。它以战术目标驱动，在时频空功、网络、波形、系统等多维度干扰、综合运用的高级瞄准式干扰。图1为压制干扰发展演变的示意图。

图1 压制干扰发展演变

2 基本干扰样式

2.1 音调干扰

音调干扰是一种历史悠久的干扰波形[6]。它将所有干扰功率集中在一个（单音干扰）或几个（多音干扰）频率上。相对于部分频带干扰和宽带噪声干扰，音调干扰对己方通信系统的影响最小。为确保最佳干扰效果，干扰音调应瞄准目标通信频点。

2.2 宽带干扰

与单音干扰相比，宽带干扰（也称为阻塞式干扰）的干扰功率集中在一整段频率上[7]。当干扰的带宽与通信系统的工作频段带宽可比时，可称为宽带干扰。当宽带干扰的带宽在通信系统工作频段范围时，可称为部分频带干扰。宽带干扰在攻击窄带通信系统时，有良好的干扰效果。但是，当目标通信系统的工作带宽较宽时，干扰机想要覆盖通信系统的全部工作带宽，则需耗费更多的能量，这对能量受限的移动干扰机构成了很大挑战。同时，较宽的干扰宽带还可能会干扰己方的通信系统。

2.3 跟踪干扰

跟踪干扰主要针对跳频等具有频率捷变功能的通信系统。它的干扰信号的频率能够随通信系统工作频率的变化而变化。当干扰机的改频速度与通信系统的改频速度相当时，跟踪干扰就能够对通信系统实施精准的窄带干扰。

然而，跟踪干扰存在速度、距离等多维的局限性，使得跟踪干扰只能在一定地域起作用，这种限制关系称为干扰椭圆[8]，如图2所示。发射机、接收机和干扰机要满足以下关系式：

其中d1、d2、d3分别代表发射机到接收机、发射机到干扰机、接收机到干扰机的距离，c为电磁波传播速度，Tpr为干扰机需要的反应时间，Td为跳频周期，η为干扰系数。该方程的物理意义是，对于跳频通信系统，若要跟踪干扰有效，则跟踪干扰到达通信接收机的时延和受扰信号到达通信接收机时延之比，必须小于跳频周期与某个特定分数的乘积。

图2 干扰椭圆

2.4 脉冲干扰

脉冲干扰是指在一段时间内发射干扰信号而在其余时间内处于休眠状态的干扰方式，也称为部分时间干扰（Partial Time Jamming）。若脉冲干扰的信号与非脉冲的干扰信号具有相同的平均功率，则脉冲干扰在工作时的峰值功率更大，能在一定程度上节省能耗。脉冲干扰分为周期脉冲干扰和非周期脉冲干扰。周期脉冲干扰是指脉冲的持续时间和脉冲间隔都按一定周期循环；非周期脉冲干扰中的脉冲持续时间和间隔是根据情况而改变的。与周期脉冲干扰相比，非周期脉冲干扰的优点是可以自主调整干扰脉冲的位置和时间[9]，使得干扰机工作状态的持续时间内造成的误码刚好超过目标系统的容忍极限，并在其他时刻保持休眠状态，从而具有较高的干扰效率。

2.5 扫频干扰

扫频干扰的中心频率是以T为周期的连续函数：

干扰机以事先设定的速度、带宽和顺序对一定频谱范围内的信道进行周期性干扰。扫频干扰优点如下：它无需很大的干扰功率；它通过数字储频技术和合理的参数设置，可对多个不同通信系统进行有效干扰，较为灵活且自动化程度较高。

3 灵巧干扰

针对传统的阻塞干扰具有实现成本高、系统组成复杂、消耗功率大等局限性，灵巧干扰通过干扰通信链路中的关键信息或关键帧来达到“以小换大”的高效干扰效果，从而显著提高干扰效率。

3.1 同步干扰

通信信号的帧格式中均存在同步序列，且通信系统在完成对通信信号同步时才能传输有效信息。若通信系统未能实现通信信号的位同步、帧同步和载波同步[10]，接收到的信息是没有意义的。因此，对通信信号的同步序列进行干扰可有效阻断通信方的正常通信，并节省大量功率，干扰效率更高。根据干扰的同步序列不同，可分为载波同步干扰、比特同步干扰、字符（帧）同步干扰和跳频同步干扰等干扰样式。

3.2 高层传输协议干扰

以上所有的干扰方式都是针对目标通信系统物理层面上的攻击。对除物理层以外的高层（本文主要指数据链路层、网络层和传输层）也有不同的干扰方式，且这些干扰方式具有更好的干扰效果和更高的干扰效率。这些干扰方式的主要思路是针对高层传输协议的薄弱环节进行干扰和攻击，能够使得干扰机在消耗少量干扰功率的前提下，使得通信方的有效信息传输能力大幅度下降。

例如，IEEE 802.11的MAC层协议采用了载波监听碰撞避免机制[11]（CSMA/CA），可有效解决多节点组网通信的问题，如图3所示。

图3 CSMA/CA协议MAC层信息发送接收流程

然而，网络内的恶意节点（本文假设干扰方已经侦察或通过其他手段掌握了目标通信网络的组网协议并能够接入目标通信网络）可利用对CTS与ACK帧的间断压制干扰，使网络出现拥塞现象，造成网络内合法用户的信息传输中断。具体来说，有以下几种干扰方式。

（1）CTS帧干扰

在恶意节点接收到目标节点发出的RTS帧后，等待SIFS的时间间隔，发送一个短干扰脉冲来破坏CTS帧的传输，使得源节点的接收机长时间不能接收到CTS帧，使其无法发送有效数据。该种干扰样式可将目标节点的吞吐量降为0，且仅在CTS帧的传输时隙内发送干扰，能耗较少，干扰效率较高。

（2）ACK帧干扰

与CTS帧干扰相似，在恶意节点监听信道时，接收到目标节点发送的数据包，在等待SIFS时间间隔后，发送一个短干扰脉冲来破坏ACK帧的传输。发射机发送数据包后没有接收到ACK帧就会重传，如此往复，直到达到协议规定的重传次数上限时，发射机就会丢弃该数据包，迫使目的节点的吞吐量降低为0。

除针对数据链路层的干扰攻击外，还有针对传输层的灵巧干扰，如针对TCP协议拥塞控制机制的“shrew attacks”[12]。基本方法是利用周期为RTO（Retransmission Timeout，重传超时时间）的间歇性数据流对传输层的ACK帧进行干扰，目的是使TCP不断进入重传状态，从而阻断有效信息的传输。优点在于干扰数据的平均传输速率很低，不易被目标节点检测，并可使目的节点的吞吐量降为0。

4 智能干扰

简单来说，智能干扰机具有针对目标通信系统的实时态势感知、学习、决策等能力，能够适应不同的电磁环境和应对不同的干扰对象。从战术目的出发，通过时频空功、波形、网络、体系的多维度认知与学习，制定并执行不同的最优决策，实现最高效、高费效比、动态性强的干扰。

4.1 智能干扰定义

本文将智能干扰做如下定义：“智能干扰是具备认知与学习能力的、能够在复杂电磁环境下针对不同目标自主决策执行不同干扰策略的，以干扰策略的精准、高效、隐蔽为目的多维度、多层级、多手段的电子攻击方式”。本文将现有的认知干扰的概念与智能干扰的概念进行融合，认为认知干扰是智能干扰的一种基本能力，通过认知技术来获得目标信号的特征，根据不同的信号特征选取不同的决策方案并执行。相反，智能干扰要求对目标的认知程度更加深入（如网络层面、应用层面、协议层面等），对认知后得到的信息进行汇总、分类，找到目标的“薄弱点”，最终得到效率更高的干扰策略。

4.2 智能干扰的模型框架

本文提出的智能干扰框架，如图4所示。为达成战术干扰目标，以对环境条件、目标系统进行深度掌握为基础，以现有手段为（应用选项）支撑，综合应用现有手段、实施条件，最大程度地兼顾干扰费效比、实时性、自身安全（干扰机的隐蔽性、反辐射性、反摧毁性、以及己方无线用频系统兼顾等）等因素，达成干扰目的（形成感知、分析、决策、干扰实施、目标反馈的闭环干扰系统）。

图4 智能干扰框架

4.2.1 战术目标

通过对通信方的电子干扰，以达到骚扰通信系统、网系瘫痪、切断链路、干扰传输、信道拥塞、欺骗、劫持等目的。

4.2.2 智能干扰决策

智能干扰机通过对支援信息、感知信息、设备信息等的综合统筹规划进行决策，制定当前环境和当前战术目标下的最优策略，并下达给干扰发射模块。

支援信息。此模块主要包含历史情报的数据积累和实时侦察信息（非自主感知信息，是通过外部设备或人为输入的信息）。

认知与学习。此模块用来对无线环境中未知信号的感知，尤其是对来自目标频段的信号进行接收并分析处理，以获得目标通信系统的重要通信参数，如编码方式、调制方式、高层协议参数等，为干扰机实施精确干扰提供了重要的数据支撑。

力量资源。此模块包含了智能干扰机能够采取的所有干扰行动的集合（基本干扰手段构成的“工具箱”、装备的性能、能力、技术、战术手段、成熟的策略等）。

4.2.3 反馈机制

干扰信号发出并成功到达目标接收机后，干扰机通过通信方的通信效果来对此次干扰的效果进行评估（误码率、通信时间、干信比等参数）。并根据评估结果与战术目标的偏离程度大小，为决策器做出不同的决策指引[13]，优化下次干扰决策。

4.2.4 分层干扰决策机制

分层干扰决策机制从范围大小来划分，可分为单层级、跨层级和体系级。

单层级。干扰机通过认知、学习以及以往经验，判断通信方层级结构中的薄弱环节，利用干扰机的力量资源寻找适用的干扰手段，对通信方的某一单一层级进行干扰，达到阻断通信等战术目标。例如，文献[7]中的跟踪干扰是瞄准通信频率进行精准干扰，是典型的物理层干扰手段。文献[14]中的贪婪用户通过篡改MAC层协议的参数来获取更多接入媒介资源的机会，对通信方资源的占用导致其无法正常工作，是典型的针对MAC层的干扰。文献[15]是干扰方在特定时间高频率发送短脉冲，由于传输层超时重传机制使得通信方一直处于重传状态，最终导致通信失败，是典型的传输层干扰。

跨层级。由于通信方具备抗干扰功能，当干扰机通过反馈机制发现单层级干扰决策无法满足战术目标要求时，需要跨层级干扰联动来获取更高的干扰收益。文献[16]提出了认知无线网络中的物理层和MAC层联合干扰，对仅有单一抗干扰手段的通信方具有较好的干扰效果。

体系级。不同干扰机具有不同的干扰力量资源，干扰能力大小、范围都不尽相同。当单一干扰机无法通过跨层决策来满足战术目标需求时，需要利用功能不同的干扰机的协同合作来完善干扰体系的能力。体系级干扰的方法和跨层级大同小异，只是对抗的范围扩大，能够利用的干扰资源扩大。体系对抗时，全网系所有资源都为可用资源。

4.3 智能干扰特点

4.3.1 高效性

文献[9]提出了一种针对通信信号纠错编码能力的新型干扰样式。干扰机通过感知与预测模块得到通信信号纠错编码的纠错能力，计算得到此纠错编码能够纠正的最大错误比特数，仅需要发射能够干扰掉最大错误比特数的脉冲信号，就可以达到需要的干扰效果。由于智能干扰总能攻击目标节点的“要害部位”，故它能够以较小的干扰功率换取中断通信传输的效果，精准性强，干扰效率高。

4.3.2 隐蔽性

智能干扰机的第二个特点是隐蔽性——传统干扰信号易被检测，受扰通信系统也会很快调整工作方式。而智能干扰机可以克服这一难题，通过认知得到的目标系统的“薄弱”环节，成为智能干扰机的主要目标。利用较小功率对“薄弱”环节进行攻击，可以避免使用大功率的干扰方式，同时降低被发现的可能性。文献[16]利用物理层与MAC层的联合干扰，在联合干扰的干扰效果不变的前提下，分别降低干扰信号对物理层和MAC层的影响，使得通信方的检测系统对干扰的敏感度降低，达到隐蔽干扰的目的。

4.3.3 高相关性

相关理论已经证明，与通信信号相关性高的干扰信号的干扰效果是最优的[17]。智能干扰机在对通信方进行充分认知和学习后，可以产生与通信方信号高相关的干扰信号，获取最优的干扰效果。文献[18]提出了基于数字调制系统的最优干扰波形，从误码率最高准测出发，推导出不同调制信号有不同的调制方式的最优干扰波形的结论。在最优干扰波形的存在下，通信方即使在高信干比条件下，误码率也保持着较高的水平，具有较好的干扰效果。

4.4 智能干扰目标

智能干扰的目标有三个：最大化干扰收益、实时性和安全性。

干扰收益。本文定义干扰机的收益为“智能干扰机达到预期干扰效果所需要耗费的功率与传统干扰机达到相同干扰效果所需要耗费的功率之比”。智能干扰的目标是将干扰收益最大化。

实时性。传统干扰在认知能力上有所欠缺，因此很难在短时间内确定目标网络内的关键节点。考虑到干扰的时效性，传统干扰只能向网络中的所有节点都发送干扰信号，干扰效率低。智能干扰的优势在于能够通过认知得到关键节点的位置，干扰这些特殊的节点以获取更高的干扰收益（如在Ad-Hoc网络中有很多下属分支的中继节点）。

安全性。传统干扰的“暴力”性使其很容易被通信系统检测发现。而智能干扰能够使通信系统误认为通信性能的降低是由于链路拥塞或传输条件差等非人为因素，从而大大降低智能干扰机被发现的概率。

5 结 语

无线通信的恶意干扰已经由传统干扰、灵巧干扰发展为效能更高的智能干扰。智能干扰以其强大的认知能力，利用多层级、多维度的干扰策略，能够精准、高效、隐蔽的方式对目标节点通信系统实施干扰。本文按照智能性对传统干扰、灵巧干扰、智能干扰三种干扰式进行了分类介绍，着重介绍了智能干扰的定义、模型框架及特点。可见，智能干扰对目标通信系统的威胁性极强。因此，对于通信系统而言，如何高效准确地检测智能干扰及如何有效应对智能干扰已成为重要的研究课题。