張海瑛,吳玲玲,易衛(wèi)明,韓曉佩,李 慧

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081； 2.河北省電磁頻譜認(rèn)知與管控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081； 3.中國人民解放軍75775部隊(duì)，云南 昆明 650000)

0 引言

通信輻射源個(gè)體識別在電子對抗或技術(shù)偵察領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。因此，國內(nèi)外科研人員對輻射源個(gè)體識別的問題研究已經(jīng)有三十多年的經(jīng)驗(yàn)。尤其是近些年，隨著偵察情報(bào)生產(chǎn)依層次的劃分，將把研究的視野引向更加廣泛、更加深入、更加精細(xì)的方向，細(xì)微特征的定義也由研究單層級的測量信號穩(wěn)態(tài)多維特征參數(shù)空間集合到深入挖掘個(gè)體目標(biāo)全元、全息特征空間構(gòu)建的建立上。目前，輻射源個(gè)體識別技術(shù)主要有兩大類：一類是基于細(xì)微特征的輻射源個(gè)體識別技術(shù)[1-4]，采用聯(lián)合特征提取的方法，對提取到的原始特征進(jìn)行再處理，得到能夠獲取更加準(zhǔn)確的通信輻射源指紋信息的特征提取方法；另一類是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輻射源個(gè)體識別技術(shù)[5-8]，該技術(shù)為了減少輻射源個(gè)體識別對于人為設(shè)計(jì)的個(gè)體特征依賴程度，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)輸入數(shù)據(jù)自適應(yīng)地提取網(wǎng)絡(luò)認(rèn)為有效的個(gè)體特征，特征維數(shù)更豐富，完成輻射源的個(gè)體識別。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中經(jīng)過大量實(shí)際采集的電臺個(gè)體識別試驗(yàn)的驗(yàn)證，利用細(xì)微特征+深度學(xué)習(xí)的輻射源個(gè)體識別可以有效地提高低信噪比條件下目標(biāo)個(gè)體識別的準(zhǔn)確度和有效性，顯著提升輻射源目標(biāo)個(gè)體識別性能。

基于上述的研究背景[9-11]和進(jìn)展，本文著重針對衛(wèi)星通信中特定網(wǎng)絡(luò)輻射源終端的個(gè)體識別問題，試圖找到屬于衛(wèi)星通信終端獨(dú)特的本征表示，這些本征特性不僅有來自于發(fā)射機(jī)內(nèi)部元器件或電磁耦合等產(chǎn)生的細(xì)微差異，也有來自于相同信號調(diào)制模式上的細(xì)微差異，更有來自于衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)分配給各個(gè)終端的個(gè)體特征，以及通過全偵全控的工作模式獲取的元數(shù)據(jù)實(shí)體分層級結(jié)果。因此，本文并非單純研究選擇和提取衛(wèi)星通信終端輻射源信號的穩(wěn)態(tài)特征，而是除了研究信號調(diào)制模式的細(xì)微特征本身外，還要研究通信組網(wǎng)中穩(wěn)定且有效的終端個(gè)體特征。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于細(xì)微特征測量和目標(biāo)個(gè)體本征元數(shù)據(jù)分析相結(jié)合的特征空間構(gòu)建方法，再利用機(jī)器學(xué)習(xí)的相關(guān)理論，挖掘相同廠家、相同體制下不同終端個(gè)體樣本之間多維特征維度的差異規(guī)律，繼而在全元全息特征空間中提取目標(biāo)信號的個(gè)體本征。

1 衛(wèi)星通信終端個(gè)體本征分析

1.1 衛(wèi)星通信終端輻射源信號的穩(wěn)態(tài)特征分析

衛(wèi)星通信偵察采集設(shè)備主要完成對衛(wèi)星上行或下行信號的采集、頻譜監(jiān)視、信號檢測、分析、解調(diào)以及特定目標(biāo)信號處理等功能，在信號感知和參數(shù)測量層面上獲取的特征數(shù)據(jù)主要包括信號的基本特征和細(xì)微特征。其中，信號的基本特征用于描述信號基本屬性，主要包括信號的時(shí)間域、頻率域、空間域和信息域特征參數(shù)，信號基本特征與目標(biāo)個(gè)體之間的相關(guān)性較弱，基于信號基本特征可用于完成信號的分類識別；信號的細(xì)微特征(即指紋特征)，則主要用于描述信號的通信電臺發(fā)射模塊在設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行過程中，由于不可控的或無意的誤差原因?qū)π盘柈a(chǎn)生的差異影響。信號細(xì)微特征與目標(biāo)個(gè)體之間具有很強(qiáng)的相關(guān)性，可用于輻射源目標(biāo)的個(gè)體特征分選與識別。

如表1所示，給出了可作為衛(wèi)通終端信號指紋的特征參數(shù)。本文的細(xì)微特征空間構(gòu)建正是需要提取和選擇出對輻射源個(gè)體識別貢獻(xiàn)最大的特征參數(shù)，主要包括載頻特征、調(diào)制指數(shù)、頻偏對稱度、雜散特征、系統(tǒng)非線性特征和高階譜特征。

表1 本文的信號穩(wěn)態(tài)細(xì)微特征信息

1.2 相同調(diào)制模式下的細(xì)微特征分析

發(fā)射相同調(diào)制信號、不同輻射源個(gè)體的細(xì)微特征主要是指附加于發(fā)送信號的代表輻射源個(gè)體通信設(shè)備“身份”的特征[2]。由于每個(gè)相同調(diào)制模式下的衛(wèi)星通信終端目標(biāo)相對多個(gè)不同地理位置的衛(wèi)星通信偵察采集設(shè)備，存在接收頻率或接收時(shí)間的細(xì)微差異，所以精準(zhǔn)的時(shí)差和頻差測量參數(shù)均可以作為細(xì)微特征空間的可提取參量。再者，對于VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)的特定控制時(shí)隙的信號長度和獨(dú)特字的不同，可以區(qū)分主站和小站的差別；即便對于特定控制時(shí)隙的信號長度和獨(dú)特字均相同的多個(gè)小站終端，也可以通過TDMA突發(fā)檢測參數(shù)加以個(gè)體區(qū)分，包括突發(fā)起始時(shí)間、突發(fā)信噪比、突發(fā)信息長度、突發(fā)剩余頻偏(相對于碼元速率的歸一化數(shù)值)以及突發(fā)中提取出的用戶IP地址等元數(shù)據(jù)特征。

1.3 通信組網(wǎng)中終端個(gè)體特征分析

衛(wèi)星通信網(wǎng)偵察獲取的通信信號特征若從信息獲取層級上區(qū)分，可分為兩大類 ：內(nèi)部特征(通常是通信信號所包含的信息內(nèi)容)和外部特征(除信息內(nèi)容以外通信信號所具有的所有特征)。顯然，內(nèi)部特征隨機(jī)變化大，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的通信聯(lián)絡(luò)特征例如通信的頻率、電臺呼號、通信術(shù)語、聯(lián)絡(luò)時(shí)間等參量的可變性也較大，并不是長期或固定時(shí)間段恒參或穩(wěn)定的參數(shù)，不適合作為個(gè)體識別的特征。

衛(wèi)星通信信號的固有特征一般是指信號的技術(shù)特征，從總體上變化較小，甚至有的技術(shù)參數(shù)會保持長期不變。因此，基于分析和統(tǒng)計(jì)的技術(shù)特征參數(shù)是可被選為衛(wèi)星終端的個(gè)體本征參量的。具體特征包括信號的個(gè)體特征和戰(zhàn)術(shù)特征。信號的個(gè)體特征是對信號分析成果的歸納利用，主要用于在信號外部特征相似度較高的條件下，通過對信號特定字段的內(nèi)容解譯和分析，所提取有別于同類型通信信號的特征參數(shù)，包括信號的PU碼、IMSI 號、網(wǎng)臺呼號，以及信號的前導(dǎo)碼、地址碼等。以TDMA-VSAT網(wǎng)體制衛(wèi)星通信系統(tǒng)為例，開展網(wǎng)控信令解析要素分析，提取出與主站個(gè)體特征相關(guān)的特征數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 TDMA-VSAT網(wǎng)的網(wǎng)控信令解析特征信息

此外，通過對不同體制、特定網(wǎng)絡(luò)的衛(wèi)星通信終端進(jìn)行長期監(jiān)測和偵收，采用規(guī)律、關(guān)聯(lián)分析或協(xié)議、指令分析等手段，也能獲取個(gè)體自我行為的分析與歸結(jié)。本文以目前先進(jìn)的ViperSat衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng)為例，開展針對描述ViaSat公司dSCPC-VAST信號個(gè)性特征的元數(shù)據(jù)實(shí)體集合的研究，如表3所示。由此可見，個(gè)體特征的定義正由測量信號多維特征參數(shù)空間集合到更精細(xì)、更廣泛、更深入的個(gè)體目標(biāo)特征全元、全息特征空間構(gòu)建進(jìn)行拓展。

表3 ViperSat SCPC-VAST信號個(gè)性特征信息

2 衛(wèi)星通信終端個(gè)體本征參數(shù)提取方法

2.1 穩(wěn)態(tài)特征提取方法

在理想狀態(tài)下，同型號的衛(wèi)星通信終端不同個(gè)體發(fā)出相同參數(shù)的信號應(yīng)該是完全相同的，但在實(shí)際信號感知和參數(shù)測量過程中獲取的信號特征參數(shù)，去除調(diào)制的基本特征參數(shù)的影響，可以得到穩(wěn)態(tài)的終端個(gè)體細(xì)微特征，反映不同輻射源個(gè)體的差異。提取步驟如下：

① 對偵收采集得到的終端個(gè)體信號估計(jì)信號中心頻率和帶寬，并依據(jù)估計(jì)出的中心頻率進(jìn)行數(shù)字下變頻，依據(jù)估計(jì)出的帶寬計(jì)算數(shù)字采樣率變化因子，進(jìn)行采樣率變換，得到調(diào)整采樣率后的零中頻信號；

② 對零中頻信號進(jìn)行用戶時(shí)隙信號提取，得到去除噪聲后的零中頻信號；

③ 依據(jù)時(shí)隙頭的獨(dú)特字(UW)產(chǎn)生本地的基帶調(diào)制信號，與時(shí)隙信號進(jìn)行相關(guān)處理，進(jìn)行時(shí)隙同步，得到零中頻時(shí)隙信號中獨(dú)特字開始位置。

④ 用冪次方方法進(jìn)行剩余頻偏估計(jì)，并依據(jù)估計(jì)得到的頻率對零中頻時(shí)隙信號中獨(dú)特字開始之后的時(shí)隙信號去除剩余頻率；

⑤ 用CZT方法進(jìn)一步進(jìn)行剩余頻偏估計(jì)，并依據(jù)估計(jì)得到的頻率對零中頻時(shí)隙信號中獨(dú)特字開始之后的時(shí)隙信號去除剩余頻率；

⑥ 進(jìn)行剩余相位偏移估計(jì)，并依據(jù)估計(jì)得到的相位對零中頻時(shí)隙信號中獨(dú)特字開始之后的時(shí)隙信號去除剩余相位；

⑦ 依據(jù)時(shí)隙頭的獨(dú)特字(UW)碼字，進(jìn)行相位模糊糾正，得到糾正個(gè)體調(diào)制信號層上剩余頻率、相位、相位模糊的零中頻時(shí)隙信號；

⑧ 對時(shí)隙信號進(jìn)行解調(diào)，得到解調(diào)碼流，依據(jù)解調(diào)碼流產(chǎn)生本地的基帶調(diào)制信號，與糾正個(gè)體調(diào)制信號層上剩余頻率、相位、相位模糊的零中頻時(shí)隙信號進(jìn)行減法處理，得到穩(wěn)態(tài)特征中終端個(gè)體的細(xì)微特征。

2.2 調(diào)制細(xì)微特征提取方法

由于不同終端個(gè)體的傳輸路徑時(shí)延和衛(wèi)星相對運(yùn)動，導(dǎo)致相同時(shí)隙位置的不同終端個(gè)體的到達(dá)時(shí)差和頻差存在差異。測量主鄰星信號之間同時(shí)存在到達(dá)時(shí)差和到達(dá)頻差，其中到達(dá)時(shí)差的取值范圍與衛(wèi)星波束覆蓋范圍、星間距等參數(shù)有關(guān)，典型取值范圍為±20 μs，到達(dá)頻差的取值范圍與衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器頻率偏差和衛(wèi)星相對運(yùn)動有關(guān)，變化范圍±200 Hz。從時(shí)頻差取值范圍來看，時(shí)差搜索范圍較大，頻差搜索范圍較小，這就要求在時(shí)頻差搜索策略選取上，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。用GPU實(shí)現(xiàn)時(shí)頻差參數(shù)提取方法為：

① 讀取并行多路采集主鄰星數(shù)據(jù)；

② 將主鄰星數(shù)據(jù)拷貝至顯存；

③ 將主鄰星數(shù)據(jù)用GPU做FFT，從時(shí)域至頻域變換；

④ 對鄰星數(shù)據(jù)進(jìn)行頻偏糾正處理；

⑤ 對主鄰星數(shù)據(jù)進(jìn)行信號相關(guān)處理；

⑥ 判斷相關(guān)峰是否滿足閾值條件，如果小于閾值，轉(zhuǎn)到④對鄰星數(shù)據(jù)進(jìn)一步進(jìn)行頻偏糾正處理；如果大于閾值，進(jìn)行時(shí)延調(diào)整計(jì)算CAF；

⑦ 通過峰值檢測輸出時(shí)差和頻差。

2.3 終端個(gè)體特征元數(shù)據(jù)提取方法

對終端個(gè)體特征元數(shù)據(jù)提取方法如下：

① 對收到的信號進(jìn)行信號參數(shù)估計(jì)和分析；

② 依據(jù)估計(jì)得到的信號參數(shù)進(jìn)行信號解調(diào)和信道譯碼；

③ 進(jìn)行私有協(xié)議特征匹配，如果匹配得到已有系統(tǒng)類型，按該系統(tǒng)類型參數(shù)(主要包括獨(dú)特字、特殊波形的參數(shù)以及譯碼方式等)重新進(jìn)行解調(diào)譯碼參數(shù)的引導(dǎo)，并進(jìn)行信號解調(diào)和信道譯碼；如果該系統(tǒng)包含可用做引導(dǎo)解調(diào)譯碼的網(wǎng)控信令，可按網(wǎng)絡(luò)信令重新引導(dǎo)該信號或網(wǎng)絡(luò)其他信號的解調(diào)；

④ 從解調(diào)譯碼后的碼流中進(jìn)行網(wǎng)控信息恢復(fù)、用戶數(shù)據(jù)拼接和信源恢復(fù)；

⑤ 從網(wǎng)控信息中進(jìn)行信令分析，得到回傳載波頻率、分組ID、時(shí)隙種類信息和IPv4業(yè)務(wù)信息；

⑥ 從用戶信息中提取得到IPv4業(yè)務(wù)信息。

3 衛(wèi)星通信終端輻射源個(gè)體識別試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)條件

針對實(shí)星開展偵收外場試驗(yàn)，在不同的地理位置布置3個(gè)衛(wèi)星通信偵察采集設(shè)備，設(shè)計(jì)為對衛(wèi)星通信終端全偵全控的工作模式，試驗(yàn)數(shù)據(jù)為一個(gè)重點(diǎn)活動海域內(nèi)10個(gè)以上的ViaSat公司衛(wèi)星通信終端(同廠家同型號)在相同的工作模式下實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)通聯(lián)。實(shí)際采集的零中頻I/Q正交信號，信號中心頻率為4.161 GHz，信號帶寬為30 MHz，通信終端的信道帶寬為25 kHz，采樣頻率為875 kHz，采樣時(shí)間為24 h，得到由128 000個(gè)樣本點(diǎn)構(gòu)成的樣本序列，每個(gè)終端采集4 000個(gè)樣本序列。在識別試驗(yàn)中，采用如圖1所示的工作流程完成對衛(wèi)星通信終端的個(gè)體智能識別。

圖1 衛(wèi)星通信終端個(gè)體識別的工作流程Fig.1 Workflow of individual identification of satellite communication terminals

3.2 個(gè)體本征空間構(gòu)建

本試驗(yàn)基于細(xì)微特征參數(shù)測量和通信終端元數(shù)據(jù)的協(xié)同偵察，獲取的大量特征參量和元數(shù)據(jù)均活躍在每一個(gè)目標(biāo)信號的感知細(xì)節(jié)中，為了應(yīng)對各類目標(biāo)輻射源信號的個(gè)體需求，設(shè)計(jì)了與之匹配的個(gè)體本征特征空間，這也是最終采用深度學(xué)習(xí)完成輻射源個(gè)體智能識別的前提條件。試驗(yàn)中構(gòu)建出的個(gè)體本征空間主要包括偏移載波頻率、調(diào)制轉(zhuǎn)移因子、成型系數(shù)、瞬時(shí)幅度的譜細(xì)微特征、時(shí)差和頻差特征、突發(fā)時(shí)隙特征(含突發(fā)時(shí)隙起始時(shí)間、突發(fā)時(shí)隙信噪比、突發(fā)時(shí)隙信息長度、突發(fā)時(shí)隙剩余頻偏)、用戶IP地址、網(wǎng)控信令解析要素等參量在內(nèi)的集合。如圖2所示，給出了個(gè)體本征空間中部分細(xì)微特征參數(shù)表征圖。

(a) 實(shí)偵信號瞬時(shí)特征分析

(b) 實(shí)偵信號星座

(c) 成型系數(shù)由0～100%變化下相位軌跡圖2 部分細(xì)微特征參數(shù)表征圖Fig.2 Part representation of fine features

3.3 終端用戶在不同細(xì)微特征下的識別差異

以偏移載波頻率、瞬時(shí)幅度的譜細(xì)微特征、時(shí)隙分布、時(shí)差等4類特征參數(shù)為例，分別比較分析通信終端用戶的部分個(gè)體特征測量差異程度。

(1) 偏移載波頻率參數(shù)

衛(wèi)通設(shè)備廠家協(xié)議規(guī)定終端可以捕獲的下行信號與中心頻率允許偏差在310 Hz內(nèi)，特殊字段每個(gè)時(shí)隙下行頻率精度在30 Hz內(nèi)。根據(jù)對時(shí)隙的中心頻率測量，對于150 ms左右的時(shí)隙，頻率分辨率為6.7 Hz。如圖3所示，能夠測量到3個(gè)用戶頻率在[33，43，60] Hz，但是對于更多的40 ms左右的時(shí)隙，測量頻率分辨率為26.315 8 Hz，不足以測量到所有不同用戶之間的頻率差別。

圖3 不同個(gè)體的偏移載波頻率參數(shù)特征Fig.3 Offset carrier frequency characteristics of different individuals

(2) 瞬時(shí)幅度的譜細(xì)微特征

衛(wèi)通設(shè)備廠家協(xié)議規(guī)定終端調(diào)制速率精度最大允許誤差是10-6Rs，對于不同終端的細(xì)微偏差應(yīng)該在該范圍內(nèi)。不同終端的符號速率的細(xì)微差別通過測量瞬時(shí)幅度的譜的倍頻，如圖4所示，能夠測量到3個(gè)用戶的符號速率的差別。

圖4 不同個(gè)體的瞬時(shí)幅度譜細(xì)微特征Fig.4 Subtle characteristics of instantaneous amplitude spectrum of different individuals

(3) 時(shí)隙分布特征

通過對偵收到的信號進(jìn)行時(shí)隙分布和二維統(tǒng)計(jì)，得到在TDMA幀不同時(shí)隙位置的時(shí)隙分布，如圖5所示，可以測量出4個(gè)用戶的不同時(shí)隙。

圖5 不同個(gè)體的時(shí)隙分布特征Fig.5 Slot distribution characteristics of different individuals

(4) 到達(dá)時(shí)差參數(shù)

通過對偵收到的衛(wèi)星終端信號進(jìn)行到達(dá)時(shí)差進(jìn)行24 h測量，得到在不同終端的時(shí)差曲線，如圖6所示，可以測量出13個(gè)用戶的不同時(shí)差線。

圖6 不同個(gè)體的到達(dá)時(shí)差參數(shù)特征Fig.6 TOA characteristics of different individuals

3.4 實(shí)際的識別性能

為了驗(yàn)證訓(xùn)練樣本個(gè)數(shù)對識別結(jié)果的影響，2020年4月～9月將每部終端60 000個(gè)樣本序列按比例隨機(jī)劃分為訓(xùn)練樣本和測試樣本，構(gòu)成訓(xùn)練樣本集和測試樣本集。利用深度學(xué)習(xí)殘差網(wǎng)絡(luò)ResNet分別對構(gòu)造的訓(xùn)練樣本集和測試樣本集進(jìn)行特征提取，從而得到各自的潛在細(xì)微特征集。13部運(yùn)動通信終端在不同的訓(xùn)練樣本個(gè)數(shù)條件下的試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，所有參與試驗(yàn)的個(gè)體識別正確率均超過80%。

表4 13部衛(wèi)星通信終端的平均識別率

4 結(jié)論

本文在已有對特定體制衛(wèi)星通信網(wǎng)信號進(jìn)行偵察分析和特征參數(shù)測量的基礎(chǔ)上，提出了一種基于細(xì)微特征測量和目標(biāo)個(gè)體本征元數(shù)據(jù)分析相結(jié)合的特征空間構(gòu)建方法，既考慮了針對時(shí)域波形信號的高階特征、高階譜、分形維數(shù)及時(shí)頻分析等手段提取輻射源個(gè)體的穩(wěn)態(tài)特征，又結(jié)合了衛(wèi)星VSAT通信網(wǎng)信號網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)信息、網(wǎng)控信息解析結(jié)果等與終端個(gè)體緊密相關(guān)的載波網(wǎng)絡(luò)偵察元數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)方法。該方法已經(jīng)應(yīng)用到系統(tǒng)裝備中,實(shí)際探索和檢驗(yàn)了相同型號、相同體制通信網(wǎng)絡(luò)、相同工作模式下外軍衛(wèi)星終端個(gè)體識別,試驗(yàn)結(jié)果證明該方法具有識別概率高、算法穩(wěn)健性好的特點(diǎn)。