基于OPNET仿真平台的弹载通信干扰机干扰敌跳频电台同步头的研究与实现*

张 杰，陈 栋，邵海霞

(1 陆军炮兵防空兵学院高过载弹药制导控制与信息感知实验室， 合肥 230031; 2 31441部队， 沈阳 110000)

0 引言

弹载式通信干扰机是用常规火炮、火箭炮发射，以弹药作为运载工具，将干扰机快速运载到敌目标区域，完成通信干扰任务的通信装备[1]。弹载通信干扰机主要以干扰敌跳频电台为主[2-3]。其简要工作流程如图1[1]。

图1 留空式干扰弹简要工作流程

由于大多数战术无线电台都工作在VHF频段(30～88 MHz)[4-5]，因此文中讨论的弹载通信干扰机的频段为1.5～120 MHz[6-7]，即涵盖1.5～30 MHz的整个短波波段和30～120 MHz的部分超短波波段。

1 传统跳频电台的干扰方式用于弹载通信干扰存在的问题

目前, 普遍认为对跳频通信实施有效干扰的方式有：跟踪式干扰、瞄准式干扰、阻塞式干扰、扫频式干扰[8]。

就传统干扰方式而言，对跳频电台采用瞄准式或跟踪式干扰并不难，关键取决于器件的信号处理速度能否满足要求。但是如果将传统跳频电台的干扰方式运用于弹载通信干扰，将存在以下几个问题：

第一，瞄准式干扰需要破译跳频图案，在实现瞄准式干扰之前，侦察、频率引导、信号监视这三部分是必不可少的，要想完成对目标的干扰，从瞄准式干扰中的引导接收机截获到目标信号开始到干扰机发射出干扰的这段时间越短越好，对干扰跳频电台来说，反应时间不能超过每跳的驻留时间的1/2[9]，否则干扰无效；以400跳/s的跳频电台来说，其跳频周期为2.5 ms，驻留时间一般按跳频周期的90%计算[10]，因此弹载通信干扰机的反应时间不能超过2.5 ms×0.9×1/2=1.125 ms。随着跳频电台的跳速越来越高，允许弹载通信干扰机的反应时间将会更短，这对弹载通信干扰器件的硬件处理水平是一个巨大挑战。

第二，跟踪干扰中的波形跟踪干扰从破译跳频图案着手, 以实现跟踪, 难度较大[8]；而跟踪干扰中的引导式跟踪干扰以时间为代价, 只要出现载频便快速引导干扰, 实现相对简单些, 但也不能实现100%的干扰效率[11]。与此同时，跟踪干扰还存在干扰跳速与跳频通信跳速、干扰信号传输时延与跳频通信信号传输时延、干扰信号功率与通信信号功率及跳频带宽与干扰机带宽等多种约束因素，并遵守干扰椭圆原理，这些都是跟踪干扰的弱点，往往在实战中难以获得预想的结果[5]。

第三，对于阻塞式干扰来说，如果是干扰电台的数据信息内容本身，则要求弹载通信干扰机每时每刻都在工作，直到电台不工作为止，根据误码率或误信率的干扰等级判别标准，虽然说不要求跳频频段内的每个频点都被干扰到，但是对弹载通信干扰机的干扰功率值是个不小的挑战。例如VHF频段，跳频频率为30～90 MHz，则有2 400个频道。若跳频电台发射功率为3 W，发射台到接收机的距离与接收机到干扰机的距离相等，则要求发射机的功率至少为7 200 W，相对带宽达100%(60 MHz中心频率)，这基本上是不可能的。即使有这样的干扰机，也难免受到导弹的攻击[12]。

第四，随着通信加密技术的提高, 要破译出通信信息内容往往需要很长时间, 时效性难以满足作战要求[13]。除此之外，通信信号不同于雷达信号，其技术参数差异小[14]。因此，在战时复杂电磁环境下，不管弹载通信干扰机采用瞄准式干扰或跟踪式干扰还是阻塞式干扰，对器件的信号处理速度和处理能力的要求都极高，时间和精度上也无法保证，实现难度较大。而且还必须采用PLL进行稳频，频率务必准确，才能保证发射信号不偏差，这也无形中增加了干扰机的总响应时间。

综上分析，文中讨论的弹载通信干扰机采用扫频式干扰方式。

2 弹载通信干扰机干扰敌跳频电台初始同步字头的设想

目前对跳频系统的干扰一般通过两方面实现：一个是对同步系统的干扰，一个是对通信信号的干扰。同步系统是跳频通信正常工作的核心，也是这种通信的薄弱环节，一旦遭到破坏，其通信就会完全瘫痪，可以使通信干扰在花费最小代价的前提下，达到最好的干扰效果[10，15-17]。

跳频通信系统中，同步过程分为同步捕获和同步跟踪两个阶段[18]。前者的目的是使接收信号与本地载波实现粗同步，后者则是使接收信号与本地载波实现细同步，即通过反馈环路使载波信号与接收信号波形保持高精度的对准。同步捕获是同步过程中的关键步骤，它要求收发端跳频序列的时间误差必须在一个允许的范围内，通常取值为小于1/2跳频周期。如果通过干扰敌跳频同步头，使得收发端跳频序列的时间误差不小于1/2跳频周期，则会破坏敌跳频通信系统的初始同步建立过程，说明前一次通信是失败的，而在电台尝试重新建立同步的过程中，弹载通信干扰机不需要发射干扰信号，这就会给干扰机带来难得的节省电量的机会，即干扰信号在电台开始正常通信之前已经干扰到初始同步信息从而导致电台需要重新建立同步。

3 基于同步头的弹载通信干扰系统在OPNET仿真平台下的模型构建

采用OPNET仿真平台[19-20]作为建模和仿真工具。

如图2所示，在OPNET环境下搭建了1.5～120 MHz波段弹载通信干扰系统，该系统包含一部1.5～120 MHz波段弹载通信干扰机和两组收发电台，即1.5～30 MHz短波跳频电台和30～120 MHz超短波跳频电台。由于文中主要是为了探求相比于干扰通信信号内容本身，弹载通信干扰机对敌跳频电台同步头的干扰效果，因此，从仿真模型的易构性和仿真过程的易懂性出发，被干扰电台采用鞭状天线[21]，同时不考虑短波的天波传播方式，即被干扰电台以地波传播中的直射波传播方式为主[2，5,22]。

图2 弹载通信干扰系统网络模型

3.1 干扰机节点模型

干扰机节点模型由干扰源模块source、短波无线发射机模块tx_1、短波天线模块antenna_1、超短波无线发射机模块tx_2和超短波天线模块antenna_2构成，如图3所示。

图3 弹载通信干扰机节点模型

其中，source用于产生扫频式弹载通信干扰信号，并按一定规律同时在短波和超短波频段内进行发送；tx_1用于在短波电台的工作频段发射干扰信号；antenna_1用于对短波干扰信号添加天线增益；tx_2用于在超短波电台的工作频段发射干扰信号；antenna_2用于对超短波干扰信号添加天线增益。

3.2 干扰源进程模型

该进程模型的有限状态机包括init状态、idle状态、sweep_tx_on状态、sweep_tx_off状态、pluse_tx_on状态、pluse_tx_off状态和off状态，如图4所示。其中，init状态负责读取配置的干扰机模型属性参数，对相关变量进行初始化；idle状态为该进程的空闲等待状态，在不同的事件触发下跳转至相应的状态执行对应的操作；sweep_tx_on状态为干扰机在扫频干扰模式下的工作状态，生成干扰信号后同时在短波和超短波的频段范围内按锯齿波的方式发送干扰信号；sweep_tx_off状态为干扰机在扫频干扰模式下的停止工作状态。

图4 干扰源进程模型

3.3 包格式模型[23-24]

3.3.1 时隙广播报文

该报文格式如图5所示，type字段表示报文的类型；source字段表示节点的MAC地址；slot_use_num字段表示节点在时帧内占用的时隙数目；slot_alloc_record字段存储分配的时隙情况；own_occupy_slot字段存储节点当前的时隙占用情况；neighbor_occupy_slot字段存储该节点的邻居节点的时隙占用情况；coll_slot字段存储节点与其他节点的时隙冲突情况；TOD字段封装了该节点要发送的同步广播报文。

图5 时隙广播报文格式

3.3.2 同步广播报文

该报文格式如图6所示，preamble字段表示该报文的前导码序列；syn_flag字段存储该节点的同步标识信息；network_id存储该节点所属的网络号；TODL字段存储该同步头的低段信息；slow_hop_stop_time存储慢跳频结束时间信息；time_priority字段存储该节点的优先级信息；routing_info存储该节点的路由信息。

图6 同步广播报文格式

3.3.3 同步响应报文

该报文格式如图7所示，src_id存储发起同步响应回复的源节点id信息；dst_id存储要响应的目的节点id信息；network_id存储该节点所属的网络号。

图7 同步响应报文格式

3.4 节点参数配置

3.4.1 干扰机参数配置

文中讨论的干扰机为悬浮式弹载通信干扰机，其参数设置主要包括：

1)ascent rate：节点的升降速度，单位m/s，这里取6 m/s;

2)Altitude：节点的初始离地高度，单位km，这里取3 km；

3)Batter Capacity：节点的电池容量，单位Ah，这里取10 Ah；

4)Cycle Time：扫频周期长度，单位s；

5)SW Bandwidth：针对短波电台进行干扰的频带宽度，单位kHz；

6)SW Base Frequency：针对短波电台进行干扰的基频，即起始频率，单位MHz；

7)SW Power：针对短波电台进行干扰的干扰信号发射功率，单位W；

8)Sweep Interval：干扰机的扫频间隔，即将干扰频带划分为多少份；

9)TOD Jammer Switch：同步干扰开关，开启该属性则干扰机干扰TOD同步信号，关闭该属性则干扰机只干扰数据信号；

10)USW Bandwidth：针对超短波电台进行干扰的频带宽度，单位kHz；

11)USW Base Frequency：针对超短波电台进行干扰的基频，即起始频率，单位MHz；

12)USW Power：针对超短波电台进行干扰的干扰信号发射功率，单位W。

具体配置如图8所示。

图8 干扰机参数配置

3.4.2 电台参数配置

(1)Transmitter：节点的发射机属性配置，主要包括：

1)Tx Bandwidth：发射机的工作频带宽度，单位kHz；

2)Tx Min Frequency：发射机的基频，即起始频率，单位MHz；

3)Tx Modulation：发射机的调制方式；

4)Tx Power：发射机的发送功率，单位W。

(2)Receiver：节点的接收机属性配置，主要包括：

1)Rx Bandwidth：接收机的工作频带宽度，单位kHz；

2)Rx Min Frequency：接收机的基频，即起始频率，单位MHz；

3)Rx Modulation：接收机的调制方式。

(3)MAC：节点的MAC层属性配置，包括：

1)Frequency-Hopping Interval Number：跳频间隔，即将节点的工作频带划分为多少个频点。短波和超短波电台分别取32和64；短波和超短波电台的信道间隔分别取100 Hz和25 kHz。

2)Frequency-Hopping Rate：跳频速率，短波和超短波电台分别取100 hops/s和500 hops/s；

3)Frequency-Hopping Set：跳频频率集，该属性为复合属性，可分别指定3个频率集的频点数Frequency Number和对应的密钥Key Word。同一频段内的电台只有所选的频率集一致，且该频率集内的频点数和密钥均一致时才能通信。具体配置如图9所示。

图9 电台参数配置(超短波电台)

4 仿真场景设计及结果分析

4.1 syn_hop_high_ant场景

该场景包括一个从离地3 km高处以6 m/s匀速下降的干扰机、一对相距5 km的短波通信电台和一对相距3 km的超短波通信电台，干扰机与短波电台组和超短波电台组均保持相同的距离，两组通信电台均开启了TOD同步和跳频功能，采用天线高架的方式。干扰机针对这两组通信电台同时实施扫频干扰。

全网业务收发吞吐量等仿真结果如图10～图16。

图10 全网业务收发吞吐量

图11 全网TOD同步头报文的投递率

图12 电台模型的信噪比

图13 电台模型的误比特率

图14 电台模型的丢包率

图15 干扰机模型的剩余电量

图16 干扰机模型的发送吞吐量

由仿真结果可见：短波电台和超短波电台改为采用天线高架的方式后，信号衰减程度降低，满足接收灵敏度的条件。由于开启了同步模式且同步头的投递率在50%以上[18,25-26]，使得干扰机一直保持工作状态对其实施扫频干扰，其发送吞吐量一直保持不变。由于开启了跳频机制，部分电台的跳频图案与干扰机周期性扫频的重合次数相对较高，使得信噪比偏低，误码率和丢包率较高(如超短波电台0和短波电台2)，而部分电台的跳频图案与干扰机周期性扫频的重合次数相对较低，使得信噪比较高，误码率和丢包率较低(如超短波电台1和短波电台3)。由于电台模型均存在同步头和数据包均被干扰的情况，导致一部分业务数据因未能同步无法传输，一部分业务数据被干扰机干扰而丢弃，使得全网的业务的接收吞吐量明显低于发送吞吐量。

4.2 no_syn_hop_high_ant场景

该场景包括一个从离地3 km高处以6 m/s匀速下降的干扰机、一对相距5 km的短波通信电台和一对相距3 km的超短波通信电台，干扰机与短波电台组和超短波电台组均保持相同的距离，两组通信电台均关闭TOD同步功能，开启了跳频功能，采用天线高架的方式。干扰机针对这两组通信电台同时实施扫频干扰。

该场景在上一场景的基础上，关闭了短波电台和超短波电台的同步功能，即将电台模型的SYN Mode设置为disable，同时将干扰机模型的同步干扰功能关闭，即TOD Jammer Switch设置为disable，其他属性参数与上一场景保持不变。

全网业务收发吞吐量等仿真结果如图17～图22。

图17 全网业务收发吞吐量

图18 电台模型的信噪比

图19 电台模型的误比特率

图20 电台模型的丢包率

图21 干扰机模型的剩余电量

图22 干扰机模型的发送吞吐量

由仿真结果可见：由于短波电台和超短波电台模型关闭了同步功能，干扰机也关闭了同步干扰功能，因此干扰机会一直保持工作，对电台模型的业务数据报文进行持续不断的扫频干扰。由于上述电台均开启了跳频功能，但超短波电台的发射功率相对较小，在干扰机的干扰下使得信噪比偏低，丢包率较高，而短波电台的发射功率相对较大，在干扰机的干扰下使得信噪比较高，丢包率相对较低。由于电台模型在干扰机的扫频干扰下均出现丢包，导致全网的业务收发吞吐量明显不一致，接收吞吐量仅达到发送吞吐量的一半左右。

4.3 syn_no_hop_high_ant场景

该场景包括一个从离地3 km高处以6 m/s匀速下降的干扰机、一对相距5 km的短波通信电台和一对相距3 km的超短波通信电台，干扰机与短波电台组和超短波电台组均保持相同的距离，两组通信电台均开启了TOD同步功能，关闭了跳频功能，采用天线高架的方式。干扰机针对这两组通信电台同时实施扫频干扰。

该场景在syn_hop_high_ant场景的基础上，关闭了短波电台和超短波电台的跳频功能，即将电台模型的Frequency-Hopping Function设置为disable，其他属性参数保持不变。

全网业务收发吞吐量等仿真结果如图23～图28。

图23 全网业务收发吞吐量

图24 全网TOD同步头报文的投递率

图25 电台模型的信噪比

图27 电台模型的丢包率

图28 干扰机模型的剩余电量

图29 干扰机模型的发送吞吐量

由仿真结果可见：由于电台间关闭了跳频功能，仅开启同步模式，使得干扰机在扫频干扰的过程中当同步头的投递率达到50%以下，间歇性的停止干扰，使得干扰机的干扰发送吞吐量比之前的场景要明显降低。由于电台没有了跳频抗干扰的机制，使得所有电台均容易被干扰机干扰到，其信噪比都有所下降。

4.4 不同场景统计结果对比

干扰机模型的剩余电量等对比如图30～图33。

图30 干扰机模型的剩余电量对比

图31 干扰机模型的发送吞吐量对比

图32 电台模型的信噪比对比

图33 电台模型丢包率对比

通过场景对比可以发现：开启同步功能的时候，由于干扰机模型主要以干扰同步头为主，因此电量损耗较少，发送的干扰吞吐量也偏低。在开启跳频功能的条件下，通信电台的抗干扰能力提升，其信噪比相对较高，而误码率则相对较低。

5 结论

提出了弹载通信干扰机干扰敌跳频电台初始同步字头的设想，不仅会节省受限弹载空间下的干扰电量输出，而且只要初始同步信息被干扰到一定比例，即同步头的投递率达到50%以下，从而导致收发端跳频序列的时间误差不小于1/2跳频周期，就会导致电台重新建立同步，远远强于传统针对信息内容本身的压制式通信干扰。当然，成功对跳频电台的同步字头进行干扰需要做好两方面工作：一是找准传送同步信号频道、发送时刻和发送规律；二是需要设计一种基于电量控制输出模式的弹载通信干扰机。