RF鏈路的干擾和抗干擾措施與設備介紹

無線信號容易受到自然發(fā)生的周期性和隨機現(xiàn)象的影響，例如背景噪聲，EMI，RFI，CME和EMP等等。一些無線技術，如AM，容易受到遠距離照明等沖擊噪聲的影響;和FM等其他設備一樣，對熒光燈的某些帶內(nèi)噪聲很敏感。作為設計師，我們會嘗試并預測我們的設計將受到的情況和環(huán)境，并提供修復，解決方案或其他類型的解決方案來解決這些問題。

然而，還有另一種情況，即無線鏈路特別容易受到干擾，這是故意干擾。在這里，有人故意通過針對特定鏈接或鏈接系列特別有效的攻擊來阻止鏈接的通信能力。干擾可以用于惡作劇目的，利益等動機，或者戰(zhàn)爭期間的軍事優(yōu)勢。

帶有小盒子或工具包的孩子可以制造和使用干擾器來惹惱父母，學校和類似的混亂的形式。公司可以使用干擾器來干擾競爭對手的運營，減緩或崩潰公司的網(wǎng)絡，或阻止重要數(shù)據(jù)到達目的地。金融機構可以阻止通信，以便在完成可以利用的交易中提供甚至毫秒的優(yōu)勢。軍事干擾可能使無人機崩潰，干擾戰(zhàn)術通信，甚至堵塞或改變GPS信號以混淆敵人。

本文著眼于干擾技術和技術以及抗干擾措施和設備，即使在有針對性的攻擊下也能繼續(xù)進行無線通信。

Hooray for Hollywood

第一次使用電子對抗措施干擾可追溯到第二次世界大戰(zhàn)。雷達控制的炮兵擊落了許多盟軍飛機。這些系統(tǒng)使用雷達信號來鎖定和跟蹤空中目標并引導防空火力。當進行關鍵的聯(lián)合行動時，射頻干擾器由靠近這些武器的抵抗人員放置。新聞影片片段顯示榴彈炮由于干擾而瘋狂地旋轉(zhuǎn)并隨機射擊。大炮的設計者太傲慢了，不能考慮干擾的可能性，因此他們從未加入“手動超控”開關。

消除干擾不是一個新問題。女演員Hedy Lamar和作曲家George Antheil在第二次世界大戰(zhàn)期間開發(fā)了擴頻跳頻技術，專門用來阻止魚雷通過無線電頻率的廣播干擾，干擾他們的操作并導致魚雷偏離航線。

他們使用鋼琴演奏鋼琴的原理，以“不可預測的”改變基站和魚雷之間的基頻。當同步啟動時，控制中心看似隨機控制頻率的短暫突發(fā)使得幾乎不可能卡住。值得注意的是（沒有雙關語意）最初使用的88個頻率對應于鋼琴的白鍵和黑鍵。

干擾的方法

干擾器可以通過多種方式干擾系統(tǒng)的正常操作。如果可以實現(xiàn)對控制中心的遠程訪問，則將盤子轉(zhuǎn)向例如零點可以有效地使鏈路靜音。隨著越來越多的關鍵基礎設施被放置在線并傳輸?shù)皆贫?，這個問題變得越來越重要，為那些尋求削減電力，重定向鏈路甚至關閉它們的人提供了漏洞。

本地干擾是一種更直接的方法，因為目標可能在運動中。這里，當在特定頻帶上傳送時，比初始信號更高的功率電平可能壓倒接收器并阻止通信?；鸹ㄏ稌l(fā)出噪聲，在每個波段和每個頻率都會產(chǎn)生能量。然而，較窄頻率范圍內(nèi)的噪聲也會造成嚴重破壞。作為一個例子，淘氣的人設計，建造，演示，甚至提供簡單的干擾器來毀掉其他人的一天。例如，在線發(fā)現(xiàn)的袖珍射頻干擾器和噪聲發(fā)生器（圖1）的套件和計劃可產(chǎn)生0到128 MHz范圍內(nèi)的噪聲，特別是干擾無線電控制的物體，如飛機，船只，汽車和機器人< SUP> 1 。這些套件作為教育產(chǎn)品銷售，因為有意干擾RF信號是非法的 2 。

圖1：公共領域和“教育”工具包和設備隨時可用于阻塞和干擾常見的頻段和服務。將抗干擾技術整合到單芯片無線電中變得越來越重要。

除了基于電源和頻率的干擾之外，智能干擾器也是一個問題。在這里，技術被設計為混亂無線協(xié)議操作而不是用噪聲壓倒接收器。例如，以802.11為中心的以太網(wǎng)和IP協(xié)議，您可以違反幀間間隔規(guī)則和欺騙RTS/CTS消息，使頻道看起來持續(xù)繁忙。如果您可以無線訪問第3層路由器，您甚至可以重定向流量，攔截流量，破壞流量，然后將其發(fā)送到路上。

這已成為一種越來越有效的技術。它可能是隱身的，因為它使用更少的能量，對受害者來說不那么明顯。隨著前瞻性的軍事和防御系統(tǒng)越來越依賴射頻鏈路，單獨加密和跳頻可能還不夠好。

即使沒有提取或更改數(shù)據(jù)，遇到干擾頻段的干擾信號也可能導致發(fā)射機比通常情況下停留更長時間。累積效應將比預期更快地耗盡電池，從而降低遠程或埋藏的鏈路。

由于這些原因，國防高級研究計劃局（DARPA）正在尋找創(chuàng)新的抗干擾解決方案，并正在根據(jù)其超寬帶啟用射頻信息（HERMES）計劃征求請求 3 。整個聯(lián)邦政府，包括執(zhí)法，軍事，通信和控制，只有1.4％的權利。這可能使軍事頻譜管理變得困難，特別是在信號自相殘殺或干擾的威脅日益增加的情況下。這與2010年總統(tǒng)令相吻合，即到2020年將另外500 MHz的頻譜用于商業(yè)用途，并更有效地使用頻譜并使其更具抗干擾性。

抗干擾設計

設計人員在他們的技巧包中有更寬的頻段，更窄的帶寬和動態(tài)重新配置。其他專有技術也將被采用，因為正如你可能想象的那樣，這項技術就像桑德斯上校的秘訣一樣：非常謹慎。

DARPA提議在20 GHz以下工作時尋找超過10 GHz的瞬時帶寬。將需要硬件和DSP技術來采用編碼增益和使用頻譜濾波來動態(tài)地移位信號以及補償大氣吸收。總體目標是實現(xiàn)超過70 dB的干擾抑制。像ADI公司的ADSP-BF609BBCZ-5 Blackfin雙核處理器這樣的部件可能是一個不錯的選擇，因為每個500 MHz核心都包含MAC，ALU和桶形移位器，用于實現(xiàn)專有的基于DSP的加密和跳頻算法。

德州儀器還提供混合雙核解決方案TMS320C6727BZDH350，該解決方案結合了DSP和ARM，可使用復雜的代數(shù)和差分跳頻算法動態(tài)生成重新加密的加密密鑰。

< p>另一種技術是使用大量窄帶信號和短數(shù)據(jù)突發(fā)，這些信號不會讓干擾器檢測到或阻止傳輸。例如，以2,414,012 MHz和2,414,013 MHz為中心的1 Kbit/sec傳輸很容易讓干擾器通過將其功率集中在該頻率來找到并壓縮該傳輸。但是，如果您的設計在2,410 Mhz至2,420 MHz范圍內(nèi)的5,000個不同的2 KHz寬頻帶中的一個中使用100位突發(fā)數(shù)據(jù)，則干擾器需要使用500倍的功率，并且僅需要10％的效率在這里和那里點擊幾下來讓接收器煩人。編碼的前向糾錯也可以減少或消除重新傳輸?shù)男枰?/p>

頻段越多，跳頻越快（甚至可變跳頻），就越容易堵塞一旦發(fā)送器和接收器同步。

加密幫助

加密也將在這里發(fā)揮作用。任何可以減緩智能干擾或防止數(shù)據(jù)攔截的事情都是一件好事。同樣，基于硬件的實時加密和解密技術的性能優(yōu)于單獨的軟件加密。

用于Xpress加密模塊的Digi-International XEB-AW140-DK等開發(fā)套件可能是一個很好的起點（圖2）。它不僅可以快速開發(fā)NIST認證，還可以作為嵌入式微控制器的PCI從外設，用于快速測試有線或無線鏈路。性能可調(diào)低低延遲或吞吐量，兩個獨立的受密碼保護的用戶模式 - 加密官和用戶 - 確?？梢詼y試安全的日常操作。

圖2：專用加密模塊和開發(fā)系統(tǒng)可以幫助設計人員開發(fā)專有加密或跳頻算法，使查找和阻塞無線通信變得更加困難。

現(xiàn)實世界的應用程序可能要求使用基于ASIC或FPGA的密鑰和算法來實現(xiàn)安全和專有的跳頻和頻譜使用。在本文中，我們研究了干擾技術和技術以及抗干擾方法，即使在有針對性的攻擊下也能繼續(xù)進行通信。然而，無論使用哪種抗干擾技術，該領域的設計者一開始就知道這是一種貓捉老鼠的游戲，而老鼠有時會獲勝。