无线传输扩频技术和加密通信原理解析

扩频通信是指利用扩展频谱技术，使信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽，以提高通信系统的抗干扰性。 

一、扩频的原理：香农定理

扩频的原理，可以通过回顾香农公式来理解。 香农定理：定义了有噪声信道的极限速率，公式如下：C=W*log2(1+S/N) 其中，S为信号平均功率，N为噪声平均功率则S/N为信噪比，单位为分贝（dB)。 分贝与信噪比的换算关系为：dB=10log10(S/N) 信号越强，噪声越小，则信噪比越大，信道速率就越高。带宽为3k赫兹的普通电话线，波特率为6000，根据调制方式的不同，可以有不同的速率，但由于噪声的存在，能达到9.6kbps的速率已经很不错了。

  当传输速率一定时，加大信号带宽，可以降低对信噪比的要求。当带宽加大到一定程度，甚至允许信号功率淹没在噪声之下。因此，在一定的发射功率下，扩频信息分布在很宽的频带内，有用的信号功率密度很低，在强噪声背景或信号被噪声淹没时，也能够可靠通信，具有极强的抗干扰性能。同时，扩频通信使用扩频函数（不可预测的伪随机序列码）调制和对信号进行处理，使得扩频通信具有高保密性的特点。   扩频信号带宽与信息带宽之比为扩频因子。扩频因子数值为1-2时，成为窄带通信；大于50称为宽带通信；大于100为称为扩频通信。 

二、四种扩频技术，FHSS在无人机电台上最常用

 扩频通信系统可以分为以下四种：          

1、直接序列扩频（DSSS） 发送端直接采用高码率的扩频码序列去扩展信号频谱，接收端通过同样的扩频码序列还原信号。直接序列扩频将信号扩展成很宽的频带，其功率频谱密度比噪声还要低，使信号能隐蔽在噪声中，提高信号保密性。在接收端则对噪声信号进行非相关处理，使干扰电平显著下降而被抑制。直接序列扩频通信系统是目前应用最为广泛的系统，典型应用有CDMA、WLAN。  

2、跳频扩频（FHSS） 用伪随机码序列进行频移键控（FSK），使载波频率不断跳变而扩展频谱。跳频扩频将整个频谱分割为更小的窄带频谱。发送方和接收方在每个窄带信道上工作一段时间，然后转移到另一个信道。   跳频技术的基本原理是在通信的不同时间片或数据包中，发送端和接收端按照事先约定好的序列，频繁地切换使用不同的频率进行通信。这种频率切换可以是随机的、伪随机的或按照特定的算法进行。具体切换频率的方式取决于跳频系统的设计和实施。   跳频技术的主要目的是提高通信的安全性和抗干扰能力。由于频率的快速切换，跳频通信可以减少特定频率上的干扰或窃听威胁，因为干扰者或窃听者需要在短时间内掌握并跟踪频率的变化才能有效进行干扰或窃听。跳频技术还可以提供频谱扩展的效果，即通过在更广泛的频率范围内进行通信，提高了抗干扰性和抗多径衰落的能力。   跳频扩频通信应用在WLAN、蓝牙、ZigBee中。在无人机数传电台上，常用的Digi 900M的XBee模块（比如900HP、SX Pro、XTend等）、Microhard的P900以及国产T900，都是FHSS的。

3、跳时扩频（THSS） 和跳频扩频类似，跳时是发射信号在时域（时间轴）上的跳变。因为在时域上压缩了传输时间，则相应的频谱宽度也扩展了。简单的跳时抗干扰性不强，很少单独使用。可以和以上扩频技术进行组合形成混合系统，如跳时/直扩系统。  

4、线性调频扩频（CSS） 如果发射的信号在一个周期内，其载频的频率作线性变化，则称为线性调频。因为其频率在较宽的频带内变化，所以信号的频带也被展宽了。这种扩频调制方式主要用在雷达，物联网领域（LPWAN等）。   综上，总结如下：  

三、美军单兵电台：宽带自组网成主流

  传统的觉得能普及单兵电台说说话就了不得；后来琢磨怎么能组网，数据语音都有，就像手机一样，但那个离不开基站，需要车辆或临时架设；而现在则是如何带宽更宽，并且摆脱基站的束缚。业界管第三种叫ad-hoc，自治的，无中心，动态拓扑，全对等，多跳，可重构自组网，无需基站，或者说每个节点都可以作为基站。战场和救灾一直是大户。  

美国陆军用户一直很上心，目前主要有两种无线电系统：第一种就是大家熟知的那种“传统电台”，固定信道或者用户点对点的单通道地面和机载无线电系统 sincgars，第二种就是基于ad-hoc的移动自组织网络，美军叫 manet，也分为很多版本，单兵自组网的叫srw。1980年以来，第一种sincgars一直是美军士兵的基本无线电系统。但能宽带上网，动态组网的ad-hoc也一直在测试，随着关键技术逐步突破，最近几年srw发展迅猛，多家公司都在搞，然后推出自己商标的解决方案，但都遵循军方manet标准，且都在JTRS联合战术无线电框架里面。

一、trellisware公司brn网络

比如trellisware公司的srw基本上成熟了，目前已经包含tire 1和 tier 2两个。Tier 1负责连排到单兵，tier 2负责营连旅这一级别，再结合更高层的win-t网络来实现从华盛顿最高统帅到沙漠里的最底层士兵之间的数据共享。

trellisware的brn网络，主要针对美军特战司令部的下一代tsm-x战术无线电（ad-hoc/manet, 单个rf新到250个节点）以及陆军的srw窄带无线电，从战术行动中心toc开始，发起组网行动，无线电信息已虚拟多路径方式，逐步找到单兵，这在对抗无线电环境中特别有优势，不怕单个链路中断，能绕行，网络能自愈。民用的已经发展到tsm-6，用于地下隧道，采矿，船舶内，城市应急救援等。  

二、洛格，soldierlink系统

著名的诺斯罗普格鲁曼公司的，叫soldierlink系统，建成后sls，号称是“移动战术云通讯网络”。先试用先进的动态网络波形aknw和现代网络协议，建立一个安全的，无基站的移动ad-hoc网络manet，允许连排级别以下的共享数据。重要数据再通过win-t连接到更高层。底层和高层通过有限带宽的战术网络无线电来进行桥接转发，具有网络边界保护，和网关服务。   sls系统的aknw无线节点都可以作为其他网络的交换机、路由器、接入点或者网关，并通过以太网标准进行连接，实际应用中已经可以扩展1000个节点。每个用户的数据吞吐量为5-20M加密数据。   可以兼容现有的其他战术网络：Harris 117G (ANW2)、HMS/RR (SRW)、MNVR (WNW)、WIN-T、BFT2、3G/4G Tactical Cellular、BGAN (Commercial)。

士兵们通过一个叫做eud的battle sleeve终端设备接入网络，核心是一个加固的安卓智能手机，这样每个人都是一个智能终端。也同时是士兵的个人信息中心。上面可以承载的功能包括：Tactical radio-over-IP (PTT)，基于ip的战术无线电；Voice-over-IP (VoIP telephony)，基于ip的话音；C2/SA (FBCB2/BFT and JBC-P)，指挥控制，部队监视，蓝军等系统；ISR reporting (TIGR)，侦查报告；Fire Support (FOS)，火力支援呼叫；Video access (OSRVT Air, Ground Recon, Soldier)，视频访问；Mission Provisioning/File Transfer Protocol (Maps, Orders, Graphics)，地图，命令，图形等传递；Chat，聊天；Training POI，训练；Maintenance POI，维护。  

三、GD通用动力的，叫win-t

号称是美国陆军战术网络的骨干网。 增量1，也叫jnn-n，已经2004年在伊拉克部署，营级高速数据网络。 增量2，2013年第10山地师在阿富汗首次使用。完全自组织网络，一套支持200人，30台车，不过尺寸还是偏大，主要是车载。

PRC-155背负式电台（已停产），跟PRC-154手台配合，陆军首个部署的双通道，软件定义无线电，可以连接到muos卫星网络，提供类似智能手机的语音通讯，两个信道，可以运行不同波形和频段，一台就够。自带gps，加密，可以ad-hoc自组网。就是当时技术所限，2G，窄带一点，但ad-hoc自组网技术算是实锤实用了。

四、persisten公司mpu 5

不过现在装备的最先进的是persistent system的 wave relay 技术的网络，2017年推出的mpu5号称世界首个基于智能手机的电台，全面支持陆军manet网络的ad-hoc自组网，self forming/hearling自组网/自愈，3G-SDI视频，H.264解码，16个信道，RoIP无线接口。对等网络无主节点，军方和警察都在用。

尤其是针对频率高，距离短，容易被遮挡，城市/森林/洞穴多路径问题，采用了3*3的mimo多发多收技术，比传统电台通讯范围扩大4倍，速度大于100Mbps，而且s波段/ l波段/c波段的射频硬件完全模块化，覆盖从几百Mhz到6GHz，用螺丝刀就能更换，功率10瓦。

很皮实，IP68标准，milt-std-810g，防水20M的30分钟，-40度到+85度。

新节点入网时间小于1秒，hops数量和nodes数量没限制。距离130英里！峰值tcp吞吐量150Mbps，信道20MHz。可以安装apps扩展功能，多个usb口和网口连接各种其他设备。通过3g-sdi, hdmi，支持320*240到高清1080p30和720p60的h.264流媒体。通过板载硬件加速编码器，最多支持4个视频流。

2017年开始在警察，FBI、民用等领域使用。2017年9月跟陆军签了个890万美元的合同，11月获得了陆军endeavor robotics奖1亿美元。2018年4月参与陆战队演习，6月拿到陆战队1千万美元单子。

所以，美军以后的单兵电台，使用起来其实跟我们的4G/5G手机用户体验差不多，关键人家不依赖基站，随时随地兄弟们自组网，对上连接连、营、旅，上卫星，直通国防部。    

四、美军用电台是如何确保通信安全的？

军用电台作为一种重要的通信工具，用于军队内部和军队之间的通信联络。军用电台通信安全对于保障军事行动的成功和保护军队的生命财产具有至关重要的意义。通过确保通信信息的机密性、防止窃听和监听、抵御干扰和破坏，以及采用加密技术和有效的密钥管理，军用电台通信可以在敌对环境中保持可靠、安全和保密的通信连接。这为指挥员提供了有效指挥、控制和协调作战行动的重要工具，提高了军队的战斗力和作战效能。    
  下面两项是军用电台确保通信安全的关键技术：  

1、跳频技术 跳频技术是一种无线通信技术，通过在通信过程中频繁改变信道（频率）来传输数据。它是一种抗干扰和窃听的技术，常用于军事通信和安全敏感应用中。总之，跳频技术通过频繁切换使用不同的频率，提高了通信的安全性和抗干扰能力，使得通信更加难以被窃听、干扰和破坏。它在军事通信、无线电间谍活动和其他安全敏感应用中得到广泛应用。      

2、加密通信 加密通信是指通过使用密码算法将通信内容进行加密，以保护通信的机密性和安全性。在加密通信中，发送方使用加密算法将明文信息转换为密文，只有拥有正确密钥的接收方才能解密并还原出明文信息。   加密通信的主要目的是防止未经授权的个人或组织获取和理解通信内容。美军的加密通信是指美国军队在通信过程中采用的安全保密措施和技术，旨在保护军事信息的机密性、完整性和可用性，防止未经授权的人获取和篡改敏感信息。   美军的加密通信系统采用了多种技术和设备，其中包括：

1）加密设备：美军使用先进的加密设备，如保密电话、加密通信终端和保密无线电设备，以确保通信内容在传输过程中得到加密保护，只有授权人员才能解密和理解。

2）加密算法：美军采用强大的加密算法来对通信内容进行加密。这些算法包括对称加密算法和非对称加密算法，如AES（Advanced Encryption Standard）和RSA（Rivest-Shamir-Adleman）等，以保证通信的机密性和安全性。

3）密钥管理：美军注重密钥管理的重要性。它采用安全的密钥生成、分发和存储机制，确保密钥的安全性，只有授权人员才能获得正确的密钥用于解密和获取明文信息。

4）通信网络安全：美军在通信网络中采取了多层次的安全措施，包括防火墙、入侵检测系统和网络加密技术等，以防止未经授权的访问和攻击，确保通信数据的安全传输。

5）信息保护政策和程序：美军建立了严格的信息保护政策和程序，包括身份验证、访问控制、审计跟踪和安全培训等，以确保通信系统的安全运行和保密性。  

美军的加密通信系统广泛应用于各个领域，包括指挥与控制、战场通信、情报收集和共享、联合作战等。它确保了军事信息的保密性，防止敌对势力获取和利用敏感信息，维护了美军的作战优势和国家安全。同时，美军不断研发和更新加密通信技术，以适应不断变化的安全威胁和信息环境的挑战。   最后，附上美军在役电台型号：

据2023年《欧洲安全和防御》杂志发表了一篇名为《部队的连通性》的文章，文章指出：HMS项目为徒步部队提供手持式及背负式电台，为车辆等各平台和固定基地提供背负电台。美军最终将采购10万台AN/PRC-163指挥员手持台、21579台AN/PRC-154A电台和104496台战斗网无线电（CNR）单信道电台，总共将采购73064台各类背负台，其中65622台背负台将装备美国陆军。

编辑：黄飞