無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈抗干擾技術(shù)發(fā)展綜述

無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈承擔(dān)著無(wú)人機(jī)指揮控制和信息傳輸?shù)闹匾蝿?wù)，是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分。近年來(lái)，無(wú)人機(jī)在軍事和民用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈在復(fù)雜環(huán)境下的安全性、可靠性和適應(yīng)性提出了更高的要求。本文闡述了軍用和民用領(lǐng)域無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)了無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈面臨的挑戰(zhàn)以及無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈抗干擾的關(guān)鍵技術(shù)。

1、無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的發(fā)展歷程

由于在無(wú)人機(jī)早期發(fā)展過(guò)程中軍用無(wú)人機(jī)占據(jù)了主導(dǎo)地位，導(dǎo)致了不同國(guó)家、不同無(wú)人機(jī)平臺(tái)上使用的數(shù)據(jù)鏈類型各異，并且隨著無(wú)人機(jī)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈在使用的頻帶、調(diào)制方式上也進(jìn)行了數(shù)次重要的改變。

1.1 視距數(shù)據(jù)鏈和超視距數(shù)據(jù)鏈

從無(wú)人機(jī)與指揮控制站之間的距離是否通視來(lái)分類，無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈主要分為視距鏈路（RF-LOS）和超視距鏈路（BLOS）。

在視距鏈路類型中，不同的數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)褂昧藦牡皖l到C波段之間的不同頻率。而C波段（4 GHz～8GHz）因不易受到極端天氣的影響從而成為目前大多數(shù)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈采用的頻段，其中下行鏈路使用3.7～4.2GHz，上行鏈路使用5.9～6.4GHz。根據(jù)公開(kāi)的文獻(xiàn)資料顯示，視距鏈路使用C波段的有水手無(wú)人機(jī)（Mariner）、捕食者無(wú)人機(jī)（Predator）和牽牛星無(wú)人機(jī)（Altair）等大型無(wú)人機(jī)。而一些小型無(wú)人機(jī)的視距鏈路則使用UHF波段（300～1000MHz），比如掃描鷹無(wú)人機(jī)（ScanEagle）、地球漫游者無(wú)人機(jī)（Georanger）、子午線無(wú)人機(jī)（Meridian）、陰影無(wú)人機(jī)（Shadow）和大烏鴉無(wú)人機(jī)（Raven）。

在超視距鏈路類型中，數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)褂玫念l段包括UHF波段、L波段（950～1450MHz）和Ku波段（12MHz～18GHz）。以全球鷹無(wú)人機(jī)（Global Hawk）、廣域海上監(jiān)視無(wú)人機(jī)（BAMS）和捕食者無(wú)人機(jī)（Predator）為代表的長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)使用Ku波段作為超視距鏈路，其中上行鏈路為11.7～12.7GHz，下行鏈路為14～14.5GHz。而中低航時(shí)的無(wú)人機(jī)的超視距鏈路一般使用L波段的衛(wèi)星通信鏈路。

不同無(wú)人機(jī)平臺(tái)視距鏈路和超視距鏈路使用的頻段總結(jié)如表1所示。

1.2 單載波數(shù)據(jù)鏈和多載波數(shù)據(jù)鏈

從數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)褂玫恼{(diào)制方式來(lái)分，無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈分為單載波傳輸數(shù)據(jù)鏈和多載波傳輸數(shù)據(jù)鏈。

單載波傳輸數(shù)據(jù)鏈的發(fā)展過(guò)程中最早出現(xiàn)的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)是由美國(guó)航空無(wú)線電公司（ARINC）于1978年發(fā)展出來(lái)的通信尋址與報(bào)告系統(tǒng)（ACARS）。ACARS最早并至今仍用于有人駕駛飛行器與地面控制站的通信中，后來(lái)被應(yīng)用于無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。ACARS使用了幅度調(diào)制的模擬無(wú)線電信號(hào)并工作在高頻（HF）、甚高頻（VHF）和衛(wèi)星通信（SATCOM）頻段。在20個(gè)世紀(jì)90年代，ACARS數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)應(yīng)用了數(shù)字無(wú)線電并被稱為甚高頻數(shù)字鏈路（VDL）。VDL依次發(fā)展出了VDL1、VDL2、VDL3、VDL4四個(gè)版本，其中VDL1和VDL3并沒(méi)有投入實(shí)際使用，而VDL2用于飛行器和地面控制站之前的通信，而VDL4可以用于飛行器與飛行器之間的通信。由于VHF波段比較擁擠，所以基于VDL2和VDL4，工作在L波段的LDL2和LDL4在后來(lái)被學(xué)者提出。

1998年，休斯網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)公司基于全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）發(fā)展了一種擴(kuò)展時(shí)分多址（E-TDMA）數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。這個(gè)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是使用專用和請(qǐng)求式時(shí)隙的多個(gè)服務(wù)質(zhì)量等級(jí)的應(yīng)用，而這一關(guān)鍵技術(shù)被應(yīng)用于采用時(shí)分復(fù)用（TDD）技術(shù)的通用多信道航空通信系統(tǒng)（AMACS）和由歐洲空域航行安全組織（EUROCONTROL）提出的基于L波段的1型數(shù)字航空系統(tǒng)（L-DACS1）。

第三個(gè)單載波傳輸數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)是于2002年提出的通用接入收發(fā)系統(tǒng)（UAT），UAT工作在978MHz頻段并使用一個(gè)3MHz的信道提供峰值速率為1MHz的服務(wù)。UAT同樣是一個(gè)TDMA系統(tǒng)。

第一個(gè)多載波傳輸數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)是由歐洲第六框架工作組（EP6）提出的寬帶甚高頻（B-VHF）系統(tǒng)，該系統(tǒng)工作在118～137MHz的甚高頻頻段并使用多載波碼分多址（MC-CDMA）、TDD和正交頻分多路復(fù)用（OFDM）技術(shù)，其中每個(gè)子載波的間隔是2 kHz。因?yàn)閂HF頻段比較擁擠，所以學(xué)者基于B-VHF發(fā)展了工作于L波段的寬帶航空多載波（B-AMC）系統(tǒng)，B-AMC摒棄了CDMA技術(shù)而保留了OFDM技術(shù)，而考慮工作頻率的增加使多普勒頻移的增加，每個(gè)子載波的間隔擴(kuò)展為10 kHz，且考慮到系統(tǒng)容量，B-AMC使用了應(yīng)用頻分復(fù)用（FDD）技術(shù)的兩個(gè)信道。

第二個(gè)多載波傳輸數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)怯?a target="_blank">電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）和通信工業(yè)協(xié)會(huì)（TIA）提出的用于公共安全無(wú)線電系統(tǒng)的P34。P34覆蓋了187.5 km的扇形區(qū)域并應(yīng)用了OFDM技術(shù)。

由EUROCONTROL提出的基于L波段的2型數(shù)字航空系統(tǒng)（L-DACS2）是以前兩種多載波傳輸數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)所采用的技術(shù)和WiMAX為基礎(chǔ)、應(yīng)用OFDM技術(shù)的第三種多載波傳輸數(shù)據(jù)鏈。

文獻(xiàn)［5］總結(jié)了用于無(wú)人機(jī)的單載波和多載波數(shù)據(jù)鏈的發(fā)展歷程，如圖1所示。

2、無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈抗干擾面臨的挑戰(zhàn)

設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈要比設(shè)計(jì)其他無(wú)線通信系統(tǒng)更為復(fù)雜，在抗干擾方面無(wú)人機(jī)面臨的挑戰(zhàn)有信息遠(yuǎn)距離傳輸帶來(lái)的路徑損耗、傳播途徑中的障礙物造成的衰落、無(wú)人機(jī)的高速運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的多普勒頻移、復(fù)雜的頻譜環(huán)境帶來(lái)的干擾和阻塞。

2.1 鏈路遠(yuǎn)距離路徑損耗

無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)所面臨的最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)是信息長(zhǎng)距離的傳輸，長(zhǎng)距離的傳輸會(huì)給數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的性能帶來(lái)以下幾方面的挑戰(zhàn)：

（1）功率衰減和頻譜效率的降低。IEEE802.11無(wú)線傳輸鏈路也就是俗稱的WiFi只能覆蓋100m范圍，而后來(lái)發(fā)展的IEEE802.16也就是俗稱的WiMAX在鄉(xiāng)村地區(qū)可以覆蓋3km而在城市地區(qū)可以覆蓋1km，以上的覆蓋范圍同樣適用于3GPP LTE。一般的航空數(shù)據(jù)鏈路要求覆蓋360km的范圍，所以使用這些傳統(tǒng)的無(wú)線通信鏈路來(lái)實(shí)施長(zhǎng)距離的測(cè)控和傳輸會(huì)造成嚴(yán)重的功率衰減和極低的頻譜效率。文獻(xiàn)［8］顯示，WiMAX網(wǎng)絡(luò)可以在0.9km的范圍里實(shí)現(xiàn)3bps～5bps/Hz的頻譜效率。對(duì)于遠(yuǎn)距離傳輸而言，頻譜效率將會(huì)更低。

（2）傳輸延遲。信息遠(yuǎn)距離的傳輸還會(huì)造成嚴(yán)重的來(lái)回傳輸時(shí)間的延遲而使通信保護(hù)時(shí)隙大大增加。相比于WiMAX網(wǎng)絡(luò)在5km范圍內(nèi)17μs的延遲最低要求，電磁波單向傳輸360km則需要1.2ms。

（3）此外，信息的長(zhǎng)距離傳輸會(huì)增加系統(tǒng)誤碼率、減少接收機(jī)信噪比、增加數(shù)據(jù)包的丟失概率。

2.2 無(wú)人機(jī)平臺(tái)的高速運(yùn)動(dòng)

無(wú)人機(jī)的高速運(yùn)動(dòng)可以給接收機(jī)帶來(lái)多普勒頻移，而多普勒頻移的大小和運(yùn)動(dòng)速度成正比而和波長(zhǎng)成反比。可以計(jì)算出L-DACS1在速率為600km/h以及工作頻段為1164MHz時(shí)的多普勒頻移為1213Hz，而WiMAX在速率為100km/h以及工作頻段為2.5GHz時(shí)的多普勒頻移為231.5Hz。因?yàn)殡姶挪l率和波長(zhǎng)成反比，因此對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的無(wú)人機(jī)而言，工作頻段越低多普勒頻移越小，但是低頻段的頻譜資源又非常緊張，所以無(wú)人機(jī)的高速運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的多普勒頻移對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

2.3 鏈路中障礙物引起的衰落

無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用的主要頻段為微波（300MHz～3000GHz），因?yàn)槲⒉ㄦ溌酚懈叩目捎脦?，但是微波頻率高、波長(zhǎng)很短，沒(méi)有繞射功能。鏈路的這種特點(diǎn)會(huì)給通信造成以下挑戰(zhàn)：

（1）陰影衰落。無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈在通信過(guò)程中遇到的障礙物可以部分或者全部地阻擋信號(hào)的傳輸而造成嚴(yán)重的陰影衰落。

（2）多徑衰落。從更小的尺度上，由于電磁波通過(guò)障礙物時(shí)的散射和反射而造成的接收機(jī)接收到來(lái)自不同路徑的同一信號(hào)的不同副本的相位不同，由此造成無(wú)線信號(hào)多徑衰落。由于無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈在動(dòng)態(tài)變化，副本間的相位差也在動(dòng)態(tài)變化，所以無(wú)法使用傳統(tǒng)靜態(tài)無(wú)線通信中加入一個(gè)衰落開(kāi)銷的方式來(lái)消除多徑衰落。

（3）此外，多徑衰落會(huì)造成嚴(yán)重的碼間干擾。

2.4 人為非惡意干擾和惡意干擾

非惡意干擾是指頻譜環(huán)境中存在的其他設(shè)備的無(wú)線電信號(hào)對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈產(chǎn)生的干擾，而惡意干擾主要存在于軍用領(lǐng)域中，主要分壓制式干擾和欺騙式干擾。

（1）壓制式干擾是指干擾機(jī)持續(xù)發(fā)射的干擾信號(hào)功率大于無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的信號(hào)功率，使數(shù)據(jù)鏈中的通信節(jié)點(diǎn)不能正確接收射頻信號(hào)，導(dǎo)致通信鏈路中斷的一種人為通信干擾。壓制式干擾類型按干擾信號(hào)的形式通?？梢苑譃槿悾?jiǎn)晤l干擾、窄帶干擾和寬帶干擾。由于壓制式干擾從功率上淹沒(méi)期望信號(hào)，或者阻塞射頻前端，因此其調(diào)制信息無(wú)關(guān)緊要。

（2）而欺騙式干擾采用跟無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈信號(hào)結(jié)構(gòu)相似的信號(hào)作為欺騙信號(hào)，因此可以不被察覺(jué)地誘導(dǎo)接收機(jī)捕獲跟蹤欺騙信號(hào)，從而達(dá)到降低其抗干擾性能的目的，并可采用與數(shù)據(jù)鏈信號(hào)近似的功率，避免因功率過(guò)大被檢測(cè)出來(lái)以及降低干擾成本。實(shí)際應(yīng)用中，如軍事領(lǐng)域接收機(jī)常常面臨高動(dòng)態(tài)、弱信號(hào)、強(qiáng)干擾或信號(hào)遮擋等復(fù)雜多變的環(huán)境，這時(shí)接收機(jī)會(huì)失鎖轉(zhuǎn)而捕獲欺騙信號(hào)或者跟蹤中受到欺騙信號(hào)的影響增大從而整個(gè)系統(tǒng)受到影響。

2.5 擁擠的頻譜環(huán)境

頻譜資源緊缺，不可避免地受到外部干擾信號(hào)威脅。傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)褂肏F、VHF頻段和SATCOM頻段，但是SATCOM頻段不能保證每個(gè)數(shù)據(jù)傳輸階段都可以使用，而HF和VHF變得越來(lái)越擁擠。在國(guó)內(nèi)，根據(jù)工業(yè)和信息化部頒布的無(wú)人駕駛航空器頻率使用要求，可使用頻段：840.5～845MHz、1430～1444MHz和2408～2440MHz，頻譜資源緊缺，不可避免地受到外部干擾信號(hào)威脅。

3、無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈抗干擾的關(guān)鍵技術(shù)

無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈面臨的挑戰(zhàn)要求無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈具備以下能力：

（1）廣泛的頻譜管理、分配能力：可以在任意區(qū)域、任意時(shí)間對(duì)無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)分配可用的頻譜資源。

（2）解決因信息長(zhǎng)距離傳輸而造成的功率大規(guī)模衰減的能力。

（3）避開(kāi)并避免非惡意干擾的能力。

（4）抵抗惡意干擾的能力。

本節(jié)總結(jié)了文獻(xiàn)中無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈在面臨以上諸多挑戰(zhàn)和需求時(shí)可用的抗干擾技術(shù)的研究。研究應(yīng)用于無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的抗干擾技術(shù)主要分為三類：提高系統(tǒng)可靠性和有效性的相關(guān)技術(shù)、基于協(xié)作通信技術(shù)以及基于認(rèn)知無(wú)線電的抗干擾技術(shù)。

3.1 提高通信可靠性和有效性的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈相關(guān)抗干擾技術(shù)

這些相關(guān)技術(shù)包括多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)的性能評(píng)估［9-10］，信息傳輸策略［11-12］，以及蜂窩系統(tǒng)和其他無(wú)線通信系統(tǒng)的使用［13-14］。集中于物理層和鏈路層的技術(shù)研究重點(diǎn)有：

（1）低功耗MIMO系統(tǒng)的集成。

（2）以擴(kuò)頻和跳頻技術(shù)為代表的抗干擾技術(shù)的研究和使用。

（3）有限頻譜資源限制下，高吞吐量、高可靠性的物理層和MAC層協(xié)議和策略。

（4）無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)以及其他無(wú)線通信系統(tǒng)的整合。

3.2 基于協(xié)作通信的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈抗干擾技術(shù)

文獻(xiàn)［15］提出了多信源條件下的協(xié)作通信方式，仿真結(jié)果表明該方案減小了接收信號(hào)的誤碼率；在動(dòng)態(tài)傳輸速率條件下，該方案的傳輸可靠性更高。多信源協(xié)同通信的研究為UAV數(shù)據(jù)鏈的多鏈路協(xié)同信息傳輸指明了方向。文獻(xiàn)［15］、［16］在協(xié)同通信的基礎(chǔ)上提出了異步協(xié)同信息傳輸?shù)姆绞剑謩e從物理層（構(gòu)建三維空間的異步協(xié)作傳輸模式）和鏈路層（通過(guò)多鏈路協(xié)同轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議）來(lái)增強(qiáng)信息傳輸?shù)目煽啃?。前者在物理層充分利用三種空間分集技術(shù)，提高了分集增益，使抗干擾能力有了大幅度的提升；后者在鏈路層通過(guò)單發(fā)多收和基于隨機(jī)同步競(jìng)爭(zhēng)窗的自舉應(yīng)答算法來(lái)消除鏈路短時(shí)變化的影響，獲得了更佳的網(wǎng)絡(luò)抵達(dá)率和能量效率，增強(qiáng)了傳輸可靠性，提高了抗干擾能力。文獻(xiàn)［17］提出了一種在因接收機(jī)和發(fā)射機(jī)相對(duì)運(yùn)動(dòng)或者環(huán)境變化較快時(shí)產(chǎn)生的過(guò)時(shí)信道狀態(tài)信息下協(xié)作通信中繼選擇方法，選擇最優(yōu)的中繼可以在一定程度上抵抗對(duì)協(xié)作通信系統(tǒng)的干擾。文獻(xiàn)［18］提出了一種基于MAP準(zhǔn)則的信道狀態(tài)信息預(yù)測(cè)技術(shù)來(lái)提升協(xié)作通信系統(tǒng)的抗干擾能力。

3.3 基于認(rèn)知無(wú)線電的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈抗干擾技術(shù)

另外，為了解決頻譜資源短缺和隨著無(wú)人機(jī)廣泛使用用戶頻譜管理難度增加的問(wèn)題，應(yīng)用于無(wú)人機(jī)頻譜感知和系統(tǒng)重構(gòu)的認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)被研究。文獻(xiàn)［19］針對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈在地理環(huán)境、氣象環(huán)境、電磁環(huán)境等構(gòu)成的復(fù)雜環(huán)境中受干擾程度提出一種結(jié)合支持向量機(jī)與功率準(zhǔn)則的預(yù)測(cè)評(píng)估方法，預(yù)測(cè)的結(jié)果可用于無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的重構(gòu)。文獻(xiàn)［4］提出了一種基于認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)，作者設(shè)計(jì)了一個(gè)認(rèn)知引擎，將信噪比、信道估計(jì)結(jié)果、頻譜感知結(jié)果、多普勒頻移等作為輸入，通過(guò)設(shè)計(jì)的認(rèn)知引擎，輸出無(wú)人機(jī)系統(tǒng)重構(gòu)后的通信參數(shù)以及由輸入判斷系統(tǒng)遭遇的情況種類。文獻(xiàn)［20］分析當(dāng)前無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈面臨問(wèn)題的基礎(chǔ)上，提出了基于認(rèn)知無(wú)線電的無(wú)人機(jī)智能數(shù)據(jù)鏈的概念及其內(nèi)涵，描述了無(wú)人機(jī)智能數(shù)據(jù)鏈的工作過(guò)程，給出了無(wú)人機(jī)智能數(shù)據(jù)鏈的指標(biāo)體系以及功能分級(jí)。在確定無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈功能的基礎(chǔ)上，提出了無(wú)人機(jī)智能數(shù)據(jù)鏈的體系結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)［21］提出了一種基于狀態(tài)機(jī)的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈多參數(shù)規(guī)劃方法，該方法為無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈重構(gòu)提供了一種可行有效的思路。

4、結(jié)論

隨著無(wú)人機(jī)在各領(lǐng)域越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈面臨著諸如頻譜資源緊張、頻譜環(huán)境復(fù)雜、容易受到環(huán)境干擾和人為干擾影響等挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的擴(kuò)頻通信無(wú)法滿足無(wú)人機(jī)通信鏈路可靠性的要求，因此，需要更靈活、適應(yīng)能力更強(qiáng)的抗干擾方法來(lái)提高無(wú)人機(jī)抗干擾能力，保證通信鏈路質(zhì)量。目前，在物理層和鏈路層提高系統(tǒng)容量和魯棒性的各種抗干擾技術(shù)，協(xié)作通信技術(shù)以及認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)被研究、并逐步應(yīng)用于無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈，利用感知頻譜環(huán)境并進(jìn)行系統(tǒng)重構(gòu)的技術(shù)將是無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈智能抗干擾的主要發(fā)展方向。

審核編輯 ：李倩