衛(wèi)星通信中極化信號安全傳輸技術(shù)研究

樂恒志，楊文芳

（91977 部隊，北京 100080）

0 引 言

衛(wèi)星通信在商業(yè)等領(lǐng)域中具有較高的應(yīng)用價值，但傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信中仍存在一些問題。極化信號可以為解決衛(wèi)星通信問題提供更多新的思路，因此在現(xiàn)有研究結(jié)果的基礎(chǔ)上分析衛(wèi)星通信中的極化信號以及如何保障極化信號的安全傳輸。

1 衛(wèi)星通信概述

衛(wèi)星通信是借助衛(wèi)星與無線電通信站進行通信的技術(shù)，即通過人造地球衛(wèi)星這一中繼站進行無線電波的轉(zhuǎn)發(fā)，從而實現(xiàn)若干個地球站之間的通信[1]。該通信系統(tǒng)主要由通信地球站等多個部分共同組成。相比于其他通信，衛(wèi)星通信具有通信范圍大、可靠性強、電路設(shè)置靈活以及開通電路迅速等優(yōu)點，在諸多領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。

2 傳統(tǒng)衛(wèi)星通信中的信號安全傳輸技術(shù)

在安全意識不斷增強的背景下，人們越來越關(guān)注信息傳輸?shù)陌踩裕恍W(xué)者構(gòu)建了物理層的安全理論以及竊聽信道模型，從而研究信道保密能力。而通過研究發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星通信中信號傳輸安全性會受到電離層閃爍、臨道干擾等諸多因素的影響，只有不斷提升抗干擾技術(shù)與防竊聽技術(shù)的水平才能夠保障信號傳輸?shù)陌踩裕瑸榇藢⑿l(wèi)星通信中信號安全傳輸技術(shù)的重點放在了這2 方面[2]。第一，傳統(tǒng)的抗干擾技術(shù)有跳頻（基于頻域的抗干擾技術(shù)）和多波束天線（基于空域的抗干擾技術(shù)），其中跳頻技術(shù)所需頻段相對較寬和多波束天線技術(shù)會受到干擾源位置等因素的影響，無法達到良好的抗干擾效果。同時，傳統(tǒng)技術(shù)包括應(yīng)用濾波器的技術(shù)與相關(guān)參數(shù)識別技術(shù)，但這些技術(shù)都存在一定的不足，會降低極化信號傳輸?shù)陌踩浴Ｒ虼耍枰谶@些技術(shù)手段的基礎(chǔ)上進行針對性研究，通過有效手段彌補技術(shù)不足。例如，可以通過聯(lián)合極化空間抗干擾這種方法彌補傳統(tǒng)技術(shù)的缺陷[3]。第二，在利益等因素的驅(qū)動下，一些竊聽者會通過違法手段竊聽衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的信息，嚴(yán)重威脅到信號傳輸?shù)陌踩Ｍ瑫r，在云計算等技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，加密破解等風(fēng)險相對較大。因此，只有靈活應(yīng)用防竊聽技術(shù)才能夠解決竊聽問題，避免出現(xiàn)信息泄露等情況。但是，傳統(tǒng)的防竊聽技術(shù)沒有充分應(yīng)用極化敏感陣列，導(dǎo)致通信安全得不到保障。應(yīng)在此基礎(chǔ)上研究更先進的防竊聽技術(shù)，例如對傳統(tǒng)的快速雙極化跳變技術(shù)進行優(yōu)化改進，使固定衛(wèi)星通信的物理層更加安全[4]。

3 衛(wèi)星通信中極化信號安全傳輸技術(shù)

在技術(shù)水平不斷提升的背景下，極化信號在衛(wèi)星通信中的作用越來越重要。而基于信號極化特性的抗干擾和防竊聽技術(shù)會對信號的安全傳輸產(chǎn)生較大影響。因此，需要從抗干擾和防竊聽方面入手，分析如何保障極化信號的安全傳輸。

3.1 基于卡爾曼濾波的極化抗干擾技術(shù)

卡爾曼濾波是一種算法，可以準(zhǔn)確估計系統(tǒng)狀態(tài)，充分發(fā)揮相關(guān)方程與數(shù)據(jù)的作用。卡爾曼濾波的最優(yōu)估計也是一種濾波過程，可以減少數(shù)據(jù)當(dāng)中的干擾因素如噪聲等，使獲取的數(shù)據(jù)更加真實，在通信中的應(yīng)用價值相對較高。基于卡爾曼濾波的極化抗干擾技術(shù)如圖1 所示，該技術(shù)主要是利用這種濾波算法識別極化參數(shù)并利用斜投影濾波算子過濾信號，使信號傳輸處于安全的狀態(tài)中。首先，利用極化模型分析干擾極化狀態(tài)估計；其次，利用濾波算法構(gòu)建遞推方程；最后，根據(jù)算子原理及運算性質(zhì)進行抗干擾處理。

圖1 基于卡爾曼濾波的極化抗干擾技術(shù)

（1）系統(tǒng)設(shè)計。在應(yīng)用這種方法時應(yīng)先根據(jù)信號傳輸?shù)陌踩枨笤O(shè)計極化抗干擾系統(tǒng)的總體方案。在合法的接收用戶中配備相應(yīng)的雙極化天線：首先，通過天線進行EV和EH等極化信號的接收，使這2 種極化信號分別經(jīng)過同相/正交支路（In-phase/Quadrature，I/Q）的分解處理并形成4 路信號；其次，通過濾波算法識別干擾信號的極化參數(shù)，并通過濾波算子運算結(jié)果；最后，根據(jù)濾波算子性質(zhì)過濾掉干擾信號，使目標(biāo)傳輸信號得以保存[5]。

（2）系統(tǒng)仿真。在完成設(shè)計工作后需要對抗干擾系統(tǒng)進行仿真處理，判斷系統(tǒng)能否正常運行，能否保障極化信號的安全傳輸。在仿真過程中應(yīng)科學(xué)設(shè)計干擾信號的相關(guān)極化參數(shù)，例如可以將εj設(shè)置為45°，將δj設(shè)置為0°，并將干燥比設(shè)置為25 dB[6]。之后，進行仿真，卡爾曼濾波的跟蹤曲線呈逐漸收斂的趨勢，且趨向于穩(wěn)定。在這種情況下調(diào)整最小均方算法（Least Mean Square，LMS）算法的步長，使其曲線能夠接近穩(wěn)定狀態(tài)并利用算法運算時間等指標(biāo)評估跟蹤性能。進行仿真計算后發(fā)現(xiàn)，通過卡爾曼濾波算法獲取的εj穩(wěn)態(tài)均方誤差為0.53、δj的均方誤差為0.17，但通過LMS 算法獲取的εj穩(wěn)態(tài)均方誤差為0.81、δj的均方誤差為0.66，說明在收斂速度相同的情況下，卡爾曼濾波算法具備更佳的跟蹤性能。同時，在進行仿真運算時計算了2 種算法的平均消耗時間，其中卡爾曼濾波算法的時間為0.003 s，LMS 算法的時間為0.030 s，這就說明卡爾曼濾波算法的平均消耗時間更短。

（3）技術(shù)分析。在分析后發(fā)現(xiàn)，相比于LMS算法，卡爾曼濾波算法的收斂性與魯棒性更佳，因此在衛(wèi)星通信中可以通過這種方法識別信號的極化參數(shù)，且可以通過斜投影濾波算子進行信號的抗干擾。

3.2 改進型快速雙極化跳變技術(shù)

一些技術(shù)人員會在衛(wèi)星通信中應(yīng)用跳變技術(shù)進行安全傳輸。但從實際情況來看，傳統(tǒng)的技術(shù)手段無法達到高效防竊的效果，會對整體傳輸產(chǎn)生影響。而改進后的跳變技術(shù)可以達到良好的防竊聽效果，在相移鍵控（Phase Shift Keying，PSK）調(diào)制方式中發(fā)揮著重要作用。因此，需要提高對改進后技術(shù)手段的重視程度，通過新的極化狀態(tài)進行幅相調(diào)制信號的承載。在這一過程中應(yīng)構(gòu)建合適的系統(tǒng)模型，明確具體的信號盲識別方案，之后設(shè)計新的信號，最后設(shè)計信號的信機。

第一，科學(xué)設(shè)計。設(shè)計信號極化盲識別方案時，需科學(xué)設(shè)計接收端，使接收端通過雙極化天線接收信號，并通過載波下變頻等處理獲取正交雙極化信號EV和EH。同時，可以通過I/Q 支路對極化信號進行分解，之后獲取4 路信號，并通過卡爾曼濾波算法處理這些信號，從而獲取信號的極化狀態(tài)與參數(shù)δR、γR，再通過進行極化匹配處理獲取以幅相調(diào)制為基礎(chǔ)的信號[7]。但在這一過程中，獲取信號的極化狀態(tài)只是為了保障傳輸安全，并不攜帶相應(yīng)的信息，因此需要做好信號的幅相調(diào)解工作。

第二，信號表示。在傳統(tǒng)跳變技術(shù)中，信息只存在于?n上，相位中沒有γs，因此竊聽用戶可以獲取準(zhǔn)確的解調(diào)信號，便無法實現(xiàn)極化信號的防竊聽。而在改進后的技術(shù)中，可以通過疊加的手段處理信號，在這種情況下每一個相位中都增加了γs/α[8]。

第三，參數(shù)識別。對信號進行極化參數(shù)識別就可以獲取相應(yīng)的結(jié)果。

第四，結(jié)果分析。獲取相應(yīng)的結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，進行極化匹配處理后，無論是信號幅度還是相位都會受到γs的影響，因此無論信息是否在相位上，竊聽用戶都無法獲取準(zhǔn)確信號，能夠有效保障極化信號的傳輸安全[9]。同時，這種技術(shù)手段不會對合法用戶接收極化信息產(chǎn)生影響。此外，這種技術(shù)具有良好的防竊聽性能，可以滿足安全傳輸?shù)南嚓P(guān)需求。

3.3 方向極化調(diào)制技術(shù)

這種技術(shù)手段屬于復(fù)合型安全傳輸技術(shù)，靈活應(yīng)用了方向調(diào)制技術(shù)與極化調(diào)制技術(shù)，不僅改進了極化調(diào)制發(fā)射機，而且降低了成本。在運行過程中，一些數(shù)據(jù)信號可以通過功分等單元映射出信號的極化狀態(tài)，通過載波獲取射頻信號，最后對信號進行幅相校準(zhǔn)[10]。同時，可以通過能夠調(diào)制方向的發(fā)射機進行極化信號的雙向發(fā)送，通過零空間中的人工噪聲形成完整的方向極化調(diào)制。因此，極化發(fā)射機可以通過調(diào)制發(fā)射機對單一天線進行改善和取代，并通過人工噪聲使合法接收機獲取不存在人工噪聲的極化信號。方向極化調(diào)制如圖2 所示，無論是垂直天線還是水平天線都可以根據(jù)實際情況進行信號的接收，之后進行下變頻、信號采樣與幅相校準(zhǔn)處理并通過振幅與相位差合理表示矢量，即G1、G2、G3，最后映射到球面上并利用最大似然準(zhǔn)則進行信息的調(diào)解。此外，相比于傳統(tǒng)技術(shù)，方向極化調(diào)制技術(shù)的整體誤碼率相對較高，可以利用這種技術(shù)保障信號傳輸?shù)陌踩玔11]。但是，這種技術(shù)也不完全成熟，應(yīng)對更先進的技術(shù)進行深入研究，不斷突破技術(shù)限制，利用更有效的手段解決極化信號傳輸中的干擾問題，確保合法用戶能夠接收到更完整、更準(zhǔn)確且不存在任何噪聲的信息，從而推動衛(wèi)星通信的良好發(fā)展。

圖2 方向極化調(diào)制

4 結(jié) 論

保障極化信號的安全傳輸有利于促進衛(wèi)星通信的發(fā)展，因此需靈活應(yīng)用多樣化的安全傳輸技術(shù)，減少信號傳輸過程中的安全隱患。但是，這些技術(shù)存在一定的不足，需進一步研究性能更好的技術(shù)手段，通過這些技術(shù)手段消除去極化效應(yīng)，使安全傳輸技術(shù)更加先進、可靠，提升極化信號傳輸?shù)陌踩浴?/p>