一種基于合作信號的衛(wèi)星疊加隱蔽通信方法?

趙佳穎 李加洪 洪 濤 張更新

（1.南京郵電大學(xué) 南京 210003）（2.西安空間無線電技術(shù)研究所 西安 710000）

1 引言

由于衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有廣覆蓋的特點(diǎn)，因此在海洋、沙漠、山區(qū)等偏遠(yuǎn)地理環(huán)境作為長距離無線通信通信主要解決方案。但由于下行波束廣覆蓋的特性，衛(wèi)星通信技術(shù)在作為特種長距離通信手段時(shí)存在安全性問題。對方在衛(wèi)星下行波束范圍內(nèi)可以通過電子偵察設(shè)備對使用該衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的無線通信系統(tǒng)完成信息偵聽，嚴(yán)重影響終端無線通信信息的安全性能［1～2］。

針對衛(wèi)星長距離特種通信的安全性，傳統(tǒng)的物理層解決方案是采用混合擴(kuò)頻的方式減低對方對于終端通信信息的截獲能力。Abbas Jamalipour在文獻(xiàn)［3］分析了多址干擾對直接序列擴(kuò)頻低地球軌道衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)吞吐性能的影響。Swadhin Thak?kar在文獻(xiàn)［4］提出將擴(kuò)頻通信與隱寫術(shù)和加密術(shù)結(jié)合在一起。Gizem Akcan在文獻(xiàn)［7］提出利用直接噪聲序列作為偽噪聲序列來模仿白噪聲的統(tǒng)計(jì)特征。上述采用擴(kuò)頻的方法雖然可以提高通信的安全性，但卻限制了無線通信系統(tǒng)的傳輸效率。

此外，基于信號疊加的隱蔽通信方式也在不同的研究文獻(xiàn)中報(bào)道。Sabel在文獻(xiàn)［10］指出疊加通信中可以控制對掩護(hù)信號的干擾但也降低了傳輸速率和通信有效性。Arnab Roy在文獻(xiàn)［11］提出一種使用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸饧夹g(shù)來提取重疊通信的隱蔽信號。在實(shí)際的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器頻譜使用情況中，合作信號中單個(gè)可作為掩護(hù)信號的頻譜帶寬并不滿足終端的通信需求，尤其是在終端需要發(fā)射帶寬較大的通信信息時(shí)，如視頻信號等。衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中可作為掩護(hù)信號的頻譜可能是間斷分開的多個(gè)頻譜，因此上述的衛(wèi)星疊加通信假設(shè)條件往往很難得到滿足。

頻譜分割與聚合技術(shù)是J.Abe等在文獻(xiàn)［13］針對傳統(tǒng)衛(wèi)星通信中頻帶利用率低所提出的信號傳輸技術(shù)，通過分割原信號頻譜并在空閑頻譜上傳輸來提高頻帶利用率，屬于一種Nyquist多載波濾波器組技術(shù)。濾波器組技術(shù)在語音信號處理、通信、導(dǎo)航、雷達(dá)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

本文針對衛(wèi)星長距離特種通信的安全性問題，將頻譜分割與聚合技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星疊加隱蔽通信，提出了一種基于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器當(dāng)前頻譜占用狀態(tài)下的自適應(yīng)合作信號衛(wèi)星疊加隱蔽通信方法。根據(jù)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器合作信號頻譜占用情況，利用分割濾波器組將需要發(fā)射的寬帶通信信號頻譜進(jìn)行分割，分割后的子頻譜調(diào)制到合作掩護(hù)信號的載頻上，通過多個(gè)合作信號頻譜掩護(hù)需要發(fā)送的寬帶通信信號的頻譜，使隱蔽信號子譜完全隱藏在當(dāng)前的頻譜環(huán)境中。在信關(guān)站通過設(shè)計(jì)的盲相位估計(jì)算法合并分割的子頻譜，完成隱蔽通信信號的解調(diào)。本方法可以歸類為一種信號層面的加密方法，通過對于寬帶通信信號自適應(yīng)的頻譜分割在物理層提升發(fā)射信號的抗截獲能力，達(dá)到了頻譜“置亂”、“偽裝”的效果，對方電子偵測設(shè)備必須截獲所有的子頻譜才能實(shí)現(xiàn)對于隱蔽通信信息的解調(diào)，大大增加了對方電子偵測設(shè)備的復(fù)雜度。

2 自適應(yīng)的衛(wèi)星疊加隱蔽通信方法

2.1 系統(tǒng)模型

圖1 基于合作信號的衛(wèi)星疊加隱蔽通信方法示意圖

2.2 終端發(fā)射信號頻譜分割方法

終端發(fā)射信號流程圖如圖2所示。

圖2 終端發(fā)射信號流程圖

設(shè)秘密信息序列m(x)，x=1，2，...，2n為雙極性不歸零碼，采用QPSK調(diào)制，中頻為fIF，單位為Hz，調(diào)制后隱蔽信號如式（1）所示：

其中，i(n)為隱蔽信號時(shí)域表示，n為時(shí)域采樣點(diǎn)，ξ為原隱蔽信號功率，單位為W，mI(n)、mQ(n)分別為原秘密信息序列m(x)經(jīng)串并變換得到的同向、正交分量。

其中，Ak(f)為第k個(gè)子譜，Hck(f)為頻譜分割和搬移的濾波器的頻域表達(dá)式。

分割濾波器組由多個(gè)帶寬不同的平方根升余弦濾波器組成，表達(dá)式如式（3）所示：

其中：Hk為第k個(gè)分割濾波器，f為頻率采樣，fIF為原信號中頻頻率，Rc為原信號碼率，fsk為第k個(gè)分割濾波器的分割帶寬，Bk為檢測到的第k個(gè)掩護(hù)信號的帶寬，β為分割濾波器的滾降系數(shù)。

根據(jù)各個(gè)子頻譜搬移的中心頻率 fck，可以得到頻譜搬移的濾波器表達(dá)式，如式（5）所示：

綜上，發(fā)端發(fā)送的信號表達(dá)式如式（6）所示：

發(fā)端發(fā)送信號給衛(wèi)星，在衛(wèi)星上與掩護(hù)信號疊加一同轉(zhuǎn)發(fā)，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的信號如式（7）所示：

其中，s(n)表示衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的信號的時(shí)域表示，ck(n)表示衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中第k個(gè)可用的掩護(hù)信號，nS(n)為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器熱噪聲。

2.3 接收端頻譜聚合與盲相位估計(jì)方法

接收端接收信號流程圖如圖3所示。

圖3 接收端接收信號流程圖

信關(guān)站接收到多個(gè)疊加發(fā)送的信號，如式（8）所示：

其中，φk為接收到的第k個(gè)信號的相位偏移，滿足0≤φk≤2π，nR(n)為高斯白噪聲。

首先采用SIC技術(shù)移除合作的掩護(hù)信號，得到各個(gè)子譜信號，如式（9）所示：

其中，D(n)為接收信號移除掩護(hù)信號后的時(shí)域表示，nC(n)為采用SIC移除掩護(hù)信號后剩下的信號殘余，n表示信號時(shí)域采樣點(diǎn)。

對各個(gè)子譜進(jìn)行逆搬移，并進(jìn)行匹配濾波，如式（10）所示：

其中，A″k(f，φk)為接收到的第k個(gè)子譜的頻域表示，I″k(f，φk)為經(jīng)過頻譜逆搬移和匹配濾波的第k個(gè)子譜，Hak(f)為第k個(gè)逆搬移匹配濾波器，逆搬移匹配濾波器表達(dá)式如式（11）所示：

其中，fck為第k個(gè)子譜搬移的中心頻率。

由于不同子譜信號要在不同頻段的衛(wèi)星長延時(shí)鏈路傳輸，接收端收到的第k個(gè)子譜信號會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)相移φk，0≤φk≤2π，所以要在聚合前要對每個(gè)子譜信號進(jìn)行相位補(bǔ)償，讓各子帶相位連續(xù)。本文采用盲相位估計(jì)算法，其原理為分別對相鄰濾波器組分割的子譜的相位差Δθk行估計(jì)和補(bǔ)償，如式（12）所示：

其中，Δθk為接收端接收到的第k-1個(gè)子譜和第k個(gè)子譜經(jīng)過逆搬移之后的相位差，φk-1為第k-1個(gè)子譜的相移，φk為第k個(gè)子譜的相移。

以第一個(gè)分割子帶信號相位為基準(zhǔn)，其余分割子帶向其相位進(jìn)行補(bǔ)償。在進(jìn)行頻譜分割時(shí)，兩個(gè)相鄰濾波器的交點(diǎn)處（即-3dB帶寬處）的頻點(diǎn)的幅度本是相同的，但在頻譜搬移和逆搬移的過程中由于時(shí)延不同引入了相位差，計(jì)算該-3dB點(diǎn)的幅度比值，可以得出兩個(gè)子譜的相位差，如式（13）所示：

其中，j表示復(fù)數(shù)，S(k-1，2)表示第k-1個(gè)子帶在右側(cè)-3dB帶寬處頻率分量的幅度，S(k，1)表示第k個(gè)子帶在左側(cè)-3dB帶寬處頻率分量的幅度。

對各個(gè)子帶進(jìn)行相位補(bǔ)償，如式（14）所示：

最后將經(jīng)過盲相位補(bǔ)償后的各個(gè)子譜對應(yīng)相加，得到原隱蔽信號頻譜，如式（15）所示：

3 數(shù)值仿真與分析

為了評估本文提出的衛(wèi)星疊加隱蔽通信的性能，將原數(shù)字基帶信號進(jìn)行QPSK調(diào)制，中頻為70MHz，比特率為1Mbps，采用八倍采樣，每個(gè)分割濾波器滾降系數(shù)β為0.5，將原隱蔽信號的頻譜分為五個(gè)子頻譜，第一、二、五個(gè)子帶帶寬為125kHz，第三個(gè)子帶帶寬為250kHz，第四個(gè)子帶帶寬為375kHz，分割濾波器的帶寬同上述各子帶帶寬。子譜通過加性高斯白噪聲信道，在接收端對每個(gè)子譜加入0～2π的隨機(jī)相移。分別比較采用理想濾波器、分割濾波器來傳輸信號及截獲部分子譜三種情況下，在接收端解調(diào)的誤比特率來評估本方法的傳輸性能。

分割濾波器示意圖如圖4所示。

圖4 分割濾波器示意圖

1）分割隱蔽信號頻譜

分割隱蔽信號頻譜示意圖如圖5所示?？梢钥闯龇指顬V波器組將原隱蔽信號的頻譜分割成五個(gè)子譜，每個(gè)子譜包含了原隱蔽信號頻譜的部分信息。

圖5 分割隱蔽信號頻譜示意圖

2）星座圖對比

圖6是分別采用理想濾波器、分割濾波器來傳輸信號及截獲部分子譜三種情況下解調(diào)后的星座圖。若敵對方截獲部分隱蔽信號子譜，則無法解調(diào)出原隱蔽信號信息。

圖6 三種情況下解調(diào)后星座圖比較

3）誤比特率對比

圖7是上述三種情況下誤比特率對比圖?？梢钥闯霾捎梅指顬V波器分割隱蔽信號頻譜和采用理想濾波器發(fā)送隱蔽信號相比，對接收端解調(diào)后的誤比特率影響較小，幾乎不影響原隱蔽信號的解調(diào)。而只截獲部分頻譜時(shí)，無法解調(diào)出原隱蔽信號信息。

圖7 三種情況下誤比特率比較

綜上所述，本文提出的衛(wèi)星疊加隱蔽通信方法不僅不影響原隱蔽信號調(diào)制解調(diào)，還大大提高了通信安全性，僅截獲部分子譜無法還原出隱蔽信號信息。

4 結(jié)語

本文首先分析了衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器不同合作用戶占用的頻帶是分散的，單個(gè)合作掩護(hù)信號的頻譜帶寬并不能滿足終端的通信掩護(hù)需求的問題，接著介紹了如何利用分割濾波器組技術(shù)，根據(jù)掩護(hù)信號頻譜參數(shù)自適應(yīng)的分割并搬移原隱蔽信號頻譜，使其能夠完全隱藏在掩護(hù)信號頻譜下疊加發(fā)送，并在接收端采用盲相位估計(jì)技術(shù)對逆搬移后的子譜進(jìn)行相位補(bǔ)償并重新聚合。最后通過仿真比較分別采用理想濾波器、分割濾波器來傳輸信號及截獲部分子譜三種情況下解調(diào)后的誤碼性能，得出本文提出的衛(wèi)星疊加隱蔽通信方法不影響原隱蔽信號調(diào)制解調(diào)，大大提高了通信安全性。根據(jù)不同掩護(hù)信號的干擾容限以及發(fā)射信號的帶寬選擇合適的分割策略和掩護(hù)信號頻譜的選擇策略是后續(xù)研究中需要重點(diǎn)解決的問題。