石 榮 胡 蘇 徐劍韜

(1.電子信息控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610036) (2.電子科技大學(xué)通信抗干擾國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 611731)

衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)通信中的隱蔽自適應(yīng)擴(kuò)頻傳輸

石 榮1胡 蘇2徐劍韜1

(1.電子信息控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610036) (2.電子科技大學(xué)通信抗干擾國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 611731)

針對衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)通信中短碼擴(kuò)頻傳輸在反偵察抗干擾方面存在的問題,提出了一種改進(jìn)的隱蔽自適應(yīng)擴(kuò)頻傳輸方法。該方法利用非周期長碼序列實(shí)施擴(kuò)頻,從而在信號(hào)波形上實(shí)現(xiàn)了對通信發(fā)送方信息符號(hào)速率參數(shù)的隱藏,第三方難以從截獲到的信號(hào)中推斷其擴(kuò)頻處理增益的大小,只能實(shí)施盲目壓制干擾。而通信雙方可利用衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)信道的開放性特點(diǎn),對干信比參數(shù)實(shí)施測量,并以此為參考來調(diào)節(jié)己方的信息符號(hào)速率,從而通過改變擴(kuò)頻處理增益來自適應(yīng)抵抗外界干擾的變化,實(shí)現(xiàn)了在干擾條件下傳輸速率的最大化。仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的有效性,從而為透明轉(zhuǎn)發(fā)體制的衛(wèi)星通信抗干擾工程應(yīng)用和通信電子防御提供了新的手段。

衛(wèi)星通信; 透明轉(zhuǎn)發(fā); 長碼擴(kuò)頻; 隱蔽擴(kuò)頻; 自適應(yīng)擴(kuò)頻; 反偵察; 抗干擾; 通信電子防御

Class Number TN927; TN973

1 引言

衛(wèi)星通信是海面艦船實(shí)現(xiàn)超視距通信的必備手段之一,但是通信衛(wèi)星對地波束覆蓋的廣域性也使得衛(wèi)星通信信號(hào)容易遭受第三方的偵察截獲與干擾。通信系統(tǒng)中抗干擾的常用技術(shù)手段之一就是擴(kuò)頻傳輸[1～2],但是在將直接序列擴(kuò)頻傳輸體制應(yīng)用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)時(shí),由于其傳輸信道的開放性,第三方也能截獲到通信雙方的信號(hào),隨著通信偵察技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展,目前已經(jīng)能夠?qū)χ芷谛缘亩檀a擴(kuò)頻信號(hào)實(shí)施有效的檢測與參數(shù)估計(jì)[3],得到信號(hào)載波頻率、擴(kuò)頻碼速率、擴(kuò)頻碼周期、信息碼速率、調(diào)制樣式等關(guān)鍵參數(shù),甚至還能恢復(fù)出通信雙方所使用的短碼擴(kuò)頻序列[3～5]。第三方利用上述偵察結(jié)果來調(diào)整干擾參數(shù),通過大功率壓制干擾方式,可阻斷正常的衛(wèi)星通信傳輸[6～7]。雖然也可采用跳頻方式來躲避干擾,但跳頻衛(wèi)星通信設(shè)備相對復(fù)雜,而且還要求衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器要具有非常大的頻率帶寬才能有效發(fā)揮跳頻抗干擾的效能,而絕大多數(shù)星載透明轉(zhuǎn)發(fā)器都不滿足這一要求,所以實(shí)際的工程應(yīng)用受限。

針對上述問題,本文在前期研究[8]以及對第三方實(shí)施衛(wèi)星通信干擾的整個(gè)偵察引導(dǎo)控制流程分析的基礎(chǔ)上,利用非周期長碼擴(kuò)頻序列替代傳統(tǒng)直接序列擴(kuò)頻通信中常用的周期性短碼擴(kuò)頻序列,從而有效阻止了第三方偵察引導(dǎo)環(huán)節(jié)中對己方信息傳輸符號(hào)速率參數(shù)的有效估計(jì),即隱藏了直擴(kuò)通信過程中的信息傳輸符號(hào)速率參數(shù),形成了一種隱蔽擴(kuò)頻傳輸模式,即第三方通過偵察截獲到的信號(hào)無法推斷己方的擴(kuò)頻處理增益。接著同樣利用衛(wèi)星通信傳輸信道的開放性,通過對干信比參數(shù)的估計(jì),來自適應(yīng)地調(diào)節(jié)己方的信息傳輸符號(hào)速率,從而使得能夠在一定的外界干擾功率條件下達(dá)到最大的信息傳輸速率。該方法不僅實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)頻傳輸物理層參數(shù)的隱藏,而且也提高了整個(gè)衛(wèi)星通信擴(kuò)頻傳輸系統(tǒng)的抗干擾性能。其技術(shù)原理詳細(xì)闡述如下。

2 衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)通信與面臨的干擾

由于衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)通信所需要的星載設(shè)備量小,可靠度高,所以當(dāng)前95%以上的同步軌道通信衛(wèi)星中都搭載有多個(gè)透明轉(zhuǎn)發(fā)器。地面衛(wèi)星通信終端A發(fā)向太空的上行通信信號(hào)被衛(wèi)星接收之后,通過變頻與放大再次發(fā)回地面,由另一個(gè)衛(wèi)星通信終端B接收,從而完成整個(gè)單向的通信過程,如圖1所示。由于衛(wèi)星對地波束的廣域覆蓋性,地面衛(wèi)星通信終端A一般也能接收到下行通信信號(hào)。

圖1 透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星通信過程

由于透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星通信信道的開放性,第三方通過偵察同樣可接收到同步軌道通信衛(wèi)星向地面發(fā)送的下行通信信號(hào),在對該信號(hào)的載波頻率、符號(hào)速率、信號(hào)調(diào)制方式等參數(shù)分析之后,根據(jù)透明轉(zhuǎn)發(fā)器的頻率轉(zhuǎn)發(fā)變換關(guān)系即可反推出對應(yīng)的上行信號(hào)頻率,于是第三方即可根據(jù)此頻率對該衛(wèi)星通信鏈路實(shí)施干擾[7,9],即向該衛(wèi)星發(fā)射上行信號(hào)頻率對應(yīng)的干擾信號(hào),該干擾信號(hào)同樣會(huì)被星載透明轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)回地面,從而對地面衛(wèi)星通信終端B的接收機(jī)形成干擾,如圖2所示。

圖2 透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星通信遭受干擾的情形

在圖2中由于衛(wèi)星對地波束的廣域覆蓋性,第三方既可接收被通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)下來的下行通信信號(hào),還可接收被轉(zhuǎn)發(fā)下來的干擾信號(hào),通過對兩個(gè)信號(hào)的功率電平進(jìn)行測量之后,即可計(jì)算出干信比。因?yàn)閷Σ煌愋偷耐ㄐ判盘?hào)實(shí)施有效干擾所要求的干信比是各不相同的,所以第三方能精確控制干擾發(fā)射功率的大小,使之剛好能對目標(biāo)信號(hào)實(shí)施有效的干擾,而又不至于導(dǎo)致所發(fā)射的干擾信號(hào)功率過大,所節(jié)省下來的干擾功率還能用于干擾其它的信號(hào),從而獲得最大化的干擾效率。下面以對BPSK調(diào)制的擴(kuò)頻通信信號(hào)Ss(t)實(shí)施干擾為例進(jìn)行簡要說明。

(1)

(2)

通常情況下對擴(kuò)頻信號(hào)實(shí)施壓制干擾時(shí)所需要的干信比JIRdB與擴(kuò)頻處理增益GdB直接相關(guān),由下式所表達(dá):

(3)

式(3)中各變量的單位均為dB,Lsys表示系統(tǒng)損耗,SNRdem表示接收端解擴(kuò)之后的解調(diào)環(huán)節(jié)所需要的信干噪比。由上可見,擴(kuò)頻處理增益GdB越大,己方的抗干擾能力也越強(qiáng),第三方實(shí)施有效干擾所需要的干信比也就越高。于是第三方將依據(jù)式(3)來對到達(dá)接收機(jī)處的干擾信號(hào)功率PJ(單位dBW)進(jìn)行精確的控制,使之滿足:

(4)

由此可見,第三方通過偵察,對A,fc,Rc,Rd等信號(hào)參數(shù)進(jìn)行精確估計(jì),從而按照式(3)和(4)來有效控制干擾發(fā)射功率。這樣既做到了干擾有效,又確保了不會(huì)造成干擾功率的浪費(fèi),節(jié)約下來的干擾功率還可用于對其它目標(biāo)的干擾,從而提高了第三方的干擾效能。

3 信息傳輸符號(hào)速率參數(shù)的隱藏

在前一節(jié)所描述的應(yīng)用中,如果要確保信息的有效傳輸,只有增強(qiáng)傳輸信號(hào)的抗干擾能力,一個(gè)重要技術(shù)手段就是提高直擴(kuò)信號(hào)的擴(kuò)頻處理增益GdB,但隨著己方GdB的提高,第三方在偵察之后也會(huì)提高所發(fā)射干擾信號(hào)的功率,這樣仍然不能達(dá)到有效傳輸信息的目的。

第三方之所以能夠?qū)?jīng)過衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)傳輸?shù)闹睌U(kuò)信號(hào)實(shí)施干擾功率的精確控制,其重要原因之一就在于第三方能夠?qū)δ繕?biāo)信號(hào)的參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì),然后按照式(3)與(4)來實(shí)施干擾功率的有效控制。進(jìn)一步講,因?yàn)樵诔Ｒ?guī)的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中擴(kuò)頻碼序列c(t)通常采用周期性的短碼序列cs(t),其循環(huán)周期τs通常從ms到s量級(jí)不等,即:

(5)

之所以采用短碼序列cs(t)主要是考慮到工程實(shí)現(xiàn)的方便性。于是在式(1)中擴(kuò)頻短碼序列與信息序列的乘積項(xiàng)ms(t)=cs(t)·d(t)也隱含了一定的周期性。因?yàn)閿U(kuò)頻碼碼速率為Rc至少比信息碼速率Rd大一個(gè)數(shù)量級(jí),這就意味著擴(kuò)頻碼的時(shí)寬比信息碼的時(shí)寬至少小一個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)某幾位信息碼取相同的數(shù)值時(shí),在其對應(yīng)的時(shí)間段ΔT內(nèi),短碼擴(kuò)頻的乘積項(xiàng)ms(t)就有可能滿足下式:

(6)

利用式(5)和(6),通過長期的統(tǒng)計(jì)分析,第三方即可估計(jì)出周期性短碼擴(kuò)頻信號(hào)的擴(kuò)頻碼速率Rc和信息符號(hào)速率Rd這兩個(gè)重要參數(shù)。關(guān)于這方面的眾多估計(jì)算法近十幾年來在各類公開技術(shù)文獻(xiàn)中被廣泛報(bào)道[3～5],在此就不再展開重復(fù)闡述了。

針對上述弱點(diǎn),如果基于透明轉(zhuǎn)發(fā)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中采用非周期的長碼序列cl(t)作為擴(kuò)頻序列,對于任意的τl都有下式成立:

(7)

于是對于任意的τl,在式(1)中長碼擴(kuò)頻序列與信息序列的乘積項(xiàng)ml(t)一定滿足:

(8)

即在采用非周期長碼擴(kuò)頻之后,消除了短碼擴(kuò)頻信號(hào)中所隱含的部分周期性,此時(shí)從信號(hào)波形上觀察,信息符號(hào)序列d(t)是否存在,對信號(hào)Ss(t)的統(tǒng)計(jì)特性幾乎沒有任何影響。除非第三方事先從其它渠道得知該信號(hào)所采用的擴(kuò)頻序列,否則將無法估計(jì)非周期長碼擴(kuò)頻信號(hào)中的信息符號(hào)速率參數(shù)Rd。這所造成的連鎖反應(yīng)就是:第三方無法通過式(2)估計(jì)通信傳輸雙方的擴(kuò)頻處理增益,于是也無法通過式(3)和(4)計(jì)算出對該信號(hào)實(shí)施干擾時(shí)所需要的精確干擾功率。

4 自適應(yīng)調(diào)節(jié)擴(kuò)頻處理增益抗干擾

如前所述,通信發(fā)送方通過非周期長碼擴(kuò)頻方式有效隱藏了己方的信息傳輸速率參數(shù)Rd,從而造成第三方無法估計(jì)出己方的擴(kuò)頻處理增益GdB,這也等價(jià)于第三方無法知道己方的擴(kuò)頻抗干擾能力到底有多強(qiáng)。在此條件下第三方對己方信號(hào)實(shí)施干擾時(shí),在干擾功率分配上就處于一種盲目狀態(tài)。由于衛(wèi)星對地波束的廣域覆蓋性,干擾方所發(fā)射的干擾信號(hào)己方同樣是可以完全接收的,所以己方也能估計(jì)出干信比參數(shù),這就意味著在衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)通信中己方也能獲得準(zhǔn)確的反饋信息。于是己方將通過調(diào)節(jié)自己的傳輸參數(shù)來消除干擾方的有效干擾條件,從而使得式(3)不再成立,即與之相反的表達(dá)式為

(9)

即:

(10)

由于己方采用的擴(kuò)頻碼速率參數(shù)Rc是事先選定的值,在此基礎(chǔ)上,可通過改變信息符號(hào)速率Rd來自適應(yīng)地調(diào)節(jié)己方的擴(kuò)頻處理增益GdB,始終使得下式成立:

(11)

而式(11)的成立則意味著己方在實(shí)施解擴(kuò)處理之后所得到的信干噪比一定滿足后續(xù)解調(diào)的要求,這樣就實(shí)現(xiàn)了在干擾條件下的可靠信息傳輸。

另一方面,按照式(11)來計(jì)算并調(diào)節(jié)Rd,可以在抗干擾條件下實(shí)現(xiàn)信息傳輸速率Rd的最大化,從而提高整個(gè)系統(tǒng)的通信傳輸效率,因?yàn)閷⑹?11)換一種表達(dá)方式,即:

(12)

由于上述擴(kuò)頻處理增益的自適應(yīng)調(diào)節(jié)是在通信發(fā)送端實(shí)時(shí)進(jìn)行的,通信發(fā)送端在什么時(shí)候進(jìn)行了調(diào)整,以及信息傳輸速率Rd調(diào)整為具體什么數(shù)值,這都需要通信接收端自己進(jìn)行檢測。即通信接收端需要對接收到的信號(hào)Ss(t)按照式(13)進(jìn)行解擴(kuò),得到解擴(kuò)之后的信號(hào)Sp(t),以式(1)為例,解擴(kuò)之后的信號(hào)為

(13)

由此可見,通信接收端通過對解擴(kuò)之后的信號(hào)Sp(t)進(jìn)行符號(hào)速率參數(shù)估計(jì)便可得到通信發(fā)送方設(shè)置的信息傳輸速率參數(shù)Rd,然后利用該估計(jì)參數(shù)設(shè)置己方的解調(diào)器,從而完成對解擴(kuò)之后的信號(hào)的解調(diào),獲得最終的碼流信息。目前對數(shù)字通信信號(hào)的傳輸符號(hào)速率估計(jì)的方法在各類公開文獻(xiàn)中已經(jīng)有較多報(bào)道[10],在此就不再展開重復(fù)論述了。

在工程實(shí)現(xiàn)過程中為了避免通信接收端在參數(shù)估計(jì)中出現(xiàn)較大偏差,也可采用收發(fā)雙方事先約定一個(gè)信息傳輸符號(hào)速率列表,該列表中按照一定的傳輸速率間隔來設(shè)置符號(hào)速率參數(shù)值。這樣一來,即使接收端在參數(shù)估計(jì)環(huán)節(jié)出現(xiàn)誤差,只要誤差的大小不超過列表中傳輸速率間隔值的一半,就可以確保接收端采用精確的信息符號(hào)速率參數(shù)來對解擴(kuò)之后的信號(hào)實(shí)施有效解調(diào)。

5 仿真驗(yàn)證

仿真條件:衛(wèi)星通信終端采用非周期長碼直接序列擴(kuò)頻傳輸體制,調(diào)制方式為BPSK,擴(kuò)頻碼速率為10Mchip/s,為了滿足透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星通信信道的帶寬限制條件,在信號(hào)擴(kuò)頻調(diào)制過程中采用了滾降系數(shù)為0.35的升余弦成型濾波器進(jìn)行帶限濾波,仿真中信號(hào)采樣頻率為100M,中頻的載波頻率為20MHz。由于采用了前文所敘述的方法對信息符號(hào)速率參數(shù)進(jìn)行了隱藏,所以上述信號(hào)從波形上看,與正常的普通衛(wèi)星通信信號(hào)一樣,即第三方在截獲該信號(hào)之后,無法推斷該信號(hào)的擴(kuò)頻處理增益。在無干擾條件下,該信號(hào)的頻譜如圖3所示。

圖3 無干擾條件下的信號(hào)頻譜圖

由于第三方無法偵察獲得全部的信號(hào)參數(shù),也就無法進(jìn)行精確的干擾功率控制,只能實(shí)施大功率的盲干擾。設(shè)干擾方采用干信比約為16dB的掃頻干擾樣式對該衛(wèi)通信號(hào)實(shí)施壓制干擾,此時(shí)衛(wèi)通接收端接收到信號(hào)的頻譜如圖4所示,圖中明顯可見疊加于信號(hào)頻譜之上的干擾頻譜。

圖4 干信比20dB條件下的信號(hào)頻譜圖

在此條件下,如果通信傳輸方的信息傳輸符號(hào)速率為100kbps,即擴(kuò)頻處理增益為20dB,那么接收方解擴(kuò)之后的信號(hào)頻譜圖如圖5所示。

圖5 符號(hào)速率100kbps條件下解擴(kuò)之后的信號(hào)頻譜圖

從圖5中幾乎觀察不到信息傳輸部分的信號(hào)頻譜,只能非常隱約地在頻譜上看到一小點(diǎn)突顯,顯然在此條件下接收方是無法完成信號(hào)解調(diào)的。但如前文所述,通信方可根據(jù)對干信比參數(shù)的準(zhǔn)確測量,調(diào)整己方的信息傳輸速率,即將符號(hào)速率調(diào)整為10kbps,這相當(dāng)于將擴(kuò)頻處理增益提高到30dB,在此條件下通信接收方解擴(kuò)之后的信號(hào)頻譜圖如圖6所示。

圖6 符號(hào)速率10kbps條件下解擴(kuò)之后的信號(hào)頻譜圖

由圖6可見,信息傳輸部分的信號(hào)頻譜在解擴(kuò)之后已經(jīng)突顯出來,將圖6中的信號(hào)頻譜局部放大之后觀察如圖7所示。

圖7 圖6的局部放大圖

由圖7可見,解擴(kuò)之后信號(hào)的信干噪比大約在10dB～12dB范圍,該信干噪比已經(jīng)足夠滿足后續(xù)BPSK信號(hào)解調(diào)的要求了[1]。

以上是在干信比20dB條件下進(jìn)行的仿真,如果干擾方增大干擾信號(hào)功率,通信傳輸方也可以自適應(yīng)地再次減小信息符號(hào)傳輸速率,從而相應(yīng)地提高己方的擴(kuò)頻處理增益來抗干擾。這一過程對于基于透明轉(zhuǎn)發(fā)的通信雙方來說是透明的,也是自適應(yīng)的;但對于干擾實(shí)施方來講,這一過程是隱蔽不可見的,不可察覺的。所以該方法能在干擾功率一定條件下,根據(jù)式(12)對信息傳輸符號(hào)速率進(jìn)行比較精確的調(diào)整控制,從而達(dá)到在此條件下信息符號(hào)傳輸速率的最大化。

6 結(jié)語

本文針對衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)通信系統(tǒng)中短碼擴(kuò)頻傳輸存在的反偵察抗干擾能力弱的問題,提出通過非周期長碼擴(kuò)頻手段來實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星擴(kuò)頻傳輸中物理層信息傳輸符號(hào)速率參數(shù)的隱藏,從而切斷了第三方對衛(wèi)星通信物理層重要參數(shù)實(shí)施偵察分析的途徑,有效阻止了第三方利用偵察得到的信息傳輸符號(hào)速率參數(shù)來高效引導(dǎo)干擾的行動(dòng)。在此基礎(chǔ)上己方反過來還可以通過對干擾參數(shù)的分析,自適應(yīng)的隱蔽調(diào)節(jié)信息傳輸符號(hào)速率參數(shù),以此來實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻處理增益的最佳取值。該方法不僅能夠抗干擾,而且還能實(shí)現(xiàn)信息符號(hào)傳輸速率的最大化。仿真試驗(yàn)結(jié)果也同時(shí)驗(yàn)證了其有效性,這為采用直接序列擴(kuò)頻體制的衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)通信系統(tǒng)的抗干擾工程應(yīng)用和通信電子防御的有效實(shí)施提供了新的技術(shù)手段。

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Concealed Adaptive Spectrum Spread Transmission for Satellite Communication by Transparent Repeater

SHI Rong1HU Su2XU Jiantao1

(1. Science and Technology on Electronic Information Control Laboratory, Chengdu 610036) (2. National Key Lab of Communication, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731)

There are many problems about anti-reconnaissance and anti-jamming for satellite communication by transparent repeater, if the short cycle code is used for direct sequence spectrum spread. In this paper an improved method about concealed adaptive spectrum spread transmission is proposed. The non-cycle long code is introduced so as to conceal the information symbol rate parameter. The third party cannot conclude the processing gain of spectrum spread about this communication. So the blind jamming is adopted. The satellite communication by transparent repeater is open to all. After the jamming signal ratio is measured by the transmitter, the symbol rate is adaptively changed for the satellite communication. In this way the jamming can be eliminated effectively and the maximum transmission rate is realized in jamming conditions. The simulation results show the validity of the theoretic analysis. It is a new approach for anti-jamming application of satellite communication by transparent repeater and communication electronic protection.

satellite communication, transparent repeater, spectrum spread by long code, concealed spectrum spread, adaptive spectrum spread, anti-reconnaissance, anti-jamming, communication electronic protection

2016年7月13日,

2016年8月29日

重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(編號(hào):6142105040116210XXXX)資助。

石榮,男,博士,研究員,研究方向：電子對抗,通信與雷達(dá)系統(tǒng)。胡蘇,男,博士,副教授,研究方向：通信抗干擾技術(shù)。徐劍韜,男,碩士研究生,研究方向：電子對抗。

TN927; TN973

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.01.014