面向空天地一体化网络的抗干扰技术研究

面向空天地一体化网络的抗干扰技术研究

张雪菲¹，何瑞懋¹，夏宇¹，崔琪楣^1,2

（1.北京邮电大学移动互联网安全技术国家工程研究中心，北京 100876；

2.鹏城实验室，广东 深圳 518055）

【摘  要】空天地一体化网络是实现全域通信和提供网络互联互通服务需求的重要基础设施之一。在未来的强对抗干扰环境中，确保其数据传输的有效性与可靠性对于维护国家安全具有重要意义。针对空天地一体化网络的对抗性的环境特点，探讨了在时频域和空域实现抗干扰的潜在应用与关键技术，并提出了对空天地一体化网络的综合思考。最后展望未来，以期为后续研究和实际应用提供方向性指导。

【关键词】空天地一体化网络；时频域；空域；抗干扰技术

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.20240912-0002

中图分类号：TN929.5        文献标志码：A

文章编号：1006-1010(2024)09-0088-06

引用格式：张雪菲,何瑞懋,夏宇,等. 面向空天地一体化网络的抗干扰技术研究[J]. 移动通信, 2024,48(9): 88-93.

ZHANG Xuefei, HE Ruimao, XIA Yu, et al. Anti-Jamming Techniques for Space-Air-Ground Integrated Networks[J]. Mobile Communications, 2024,48(9): 88-93.

0   引言

随着科学技术的飞速发展，信息服务的空间范畴逐渐扩展至空基、天基、地基服务，对全域通信和网络互联互通的需求也日益提升。对中国而言，空天地一体化网络的建设对“一带一路”和“走出去”等战略决策具有重大意义，早在“十三五”规划中，“天地一体化信息网络”就被纳入“科技创新2030重大项目”中^[1]。“十四五”时期，应在这一基础上持续推进高速泛在、天地一体、集成互联的信息基础设施^[2]。空天地一体化网络以地基网络为基础，天基和空基网络为补充和延伸，旨在实现国际电信联盟提出的全球范围内的立体覆盖^[3]和泛在连接^[4]。其中，天基网络由卫星网络构成，是构建无所不在、无所不连、无所不知的空天地一体化网络的关键使能技术。它为实现全球覆盖、支撑超高速率和超低延迟通信提供了切实可行的解决方案。随着天基网络重要性的凸显，关于空基、地基网络与天基网络相融合的研究已经引起各国的广泛关注^[5-6]。

卫星通信具有广泛的通信范围，理论上能实现全球覆盖，这一特点使其与军事有着密切关系。近年来，随着以美国星链计划为代表的低轨卫星星座技术逐渐成熟，从技术和市场竞争层面，对现有的5G通信和未来的互联网系统产生了重大冲击^[7]。从深层次的国家安全角度来看，星链计划将在国防、产业价值链、信息主权与监管、轨道与频谱资源使用等方面，给国际安全及其他国家的安全构成了“复合型、交叉型”新挑战^[8]。由于国际电信联盟在轨道和频谱获取上的原则是“先到先得”^[9]，一旦星链占据了大量的轨道和频谱资源，其它国家的星座将处于被动包围状态，导致空天地一体化网络链路面临干扰大、覆盖受限、服务响应慢等问题。这些挑战不仅会影响网络的效率和可靠性，还限制了其在重要军事场景下的应用能力。

卫星网络天然具备拓扑高动态、传播时延随时间变化、链路不稳定的特点，因此在空天地一体化中最容易受到干扰。其中对抗干扰最为突出，对抗干扰是指使用电子手段向目标接收设备发送干扰信号，从而干扰或阻止其正常工作的恶意干扰^[10]。传统地面通信中的对抗干扰难以越过国境对基站或通信用户产生有效干扰，而运行在太空中的干扰卫星能轻易抵达其他国家地面站的上空并发射对抗干扰信号^[11]，同时卫星的传输功率有限，在经过大气层等之后功率衰减严重，例如全球导航卫星系统的信号到达地面时，功率仅为-160 dBW，这使得卫星的信号很容易受到各类的干扰^[12]。近年来低地球轨道（LEO, Low Earth Orbit）卫星不断发展，军用与商用卫星的数量日益增多，不仅美国“演进战略卫星通信系统”项目招标草案和英国Skynet-6卫星项目都在持续推进^[13]，“星网”LEO卫星星座系统已经累计发射卫星5 650颗，并在未来第二代星链计划将完成一个卫星数量达29 988颗的巨型卫星星座[14]。在这样高密度的网络环境下，客观存在的同频干扰与以攻击为目的的对抗干扰将会进一步激化。

在空天地一体化网络中，空基网络作为连接地面与太空的中间环节，起着关键的桥梁作用。空基网络主要包括高空平台（HAP, High-Altitude Platform）、无人机（UAV, Unmanned Aerial Vehicle）等高动态通信节点，这些节点具有快速部署、机动灵活、可重复使用等优势，能够在突发事件、军事行动等场景中迅速提供通信覆盖。然而，空基网络也面临着严峻的抗干扰挑战。由于这些节点通常处于大气层内或靠近大气层边缘，容易受到来自地面、海洋及空中各类干扰源的影响。此外，无人机和高空平台的电源受限，传输功率通常较低，因此在复杂电磁环境下，其信号易受干扰并可能导致通信链路的不稳定。

在此背景下，抗干扰技术成为保障通信可靠性和稳定性的关键研究领域。当前的研究主要集中在时域、频域、空域三个维度，以应对干扰攻击或降低潜在干扰影响为目的，在对抗性干扰环境中取得较好的抗干扰效果。时频域抗干扰技术主要通过扩频和信号域的优化，在时频域上提高信号抗干扰能力。空域抗干扰技术主要利用天线和自适应算法在空域上对信号进行处理。在空天地一体化网络中，接收系统中的天线及整个天线系统对信号接收的灵敏度和对信息获取与解算成功率的高低，直接影响网络通信的有效性。因此，天线方向图的特性对信号接收成功与否起决定性作用。本文将基于以上对空天地一体化抗干扰技术的研究方向，具体阐述每个维度下的不同关键技术。

1    面向空天地一体化网络的时频域关键技术

面向空天地一体化网络的时频域关键技术具有鲁棒和高效等特点，旨在通过时频域提升网络的有效性、传输效率和抗干扰能力。这些技术包括扩展频谱抗干扰技术、新型调制技术和变换域技术，通过优化信号频谱、增强信号调制和转换信号域，确保在多变的空天地环境中实现有效、安全的通信连接。

1.1  扩展频谱抗干扰技术

通过将传输信号的频谱打散到较其原始带宽更宽的频带内，扩频能对人为的刻意干扰与通信背景的干扰有良好的抵御能力。扩展频谱抗干扰技术主要是在直接序列扩频和跳频两种技术基础上的衍生，但随着空间通信的多变性和开放性，现有的扩频技术需要进一步改进以应对新的挑战。

针对卫星通信下的载波间干扰导致的低信噪问题，文献[15]提出了用于星地通信的广义频分复用扩频方案。该方案基于设计的正交伪随机噪声码本，通过循环码移键控软扩频和直接序列扩频对子符号进行扩散，形成了抗干扰的多址复用方案，显著提升了其在低信噪比场景下的传输性能。针对信号易被对抗方截获和解码的问题，文献[16]解决了卫星通信信道的开放性问题，特别是信号易被对抗方截获和解码的风险。该文献引入了混沌序列来控制系统的跳频和跳码，利用混沌序列的易生成和强随机性特点，使跳频序列难以预测。设计的混合扩频技术通过破坏循环平稳性，大幅提高了卫星通信系统的抗拦截性能。针对卫星下高多普勒和短访问窗口的技术问题，文献[17]阐述了多载波扩频在导航-通信-遥控集成、物理层安全和智能抗干扰的可能用例，提出了基于网格的二维搜索方式、干扰消除、相干组合与开环载波同步四大解决方案，保证了下一代空天地一体化的物理层安全性和抗干扰性能。

此外，针对高空平台通信系统在长时间悬停时容易受到多径干扰和电磁环境变化的影响，文献[18]提出了基于认知的高鲁棒性频率跳变策略，旨在提高无人机群在复杂电磁环境中的抗干扰能力。通过在传统频率跳变系统中加入认知模块，无人机自适应地避开干扰频率点，从而有效识别并过滤典型的压制性干扰。文献[19]提出了一种用于军事非地面网络的新型架构，以增强军事行动中的通信覆盖和连通性。该架构集成了低地球轨道（LEO）卫星、高空平台（HAP）和无人机（UAV），主用户（LEO卫星）使用慢速跳频，而次用户（HAP和UAV）使用快速跳频，从而实现高效的频谱共享，并有效减少多址干扰和应对干扰攻击。

1.2  新型调制技术

高移动性场景的通信会产生高多普勒扩展，而高多普勒扩展会破坏正交频分复用技术中子载波间的正交性，导致严重的载波间干扰。在存在对抗方的开放通信环境下，此干扰会加剧误码率的增加。文献[20]提出了一种新型的正交时频空（OTFS, Orthogonal Time Frequency Space）调制波形，该波形处理高移动场景具有强大的抵抗多普勒能力。在空天地一体化网络中，OTFS技术能够有效应对由于高速移动和多普勒效应引起的信号失真和干扰问题。基本原理是引入一个全新的二维正交域，称为延迟-多普勒域，通过在延迟-多普勒域对信号进行调制和处理，使得信号在时频域中的分布更加均匀，以增强抗干扰能力。其独特的二维正交域调制方式，使得OTFS在快速时变信道中表现出优异的抗干扰性能，能够提供更高的信噪比和更可靠的通信质量。

为了研究基于OTFS调制的上行空天地系统安全性能，文献[21]考虑了用合作无人机向侦察卫星发送干扰信号，推导了合法接收端的安全中断概率的封闭表达式。经过与传统正交频分复用方案的比较，验证了基于OTFS的卫星上行链路具备更优势的抗干扰性能。针对下行空天地系统性能，文献[22]采用了协同无人机向窃听者发送干扰信号，弥补了由于传输距离长而导致的路径损失余量大的缺点，并在无人机端采用了迫零和最小均方误差两种波束成形方案，最大限度地减小了窃听者接收到的人为干扰，从而提高了系统的安全性能。

1.3  变换域技术

通过跳频扩频、直接序列扩频等传统方法的隐蔽性能不强，因此空天地一体化网络中的通信信号容易被截获。由于分数阶傅里叶变换可以实现信号在时域和频域内的旋转，使信号不易被截获，基于分数傅里叶变换的变换域技术可以提高空天地一体化的信号抗干扰能力。

文献[23]提出了加权型分数阶傅里叶变换（WFRFT, Weighted-type Fractional Fourier Transform）作为一种新型变换域技术，并基于此构建了新通信系统框架。WFRFT变换能够使得变换后的信号星座与原始信号相比，变得更加无序，从而增加了信号处理的复杂性。文献[24]探讨了将WFRFT的星座混淆特性与混沌映射的抗截获特性结合，分析了其在机密或反拦截通信中的应用潜力。该文献借鉴了“相位扰码”思想，并通过扩展WFRFT的加权项参数，提出了双极化卫星混沌安全传输系统模型。通过物理层安全的双极化卫星联合调制方案，探索了基于WFRFT的一体多维组合隐蔽新概念。为了避免窃听方长时间扫描参数以获得调制顺序，从而恢复原始信号的问题，文献[25]采用多层WFRFT进行信号变换，其中WFRFT的层数与发射天线数相同，每层使用不同的调制参数。此方法提高了信号的混乱程度，增强了对窃听者的抵抗力，使得通过参数扫描破解信号变得更加困难，有效抵御了对抗方对信号的拦截。

2    面向空天地一体化网络的空域关键技术

面向空天地一体化网络的空域关键技术具有高效、灵活和稳定等特点，旨在通过空域提升通信系统的通信效率和通信质量。这些技术包括多波束成形技术、自适应调零天线技术、多径传输技术和资源分配技术，通过优化信号覆盖、动态调整天线方向、利用多路径传输特性和优化资源分配，确保在复杂空域环境中的高效通信和稳定连接。

2.1  多波束成形技术

多波束成形技术在空天地一体化网络中的应用具有显著优势。该技术通过调整天线的指向，实现对重点区域的信号聚焦，提高了通信的质量和稳定性，尤其在高密度卫星网络中表现尤为突出。例如，在军事行动中，卫星天线可以指向具有战略意义的作战单位，以确保关键通信的稳定和安全，对于地面接收方，多波束成形技术通过将天线的多个波束对准卫星，提高了信号接收的增益，确保通信的质量和稳定性。

文献[26]总结了在美国和韩国进行的信道测量结果以及消声室中的实际自由空间传播测量结果。提出了新型的混合波束成形（BF, Beam Forming）方案，并通过链路级和系统级仿真证明了毫米波频段（mmWave, millimeter Wave）BF用于蜂窝的可行性。文献[27]讨论了数字波束成形（DBF, Digital Beam Forming）在卫星通信中的优势，特别是其在Starlink低地球轨道卫星网络中的成功应用^[28]。DBF技术通过模数转换器技术的进展，增强了星载相控阵的功能，提高了互联网接入服务的速度和可靠性。文献[29]分析了mmWave天线结构与信道建模，将大型天线阵列封装在无人机上，实现了mmWave频段的三维波束成形。无人机作为空中接入点或中继，显著提升了地面mmWave蜂窝网络的覆盖范围和服务质量。

2.2  自适应调零天线技术

自适应调零天线技术在空天地一体化网络中具有重要的应用价值。该技术通过对接收机天线的各个通道进行自适应加权运算处理，实现对干扰源方向的深度调零，从而有效抑制干扰信号。该技术不仅用导航和通信系统，以抑制干扰信号，同时图像传输系统中，自适应调零天线技术可以提高图像信号的传输质量。随着空天地一体化网络的不断发展，自适应调零天线技术将在更广泛的应用场景中发挥其独特的优势，进一步提升通信系统的抗干扰能力和整体性能。文献[30]基于共轭梯度法这一自适应算法，结合梯度搜索的算法，提出了自适应天线阵列技术用于消除卫星环境中的干扰消除，保证了零点深度实现与收敛的稳定性。文献[31]则介绍了神经网络作为天线阵列自适应算法的可能性，并基于神经网络天线阵列适配算法进行了可行性分析。

2.3  多路径传输技术

多路径传输技术是指在通信过程中，数据可以通过多个不同的路径进行传输，例如，卫星链路和地面链路、星间链路和卫星链路等，从而提高数据的传输速度、稳定性和可靠性。在6G卫星互联网通信系统中，多路径传输技术可以实现对信号的备份和冗余，提高信号传输的可靠性和鲁棒性。文献[32]研究了多路径路由协议，通过选择多条备用路径应对通信干扰。源节点提前选择多个路径，以保证在主路径发生故障时，其他路径可以接管数据传输，从而提高端到端的可用性。此外，该文献提出了一种基于可用性历史向量的集中式算法，用于选择不受故障影响的路径。随着机器学习的发展，文献[33]进一步发展了抗干扰路由问题，将其表述为分层抗干扰Stackelberg博弈，以应对自我调节干扰的智能策略。基于深度强化学习，文献提出了一种路由算法，能够快速识别可用的路由路径子集，并实现快速可靠的抗干扰路径选取。

当无人机在空间中收到敌对干扰机的干扰时，干扰机的位置和发射功率最初是未知的，文献[34]提出了一种干扰-检测-定位-规避框架克服了干扰信息的不确定性。在无人机群通信中，无人机的飞行能力不同，因此可以联合优化无人机的飞行轨迹和聚类设计，使得簇头无人机的利用率和最大化，文献[35]提出了一种求解该问题的迭代算法，并证明了固定翼无人机在抗干扰机群通信中更有利。

2.4  资源分配技术

空天地一体化网络中各个节点移动范围广、移动速度快，通信节点在执行任务时需要根据环境变化实时调整其策略，显然集中式预设方法难以适用动态未知场景。网络中各节点可以以智能化方式实时处理各种威胁和突发情况，从而根据实时变化的环境做出有益的决策。如果通信网络中部分节点出现故障或被恶意干扰降低通信质量，其他通信节点可以协助受损节点完成信息传输任务，从而有效应对单机抗毁性弱和覆盖范围有限的问题。

文献[36]提出了在卫星互联网中基于非正交多址（NOMA, Non-Orthogonal Multiple Access）的抗干扰传输方案。通过优化NOMA用户分组和功率分配，文献将抗干扰问题建模为博弈论问题，并利用精确势博弈论证明了均衡解的存在，从而提升了抗干扰性能。文献[37]针对无人机网络中的联合信道和功率分配问题，建模为局部相互作用的马尔可夫博弈，并证明了其具有至少一个纳什均衡。文献提出了一种基于协同多智能体分层Q-Learning的抗干扰算法，旨在减少动作空间的维度，提高算法的渐近收敛性，从而有效防止无人机之间及外部的干扰。文献[38]介绍了一种基于认知无人机的主动推理框架，用于资源分配和抗干扰。该框架赋予无人机对外部环境的综合内部表示，能够编码无人机与干扰器的动态交互，目标是通过学习最佳动作集来最小化干扰，从而优化抗干扰性能。

3   未来展望

随着全球通信需求的不断增长和技术的快速进步，空天地一体化网络已成为实现全球无缝通信的重要手段。然而，面对日益复杂的电磁环境和不断升级的干扰技术，抗干扰技术的研究和发展显得尤为关键。未来的抗干扰研究需要在以下几个方面进行重点探索和突破。

3.1  智能化抗干扰技术

未来的抗干扰技术将更加依赖人工智能和机器学习算法，以实时分析电磁环境，预测潜在的对抗方干扰源，并自动调整通信策略。文献[39]利用Q-Learning和迁移学习来处理多区域智能概率干扰。文献[40]提出了Stackelberg博弈模型，结合Q-Learning解决功率控制、信道分配和路由选择的抗干扰问题。文献[41]将路由抗干扰问题建模为分层Stackelberg博弈，并基于深度强化学习提出了一种快速响应的抗干扰路由算法，以应对动态和未知的干扰环境。

智能化抗干扰仍有很多待解决的问题，例如空天地一体化网络所处的环境复杂多变，包括移动平台的高速运动、频繁的通信节点切换等，因此智能化抗干扰技术需要具备极强的动态适应能力；空天地一体化网络中的通信节点（如卫星和无人机）通常具有有限的计算能力和能量供应，如何在资源受限的条件下高效运行智能化抗干扰算法是一个重要挑战；此外，在极端天气、空间辐射等严苛条件下，智能化抗干扰技术的稳定性和鲁棒性仍需进一步提高，以确保通信的可靠性。

3.2  协同抗干扰技术

随着干扰攻击者能力的增长，智能干扰机可以感知和分析通信网络的行为，传统的个体抗干扰方法难以应对智能复杂的强干扰。传统的抗干扰方法与合作抗干扰方法的区别在于，传统的抗干扰方法意味着合法节点只关心自己的效用，单独占用频谱资源。但后者意味着资源共享，而不是“自私”，同时关心自己和其他节点的利益。当合法通信单元受到干扰机的恶意干扰时，可以通过调整自己的信道选择来避免干扰，因此当因通信需求而产生相互干扰时，多架无人机可以选择不同的通信通道，提高可靠性和有效性。

文献[42]提出了一种基于协同非协调跳频的广播方案，以提高对抗智能干扰机的通信效率。为了解决面向内部互干扰和外部恶意干扰的信道选择优化问题，文献[43]提出一种基于局部利他主义的协同抗干扰和抗干扰缓解方法，以优化无人机的信道选择，提高无人机辅助通信系统的抗干扰和抗干扰能力。具体来说，对Stackelberg博弈进行建模以表述无人机与干扰机之间的对抗关系；对每个无人机进行局部利他博弈建模，同时考虑其自身和其他无人机的效用。协同抗干扰技术面临的挑战包括：需要复杂的协调机制以实现节点间的有效合作，涉及干扰信息共享、协同决策和资源分配；同步和通信时延问题可能导致协同措施的滞后和不一致；信息共享过程中必须确保数据安全和隐私保护，以防敏感信息泄露和恶意攻击。

3.3  抗干扰技术的标准化进展

因为空天地一体化网络的跨地域特性，所以未来的抗干扰研究需要加强标准化和国际合作。只有通过制定统一的技术标准和加强国际间的合作，才能确保不同国家和地区的通信系统能够无缝对接，共同应对日益复杂的干扰环境，提高全球通信网络的可靠性和稳定性。

当前，美国国家标准与技术研究所正在征求对NISTIR 8270规范草案的意见，该规范描述了商业空间操作的安全程序和概念，考虑了风险管理方面的操作，并确定了在空间飞行器系统内共存的要求^[44]。在第三代合作伙伴计划（3GPP, The 3rd Generation Partnership Project）委员会中，卫星通信在非地面网络（NTN, Non-Terrestrial Networks）的设计中被特别考虑，以预测即将到来的地面、空中和卫星网络之间的紧密集成^[45]。具体而言，3GPP在3GPP Release 16^[46]中启动了NTN的标准化。与此同时，3GPP在Release 17^[47]中定义了新的安全方面，并且计划在即将发布的Release 18^[48]中进行新的修订。

然而，3GPP编辑的任何规范都没有专门考虑到NTN的网络安全问题，目前的做法是将3GPP推荐的5G安全架构和协议直接集成到NTN中。这样的集成带来了一些挑战，包括通信开销、软件更新和无线链路的不可靠性。此外，NTN运行中的安全问题由IEEE未来网络倡议（IFNI, IEEE Future Networks Initiative）内建立的卫星5G工作组进行了调查^[49]。在工作组的最新成果之一中，绘制了在这方面需要解决的优先事项的路线图，强调了特定部署可能需要新的安全机制，并指出应将最终用户与共享的NTN网络隔离开来^[50]。尽管如此，由于将5G安全集成到NTN中所产生的性能预测问题，预计未来几年研究界将做出重大改变，可能引发3GPP的应对措施和临时计划。

空天地一体化网络的抗干扰研究将在未来面临诸多挑战，但也充满了机遇。通过智能化、协同抗干扰技术的不断发展，有望构建更加稳定、高效的全球通信网络。标准化和国际合作将为抗干扰技术的发展提供坚实的基础。未来，抗干扰技术的创新和进步将不断推动空天地一体化网络向更高水平迈进，确保全球通信的安全和稳定。

4   结束语

本文全面探讨了抗干扰技术面向空天地一体化网络的应用迫切度，特别关注了在时频域、空域的抗干扰关键技术。这些抗干扰技术的研究工作通过扩频跳频、波形优化、天线重构等手段调整通信策略，在保证强对抗干扰环境下的空天地一体化网络服务质量具有重要意义。最后，本文对未来的抗干扰研究进行了展望。随着干扰技术的不断成熟和应用领域的拓展，空天地一体化网络将会面临更加复杂的环境和严峻的局势，希望通过本文总结的内容能为未来的研究人员提供帮助。