石　榮，李　瀟，劉　暢

(電子信息控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610036)

?

主動(dòng)自加噪傳輸技術(shù)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610036)

雖然各種信息安全措施在通信系統(tǒng)的傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層廣泛使用，使其安全等級(jí)得到了較大提升，但隨著近年來(lái)通信偵察技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，通信傳輸物理層安全問(wèn)題卻日益突出。針對(duì)這一情況，提出了基于通信發(fā)射方自己主動(dòng)添加噪聲進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)姆椒ǎ源藖?lái)有效阻止非合作的第三方對(duì)物理層信息的直接獲取。根據(jù)不同的防護(hù)要求，設(shè)計(jì)了空間輻射自加噪與射頻合路自加噪這2種主動(dòng)自加噪傳輸模式，并分析了其不同的應(yīng)用條件與反通信偵察的效能。最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了上述方法的合理性與有效性，這對(duì)于提高通信傳輸物理層安全等級(jí)，推進(jìn)通信電子防御工程建設(shè)具有重要參考意義。

主動(dòng)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(lái)隨著通信偵察技術(shù)的不斷進(jìn)步與快速發(fā)展，目前偵察方已能夠?qū)鹘y(tǒng)的LPI/LPD通信信號(hào)實(shí)施檢測(cè)截獲[1-2]、參數(shù)分析[3-4]、調(diào)制與編碼識(shí)別[5-6]、非合作解調(diào)譯碼[4]，從而給通信傳輸物理層安全帶來(lái)了極大的威脅。雖然也可以采取文獻(xiàn)[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(shí)現(xiàn)也必然會(huì)對(duì)通信系統(tǒng)底層的軟硬件體系架構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)與更改，從而極大地增加工程實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，需付出較大的代價(jià)，所以盡可能保持現(xiàn)有通信方式變化不大的條件下，采取相對(duì)簡(jiǎn)潔的方法來(lái)提升物理層安全成為一個(gè)重要的研究課題。本文針對(duì)這一問(wèn)題，提出了通信方自己主動(dòng)添加噪聲的方法來(lái)進(jìn)行通信傳輸，該方法可以在保持現(xiàn)有通信物理層軟硬件總體架構(gòu)不變的基礎(chǔ)之上，通過(guò)局部的簡(jiǎn)單調(diào)整與改進(jìn)來(lái)提高物理層信號(hào)的安全傳輸?shù)燃?jí)。為此在前期研究的基礎(chǔ)上[12-13]，設(shè)計(jì)了2種傳輸模式，以此來(lái)阻止非合作的通信偵察方對(duì)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(xì)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(fā)送方M1向通信接收方M2傳輸信號(hào)的同時(shí)，第三方Z，即通信偵察方，對(duì)通信發(fā)射方M1的信號(hào)進(jìn)行偵察接收，如圖1所示。

圖1　通信傳輸與通信偵察場(chǎng)景圖示

1.1通信傳輸中的載噪比

圖1中M1的發(fā)射機(jī)輸出的有效功率記為Wt，在M1與M2連線方向上通信發(fā)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?shù)纫蛩厮鶎?dǎo)致的衰減記為L(zhǎng)d。通信接收方天線后端的接收系統(tǒng)性能因素記為[G/T]r2，可由下式計(jì)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(gè)接收系統(tǒng)的等效噪聲溫度，于是通信接收方所接收到的信號(hào)的載噪比[C/n0]r2(定義為信號(hào)載波功率C與接收系統(tǒng)單位帶寬內(nèi)的噪聲功率n0之比)可由下式表達(dá)：

(2)

式中，k表示玻耳茲曼常數(shù)，k=1.380 54×10-23(Joules /K)。在正常通信系統(tǒng)中，載噪比[C/n0]r2直接決定了該通信鏈路的傳輸容量與質(zhì)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(fā)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?shù)纫蛩厮鶎?dǎo)致的衰減記為L(zhǎng)dz。偵察接收方天線后端的接收系統(tǒng)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(gè)接收系統(tǒng)的等效噪聲溫度。于是偵察方所接收到的信號(hào)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(hào)的質(zhì)量，以及是否能夠通過(guò)偵察分析和處理來(lái)完成對(duì)截獲信號(hào)的非合作解調(diào)與譯碼。

通信偵察過(guò)程中的傳輸衰減Ldz與正常通信系統(tǒng)的傳輸衰減Ld主要由傳輸距離決定。通常情況下，通信發(fā)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(tǒng)的等效噪聲溫度Trz要高于通信接收方系統(tǒng)的等效噪聲溫度Tr2，即Trz>Tr2，但二者不會(huì)有數(shù)量級(jí)上的差異。對(duì)比式(2)與式(4)，對(duì)于通信偵察方來(lái)說(shuō)，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(guò)提高偵察接收天線的增益Gz來(lái)使得所截獲信號(hào)的載噪比[C/n0]z得以提高，從而最終滿足非合作解調(diào)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(diào)節(jié)主動(dòng)權(quán)是由偵察接收方自己掌控的。

2　主動(dòng)自加噪傳輸技術(shù)原理

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

實(shí)際上可通過(guò)通信發(fā)送方自己主動(dòng)添加射頻噪聲的方法來(lái)改變通信偵察實(shí)施條件。即通信發(fā)送方M1在發(fā)送信號(hào)的同時(shí)，也發(fā)送射頻噪聲信號(hào)，此時(shí)記發(fā)送的信號(hào)功率為Wt1，發(fā)送的射頻噪聲的功率為Wn1，對(duì)應(yīng)的帶寬為Bn1，射頻噪聲發(fā)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(hào)的載噪比[C/n0]r2,new可表示為：

(5)

而此時(shí)對(duì)于通信偵察方來(lái)說(shuō)，所偵察接收到的信號(hào)的載噪比[C/n0]z,new如下式所表達(dá)：

(6)

式中，Gntz為偵察方向上通信發(fā)射方的噪聲發(fā)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(wú)法利用式(4)來(lái)調(diào)節(jié)偵察信號(hào)的載噪比。通信發(fā)送方通過(guò)主動(dòng)發(fā)射噪聲，從而使得偵察接收方的載噪比[C/n0]z,new的調(diào)節(jié)主動(dòng)權(quán)掌握在了自己的手里，因?yàn)槭?7)中的5個(gè)參數(shù)Wt1、Wn1、B、Gtz和Gntz都是由通信發(fā)送方自己所決定的。只要通信發(fā)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(diào)要求的情況下，通過(guò)上述5個(gè)參數(shù)的調(diào)節(jié)，使得式(7)所描述的偵察接收的載噪比條件遠(yuǎn)不滿足非合作接收解調(diào)的要求。這樣就有效阻止了通信偵察方對(duì)通信鏈路上物理層信號(hào)的非合作接收解調(diào)，從而有效地提高了通信傳輸?shù)奈锢韺影踩燃?jí)。

基于這一技術(shù)原理，有如下2種通信發(fā)射方自己主動(dòng)添加發(fā)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(fā)送方在正常通信傳輸條件下，在通信發(fā)射天線處再增配一部發(fā)射機(jī)和一副噪聲發(fā)射天線，該發(fā)射機(jī)專門用來(lái)發(fā)射與正常通信信號(hào)同頻帶的射頻噪聲，其輸出信號(hào)再經(jīng)過(guò)單獨(dú)的噪聲發(fā)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(fā)射方

對(duì)于正常通信接收方來(lái)說(shuō)，分情況討論如下：

① 當(dāng)k(Ta2+Tr2)≥Wn1GntGr/(LdB)時(shí)

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

[C/n0]r2,new≥Wt1GtGr/[2Ldk(Ta2+Tr2)]，

(8)

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

② 當(dāng)k(Ta2+Tr2)

該條件的物理意義是通信發(fā)射方傳來(lái)的噪聲大于通信接收方本地產(chǎn)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(fā)送方控制好Wt1、Wn1、B、Gt和Gnt這5個(gè)參數(shù)，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(jìn)行。在正常通信得以保證的前提下，再利用式(7)調(diào)節(jié)Gtz和Gntz這2個(gè)參數(shù)，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?shù)陌踩燃?jí)。

空間輻射自加噪傳輸模式一般針對(duì)通信發(fā)射方采用定向高增益?zhèn)鬏斕炀€，定向發(fā)射通信信號(hào)時(shí)，對(duì)其天線主波束以外的區(qū)域進(jìn)行防護(hù)，此時(shí)正常通信信號(hào)發(fā)射天線方向圖為針狀波束，而噪聲信號(hào)發(fā)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(fā)射方天線波束圖

由圖3可見，在正常通信信號(hào)發(fā)射天線方向圖與噪聲信號(hào)發(fā)射天線方向圖給定的條件下，可通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)噪聲發(fā)射機(jī)的輸出功率Wn1的大小，來(lái)控制向空間所輻射的噪聲功率的大小，從而使得通信發(fā)射方對(duì)外發(fā)射的混合信號(hào)本身就是一個(gè)具有一定信噪比的信號(hào)。通過(guò)輸出噪聲功率的適當(dāng)控制，可使得在通信發(fā)射天線的主波束區(qū)域內(nèi)的信號(hào)帶內(nèi)信噪比SNR(單位是dB)為正；而遠(yuǎn)離主波束方向的區(qū)域內(nèi)的信號(hào)帶內(nèi)SNR很小，甚至為負(fù)。這樣就能在空間區(qū)域上體現(xiàn)出發(fā)射信號(hào)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(hào)解調(diào)要求的正SNR信號(hào)；而通信偵察方接收到的是負(fù)SNR條件的信號(hào)，從而無(wú)法對(duì)此信號(hào)實(shí)施有效解調(diào)。

對(duì)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(hào)功率與噪聲功率的相對(duì)大小，以及正常通信信號(hào)發(fā)射天線方向圖和噪聲發(fā)射天線方向圖的對(duì)比。通過(guò)2種不同天線的設(shè)計(jì)，使得通信發(fā)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?。涣硪环矫?，使得噪聲發(fā)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(shè)計(jì)更有利于反通信偵察的實(shí)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(hù)模式，在通信發(fā)送方的正常通信信號(hào)進(jìn)入發(fā)射機(jī)之前，通過(guò)合路器將射頻噪聲產(chǎn)生器生成的與信號(hào)同帶寬的噪聲信號(hào)一起送入通信發(fā)射機(jī)，然后將放大之后的帶有噪聲的混合信號(hào)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(fā)送方

由圖4可見，射頻合路自加噪模式不受通信發(fā)射天線的限制，無(wú)論天線方向圖是何種形狀，該方式都可以實(shí)現(xiàn)在全空域上主動(dòng)添加噪聲。而且從發(fā)射天線處觀察，混合信號(hào)無(wú)論從哪一個(gè)方向輻射，其輻射時(shí)的SNR在任何方向上都是一個(gè)恒定值，這是該模式的最突出的特點(diǎn)。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(duì)于通信偵察方，由式(7)和式(11)可得：

[C/n0]z,new≤Wt1B/Wn1，

(13)

對(duì)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(wú)法達(dá)到物理層信號(hào)安全傳輸?shù)哪康?。所以需要?duì)于射頻合路自加噪傳輸模式采取附加的長(zhǎng)碼擴(kuò)頻措施[11]，即正常通信發(fā)射方在信號(hào)發(fā)射時(shí)，采用無(wú)周期的直接序列長(zhǎng)碼對(duì)傳輸信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻，記擴(kuò)頻處理增益為A，于是正常通信接收方在解擴(kuò)之后，信號(hào)帶內(nèi)SNRr可表示為：

(14)

由此可見，正常通信接收方通過(guò)解擴(kuò)操作實(shí)際上等效于提高了通信接收端的SNRr，在解擴(kuò)之后正常通信接收方可完成接收信號(hào)的解調(diào)。但對(duì)于非合作通信偵察方來(lái)說(shuō)，即使對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)實(shí)施直接解調(diào)處理，此時(shí)被解調(diào)信號(hào)的帶內(nèi)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(fā)送方合理分配信號(hào)功率Wt1與噪聲功率Wn1的數(shù)值，就可以使得通信偵察方處于低SNR，甚至負(fù)SNR條件，由于無(wú)法對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)實(shí)施直接解調(diào)來(lái)恢復(fù)非周期的擴(kuò)頻長(zhǎng)碼序列，更無(wú)法通過(guò)解擴(kuò)來(lái)提高偵察接收的帶內(nèi)SNR，這實(shí)際上就等效于消除了通信偵察方實(shí)施非合作解調(diào)的前提條件，從而有效阻止了非合作的通信偵察方對(duì)物理層信息的獲取，確保了通信傳輸?shù)奈锢韺影踩?/p>

對(duì)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(hào)功率與噪聲功率的相對(duì)大小，以及通信信號(hào)直接序列擴(kuò)頻處理增益的大小。正常通信方所采用的擴(kuò)頻處理增益越大，則偵察方截獲到的信號(hào)的帶內(nèi)SNR與正常通信接收方的信號(hào)帶內(nèi)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(yīng)用示例與仿真驗(yàn)證

4.1空間輻射自加噪傳輸

在地面微波通信點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸應(yīng)用中，正常通信發(fā)射方工作于5.6 GHz頻點(diǎn)，采用2.5 W的發(fā)射機(jī)，通信收發(fā)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(fā)雙方的距離為100 km。與此同時(shí)，在與通信鏈路傳輸方向成45°方向上有一通信偵察方對(duì)此微波通信鏈路實(shí)施偵察，偵察方與通信發(fā)射方的距離為30 km。在通信發(fā)送方處還配置了一個(gè)用于射頻噪聲發(fā)射的全向天線，后接一臺(tái)輸出功率為10 W的發(fā)射噪聲的功放，如圖5所示。

圖5　點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信傳輸與通信偵察場(chǎng)景圖示

在通信發(fā)射方?jīng)]有主動(dòng)發(fā)射噪聲的情況下，根據(jù)式(2)可得：通信接收方所收到信號(hào)的載噪比為104 dBm/Hz，其中接收方本地單位帶寬內(nèi)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(shù)字調(diào)制，傳輸速率可達(dá)100 Msps，此時(shí)在通信接收端的SNR約為24 dB，顯然該SNR足夠確保接收機(jī)的正常解調(diào)，并且還有較大的余量。

對(duì)于通信偵察方來(lái)說(shuō)，采用口徑為10 m的天線實(shí)施副瓣偵察，對(duì)于目標(biāo)發(fā)射天線方向的增益按-10 dB計(jì)算，偵察天線增益為52 dB，由式(4)可得偵察截獲信號(hào)的載噪比為104 dBm/Hz，其中偵察方本地單位帶寬內(nèi)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(hào)與正常通信方接收到的信號(hào)的載噪比是相同的，按照當(dāng)前通信偵察的信號(hào)分析與非合作解調(diào)能力，完全可以對(duì)此信號(hào)實(shí)施非合作解調(diào)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(fā)射方在通信信號(hào)所在的100 MHz左右的帶寬內(nèi)主動(dòng)發(fā)射噪聲信號(hào)，發(fā)射功率為10 W，單獨(dú)采用一個(gè)全向天線對(duì)外輻射。此時(shí)正常通信接收方在接收天線后端所接收到的從發(fā)射方傳來(lái)的信號(hào)的帶內(nèi)的噪聲功率譜密度為-82 dBm/100 MHz，即-162 dBm/Hz，這一數(shù)值比接收方本地噪聲還要高，由式(9)可知此時(shí)在通信接收端的解調(diào)SNR至少為17 dB，完全滿足QPSK信號(hào)解調(diào)信噪比門限要求。

但此時(shí)對(duì)于通信偵察方來(lái)講就不那么幸運(yùn)了，由于實(shí)施的旁瓣偵察，在偵察方向上正常通信信號(hào)的天線增益不超過(guò)-10 dB，而同帶寬噪聲輻射天線的增益為0 dB。結(jié)合式(7)可知，無(wú)論偵察方如何增加偵察天線的口徑，所接收到的信號(hào)的帶內(nèi)SNR最大都不可能超過(guò)-16 dB，因?yàn)樵诖朔较蛏蠌耐ㄐ虐l(fā)送方輻射出來(lái)的信號(hào)本身就是一個(gè)負(fù)SNR的信號(hào)。顯然在-16 dB帶內(nèi)SNR條件下是不能完成QPSK信號(hào)的解調(diào)的，因?yàn)榇藯l件下的解調(diào)誤碼率都超過(guò)了35%，這樣的解調(diào)結(jié)果是毫無(wú)意義的。

從該示例還可發(fā)現(xiàn)，空間輻射自加噪傳輸?shù)姆雷o(hù)區(qū)域與正常信號(hào)發(fā)射天線方向圖、噪聲信號(hào)發(fā)射天線方向圖，以及正常信號(hào)與噪聲信號(hào)功率相對(duì)大小緊密相關(guān)。如果圖5中的通信偵察方改變偵察地點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)到正常通信發(fā)送方與接收方的連線附近區(qū)域?qū)嵤﹤刹?，其防護(hù)效果就會(huì)變差，甚至起不到防護(hù)作用，因?yàn)榇藭r(shí)偵察方幾乎滿足主瓣偵察條件。

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

(16)

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

根據(jù)這一天線增益函數(shù)，結(jié)合QPSK解調(diào)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(shí)施偵察時(shí)，偵察方所能達(dá)到的QPSK解調(diào)誤比特率的下限曲線圖如圖7所示。

圖6　天線歸一化相對(duì)增益隨角度的變化曲線圖

圖7　空間不同角度方向上解調(diào)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(jīng)無(wú)法滿足非合作解調(diào)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(hù)，這是其最大的特點(diǎn)。以星地通信鏈路為例，同步軌道通信衛(wèi)星與地面終端之間建立正常的通信鏈路，采用BPSK調(diào)制，載波頻率為12.5 GHz，數(shù)據(jù)傳輸速率為50 kbps，擴(kuò)頻碼速率為50 Mcps。在衛(wèi)星向地面終端傳輸正常信號(hào)的同時(shí)，地面上的通信偵察方也在同時(shí)接收來(lái)自通信衛(wèi)星的下行信號(hào)[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(wèi)星的發(fā)射機(jī)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(duì)應(yīng)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(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度為-104dBm，對(duì)應(yīng)接收帶寬內(nèi)的擴(kuò)頻信號(hào)帶內(nèi)信噪比約為-10dB(其中前端噪聲功率譜密度按-171dBm/Hz計(jì)算，以下同)。對(duì)于正常通信接收方來(lái)說(shuō)，擴(kuò)頻處理增益為30dB，所以經(jīng)過(guò)解擴(kuò)之后，信號(hào)的帶內(nèi)信噪比可以提升為20dB，在此信噪比條件下能夠?qū)崿F(xiàn)幾乎無(wú)誤碼的解調(diào)。

在圖8所示的場(chǎng)景中，如果通信偵察方采用1 m口徑的天線來(lái)進(jìn)行偵察接收，由于事先沒(méi)有獲得通信雙方的擴(kuò)頻碼，所以無(wú)法實(shí)現(xiàn)解擴(kuò)處理；另一方面，在解擴(kuò)之前信號(hào)的帶內(nèi)信噪比為-10dB，這也無(wú)法實(shí)現(xiàn)直接解調(diào)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(lái)，解擴(kuò)前所接收信號(hào)的帶內(nèi)信噪比提升至14dB。在此條件下偵察方可對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)直接實(shí)施解調(diào)處理，得到擴(kuò)頻序列與信息序列共同作用的混合序列。在此基礎(chǔ)上，偵察方可采用密碼學(xué)中的唯密文分析手段來(lái)進(jìn)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(wèi)星在發(fā)送信號(hào)時(shí)，利用其中的0.05 W功率來(lái)發(fā)射正常的通信信號(hào)，而利用0.5 W功率來(lái)發(fā)送射頻噪聲，這就決定了混合信號(hào)一旦從通信衛(wèi)星發(fā)射出來(lái)之后，信號(hào)的最高帶內(nèi)信噪比已經(jīng)被限定為不超過(guò)-10dB。當(dāng)信號(hào)到達(dá)地面通信終端之后，天線后端的信號(hào)強(qiáng)度為-117dBm，在接收帶寬內(nèi)的擴(kuò)頻信號(hào)帶內(nèi)信噪比為-23dB，經(jīng)過(guò)解擴(kuò)之后，信號(hào)帶內(nèi)信噪比可提升至7dB，在此信噪比條件下經(jīng)過(guò)解調(diào)處理，再加上后續(xù)的信道碼糾錯(cuò)之后，正常通信的接收方是可以獲得正確的信息碼流。但對(duì)于通信偵察方來(lái)說(shuō)，此時(shí)無(wú)論如何增大偵察接收天線的口徑，所接收到的解擴(kuò)之前的信號(hào)帶內(nèi)信噪比始終無(wú)法超過(guò)-10dB，在此條件下如果實(shí)施直接解調(diào)，由BPSK解調(diào)誤碼率曲線可知，此時(shí)的解調(diào)誤碼率約為32.7%。顯然第三方在無(wú)法得到比較準(zhǔn)確的碼流序列的條件下，擴(kuò)頻碼分析與恢復(fù)也是無(wú)法實(shí)施的。偵察方由于不能獲得準(zhǔn)確的原始碼流，所以更加無(wú)法實(shí)施碼流分析與恢復(fù)。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?shù)拇a流信息。

5　結(jié)束語(yǔ)

本文首先從接收信號(hào)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(chǔ)，闡述了通信發(fā)送端自己主動(dòng)添加噪聲進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)募夹g(shù)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(duì)這2種模式的特點(diǎn)和反通信偵察的效能進(jìn)行了分析，最后通過(guò)應(yīng)用示例與仿真驗(yàn)證了其有效性和可行性。所給出的應(yīng)用示例也為本方法的工程實(shí)際應(yīng)用提供了重要參考，這對(duì)于提高通信傳輸物理層安全等級(jí)，推進(jìn)通信電子防御的應(yīng)用實(shí)施具有重要意義。

[1]Richard A P.Introduction to Communication Electronic Warfare Systems(Second Edition)[M].USA:Artech House Inc.,2008.

[2]David A.EW 103:Communication Electronic Warfare [M].USA:Artech House Publishers,2009.

[3]馮小平,李鵬.通信對(duì)抗原理[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2012.

[4]楊小牛.通信電子戰(zhàn):信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)殺手[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

[5]楊發(fā)權(quán),李贊,羅中良.基于聚類與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線通信聯(lián)合調(diào)制識(shí)別新方法[J].中山大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015(2)：24-29.

[6]廖紅舒，袁葉，甘露.自同步擾碼的盲識(shí)別方法[J].通信學(xué)報(bào)，2013(1)：136-143.

[7]YANG Xiao,Chen H,Du C,et al.Stream-based Cipher Feedback Mode in Wireless Error Channel [J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2009,8(2):622-626.

[8]石榮，鄧科，閻劍.物理層加密及其在空間信息網(wǎng)絡(luò)防護(hù)中的應(yīng)用[J].航天電子對(duì)抗，2014，30(4)：12-14.

[9]郭晶，王劍，袁堅(jiān)，等.基于分組密碼的物理層加密通信系統(tǒng)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，51(11)：1643-1647.

[10]雷蓓蓓.基于物理層加密的調(diào)制方式隱蔽算法研究[D].西安:西北大學(xué)，2012:23-32.

[11]秦浩浩，陳翔.多天線多載波系統(tǒng)物理層安全研究進(jìn)展[J].無(wú)線電通信技術(shù)，2014,40(4)：1-6.

[12]石榮,李瀟,滿方微,等.基于長(zhǎng)碼擴(kuò)頻自加噪傳輸?shù)耐ㄐ欧烙夹g(shù)[C]//“天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)”第二次高峰論壇論文集,北京,2015:342-349.

[13]翟立君，汪春霆.天地一體化網(wǎng)絡(luò)和空中接口技術(shù)研究[J].無(wú)線電通信技術(shù)，2015,41(3)：1-5.

[14]黃月江,祝世雄.信息安全與保密(第2版)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2008.

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(dòng)自加噪傳輸技術(shù)及其反通信偵察效能分析[J].無(wú)線電通信技術(shù),2016,42(5):42-47.

2016-05-13

國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目

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

TN973

A

1003-3114(2016)05-42-6