不同隐蔽通信管控策略下的任务性能分析

高鹏程

（中国电子科技集团公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引言

目前飞行器上的全向通信系统为了保证自身的通信性能，一般以最大功率辐射，对自身辐射信号不必要的外泄缺乏充分考虑，造成飞行器平台在较远距离下被敌方侦察机截获，进而被定位攻击[1-2]。因此，机载平台全向通信系统的低截获（Low Probability of Intercept，LPI）措施（即隐蔽通信措施）尤为关键[3-5]，一般隐蔽通信措施包括4 类：（1）LPI 波形设计[6-8]；（2）功率控制[9-11]；（3）天线调零[12-13]；（4）定向通信[14-15]。对于全向通信系统而言，可采用LPI 波形设计和功率控制来实现隐蔽通信。LPI波形是由通信系统波形设计实现，而功率控制则涉及通信系统的使用、管控。根据已有文献，目前隐蔽通信的研究主要侧重于实现方法和低截获效果的评估，如文献[7]评估了直接序列扩频信号的低截获性能，文献[9]提出了基于混沌粒子群优化的低截获编队通信方法，而少有评估隐蔽通信管控策略下的通信系统任务性能。本文主要针对机载全向通信系统在不同隐蔽通信管控策略下的任务性能进行分析评估。

1 隐蔽通信的任务性能

隐蔽通信是指通信在保证不被敌方无源探测系统截获的前提下，最大程度地维持其任务性能。通信的任务性能包括作用距离、通信速率、误码率、通信时长等。

不考虑大气、雨、雾等衰减和极化失配，通信链路传播公式为：

转化为dB 的形式，有：

式中，Pt为发射功率，Gt为发射天线增益，Gr为接收天线增益，RD为作用距离，λ 为工作波长，Lt为发射损耗，Lr为接收损耗，PrminC表示通信接收机灵敏度，f 为工作频率。

通信接收机灵敏度和通信速率的关系为：

式中，NF为噪声系数；k 是波耳兹曼常数（1.38×10-23J/K）；T0为标准室温，一般取290 K；Rb为通信速率；Eb为每比特码元能量，N0为噪声单边功率谱密度，对于最小频移键控（Minimum Shift Keying，MSK）信号，其误码率，erfc 为互补误差函数。

综上，含通信速率、误码率、作用距离的通信链路传播公式为：

对于全向通信系统，不考虑大气、雨、雾等衰减及极化失配，截获链路传播公式为：

式中，GtI为截获接收机方向的发射天线增益，RI为截获距离，Pt为发射功率，PrminI为截获接收机系统（含天线）灵敏度。

对于给定的敌方探测系统，其与我方通信载机距离为d，限定我方通信载机不被截获，有：

记Pti为满足隐蔽通信要求的最大输出功率，有Pti=PrminI+20lgd+20lgf+32.44-GtI+Lt，则隐蔽通信对功能传感器的发射功率要求为Pt＜Pti。

同时，为了满足通信速率、误码率、通信距离的要求，发射功率必须满足Pt＞Ptc，其中，Ptc为满足通信要求的最小输出功率：

（1）当Ptc≤Pti时，任务性能和隐蔽通信不存在冲突，通信系统以发射功率Pti进行辐射。

（2）当Ptc＞Pti时，为了满足隐蔽通信要求，通信系统的任务性能必须降级。按照任务性能丧失的严重程度，有3 种降级方式：①降低通信速率；②增加误码率；③断网。

2 隐蔽通信管控策略下的任务性能分析

不同的隐蔽通信管控策略允许不同的任务性能降级，因此隐蔽通信的任务性能与隐蔽通信管控策略的选择息息相关。本文分别比较了通断管控、功率管控以及功率和速率联合管控3 种不同策略下的通信任务性能。

2.1 通断管控策略下的任务性能分析

通断管控是指机载通信系统辐射信号有无的管控。“通”是指机载通信系统工作于正常收发或“非静默”的状态，“断”是指机载通信系统工作于只收不发或“静默”的状态。隐蔽通信下的通断管控是指对于给定的敌方侦察机截获灵敏度，当通信载机与截获接收机的距离大于通信载机被敌方侦察机截获距离时，使机载通信系统处于“通”的状态；当通信载机与截获接收机的距离小于或等于通信载机被敌方侦察机截获距离时，使机载通信系统处于“断”的状态。

通断管控策略如图1 所示。

图1 通断管控策略

其管控步骤如下：

（1）根据隐蔽通信要求，如截获距离、截获接收机灵敏度，计算功能传感器最大辐射功率Pti；

（2）根据任务性能要求，如通信距离、通信速率和误码率限制，计算功能传感器最小辐射功率Ptc；

（3）若Pti≥Ptc，比较Pti与功能传感器最大辐射功率Pt0的大小，若Pti≥Pt0，此时功能传感器以Pt0辐射，否则，功能传感器断网；

（4）若Pti＜Ptc，功能传感器断网。

2.2 功率管控策略下的任务性能分析

功率管控是指机载通信系统辐射信号功率大小的管控。低截获性能优先下的功率管控是指根据敌方位置、灵敏度等参数，调整我方通信系统辐射功率，以保证我方通信系统不被敌方侦察系统截获；辐射功率的降低会影响链路的通信质量，导致误码率升高，通信系统会实时监测通信链路的误码率，当误码率超过事先设定的门限时，断开通信链路。功率管控策略如图2 所示。

图2 功率管控策略

其管控步骤如下：

（1）根据隐蔽通信要求，如截获距离、截获接收机灵敏度，计算功能传感器最大辐射功率Pti；

（2）根据任务性能要求，如通信距离、通信速率和误码率限制，计算功能传感器最小辐射功率Ptc；

（3）若Pti≥Ptc，比较Pti与功能传感器最大辐射功率Pt0的大小，若Pti≥Pt0，此时功能传感器以Pt0辐射，否则，功能传感器以Pti辐射；

（4）若Pti＜Ptc，功能传感器断网。

2.3 功率和速率联合管控管控策略下的任务性能分析

功率和速率联合管控是指对机载通信系统的辐射信号功率和通信速率的联合管控。低截获性能优先下的联合管控是指通信系统以不被截获的最大功率辐射，初始状态通信速率为最高挡，当误码率高于门限时，降低一挡速率，当通信速率为最低挡且误码率超过门限时断开通信链路。基于功率和速率的联合控制方案如图3 所示。

图3 功率和速率的联合管控策略

其管控步骤如下：

（1）根据隐蔽通信要求，如截获距离、截获接收机灵敏度，计算功能传感器最大辐射功率Pti；

（2）根据任务性能要求，如通信距离、通信速率和误码率限制，计算功能传感器最小辐射功率Ptc；

（3）若Pti≥Ptc，比较Pti与功能传感器最大辐射功率Pt0的大小，若Pti≥Pt0，此时功能传感器以Pt0辐射，否则，功能传感器以Pti辐射；

（4）若Pti＜Ptc，判断当前通信速率是否为最低挡；

（5）若当前通信速率为最低档，则判断可否允许提高通信误码率，若允许，则功能传感器以Pti辐射，否则，关闭功能传感器；

（6）若当前通信速率不是最低挡，则降低一挡通信速率，重复步骤（2）～步骤（5）。

3 仿真验证

仿真场景如图4 所示。

图4 仿真场景

我机编队保持间距400 km，突前通信载机1 与敌方侦察机初始间距500 km，相向飞行，速度均为1 马赫。在通信载机1 与敌方侦察机间距[500 km，100 km]的区间内，分别仿真功能传感器做通断管控、功率管控和联合管控3 种策略的情况。3 种策略下均保证我方通信载机不被截获，以通信时长作为任务性能度量指标，通信时间越长则任务性能越好。仿真参数如表1 所示。

表1 仿真参数

不同隐蔽通信管控策略下的传感器状态变化如图5～图7 所示。

图5 通断管控下的传感器状态变化

图6 功率管控下的传感器状态变化

图7 联合管控下的传感器状态变化

由图5～图7 可以看出，通断管控在飞行过程中传感器以最大功率/最高挡位速率辐射，保证飞行过程中的低可截获状态，在被截获前一个时间戳断网；功率管控在飞行过程中，传感器以不被截获的最大功率辐射，通信速率固定为最高挡，当误码率超过门限时断开；功率和速率联合管控在飞行过程中，传感器以不被截获的最大功率辐射，初始时刻通信速率为最高挡，当误码率高于门限时，降低一挡速率。

3 种管控策略均能保证传感器在考核区间内不被敌方无源探测系统截获，但3 种策略下的通信时长不同，仿真结果如图8 所示。

图8 不同策略下的通信时长对比

由图8 可以看出，通断管控策略的通信时长为240 s，功率管控策略的通信时长为342 s，功率和速率联合管控策略的通信时长为538 s。功率和速率联合管控的通信时长最长，为通断管控策略的2.24 倍，为功率管控策略的1.57 倍，可以在保证不被敌方无源探测系统截获的前提下，通过先降低通信速率，再允许误码率增加，最后再断网，以任务性能逐步降低的方式，尽可能地维持通信，提高了通信时长。

4 结论

本文研究了机载全向通信系统在通断管控、功率管控、功率和速率联合管控3 种管控策略下的任务性能，并针对典型作战场景进行了仿真，仿真结果表明功率和速率联合管控策略下的通信时间最长，任务性能最优。本文侧重于机载全向通信系统发射功率和通信速率的管控，下一步的工作重点为充分挖掘全向通信系统其他可管控参量，寻找最优的隐蔽通信管控策略。