主動自加噪傳輸技術及其反通信偵察效能分析

石　榮，李　瀟，劉　暢

(電子信息控制重點實驗室，四川 成都 610036)

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主動自加噪傳輸技術及其反通信偵察效能分析

石榮，李瀟，劉暢

(電子信息控制重點實驗室，四川 成都 610036)

雖然各種信息安全措施在通信系統的傳輸層、網絡層和鏈路層廣泛使用，使其安全等級得到了較大提升，但隨著近年來通信偵察技術的不斷進步與發展，通信傳輸物理層安全問題卻日益突出。針對這一情況，提出了基于通信發射方自己主動添加噪聲進行信號傳輸的方法，以此來有效阻止非合作的第三方對物理層信息的直接獲取。根據不同的防護要求，設計了空間輻射自加噪與射頻合路自加噪這2種主動自加噪傳輸模式，并分析了其不同的應用條件與反通信偵察的效能。最后通過仿真驗證了上述方法的合理性與有效性，這對于提高通信傳輸物理層安全等級，推進通信電子防御工程建設具有重要參考意義。

主動自加噪傳輸；物理層安全；反通信偵察；空間輻射自加噪；射頻合路自加噪；電子防御；效能分析

0　引言

近年來隨著通信偵察技術的不斷進步與快速發展，目前偵察方已能夠對傳統的LPI/LPD通信信號實施檢測截獲[1-2]、參數分析[3-4]、調制與編碼識別[5-6]、非合作解調譯碼[4]，從而給通信傳輸物理層安全帶來了極大的威脅。雖然也可以采取文獻[7-11]提出的方法，將加密手段引入到物理層安全傳輸之中，但該方法的實現也必然會對通信系統底層的軟硬件體系架構進行重新設計與更改，從而極大地增加工程實現的復雜度，需付出較大的代價，所以盡可能保持現有通信方式變化不大的條件下，采取相對簡潔的方法來提升物理層安全成為一個重要的研究課題。本文針對這一問題，提出了通信方自己主動添加噪聲的方法來進行通信傳輸，該方法可以在保持現有通信物理層軟硬件總體架構不變的基礎之上，通過局部的簡單調整與改進來提高物理層信號的安全傳輸等級。為此在前期研究的基礎上[12-13]，設計了2種傳輸模式，以此來阻止非合作的通信偵察方對通信物理層信息的獲取，其基本原理及其反通信偵察的效能分析詳細闡述如下。

1　通信傳輸與通信偵察的載噪比描述模型

在通信發送方M1向通信接收方M2傳輸信號的同時，第三方Z，即通信偵察方，對通信發射方M1的信號進行偵察接收，如圖1所示。

圖1　通信傳輸與通信偵察場景圖示

1.1通信傳輸中的載噪比

圖1中M1的發射機輸出的有效功率記為Wt，在M1與M2連線方向上通信發射方與接收方的天線增益分別記為Gt與Gr，M1到M2的空間傳輸等因素所導致的衰減記為Ld。通信接收方天線后端的接收系統性能因素記為[G/T]r2，可由下式計算：

[G/T]r2=Gr/(Ta2+Tr2)，

(1)

式中，Ta2與Tr2分別表示通信接收方天線的噪聲溫度與天線后端整個接收系統的等效噪聲溫度，于是通信接收方所接收到的信號的載噪比[C/n0]r2(定義為信號載波功率C與接收系統單位帶寬內的噪聲功率n0之比)可由下式表達：

(2)

式中，k表示玻耳茲曼常數，k=1.380 54×10-23(Joules /K)。在正常通信系統中，載噪比[C/n0]r2直接決定了該通信鏈路的傳輸容量與質量。

1.2通信偵察中的載噪比

圖1中在M1與Z連線方向上通信發射方的天線增益記為Gtz，偵察方的天線增益記為Gz，M1到Z的空間傳輸等因素所導致的衰減記為Ldz。偵察接收方天線后端的接收系統性能因素[G/T]z表示為：

[G/T]z=Gz/(Taz+Trz)，

(3)

式中，Taz與Trz分別表示偵察接收方天線的噪聲溫度與天線后端整個接收系統的等效噪聲溫度。于是偵察方所接收到的信號的載噪比[C/n0]z表示如下：

(4)

同樣[C/n0]z直接決定了通信偵察方截獲到的信號的質量，以及是否能夠通過偵察分析和處理來完成對截獲信號的非合作解調與譯碼。

通信偵察過程中的傳輸衰減Ldz與正常通信系統的傳輸衰減Ld主要由傳輸距離決定。通常情況下，通信發射方的天線增益在指向通信接收方的方向上要比其他方向要高，即Gt>Gtz；通信偵察系統的等效噪聲溫度Trz要高于通信接收方系統的等效噪聲溫度Tr2，即Trz>Tr2，但二者不會有數量級上的差異。對比式(2)與式(4)，對于通信偵察方來說，雖然有上述不利因素，但從理論上講，通信偵察方總可以不斷地通過提高偵察接收天線的增益Gz來使得所截獲信號的載噪比[C/n0]z得以提高，從而最終滿足非合作解調的信噪比要求。由此可見，通信偵察接收方的載噪比[C/n0]z的調節主動權是由偵察接收方自己掌控的。

2　主動自加噪傳輸技術原理

由于電磁空間的開放性，在無線通信中通信發射方的信號被第三方所接收是無法避免的。盡管如此，對于如何消除由式(4)所決定的通信偵察實施條件，避免通信偵察方不斷提高其所截獲信號的載噪比，這成為通信電子防御的重要研究內容。

實際上可通過通信發送方自己主動添加射頻噪聲的方法來改變通信偵察實施條件。即通信發送方M1在發送信號的同時，也發送射頻噪聲信號，此時記發送的信號功率為Wt1，發送的射頻噪聲的功率為Wn1，對應的帶寬為Bn1，射頻噪聲發射天線的增益在M2方向上為Gnt。于是通信接收方M2所接收到信號的載噪比[C/n0]r2,new可表示為：

(5)

而此時對于通信偵察方來說，所偵察接收到的信號的載噪比[C/n0]z,new如下式所表達：

(6)

式中，Gntz為偵察方向上通信發射方的噪聲發射天線的增益。于是由式(6)可得：

(7)

由式(7)可見，在此條件下通信偵察方再也無法利用式(4)來調節偵察信號的載噪比。通信發送方通過主動發射噪聲，從而使得偵察接收方的載噪比[C/n0]z,new的調節主動權掌握在了自己的手里，因為式(7)中的5個參數Wt1、Wn1、B、Gtz和Gntz都是由通信發送方自己所決定的。只要通信發送方在確保式(5)所描述正常通信的載噪比條件滿足接收解調要求的情況下，通過上述5個參數的調節，使得式(7)所描述的偵察接收的載噪比條件遠不滿足非合作接收解調的要求。這樣就有效阻止了通信偵察方對通信鏈路上物理層信號的非合作接收解調，從而有效地提高了通信傳輸的物理層安全等級。

基于這一技術原理，有如下2種通信發射方自己主動添加發射噪聲的模式。

3　2種主要傳輸模式及其反偵察效能

3.1空間輻射自加噪傳輸模式

通信發送方在正常通信傳輸條件下，在通信發射天線處再增配一部發射機和一副噪聲發射天線，該發射機專門用來發射與正常通信信號同頻帶的射頻噪聲，其輸出信號再經過單獨的噪聲發射天線向空間輻射，如圖2所示。

圖2　空間輻射自加噪傳輸中的通信發射方

對于正常通信接收方來說，分情況討論如下：

① 當k(Ta2+Tr2)≥Wn1GntGr/(LdB)時

該條件的物理意義是通信接收方本地產生的噪聲還要大于等于通信發射方傳來的噪聲。于是由式(5)可得：

[C/n0]r2,new≥Wt1GtGr/[2Ldk(Ta2+Tr2)]，

(8)

對比式(8)與式(2)可知，通信接收方的載噪比降低將不會超過3 dB。一般情況下，通信傳輸系統都留有較大的鏈路預算余量，所以這對正常的通信接收所產生的影響很小。

② 當k(Ta2+Tr2)

該條件的物理意義是通信發射方傳來的噪聲大于通信接收方本地產生的噪聲。于是由式(5)可得：

[C/n0]r2,new≥Wt1GtB/(2Wn1Gnt)，

(9)

由式(9)可見，只要通信發送方控制好Wt1、Wn1、B、Gt和Gnt這5個參數，就可以確保通信接收方的接收載噪比條件，從而確保正常通信的順利進行。在正常通信得以保證的前提下，再利用式(7)調節Gtz和Gntz這2個參數，以盡量降低偵察接收的載噪比條件，從而提高通信物理層傳輸的安全等級。

空間輻射自加噪傳輸模式一般針對通信發射方采用定向高增益傳輸天線，定向發射通信信號時，對其天線主波束以外的區域進行防護，此時正常通信信號發射天線方向圖為針狀波束，而噪聲信號發射天線方向圖可以為全向波束，如圖3所示。

圖3　空間輻射自加噪傳輸中發射方天線波束圖

由圖3可見，在正常通信信號發射天線方向圖與噪聲信號發射天線方向圖給定的條件下，可通過適當調節噪聲發射機的輸出功率Wn1的大小，來控制向空間所輻射的噪聲功率的大小，從而使得通信發射方對外發射的混合信號本身就是一個具有一定信噪比的信號。通過輸出噪聲功率的適當控制，可使得在通信發射天線的主波束區域內的信號帶內信噪比SNR(單位是dB)為正；而遠離主波束方向的區域內的信號帶內SNR很小，甚至為負。這樣就能在空間區域上體現出發射信號本身在SNR上的差異。在此條件下，正常通信接收方可接收到滿足信號解調要求的正SNR信號；而通信偵察方接收到的是負SNR條件的信號，從而無法對此信號實施有效解調。

對比式(7)、式(8)和式(9)可知，空間輻射自加噪傳輸模式反通信偵察的效能主要取決于：信號功率與噪聲功率的相對大小，以及正常通信信號發射天線方向圖和噪聲發射天線方向圖的對比。通過2種不同天線的設計，使得通信發射天線在通信接收方向上的增益盡可能大，在偵察方向上的增益盡可能小；另一方面，使得噪聲發射天線在通信接收方向上的增益盡可能小，在偵察方向上的增益盡可能大，這樣的設計更有利于反通信偵察的實施。

3.2射頻合路自加噪傳輸模式

射頻合路自加噪傳輸模式是一種全空域防護模式，在通信發送方的正常通信信號進入發射機之前，通過合路器將射頻噪聲產生器生成的與信號同帶寬的噪聲信號一起送入通信發射機，然后將放大之后的帶有噪聲的混合信號向空間輻射，如圖4所示。

圖4　射頻合路自加噪傳輸中的通信發送方

由圖4可見，射頻合路自加噪模式不受通信發射天線的限制，無論天線方向圖是何種形狀，該方式都可以實現在全空域上主動添加噪聲。而且從發射天線處觀察，混合信號無論從哪一個方向輻射，其輻射時的SNR在任何方向上都是一個恒定值，這是該模式的最突出的特點。即有如下兩式成立：

Gt=Gnt，

(10)

Gtz=Gntz，

(11)

在此模式中一般要求正常通信接收方要滿足k(Ta2+Tr2)

[C/n0]r2,new≥Wt1B/(2Wn1)，

(12)

對于通信偵察方，由式(7)和式(11)可得：

[C/n0]z,new≤Wt1B/Wn1，

(13)

對比式(12)與式(13)可知，如果不采取特殊處理方式，正常通信接收方與通信偵察方在此條件下的載噪比差異不大，從而無法達到物理層信號安全傳輸的目的。所以需要對于射頻合路自加噪傳輸模式采取附加的長碼擴頻措施[11]，即正常通信發射方在信號發射時，采用無周期的直接序列長碼對傳輸信號進行擴頻，記擴頻處理增益為A，于是正常通信接收方在解擴之后，信號帶內SNRr可表示為：

(14)

由此可見，正常通信接收方通過解擴操作實際上等效于提高了通信接收端的SNRr，在解擴之后正常通信接收方可完成接收信號的解調。但對于非合作通信偵察方來說，即使對擴頻信號實施直接解調處理，此時被解調信號的帶內SNRz由下式確定：

SNRz=[C/n0]z,new/B≤Wt1/Wn1，

(15)

由式(15)可知，只要通信發送方合理分配信號功率Wt1與噪聲功率Wn1的數值，就可以使得通信偵察方處于低SNR，甚至負SNR條件，由于無法對擴頻信號實施直接解調來恢復非周期的擴頻長碼序列，更無法通過解擴來提高偵察接收的帶內SNR，這實際上就等效于消除了通信偵察方實施非合作解調的前提條件，從而有效阻止了非合作的通信偵察方對物理層信息的獲取，確保了通信傳輸的物理層安全。

對比式(14)和式(15)可知，射頻合路自加噪傳輸模式反通信偵察的效能主要取決于：信號功率與噪聲功率的相對大小，以及通信信號直接序列擴頻處理增益的大小。正常通信方所采用的擴頻處理增益越大，則偵察方截獲到的信號的帶內SNR與正常通信接收方的信號帶內SNR的差異也就越大，其反通信偵察的效能就可得到更有效的提高。

4　應用示例與仿真驗證

4.1空間輻射自加噪傳輸

在地面微波通信點對點傳輸應用中，正常通信發射方工作于5.6 GHz頻點，采用2.5 W的發射機，通信收發兩端都采用口徑為0.5 m的拋物面天線，天線增益同為26 dB，收發雙方的距離為100 km。與此同時，在與通信鏈路傳輸方向成45°方向上有一通信偵察方對此微波通信鏈路實施偵察，偵察方與通信發射方的距離為30 km。在通信發送方處還配置了一個用于射頻噪聲發射的全向天線，后接一臺輸出功率為10 W的發射噪聲的功放，如圖5所示。

圖5　點對點通信傳輸與通信偵察場景圖示

在通信發射方沒有主動發射噪聲的情況下，根據式(2)可得：通信接收方所收到信號的載噪比為104 dBm/Hz，其中接收方本地單位帶寬內的噪聲功率譜密度取為-166 dBm/Hz。在此條件下通信雙方可采用QPSK數字調制，傳輸速率可達100 Msps，此時在通信接收端的SNR約為24 dB，顯然該SNR足夠確保接收機的正常解調，并且還有較大的余量。

對于通信偵察方來說，采用口徑為10 m的天線實施副瓣偵察，對于目標發射天線方向的增益按-10 dB計算，偵察天線增益為52 dB，由式(4)可得偵察截獲信號的載噪比為104 dBm/Hz，其中偵察方本地單位帶寬內的噪聲功率譜密度為-165 dBm/Hz。由此可見，偵察方截獲到的信號與正常通信方接收到的信號的載噪比是相同的，按照當前通信偵察的信號分析與非合作解調能力，完全可以對此信號實施非合作解調而獲取物理層的碼流信息。

按照本文前面所提出的空間輻射自加噪傳輸模式，通信發射方在通信信號所在的100 MHz左右的帶寬內主動發射噪聲信號，發射功率為10 W，單獨采用一個全向天線對外輻射。此時正常通信接收方在接收天線后端所接收到的從發射方傳來的信號的帶內的噪聲功率譜密度為-82 dBm/100 MHz，即-162 dBm/Hz，這一數值比接收方本地噪聲還要高，由式(9)可知此時在通信接收端的解調SNR至少為17 dB，完全滿足QPSK信號解調信噪比門限要求。

但此時對于通信偵察方來講就不那么幸運了，由于實施的旁瓣偵察，在偵察方向上正常通信信號的天線增益不超過-10 dB，而同帶寬噪聲輻射天線的增益為0 dB。結合式(7)可知，無論偵察方如何增加偵察天線的口徑，所接收到的信號的帶內SNR最大都不可能超過-16 dB，因為在此方向上從通信發送方輻射出來的信號本身就是一個負SNR的信號。顯然在-16 dB帶內SNR條件下是不能完成QPSK信號的解調的，因為此條件下的解調誤碼率都超過了35%，這樣的解調結果是毫無意義的。

從該示例還可發現，空間輻射自加噪傳輸的防護區域與正常信號發射天線方向圖、噪聲信號發射天線方向圖，以及正常信號與噪聲信號功率相對大小緊密相關。如果圖5中的通信偵察方改變偵察地點，運動到正常通信發送方與接收方的連線附近區域實施偵察，其防護效果就會變差，甚至起不到防護作用，因為此時偵察方幾乎滿足主瓣偵察條件。

按照前述仿真條件，設正常通信雙方的拋物面天線在不同方向上的歸一化相對增益G(θ)(單位dB，-90°≤θ≤90°)由下式近似表達：

(16)

式中，θ表示偏離天線主軸的度數，D表示天線直徑，本例中D=0.5 m，λ為信號波長，本例中λ=0.053 6 m，J1[·]為一階貝塞爾函數。按照式(16)所對應的天線歸一化相對增益隨角度的變化如圖6所示。

根據這一天線增益函數，結合QPSK解調誤比特率理論曲線，可以仿真得到在空間不同角度方向上實施偵察時，偵察方所能達到的QPSK解調誤比特率的下限曲線圖如圖7所示。

圖6　天線歸一化相對增益隨角度的變化曲線圖

圖7　空間不同角度方向上解調誤比特率下限曲線圖

由圖7可見，在偏離通信傳輸天線主軸30°以外的方向上，在空間輻射自加噪模式下其誤碼率下限都在30%以上，在此條件下通信偵察方已經無法滿足非合作解調的SNR條件。

4.2射頻合路自加噪傳輸

射頻合路自加噪傳輸不依賴于通信方天線的方向圖，可以在全空域形成防護，這是其最大的特點。以星地通信鏈路為例，同步軌道通信衛星與地面終端之間建立正常的通信鏈路，采用BPSK調制，載波頻率為12.5 GHz，數據傳輸速率為50 kbps，擴頻碼速率為50 Mcps。在衛星向地面終端傳輸正常信號的同時，地面上的通信偵察方也在同時接收來自通信衛星的下行信號[11]，如圖8所示。

圖8　星地鏈路正常通信雙方及偵察方位置示意圖

衛星的發射機輸出功率為1 W，天線口徑為0.5 m，天線增益為33dB，星地傳輸距離為38 000 km，對應的空間傳輸衰減為206dB。地面通信終端天線口徑為1 m，增益為39dB。于是在地面終端天線后端所接收到的衛星信號強度為-104dBm，對應接收帶寬內的擴頻信號帶內信噪比約為-10dB(其中前端噪聲功率譜密度按-171dBm/Hz計算，以下同)。對于正常通信接收方來說，擴頻處理增益為30dB，所以經過解擴之后，信號的帶內信噪比可以提升為20dB，在此信噪比條件下能夠實現幾乎無誤碼的解調。

在圖8所示的場景中，如果通信偵察方采用1 m口徑的天線來進行偵察接收，由于事先沒有獲得通信雙方的擴頻碼，所以無法實現解擴處理；另一方面，在解擴之前信號的帶內信噪比為-10dB，這也無法實現直接解調處理。但偵察方可以增大偵察接收天線的口徑，例如將天線口徑增加到16 m，這樣一來，解擴前所接收信號的帶內信噪比提升至14dB。在此條件下偵察方可對擴頻信號直接實施解調處理，得到擴頻序列與信息序列共同作用的混合序列。在此基礎上，偵察方可采用密碼學中的唯密文分析手段來進一步挖掘其中所包含的信息序列[14]。

為消除上述隱患可采用射頻合路自加噪傳輸模式。衛星在發送信號時，利用其中的0.05 W功率來發射正常的通信信號，而利用0.5 W功率來發送射頻噪聲，這就決定了混合信號一旦從通信衛星發射出來之后，信號的最高帶內信噪比已經被限定為不超過-10dB。當信號到達地面通信終端之后，天線后端的信號強度為-117dBm，在接收帶寬內的擴頻信號帶內信噪比為-23dB，經過解擴之后，信號帶內信噪比可提升至7dB，在此信噪比條件下經過解調處理，再加上后續的信道碼糾錯之后，正常通信的接收方是可以獲得正確的信息碼流。但對于通信偵察方來說，此時無論如何增大偵察接收天線的口徑，所接收到的解擴之前的信號帶內信噪比始終無法超過-10dB，在此條件下如果實施直接解調，由BPSK解調誤碼率曲線可知，此時的解調誤碼率約為32.7%。顯然第三方在無法得到比較準確的碼流序列的條件下，擴頻碼分析與恢復也是無法實施的。偵察方由于不能獲得準確的原始碼流，所以更加無法實施碼流分析與恢復。由此可見，射頻合路自加噪傳輸模式使得通信偵察方即使利用主瓣偵收條件，仍然不能有效獲得物理層傳輸的碼流信息。

5　結束語

本文首先從接收信號的載噪比的角度建立了通信傳輸與通信偵察的描述模型，并以此為基礎，闡述了通信發送端自己主動添加噪聲進行信號傳輸的技術原理，提出了2種典型的自加噪傳輸模式：空間輻射自加噪與射頻合路自加噪，并分別對這2種模式的特點和反通信偵察的效能進行了分析，最后通過應用示例與仿真驗證了其有效性和可行性。所給出的應用示例也為本方法的工程實際應用提供了重要參考，這對于提高通信傳輸物理層安全等級，推進通信電子防御的應用實施具有重要意義。

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Transmission Technique by Active Self-added Noise and Its Efficiency Analysis for Anti Communication Reconnaissance

SHI Rong,LI Xiao,LIU Chang

(Science and Technology on Electronic Information Control Laboratory,Chengdu Sichuan 610036,China)

Various safety measurements are widely utilized in transmission layer,network layer and data-link layer of the communication systems and their safety grades have been enhanced greatly.But the safety of physical layer becomes a big problem now.In order to resolve this,a new transmission method based on active self-added noise at transmitter is put forward and the third party with non-cooperative relationship can be prevented from acquiring the information in signal of physical layer.According to the different protection requirements,two modes have been designed,including space radiation self-added noise mode and radio frequency combiner self-added noise mode.Their different utilization conditions and efficiency for anti communication reconnaissance are analyzed.The rationality and validity have been demonstrated by simulations in the end.It is an important reference for communication physical layer safety and electronic protection application.

transmission by active self-added noise;physical layer safety;anti communication reconnaissance;space radiation self-added noise;radio frequency combiner self-added noise;electronic protection;efficiency analysis

10.3969/j.issn.1003-3114.2016.05.11

引用格式：石榮，李瀟，劉暢.主動自加噪傳輸技術及其反通信偵察效能分析[J].無線電通信技術,2016,42(5):42-47.

2016-05-13

國家部委基金資助項目

石榮(1974—)，男，博士，研究員，主要研究方向：電子對抗、通信與雷達系統。李瀟(1992—)，女，碩士研究生，主要研究方向：通信防御技術。

TN973

A

1003-3114(2016)05-42-6