无线通信传输抗干扰关键技术研究

汪琛龙

(河南大学 欧亚国际学院，河南 开封 475001)

当前，计算机通信技术不断发展，智能终端普及，信息通信传输在许多领域得到广泛运用。相对于有线通信，无线通信能够通过公共空间中的无线电波进行信号传输，不再局限于封闭的环境内。但是无线通信容易受到外界的干扰，降低整个系统的性能。抑制干扰对无线通信传输的影响，提高传输的可靠性，实现信息安全，对安全生产十分重要。

1 干扰因素

无线通信传输的干扰源分为两类：第一类来自通信系统内部，包括大气噪声和工业干扰，这类干扰是不可避免的，它可能发生在任何无线通信传输网络中。第二类来自一些人为干扰。从干扰结果，可以将干扰分为“非致命干扰”和“致命干扰”。“非致命干扰”包括抑制干扰、欺骗干扰、屏蔽干扰；“致命干扰”包括利用射频干扰武器等，典型的手段有缔结电磁炸弹、大功率微波武器。本研究重点分析第二类干扰及其解决方案。

1.1 抑制干扰

抑制干扰主要是目标干扰、阻塞干扰和追踪干扰。它通过干扰频率和占用与信号相同的频率，使用较多的干扰功率来恶意阻塞通信信道，使信号无法被正确调制。这种干扰影响大，但是需要得到非常精确的频率，很多情况下，需要装备能够引起干扰频率的设备。

阻塞干扰也称窒息干扰，干扰信号的频谱宽度需要覆盖整个通信频率，这种干扰装置不需要发射非常精确的频率，可以同时阻塞多条无线电。但是这种干扰需要大功率设备，并且自身的无线电工作频率会落入干扰频率中。

追踪干扰的特点是根据干扰的变化及时改变无线电工作频率，可以在许多通信系统中产生更强的干扰效果。

1.2 欺骗干扰

欺骗干扰包括传输欺骗和做出回应欺骗。在这种干扰中，干扰器分析信号幅度、相位和频率，然后根据实际信号和阻塞产生错误信号。

1.3 屏蔽干扰

屏蔽干扰属于被动干扰，主要包括箔片干扰、电离气体干扰和烟雾干扰。这种干扰在通信信道中释放一些特殊屏蔽材料，使信号剧烈衰减。通过该方式，可在特殊时间达到目的。

1.4 “致命干扰”

有效的干扰功率一般低于千瓦级，但是“致命干扰”功率一般大于兆瓦级，可将其命名为射频干扰武器。射频干扰武器比一般电磁干扰具有更高功率，产生的脉冲可以摧毁任何电子设备。典型代表包括电磁炸弹、高功率微波武器和超宽带干扰机。

2 抗干扰策略

2.1 抗抑制干扰技术

抑制干扰的基本原则是使用更高功率堵塞通信渠道。实际上，干扰宽带和干扰功率是一个矛盾。如果干扰机具有宽的工作频带，则干扰功率不可能更高。

2.1.1 抗目标干扰技术

抗目标干扰解决方案是扩频通信技术。在扩频通信系统中，基带频谱通过扩频序列扩展到几十倍甚至几百倍，扩频序列在发送端具有非常宽的频谱。在接收器终端，接收信号由相同的扩频序列解扩，并同时扩展干扰信号[2]。整个过程集中了接收信号的功率并降低了干扰信号的功率，对抗目标干扰有更好的效果，如图1所示。

图1 扩频前后特征频谱图

另一种有效的抗干扰策略是用自适应零天线阵列作为接受天线，根据实时情况调整天线阵的方位，增强信号，抑制干扰。根据信号干扰的不同，可调整天线阵的内部参数，使主瓣瞄准信号的方位，而边缘瞄准干扰的方位。

2.1.2 抗阻塞干扰技术

跳频通常可以有效地对抗实际通信系统中的阻塞干扰。扼流干扰信号的能力和宽带是相互制约的，跳频的工作频率是连续变化的。因此，阻塞干扰只阻塞工作频率的一部分，跳频可有效抗扼流圈塞。

2.2 抗欺骗干扰技术

欺骗干扰的基本特征是干扰信号基于原点信号，根据改变原点信号的幅度或相位可以确定欺骗干扰信号。抗欺骗干扰的常见方案是通信抗干扰逆技术，在接收器端构造一组信号和干扰，并从信号和干扰的混合波中搜索原始干扰。框架如图2所示。

图2 抗欺骗干扰框架图

接收器信号是欺骗干扰信号与噪声的集合。通过信号和干扰完整的设置，可以消除混合信号中的干扰信号。通过该方式，可消除错误信号并抗欺骗干扰，该方案的关键技术是如何找到一套完整的信号和干扰。

2.3 抗“致命干扰”技术

电子脉冲可以破坏保护装置，如保险丝，并使得通信系统间歇性失效。可采用一些保护性的解决方案，如屏蔽，分离和过滤掉抗电子脉冲干扰[3]。对于重要的电子设备，可使用具有较高抗电子干扰能力的特殊电子设备，如用光纤代替电缆。

2.4 抗干扰混合技术

2.4.1 干扰自适应技术

干扰自适应是采用不同抗干扰解决方案对抗不同干扰的手段。在实践中，常采用干扰自适应跳频，无线电根据恶意干扰频率自动选择频率信道。

2.4.2 窄带干扰抑制技术

扩频通信系统与当前窄带无线电具有较好的兼容性，但是存在窄带干扰的问题。尽管DS-SS系统具有克服窄带干扰的一些能力，但当干扰功率高得多或者扩展增益不足以进行干扰时，需要新技术来克服窄带干扰，改善系统的稳定性。抗窄带干扰的解决方案是在解扩之前进行干扰抑制[4]。常见的技术就是干扰消除，根据历史样本评估当前样本，由于窄带干扰的相关性具有峰值，但DS相关性非常平坦，所以可以取消窄带干扰信号。

3 抗干扰新技术及发展趋势

3.1 抗干扰新技术

3.1.1 实时抗干扰MIMO-OFDM无线通信系统

由发射器、接收器和高功率宽带无线电干扰器组成，通过利用Wi-Fi设备上的多个天线进行干扰攻击，开发了一种干扰抑制算法，它可以消除信号，并从合法的发射机中恢复所需的信号。与现有的干扰抑制算法相比，它依赖于精确的干扰信道比的可用性，所提出的干扰消除算法，不需要任何信道信息。它开发了一种抗干扰接收器，保证合法的Wi-Fi通信免受恒定宽带的影响，可以在存在多个未知干扰信号的情况下解码来自合法发射机的数据包。

3.1.2 拒绝服务攻击

攻击者有目的地发射射频信号以破坏正常节点之间的无线传输。攻击者首先会破坏某些合法的传感器节点以获取传感器网络的公共加密信息，然后通过这些受损节点阻塞网络。传感器网络的物理通信信道由所有传感器节点共享的组密钥确定。当发生内部干扰时，网络将生成新的组密钥，仅由非受损节点共享。之后，内部干扰器被撤销，并且将无法预测未受损节点使用的未来通信信道。

3.1.3 改变微波通信链路

微波通信链路中继所需信号的主波束和旁瓣干扰信号的隔离是通过包括扁平天线罩、弯曲反射器和发射偶极子的抗干扰天线实现的。位于偶极子附近的是单脉冲馈电和主波束干扰比较器(双平面单脉冲，多模多层馈电)。形成集成天线一部分的还有用于近旁瓣和远旁瓣干扰的辅助单元。由于微波通信链路中所需输入信号的方向是精确已知的，因此抗干扰天线使用方位角和仰角单脉冲在期望输入信号和干扰信号之间进行空间区分。

3.1.4 抗干扰通信效能

低复杂度的无线通信系统抗干扰能力评估方法，称为抗干扰通信效能(CEAJ)。 CEAJ包括躲避和抑制干扰的有效性两个方面，在两个方面都考虑了几种抗干扰技术的影响。 典型无线通信系统的数值示例表明CEAJ提供了直接的计算。 此外，CEAJ在不同的无线通信系统中是有效的。

3.1.5 差分FH系统

由于其跳频速度快，因此具有良好的跟踪抗干扰性能。 但是，它在抗单音干扰方面很弱。 基于FH和DFH的这些问题，描述了一种新的FH系统， 分析和仿真表明，与传统的FH系统和差分FH系统相比，新的FH系统在防跟踪和反单音干扰方面更有效。

3.1.6 无线通信系统评估分析

在分析层次过程(AHP)的基础上，构建了一套不良电磁环境下无线通信系统评估指标。此外，还有一套评估模型。 提出了无线通信系统的抗干扰效果。通过归一化处理，利用该模型可以评估无线通信的基本要素及无线通信系统在各种对抗条件下的抗干扰能力。仿真结果表明了改进无线通信系统的有效性。 通过评估模型和干扰检测方法相结合，实现了系统的抗干扰能力。

3.2 发展趋势

(1)将在线优化理论引入到解决方案中，基于UFH的抗干扰通信进行全面的定量性能表征。 实现渐近最优，并在不同的信息编码场景下分析证明了它的最优性。 进行广泛的模拟评估，以验证在遗忘和自适应干扰策略下的理论分析。

(2)轨道角动量(OAM)为无线通信提供了新的角度/模式尺寸，为抗干扰提供一种有效的方法。使用OAM模式的正交性来进行无线通信中的抗干扰和多用户场景的误码率(BER)的闭式表达式。

(3) 博弈理论被提出作为处理干扰问题的有力工具，可以将其视为玩家(干扰者)正在与用户(发射器)对战。与现有结果不同，提出博弈框架，用于对发射机与干扰机之间的交互过程进行建模，得到了线性约束下Nash均衡(NE)策略的充分必要条件。

4 结语

本研究主要介绍无线通信传输中的主要干扰因素，根据因素特点对其进行了分析研究，得到抗干扰关键技术。干扰和抗干扰之间的博弈没有完全的赢家，干扰技术和抗干扰技术都在不断提高，只有不断分析干扰特性，研究抗干扰技术，才能持续提高无线通信传输的可靠性和稳定性。