基于衛星透明轉發器的隱蔽通信設計與應用

吉志海

摘 要：本文基于衛星透明轉發器設計一種DS/FH相結合的波形體制，對幀結構、同步檢測等進行分析研究和仿真實現，可在極低信噪比條件下滿足檢測需要，仿真結果驗證幀結構設計的有效性。

關鍵詞：衛星通信；透明轉發；隱蔽通信；

1引言

隨著我國經濟實力的快速增長，在“一帶一路”及軍事力量“走出去”的戰略背景下，亞丁灣護航、海外維和任務、海外應急撤僑、海洋科考以及遠洋演習等任務日趨頻繁，受限于通信衛星覆蓋范圍和通信容量大小限制，在某些熱點區域，尤其突發情況下，需要采用特定的技術手段，避免被第三方發現和截獲的前提下，使用民用衛星或其他衛星進行的一種非常規應急通信手段，為國家戰略投送、反恐處突、搶險救災、應急保障等任務提供可靠超視距遠程組網通信保障，滿足話音、低速數據和格式化報文業務等特定應用需求。

2通信原理框架

通信衛星公開地暴露在空間軌道上，很容易受到敵方的竊聽、干擾甚至摧毀，而目前衛星轉發器主要分為透明轉發、星上處理等方式，星上處理因實現復雜，一般需要星地一體化設計，大多用于軍用通信領域；大量民商用轉發器多為透明轉發器，該方式轉發器數量多、覆蓋范圍廣、使用靈活。考慮到一般轉發器常用帶寬一般為36MHz、54MHz、72MHz，本項目的信號帶寬最高限定在36MHz范圍內，通過采用高性能集成芯片、優化寬帶信號處理等方式將，提高波形通用性和可移植性。波形工作原理如圖1所示。

本項目采用DS/FH相結合的方式，在36MHz寬帶信道上，將擴頻信號與轉發器底噪聲重疊，使其隱蔽于底噪聲中，達到低截獲的目的。發送端通過基帶信號處理完成編碼、調制、擴頻和成型濾波，在I/Q直接上變頻至C中頻，最后通過射頻器件實現頻率搬移至C/Ku/Ka頻段進行信號發射；接收端將射頻信號搬移至低中頻，再通過匹配濾波、解擴、解調、譯碼等步驟完成信號恢復。

通過直擴獲得21dB的擴頻處理增益，同時降低位定時的難度和提高波形可實現性。本信號帶寬小于1MHz，在轉發器帶寬允許的情況下，可采用DS/FH混合擴頻技術，提高了波形的抗干擾、抗截獲能力，同時可獲得約15dB的跳頻增益。通過集中跳頻系統和直擴系統的優點，降低波形設計復雜度，克服了單一擴頻方式的不足。通過采用寬帶數字中頻技術，接收時在中頻模塊將信號濾波采樣，再通過高速總線將采樣后的數據傳送到基帶處理模塊，由其完成解調、解擴、譯碼等工作；發送時，直接將基帶IQ信號上變頻至C中頻，再通過功放變頻至Ka/Ku頻段發送出去。

3時隙及幀結構設計

3.1時隙類型

時隙是TDMA網內時間資源分配的最小單位，本文設定時隙長度為32ms。根據業務應用需求，可采用多個時隙級聯設計的方式減少報頭的開銷，提高衛星信道資源的利用效率。按照時隙中承載的幀類型，可分為參考時隙、申請時隙、控制時隙、業務時隙等。按照時隙的分配和使用方式可分為獨占時隙和競爭時隙。

本波形設計12s為一個時幀周期。在12s時間內，TDMA網內各站使用各自分配的時隙資源完成數據的發送。本波形的時隙、頻率資源由部署在主站后端的網管統一管理分配，參考時隙、申請時隙等在每個幀中的位置是固定的，其余時隙由網管根據網內用戶數及業務流量情況進行分配和回收。

3.2幀結構設計

時幀周期為12s，由多個幀組成，每個幀由一個或多個連續的時隙組成，每個時隙由一個或多個連續的跳組成。

按照傳輸內容可將幀結構分為參考幀、申請幀、控制幀、業務幀。

1）參考幀僅由主站發送，為TDMA網內其他終端提供同步參考信號以及TOD數值，用于終端的入網和同步保持；

2）申請幀由TDMA網內各終端使用競爭方式發送，被主站接收。用于終端發送入/退網請求，時隙分配請求；

3）業務幀由TDMA網內各站在自己的業務時隙內發送。實現業務突發的發送。各終端通過接收自己的業務幀可實現測距功能；

4）控制幀用于主站向全網廣播TDMA網絡規模、時隙分配計劃等參數。

主站以外的各個終端站通過接收自己發送的業務幀實現測距功能。

本波形考慮了跳頻頻點的切換過程在數字域中使用DDS完成，它能以連續相位的方式切換到新的頻點。因此，跳頻頻率的切換過程為實時切換，在設計幀結構時無需預留跳頻切換保護時間。根據接收能力的不同，本波形設計了64kbps、32kbps、16kbps、2.4kbps四種速率的幀結構，分別對應-7dB、-10dB、-13dB、-21dB的接收門限。幀結構分別如圖3所示：

四種幀結構的擴頻倍數N分別為8、16、32、128，占用時間M為32ms（擴頻倍數為128倍時為32ms）。它們的主要傳輸性能如下表所述：

幀結構由幀頭，獨特碼，數據部分組成。幀頭裝載幀同步碼，用于接收機實現幀同步和符號同步。獨特碼包含幀數據類型、幀長等信息。數據部分為用戶的有效載荷，根據不同情況，需要在數據部分填入源和目的終端的ID。

幀數據類型包括申請幀、控制幀、業務幀等，其中業務類型包括格式報文、分組數據（IP、網管、話音、視頻）等。

4仿真實現

長度為256到5120的同步序列的檢測概率，仿真結果如圖3所示。從圖中可見，當選擇長度為256、512、1024、5120的同步序列時，在門限信噪比為-7dB、-10dB、-13dB、-21dB的情況下，檢測概率均超過90%，能夠滿足系統極低限情況下的信號檢測要求，該模塊已在在Xilinx的XQ7Z045-2FFG900I芯片上實現。

5小結

本文基于衛星透明轉發器設計通信波形，可通過增加擴頻倍數、降低通信速率、DS/FH相結合的方式，將信號隱藏在衛星透明轉發器底噪聲下，同時不對原業務信號形成明顯干擾，降低第三方檢測和截獲概率，滿足特定應用需求。本文研究的隱蔽通信波形已完成模擬環測試，后續將擇機上星驗證。

參考文獻

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（作者身份證號碼：320102197905081218）