超短波通信网络IEMI效应试验平台及试验方法与流程

超短波通信网络iemi效应试验平台及试验方法
技术领域
1.本发明涉及一种超短波通信网络效应试验平台及试验方法，应用于恶意电磁干扰(intentional electromagnetic interference,iemi)毁伤和干扰效应评估。


背景技术：

2.随着现代电子技术的快速发展，无线通信系统有时会遭受各种恶意电子干扰(iemi)的攻击，如高功率微波(hpm)、超宽带电磁脉冲(uwb
‑
emps)、高空电磁脉冲(hemp)等(参见giri d v,hoad r,sabath f.high
‑
power electromagnetic effects on electronic systems[m].london:artech house,2020:20
‑
30)。
[0003]
以hemp为例，由于其具有高场强峰值和宽频分布等特性，一般均是通过无线通信系统天线耦合从天线端口进入设备射频前端，从而冲击到设备内部电子器件，造成通信设备故障、死机和性能降级等现象(参见周璧华,陈彬,石立华.电磁脉冲及其防护工程[m].北京:国防工业出版社,2003)。无线通信系统均是以多层级、分布式体系架构的通信网络形式存在，广域空间上的分布距离可以达到从数十公里至数百、上千公里的跨度。由于hemp具有广域式分布的特点，其可以影响数百、上千公里范围内所有的电子通信设备，并且由于通信网络和hemp的广域分布式特性，故难以从试验角度直接进行通信网络的hemp效应评估。目前关于无线通信系统效应的研究主要停留在设备级、组件和器件级等层级，尚未发现存在针对网络级开展综合效应评估的研究(coburn w o,nguyen e,reyzer r j.high
‑
altitude electromagnetic pulse survivability assessment of the harris rf
‑
3200transceiver,ada258347,adelphi md:harry diamond labs,sep.1992.)。因此，需要在有限的hemp试验空间内，针对特定的无线通信网络应用场景，构建能够反映该通信网络真实系统和环境特性的综合效应试验平台，来开展网络级的效应试验综合评估。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的是解决现有关于无线通信系统效应的研究主要停留在设备级、组件和器件级等层级，尚无针对网络级开展综合效应评估研究的技术问题，提供一种超短波通信网络iemi效应试验平台及试验方法。
[0005]
为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：
[0006]
一种超短波通信网络iemi效应试验平台，其特殊之处在于：
[0007]
包括控制终端、光交换机、脉冲电流监测探头、电场监测探头和多个通信节点；所述控制终端通过光交换机控制通信节点状态和业务配置，以及进行通信网络性能监测和分析；所述节点状态涉及的参数包括节点虚拟空间位置坐标、网络权重和收发状态；所述业务配置包括可靠性传输业务、实时性传输业务和语音业务配置；所述通信网络性能包括网络吞吐量、平均数据传输速率、平均传输时延和网络业务容量；
[0008]
所述控制终端和光交换机放置于屏蔽间内；
[0009]
所述脉冲电流监测探头、电场监测探头和所有通信节点放置于iemi电磁干扰试验
空间内；
[0010]
所述通信节点的工作频率位于超短波通信频段；每个通信节点包括基带控制板卡、射频收发器、节点天线和电源模块；
[0011]
所述基带控制板卡包括依次连接的光电转换模块、arm控制器和调制解调模块；所述arm控制器为包含信道模拟模块的arm控制器，用于控制射频收发器及进行基带数据处理；所述信道模拟模块用于根据通信节点分布位置，控制射频收发器产生模拟经历真实信道后的通信波形；
[0012]
所述射频收发器用于超短波频段的无线收发，包括发射通道、接收通道、射频开关和本振器；所述接收通道包括依次连接的低噪声放大器和接收混频器；低噪声放大器另一端接射频开关；所述发射通道包括依次连接的发射混频器、低通滤波器、一级功率放大器和二级功率放大器；二级功率放大器的输出端接射频开关；所述本振器用于向接收混频器和发射混频器提供本振频率；所述射频开关用于实现收发通道切换选择功能；所述射频开关通过阻抗匹配电路与节点天线连接；
[0013]
所述调制解调模块的射频端分别与接收混频器的输出端和发射混频器的输入端连接，用于实现数据gmsk调制解调功能；
[0014]
所述光电转换模块将调制解调模块输出的电信号经arm控制器后转换为光信号和将光交换机传输的光信号转换为电信号转发给arm控制器；所有通信节点的光电转换模块通过光纤经屏蔽间信号接口窗进入屏蔽间连接至光交换机；
[0015]
所述脉冲电流监测探头的输入端串联在其中一个通信节点的节点天线上，其输出端通过光纤与光交换机连接，用于监测节点天线末端感应脉冲电流波形；
[0016]
所述电场监测探头的输出端通过光纤与光交换机连接，用于监测空间电场波形。
[0017]
进一步地，还包括设置在屏蔽间内的示波器；所述示波器与光交换机相连，用于显示节点天线末端脉冲电流波形和空间电场波形。
[0018]
进一步地，所述通信节点的工作频率为65mhz，发射功率为10dbm，灵敏度≤
‑
110dbm。
[0019]
进一步地，所述arm控制器采用型号为stm32f407的高性能微控制器。
[0020]
进一步地，所述调制解调模块采用si4463芯片；
[0021]
所述发射混频器和接收混频器均采用sa602芯片；
[0022]
所述本振器采用si4133芯片。
[0023]
进一步地，所述低噪声放大器、一级功率放大器和二级功率放大器均采用rf3376芯片；
[0024]
所述天线采用底馈超短波天线；
[0025]
所述阻抗匹配单元为lc电路；
[0026]
所述射频开关采用pin管。
[0027]
进一步地，所有通信节点均匀分布在iemi电磁干扰试验空间内。
[0028]
同时，本发明提供一种超短波通信网络iemi效应试验方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
[0029]
1)试验设置
[0030]
1.1)按照试验大纲要求，设置iemi电磁干扰试验空间的场均匀性、脉冲电流波形
和电场波形参数；
[0031]
1.2)将状态和性能指标符合试验大纲要求的多个通信节点，均匀放置于iemi电磁干扰试验空间内；
[0032]
1.3)将所有通信节点采用tdma协议构建全连通网络，tdma协议包括返回式arq链路控制、时隙配置、初始入网和抗毁自愈；所述通信节点采用时隙动态配置或时隙预约配置，进行数据同步及帧头信息同步；
[0033]
1.4)设置节点状态参数，所述节点状态参数包括节点虚拟空间位置坐标、网络权重和收发状态；
[0034]
1.5)进行业务配置，所述业务配置包括可靠性传输业务、实时性传输业务和语音业务配置；
[0035]
1.6)设置通信网络性能监测指标，所述通信网络性能包括网络吞吐量、平均数据传输速率、平均传输时延和网络业务容量；
[0036]
1.7)在所述iemi电磁干扰试验空间内，布置电场监测探头，通过光纤将监测到的空间电场波形传输至屏蔽间的的光交换机，并在示波器上显示；在通信节点的节点天线末端安装脉冲电流监测探头，通过光纤将感应脉冲电流波形传输至屏蔽间的光交换机，并在示波器上显示；
[0037]
1.8)设置示波器触发域参数；
[0038]
2)试验过程
[0039]
2.1)按照25％
×
m试验等级设置iemi电磁干扰试验空间的iemi干扰源的发射参数；，设置预设试验发次；所述m为最大试验场强；
[0040]
2.2)触发iemi干扰源对所有通信节点进行辐照试验，试验发次结束后，存储相应的响应监测数据和通信网络性能监测数据；所述响应监测数据包括感应脉冲电流波形和空间电场波形；
[0041]
2.3)根据所得响应监测数据和通信网络性能监测数据，判断网络性能是否正常，若正常，直接执行步骤2.4)；若不正常，则对所有通信节点进行状态和性能指标监测，找出故障通信节点并更换后，执行步骤2.4)；
[0042]
2.4)重复步骤2.2)至步骤2.3)，直至完成预设试验发次；
[0043]
2.5)对所有通信节点进行状态和性能指标监测，判断是否存在故障通信节点，若不存在，则直接执行步骤2.6)，若存在，则记录iemi效应数据，更换故障通信节点，然后执行步骤2.6)；
[0044]
2.6)重复步骤2.1)和步骤2.5)相同的操作，依次开展50％
×
m、75％
×
m和100％
×
m等级的试验；
[0045]
2.7)判断100％
×
m等级的试验是否完成，若未完成，则返回步骤2.1)；若完成，则执行步骤2.8)；
[0046]
2.8)对试验所得通信网络性能监测数据进行处理和分析。
[0047]
进一步地，步骤1.3)中，所述时隙预约配置的步骤如下：
[0048]
a1)设置预约时间；控制终端传递一个“发送数据请求信号”给数据链路层，数据链路层向通信节点i的时隙管理模块发送“发送数据请求信号”；
[0049]
a2)通信节点i根据“发送数据请求信号”中的数据长度和速率要求，确定申请时隙
的个数为m；
[0050]
a3)通信节点i的时隙管理模块查询本地时隙表中是否存在从时隙序列号s
k
到时隙序列号s
k m
的m个连续空时隙，若不存在，则通过数据链路层通知控制终端“网络忙”，然后执行步骤a5)；若存在，则时隙管理模块发出“时隙预约申请srr信号”并广播；
[0051]
a4)其余通信节点收到“时隙预约申请srr信号”后，查询本地时隙表的时隙序列号s
k
到时隙序列号s
k m
的m个连续时隙是否均处于空闲状态，若是，则把这些时隙标志为被通信节点i占用的状态，然后执行步骤a6)；若否，则向通信节点i回复“时隙预约无效srf信号”，通信节点i的时隙管理模块收到“时隙预约无效srf信号”后，将相应时隙标志为未预约状态，然后返回步骤a3)；
[0052]
a5)在预约时间内，多次重复步骤a1)至步骤a4)，若通信节点i时隙预约成功，则执行步骤a6)；否则，向控制终端返回“通信节点i未预约到空闲时隙，无法通信”的通知；
[0053]
a6)通信节点i通知数据链路层时隙预约成功，控制终端通过数据链路层向通信节点i发送数据。
[0054]
本发明相比现有技术具有的有益效果如下：
[0055]
1、本发明提供的超短波通信网络iemi效应试验平台，为一种能够模拟真实超短波无线通信设备参数和网络协议特性、并能够真实反映空间分布特性的无线通信网络效应试验平台，基于该平台，能够开展各种具有分布式特点的恶意电磁干扰环境下的网络级毁伤综合效应评估，同时评估网络在iemi环境下的生存能力以及抗iemi攻击的能力，可以解决目前无法准确评价恶意电磁干扰攻击对超短波通信网络的毁伤和干扰能力的问题。
[0056]
2、本发明提供的超短波通信网络iemi效应试验平台及试验方法，能够在有限空间范围内，模拟真实超短波电台网络的空间分布、信道特性和网络特性，对于研究广域式电磁脉冲攻击效果，提供了贴近真实装备的等效性和实用性的效应研究实验平台，解决分布式通信网络在受到广域式电磁攻击条件下的效应评估问题。
[0057]
3、本发明提供的超短波通信网络iemi效应试验平台及试验方法，能够通过控制终端参数设置，调整通信节点的权重，模拟实际通信网络中的节点差异性，调整通信节点的虚拟地理位置，模拟实际通信中信号经过远距离超短波信道传输后体现的多径、延迟等特性，能够最大程度还原真实网络的实际应用场景。
[0058]
4、本发明提供的超短波通信网络iemi效应试验平台及试验方法，能够实时收集网络内所有节点在iemi攻击条件下节点数据处理情况、网络吞吐量、网络延迟等性能指标，用于评估iemi的攻击效果。
[0059]
5、本发明提供的超短波通信网络iemi效应试验平台及试验方法，通过光电转换、光纤传输的方式实现业务控制和性能监测的可靠性，保证网络测量通道不受iemi电磁干扰，保证测试可靠性。
[0060]
6、本发明提供的超短波通信网络iemi效应试验平台及试验方法，给出了网络级iemi电磁干扰效应试验主要流程步骤，为有效评估iemi对通信网络的性能影响提供了试验方法。
附图说明
[0061]
图1为本发明超短波通信网络iemi效应试验平台的结构示意图；
[0062]
图2为本发明超短波通信网络iemi效应试验平台中通信节点的结构示意图；图中，计算机应为控制终端
[0063]
图3为本发明超短波通信网络iemi效应试验方法的流程示意图。
具体实施方式
[0064]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。
[0065]
本发明基于真实应用场景下的超短波通信网络的网络通信协议、设备工作参数、空间分布特性，设计了一种采用分布式架构的超短波通信网络iemi效应试验平台，其硬件包括控制终端(计算机)、光交换机、通信节点，软件包括网络通信协议、通信节点状态和业务控制软件、通信网络性能监测和分析软件。
[0066]
本发明的超短波通信网络iemi效应试验平台，如图1和图2所示，具体包括控制终端、光交换机、脉冲电流监测探头、电场监测探头和多个通信节点；所述控制终端通过光交换机控制通信节点状态和业务配置，以及进行通信网络性能监测和分析；所述节点状态涉及的参数包括节点虚拟空间位置坐标、网络权重和收发状态；所述业务配置包括可靠性传输业务、实时性传输业务和语音业务，以及能够模拟各种理想业务发送模型的数据业务配置；所述通信网络性能包括网络吞吐量、平均数据传输速率、平均传输时延和网络业务容量；所述控制终端和光交换机放置于屏蔽间内；所述脉冲电流监测探头、电场监测探头和所有通信节点放置于iemi电磁干扰试验空间内。
[0067]
所述通信节点的工作频率位于超短波通信频段；所有通信节点均匀分布在iemi电磁干扰试验空间内；每个通信节点包括基带控制板卡、射频收发器、节点天线和电源模块；所述基带控制板卡包括依次连接的光电转换模块、arm控制器和调制解调模块(基带端接arm控制器)；所述arm控制器为包含信道模拟模块的arm控制器，用于控制射频收发器及进行基带数据处理；所述信道模拟模块用于根据通信节点分布位置，控制射频收发器产生模拟经历真实信道后的通信波形，用于模拟实际应用场景。所述射频收发器采用超外差式收发结构，用于超短波频段的无线收发，模拟超短波电台工作，包括发射通道、接收通道、射频开关和本振器；所述接收通道包括依次连接的低噪声放大器和接收混频器；低噪声放大器另一端接射频开关；所述射频开关的天线端通过阻抗匹配单元(lc电路)与节点天线连接；所述发射通道采用两级放大方式，包括依次连接的发射混频器、低通滤波器、一级功率放大器和二级功率放大器；二级功率放大器的输出端接射频开关；所述本振器用于向接收混频器和发射混频器提供本振频率；所述射频开关用于实现收发通道切换选择功能；所述调制解调模块的射频端分别与接收混频器的输出端和发射混频器的输入端连接，用于实现数据gmsk调制解调功能；所述光电转换模块将调制解调模块输出的电信号经arm控制器后转换为光信号和将光交换机传输的光信号转换为电信号；所有通信节点的光电转换模块通过光纤经屏蔽间信号接口窗进入屏蔽间连接至光交换机；所述脉冲电流监测探头的输入端串联在其中一个通信节点的节点天线上，其输出端通过光纤与光交换机连接，用于监测节点天线末端感应脉冲电流波形；所述电场监测探头的输出端通过光纤与光交换机连接，用于监测空间电场波形。还包括设置在屏蔽间内的示波器；所述示波器与光交换机相连，用于显示节点天线末端脉冲电流波形和空间电场波形。本发明的超短波通信网络iemi效应试验平台具备以下评估功能：1、评估网络中不同权重通信节点受到电磁攻击时整体网络的性能变
化；2、评估网络中通信协议在通信节点部分或整体受到电磁攻击时的健壮性。
[0068]
所述通信节点的工作频率为65mhz，发射功率为10dbm，灵敏度≤
‑
110dbm。所述arm控制器采用型号为stm32f407的高性能微控制器。所述调制解调模块采用si4463芯片；所述发射混频器和接收混频器均采用sa602芯片；所述本振器采用si4133芯片；所述低噪声放大器、一级功率放大器和二级功率放大器均采用rf3376芯片；所述天线采用底馈超短波天线；所述阻抗匹配单元为lc电路；所述射频开关采用pin管。
[0069]
本发明还提供一种超短波通信网络iemi效应试验方法，包括以下步骤：
[0070]
1)试验配置
[0071]
1.1)按照试验大纲要求，设置iemi电磁干扰试验空间的场均匀性、脉冲电流波形和电场波形参数；iemi电磁干扰试验空间的面积为10米
×
10米；iemi干扰源(干扰发射机)产生的辐射电场在iemi电磁干扰试验空间场均匀性满足6db要求；
[0072]
1.2)将状态和性能指标符合试验大纲要求的多个通信节点，均匀放置于iemi电磁干扰试验空间内，保证被试系统处于正常状态；
[0073]
1.3)将所有通信节点采用tdma协议构建全连通网络(即时分复用tdma链路层传输协议，是一种全连通网络拓扑结构)，入网节点数可达32，tdma协议包括返回式arq链路控制、时隙配置、初始入网和抗毁自愈；所述通信节点采用时隙动态配置或时隙预约配置，进行数据同步及帧头信息同步实现网络同步及同步保持；使用链路层ack确认机制，可靠性传输业务要求ack必须成功确认才可以进行新数据传输，实时性传输业务要求ack发送3次后则无论是否成功确认均进行新数据传输。在传输非语音业务时，使用crc校验机制，保证数据分组没有误码问题；
[0074]
所述时隙预约配置的步骤如下：
[0075]
a1)设置预约时间；控制终端传递一个“发送数据请求信号”给数据链路层(dlc层)，数据链路层向通信节点i的时隙管理模块发送“发送数据请求信号”；
[0076]
a2)通信节点i根据“发送数据请求信号”中的数据长度和速率要求，确定申请时隙的个数为m；
[0077]
a3)通信节点i的时隙管理模块查询本地时隙表中是否存在从时隙序列号s
k
到时隙序列号s
k m
的m个连续空时隙，若不存在，则通过数据链路层通知控制终端“网络忙”，然后执行步骤a5)；若存在，则时隙管理模块发出“时隙预约申请srr信号”并广播；
[0078]
a4)其余通信节点收到“时隙预约申请srr信号”后，查询本地时隙表的时隙序列号s
k
到时隙序列号s
k m
的m个连续时隙是否均处于空闲状态，若是，则把这些时隙标志为被通信节点i占用的状态，然后执行步骤a6)；若否，则向通信节点i回复“时隙预约无效srf信号”，通信节点i的时隙管理模块收到“时隙预约无效srf信号”后，将相应时隙标志为未预约状态，然后返回步骤a3)；
[0079]
a5)在预约时间内，多次重复步骤a1)至步骤a4)，若通信节点i时隙预约成功，则执行步骤a6)；否则，向控制终端返回“通信节点i未预约到空闲时隙，无法通信”的通知；
[0080]
a6)通信节点i通知数据链路层时隙预约成功，控制终端通过数据链路层向通信节点i发送数据；
[0081]
1.4)设置节点状态参数，所述节点状态参数包括节点虚拟空间位置坐标、网络权重和收发状态，使通信网络工作在某假定分布式场景下；
[0082]
1.5)进行业务配置，所述业务配置包括可靠性传输业务、实时性传输业务和语音业务配置；
[0083]
1.6)设置通信网络性能监测指标，所述通信网络性能包括网络吞吐量、平均数据传输速率、平均传输时延和网络业务容量，以实时监测通信网络的性能指标；
[0084]
1.7)在所述iemi电磁干扰试验空间内，布置若干脉冲电场监测探头，通过光纤将监测到的空间电场波形传输至屏蔽间的光交换机，并在示波器上显示；在通信节点的节点天线末端安装脉冲电流监测探头以监测空间电场波形，通过光纤将感应脉冲电流波形传输至屏蔽间的光交换机，并在示波器上显示；
[0085]
1.8)设置示波器触发域参数；
[0086]
2)试验过程
[0087]
2.1)按照25％
×
m试验等级设置iemi电磁干扰试验空间的iemi干扰源的发射参数，设置预设试验发次；所述m为最大试验场强；
[0088]
2.2)触发iemi干扰源对所有通信节点进行辐照试验，试验发次结束后，存储相应的响应监测数据和通信网络性能监测数据；所述响应监测数据包括感应脉冲电流波形和空间电场波形；
[0089]
2.3)根据所得响应监测数据和通信网络性能监测数据，判断网络性能是否正常，若正常，直接执行步骤2.4)；若不正常，则对所有通信节点进行状态和性能指标监测，找出故障通信节点并更换后，执行步骤2.4)；
[0090]
2.4)将步骤2.2)至步骤2.3)重复多次；
[0091]
2.5)对所有通信节点进行状态和性能指标监测，判断是否存在故障通信节点，若不存在，则直接执行步骤2.6)，若存在，则记录iemi效应数据，更换故障通信节点，然后执行步骤2.6)；
[0092]
2.6)重复步骤2.1)和步骤2.5)相同的操作，依次开展50％
×
m、75％
×
m和100％
×
m等级的试验；
[0093]
2.7)判断100％
×
m等级的试验是否完成，若未完成，则返回步骤2.1)；若完成，则执行步骤2.8)；
[0094]
2.8)对试验所得通信网络性能监测数据进行处理和分析。
[0095]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。