如何在擁擠的無(wú)線頻譜中“絕地求生”

隨著汽車(chē)?yán)走_(dá)越來(lái)越普及，城市環(huán)境中擁擠不堪的射頻頻譜將變成一個(gè)頻譜爭(zhēng)奪的戰(zhàn)場(chǎng)。雷達(dá)將面臨無(wú)意或有意干擾的組合式攻擊，設(shè)計(jì)人員必須像在戰(zhàn)斗中一樣實(shí)施反干擾技術(shù)。

汽車(chē)?yán)走_(dá)通常會(huì)遭受拒絕式或欺騙式干擾。拒絕式干擾會(huì)致盲受害車(chē)輛雷達(dá)。這種技術(shù)會(huì)降低信噪比，導(dǎo)致目標(biāo)檢測(cè)的概率降低。另一方面，欺騙式干擾會(huì)讓受害車(chē)輛雷達(dá)"認(rèn)為"存在虛假目標(biāo)。受害車(chē)輛雷達(dá)失去追蹤真實(shí)目標(biāo)的能力，故而受害車(chē)輛的行為受到嚴(yán)重影響。

這些干擾可能源于汽車(chē)?yán)走_(dá)之間的相互干擾，或者是使用廉價(jià)硬件簡(jiǎn)單地將強(qiáng)連續(xù)波(CW)信號(hào)指向受害車(chē)輛雷達(dá)而故意發(fā)生的攻擊。

雖然目前的避干擾技術(shù)可能足以應(yīng)對(duì)當(dāng)今的情況，但隨著雷達(dá)傳感器的激增，汽車(chē)將需要使用彈性類(lèi)型的緩解技術(shù)，或者此類(lèi)技術(shù)與避干擾方法結(jié)合使用。彈性技術(shù)包括時(shí)頻域信號(hào)處理或復(fù)雜雷達(dá)波形。

雷達(dá)波形

雷達(dá)波形是判斷傳感器在有干擾情況下的性能的關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)之一。當(dāng)今77 GHz頻段的汽車(chē)?yán)走_(dá)主要使用FMCW型波形。在FMCW雷達(dá)中，CW信號(hào)在射頻段的頻率上線性掃描或啁啾。圖1顯示了一個(gè)FMCW chirp序列(CS)波形例子。

圖1. FMCW CS示例

回波信號(hào)的頻率差（fb，拍頻）與到目標(biāo)的距離R成比例，可通過(guò)以下關(guān)系確定：

干擾的影響

在密集射頻環(huán)境中，當(dāng)FMCW雷達(dá)傳感器在頻帶的相同部分中工作時(shí)，就會(huì)發(fā)生干擾。一個(gè)典型的迎面而來(lái)的汽車(chē)干擾示例參見(jiàn)圖2。

圖2. 示例：a) FMCW拒絕式干擾；b) FMCW欺騙式干擾

拒絕式干擾

落入接收機(jī)帶寬的任意FMCW型強(qiáng)干擾信號(hào)會(huì)提高受害雷達(dá)的本底噪聲。這種拒絕式干擾可能導(dǎo)致小目標(biāo)（即雷達(dá)散射截面(RCS)較小）因?yàn)镾NR很差而消失。

拒絕式干擾也可以是故意為之，簡(jiǎn)單地將一個(gè)強(qiáng)CW信號(hào)射向受害車(chē)輛FMCW雷達(dá)就能做到。對(duì)受害雷達(dá)的影響類(lèi)似于FMCW干擾情況（見(jiàn)圖4）。

欺騙式干擾

如果干擾信號(hào)掃描是同步的，但與受害雷達(dá)一同延遲，那么其影響將是在固定距離產(chǎn)生欺騙性假目標(biāo)。這種技術(shù)在電子戰(zhàn)干擾機(jī)中很常見(jiàn)。類(lèi)似類(lèi)型的迎面而來(lái)的汽車(chē)?yán)走_(dá)將成為非故意的干擾機(jī)。然而，受害雷達(dá)和干擾雷達(dá)之間時(shí)間對(duì)齊的概率將非常小。小于受害雷達(dá)最大距離延遲的干擾機(jī)延遲偏移看起來(lái)可能像真實(shí)目標(biāo)。例如，200 m最大距離要求掃描對(duì)齊誤差小于1.3μs。然而，將復(fù)雜的類(lèi)似電子戰(zhàn)的設(shè)備安裝在迎面而來(lái)的汽車(chē)平臺(tái)上，便可故意開(kāi)展這種欺騙式攻擊。

更一般地，欺騙式干擾基于對(duì)受害雷達(dá)信號(hào)的重新傳輸，不過(guò)其延遲和頻率發(fā)生了系統(tǒng)性改變。這可以是非相干的（這種情況下的干擾機(jī)被稱(chēng)為應(yīng)答器），或是相干的（這種情況下的干擾機(jī)被稱(chēng)為中繼器）。中繼器接收、改變并重新傳輸一個(gè)或多個(gè)干擾信號(hào)，而應(yīng)答器是在干擾機(jī)檢測(cè)到目標(biāo)受害雷達(dá)信號(hào)時(shí)傳輸一個(gè)預(yù)定信號(hào)。

基于中繼器的復(fù)雜攻擊通常需要數(shù)字射頻存儲(chǔ)器(DRFM)。DRFM能夠執(zhí)行協(xié)調(diào)距離延遲和多普勒波門(mén)拖引攻擊。因此，它會(huì)維持虛假目標(biāo)距離和多普勒特性以欺騙受害雷達(dá)。

干擾緩解技術(shù)

基本方法：避免

基本的雷達(dá)干擾緩解技術(shù)主要依賴于避干擾方法。其目標(biāo)是降低空間、時(shí)間和頻率重疊的可能性，例如：

空間：使用較窄的電子掃描波束可以降低干擾風(fēng)險(xiǎn)。遠(yuǎn)程汽車(chē)巡航控制(ACC) 雷達(dá)的典型視野為±8°。盡管如此，強(qiáng)干擾信號(hào)仍可通過(guò)天線旁瓣造成有效干擾。

時(shí)間：隨機(jī)生成FMCW 啁啾斜率參數(shù)以避免周期性干擾。

頻譜：隨機(jī)生成FMCW 啁啾起始和停止頻率，以降低重疊和干擾的概率。

隨機(jī)化的基本方法會(huì)避免與其他雷達(dá)意外同步，但在密集射頻環(huán)境中可能不那么有用。越來(lái)越多的雷達(dá)傳感器需要更復(fù)雜的彈性技術(shù)來(lái)緩解干擾。

戰(zhàn)略方法：檢測(cè)并修復(fù)

另一種避干擾方法是利用信號(hào)處理算法修復(fù)接收到的波形。時(shí)頻域技術(shù)可以有效應(yīng)對(duì)拒絕式干擾攻擊。在迎面而來(lái)的汽車(chē)FMCW干擾情況下，干擾機(jī)掃描所有頻率槽的時(shí)間非常之短。這種快速時(shí)變信號(hào)在常規(guī)FFT域中表現(xiàn)為升高的本底噪聲。時(shí)頻域信號(hào)處理技術(shù)將該信號(hào)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)域，與FFT域相比，在該域中更容易濾除干擾（見(jiàn)圖3）。

圖3. 雷達(dá)回波IF波形的FFT和STFT域表示

對(duì)于時(shí)變信號(hào)，短時(shí)傅立葉變換(STFT)比常規(guī)FFT能提供更多信息?；赟TFT的技術(shù)可用于消除窄帶干擾。STFT基本上是讓一個(gè)窗口移動(dòng)通過(guò)信號(hào)，獲取窗口區(qū)間的FFT。在頻域中對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波以去除干擾分量，然后將其轉(zhuǎn)換回時(shí)域。

圖4顯示了重疊射頻啁啾序列的典型FMCW干擾情況，以及由此產(chǎn)生的STFT域中的IF拍頻信號(hào)。

圖4. STFT域，左：FMCW雷達(dá)和干擾機(jī)，右：IF域

圖4右側(cè)顯示了IF域，其為雷達(dá)（藍(lán)色）和干擾（橙色）信號(hào)混頻的最終結(jié)果。水平線表示目標(biāo)，而V形垂直線表示存在干擾信號(hào)。

類(lèi)似或相反方向的干擾FMCW，甚至類(lèi)似CW的慢速啁啾，對(duì)IF信號(hào)有類(lèi)似的影響。在所有這些干擾情況中，快速移動(dòng)的V形IF信號(hào)會(huì)提高常規(guī)FFT域中的本底噪聲，如圖3所示。

可以使用基于幅度的屏蔽來(lái)濾除STFT域中的干擾信號(hào)。當(dāng)然，前提是受害雷達(dá)前端和量化部分具有足夠的動(dòng)態(tài)范圍來(lái)同時(shí)線性地處理較強(qiáng)的干擾信號(hào)和較小的預(yù)期目標(biāo)信號(hào)。參見(jiàn)圖5。

圖5. STFT域中基于幅度的屏蔽

圖5上方圖像顯示了一個(gè)強(qiáng)干擾信號(hào)，而下方圖像顯示了處理后的STFT。在有強(qiáng)干擾的情況下，如上方圖像所示，多個(gè)真實(shí)目標(biāo)不可見(jiàn)。在下方圖像中，V形干擾信號(hào)被消除；當(dāng)轉(zhuǎn)移回時(shí)域時(shí)，低SNR目標(biāo)現(xiàn)在已可辨識(shí)。

在拒絕式干擾情況中，可以利用基于STFT的干擾緩解技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)強(qiáng)干擾。針對(duì)欺騙式干擾攻擊，單憑STFT無(wú)法驗(yàn)證返回信號(hào)是真還是假。

加密射頻

降低中繼器欺騙式干擾攻擊影響的基本對(duì)策是使用低概率攔截(LPI)雷達(dá)波形。LPI雷達(dá)的目的是將輻射能量擴(kuò)散到很寬的頻譜上以規(guī)避檢測(cè)，通常采用準(zhǔn)隨機(jī)掃描、調(diào)制或跳頻序列。FMCW是一種LPI波形。如果將相位編碼或加密引入頻率啁啾，則可以進(jìn)一步降低DRFM攔截汽車(chē)?yán)走_(dá)信號(hào)的幾率。

每個(gè)雷達(dá)傳感器獨(dú)有的加密射頻特征可以驗(yàn)證返回信號(hào)的真?zhèn)?。圖6顯示了一個(gè)使用案例，其中兩個(gè)相同雷達(dá)（安裝在不同汽車(chē)上）之間有頻率偏移和延遲，在受害雷達(dá)中產(chǎn)生一個(gè)假目標(biāo)。干擾雷達(dá)與受害雷達(dá)在時(shí)間上是對(duì)齊的（相同的啁啾斜率且偏移較短）。

圖6. 存在頻率偏移和延遲的相同雷達(dá)引起的干擾

在這種情況下，相位編碼FMCW雷達(dá)可以提供很高的抗干擾魯棒性。使用正交碼還能讓MIMO雷達(dá)操作變得可行，從而支持多個(gè)波形同時(shí)發(fā)射。

編碼要求：

碼長(zhǎng)：目標(biāo)是利用短序列實(shí)現(xiàn)最小距離旁瓣電平。1024 的PRN序列長(zhǎng)度導(dǎo)致峰值旁瓣電平(PSLL) 約為30 dB (10log1024)?？梢詢?yōu)化發(fā)射碼和接收濾波器權(quán)重，以SNR 為代價(jià)來(lái)改善PSLL。

良好的交互相關(guān)特性：為實(shí)現(xiàn)傳感器之間的良好隔離，一個(gè)集合的成員的交互相關(guān)系數(shù)應(yīng)為零。

抗多普勒效應(yīng)能力：相位編碼雷達(dá)性能可能受多普勒頻移的影響。二進(jìn)制碼對(duì)多普勒效應(yīng)的耐受能力差。多相碼的性能衰減速度比二進(jìn)制碼要慢。

可用的不同碼數(shù)量：規(guī)模大的比較好，可以為每個(gè)雷達(dá)傳感器分配唯一編碼。

圖7顯示了無(wú)相位編碼的雷達(dá)回波。干擾信號(hào)顯示為一個(gè)假目標(biāo)。當(dāng)利用PRN序列對(duì)發(fā)射機(jī)FMCW波形進(jìn)行相位編碼時(shí)，可以抑制干擾信號(hào)，如圖8所示。

圖7. 未對(duì)真?zhèn)文繕?biāo)進(jìn)行相位編碼的雷達(dá)回波

圖8. 有和無(wú)相位編碼的雷達(dá)回波

這種方法會(huì)影響動(dòng)態(tài)范圍。然而，雷達(dá)信號(hào)處理器可以對(duì)幾個(gè)啁啾信號(hào)使用相位編碼FMCW以標(biāo)記假目標(biāo)，然后切換回正常操作。

結(jié)論及未來(lái)趨勢(shì)

使用先進(jìn)信號(hào)處理算法和復(fù)雜波形生成技術(shù)，可以緩解擁擠汽車(chē)?yán)走_(dá)傳感器環(huán)境中的干擾?；赟TFT的信號(hào)處理技術(shù)可用來(lái)應(yīng)對(duì)拒絕類(lèi)型的攻擊。相位編碼FMCW借助處理增益和避免攔截措施，對(duì)非相干和相干欺騙式攻擊均提供額外的抵御層。表1是對(duì)緩解技術(shù)的總結(jié)。

表1. 基于FMCW的汽車(chē)?yán)走_(dá)緩解技術(shù)

上述針對(duì)汽車(chē)?yán)走_(dá)的干擾緩解原則也適用于其他雷達(dá)傳感器環(huán)境，例如機(jī)器人、道路收費(fèi)、GPS、無(wú)人機(jī)著陸或防撞系統(tǒng)。

目前，汽車(chē)?yán)走_(dá)傳感器在非合作模式下運(yùn)行，彼此之間不通信。雖然合作運(yùn)作模式需要全行業(yè)協(xié)調(diào)，但雷達(dá)傳感器之間的仲裁可以幫助解決干擾問(wèn)題。

包括傳感器合作在內(nèi)的未來(lái)雷達(dá)概念將是通信節(jié)點(diǎn)和雷達(dá)傳感器的融合。使用復(fù)雜波形的未來(lái)雷達(dá)也可以將信息包含在雷達(dá)信號(hào)中。同一硬件可以同時(shí)用于雷達(dá)和通信(RadCom)。

RadCom：雷達(dá)和通信功能同時(shí)執(zhí)行的單一系統(tǒng)

多用戶能力，無(wú)干擾

利用OFDM 或類(lèi)似通信碼對(duì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行編碼，為在雷達(dá)信號(hào)中包含信息提供了可能性

基于OFDM 的雷達(dá)發(fā)射信號(hào)使得二者可以同時(shí)進(jìn)行

ADI 公司的5G毫米波收發(fā)器信號(hào)解決方案具有超過(guò)GHz的帶寬和波束引導(dǎo)能力，可能成為RadCom系統(tǒng)概念的潛在候選者。

ADI公司在開(kāi)發(fā)最先進(jìn)雷達(dá)傳感器和5G毫米波解決方案方面處于獨(dú)特的地位，為未來(lái)的RadCom系統(tǒng)鋪平了道路。