熊 顥，雷迎科，吳子龍

(國(guó)防科技大學(xué)電子對(duì)抗學(xué)院，合肥 230037)

0 引言

GMR-1協(xié)議是由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)制定的地球同步衛(wèi)星移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)。GMR-1衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)采用時(shí)分多址體制(time division multiple access,TDMA)。協(xié)議物理層規(guī)定了多種基于TDMA突發(fā)信號(hào)的具有不同功能的邏輯信道，不同信道在載頻中所占據(jù)的時(shí)隙位置與數(shù)據(jù)格式不盡相同，為實(shí)施靈巧式干擾提供了理論依據(jù)。

對(duì)GMR-1協(xié)議邏輯信道實(shí)施干擾的前提是實(shí)現(xiàn)針對(duì)TDMA信號(hào)的突發(fā)檢測(cè)。文獻(xiàn)[1]提出一種基于短時(shí)能量的突發(fā)信號(hào)檢測(cè)算法。文獻(xiàn)[2]提出了基于數(shù)據(jù)包檢測(cè)、單脈沖匹配濾波和報(bào)頭多脈沖檢測(cè)等3次相關(guān)檢測(cè)的增強(qiáng)識(shí)別方法。以上時(shí)域檢測(cè)算法最突出的問(wèn)題是對(duì)噪聲比較敏感，不適用于信噪比低的環(huán)境。文獻(xiàn)[3]提出基于幅度譜的檢測(cè)算法，與能量檢測(cè)僅區(qū)別于判決量。文獻(xiàn)[4]通過(guò)檢測(cè)循環(huán)自相關(guān)函數(shù)或譜密度函數(shù)來(lái)確定信號(hào)的有無(wú)。以上頻域檢測(cè)算法計(jì)算復(fù)雜度較高，檢測(cè)速度相對(duì)較慢，只適合突發(fā)間隔大、信噪比低的信號(hào)。文獻(xiàn)[5]提出了基于最小描述長(zhǎng)度的獨(dú)特字檢測(cè)方法。文獻(xiàn)[6]針對(duì)均勻分布式獨(dú)特字結(jié)構(gòu)提出了采用延時(shí)共軛相乘的算法，有效提高了檢測(cè)性能和估計(jì)精度。獨(dú)特字檢測(cè)算法檢測(cè)精度較高，但不適用于GMR-1協(xié)議邏輯信道非均勻插入式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[7]。

針對(duì)現(xiàn)有方法僅局限于突發(fā)信號(hào)檢測(cè)識(shí)別的研究且暫無(wú)面向GMR-1協(xié)議實(shí)施干擾的具體方法問(wèn)題，提出了基于邏輯信道獨(dú)特字檢測(cè)的靈巧式干擾方法。首先，針對(duì)信道特點(diǎn)進(jìn)行可行性分析，干擾獨(dú)特字序列可以有效影響特定信道數(shù)據(jù)字段位置的精確識(shí)別；其次，提出用相關(guān)匹配的方法對(duì)特定信道獨(dú)特字的具體位置進(jìn)行快速識(shí)別，提出精確瞄準(zhǔn)和相似序列空時(shí)隙注入的干擾策略；最后，實(shí)驗(yàn)分析不同干信比條件對(duì)識(shí)別效果的影響，并與傳統(tǒng)壓制式方法對(duì)比干擾效果。

1 可行性分析與總體方案設(shè)計(jì)

GMR-1系統(tǒng)將每一個(gè)幀分割成若干個(gè)時(shí)隙向基站發(fā)送信號(hào)[8]，一個(gè)時(shí)隙由78 bit構(gòu)成，24個(gè)時(shí)隙構(gòu)成一個(gè)TDMA幀單位，具有利用突發(fā)脈沖信號(hào)傳輸，每載頻多路信道特點(diǎn)[9]。

GMR-1系統(tǒng)邏輯信道主要分為用于傳輸控制面信息的控制信道和用于數(shù)據(jù)面業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)信道。FCCH(frequency correction channel)頻率校正信道和BCCH(broadcast control channel)廣播控制信道都是固定預(yù)留時(shí)隙邏輯信道，其相對(duì)位置不會(huì)出現(xiàn)改變。

廣播控制信道是衛(wèi)星到移動(dòng)臺(tái)、點(diǎn)到多點(diǎn)的下行單向控制信道，用于向移動(dòng)端廣播多種系統(tǒng)消息、相鄰波束信道數(shù)目、起始時(shí)隙和系統(tǒng)信息的循環(huán)偏移、小區(qū)的特性數(shù)據(jù)等。BCCH采用π/4-CQPSK調(diào)制，突發(fā)占用6個(gè)時(shí)隙，結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 廣播控制信道數(shù)據(jù)格式

靈巧式干擾是通過(guò)干擾通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分使整個(gè)通信鏈路癱瘓，達(dá)到事半功倍的效果[10]。不同信道的獨(dú)特字可以被用來(lái)區(qū)分包含信令或用戶(hù)數(shù)據(jù)的不同突發(fā)結(jié)構(gòu)，具有良好的自相關(guān)和互相關(guān)特性，是用戶(hù)或時(shí)隙的重要特征標(biāo)識(shí)。由表1可以看出，BCCH的突發(fā)結(jié)構(gòu)中插入了獨(dú)特字序列(unique word, UW)并且插入位置、序列長(zhǎng)度都不相同[11]。下行信道BCCH承載數(shù)據(jù)信息量較高，十分適合作為靈巧式干擾的攻擊對(duì)象[12]，將直接導(dǎo)致BCCH信道數(shù)據(jù)字段的接收識(shí)別失敗，增大接收機(jī)同步延時(shí)，提高掉話(huà)率導(dǎo)致移動(dòng)端宕機(jī)。

2 基于邏輯信道獨(dú)特字檢測(cè)的靈巧式干擾技術(shù)

設(shè)計(jì)基于邏輯信道獨(dú)特字檢測(cè)的靈巧式干擾技術(shù)，流程如圖1所示。

圖1 干擾策略

2.1 獨(dú)特字序列檢測(cè)方法

在接收端采用相關(guān)匹配方法，利用獨(dú)特字序列自相關(guān)性強(qiáng)和互相關(guān)性差的特點(diǎn)，構(gòu)造本地訓(xùn)練序列，進(jìn)行獨(dú)特字序列的位置精確檢測(cè)。接收端信號(hào)下變頻后，送入與本地訓(xùn)練序列對(duì)應(yīng)的匹配濾波器做滑動(dòng)相關(guān)，當(dāng)本地訓(xùn)練序列與接收序列獨(dú)特字段剛好對(duì)齊時(shí)，匹配濾波器會(huì)輸出最大相關(guān)值，通過(guò)對(duì)匹配濾波器輸出信號(hào)幅度進(jìn)行門(mén)限檢測(cè)可以精確判斷獨(dú)特字序列的起始點(diǎn)。

令接收序列表示為r=[r0,r1,…,rX]，本地獨(dú)特字訓(xùn)練序列表示為q=[q0,q1,…,qK]，保護(hù)長(zhǎng)度為M。濾波器輸出后求每一個(gè)輸出相關(guān)值與之后連續(xù)M個(gè)輸出值的平均值之比。

(1)

設(shè)置檢測(cè)門(mén)限Th，若當(dāng)前時(shí)刻匹配濾波器輸出幅值等于之后M個(gè)輸出平均值的Th倍時(shí)，確定找到序列位置；若不滿(mǎn)足，則本地訓(xùn)練序列進(jìn)行滑動(dòng)，求下一個(gè)相關(guān)值比值，直到滿(mǎn)足門(mén)限條件。

2.2 靈巧式干擾策略

選擇對(duì)小區(qū)廣播控制信道BCCH的獨(dú)特字序列進(jìn)行靈巧式干擾，在已完成信道獨(dú)特字序列位置識(shí)別的基礎(chǔ)上，針對(duì)目標(biāo)信號(hào)獨(dú)特字序列，干擾信號(hào)的設(shè)計(jì)采用精確瞄準(zhǔn)和相似序列空時(shí)隙注入式干擾兩種方法對(duì)檢測(cè)算法進(jìn)行干擾。

2.2.1 精確瞄準(zhǔn)干擾

在獨(dú)特字序列檢測(cè)完成的基礎(chǔ)上，將干擾信號(hào)的功率集中目標(biāo)信號(hào)的獨(dú)特字位置，使接收端無(wú)法通過(guò)正確檢測(cè)獨(dú)特字位置，而導(dǎo)致數(shù)據(jù)信息接受失敗引起系統(tǒng)宕機(jī)，如圖2所示。

圖2 精確瞄準(zhǔn)干擾方法

干擾信號(hào)的設(shè)計(jì)方法為：一是集中噪聲干擾，通過(guò)產(chǎn)生高斯噪聲并將其集中在目標(biāo)信號(hào)獨(dú)特字序列部分，使目標(biāo)獨(dú)特碼檢測(cè)失敗。這種干擾方式相對(duì)于全頻段持續(xù)噪聲干擾，干擾功率更加集中，用較小的代價(jià)起到破壞實(shí)時(shí)通信的效果；二是偽隨機(jī)序列干擾，產(chǎn)生一段長(zhǎng)度大于目標(biāo)獨(dú)特碼序列的偽隨機(jī)序列，采用與目標(biāo)信號(hào)類(lèi)似甚至相同的生成方式產(chǎn)生干擾信號(hào)，通過(guò)精確引導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)獨(dú)特碼序列位置。相較于高斯噪聲干擾信號(hào)，偽序列干擾信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)特征差異更小，隱蔽性更高，干擾效率也更高[13]。

設(shè)目標(biāo)接收機(jī)接收到信號(hào)：

r(t)=y(t)+n(t)+Q(t)

(2)

式中：y(t)為目標(biāo)信號(hào);n(t)為傳輸過(guò)程中的噪聲信號(hào);Q(t)為靈巧式干擾信號(hào)。令r(n)為接收到的比特流數(shù)據(jù);本地訓(xùn)練序列表示為q=[q0,q1,…,qK];令同步序列長(zhǎng)為K，做滑動(dòng)相關(guān)運(yùn)算，可得：

(3)

2.2.2 相似序列空時(shí)隙注入干擾

由表1可以看出BCCH在FCCH后兩幀出現(xiàn)，間隔的兩幀屬于非預(yù)留時(shí)隙[14]。可用于相似序列注入。明確GMR-1協(xié)議中的BCCH信道獨(dú)特字信息，在此基礎(chǔ)上構(gòu)造相似序列，并注入到目標(biāo)信號(hào)空時(shí)隙中，使接收機(jī)產(chǎn)生大量偽相關(guān)峰，使敵方無(wú)法正確接收BCCH信息序列，如圖3所示。

圖3 相似序列空時(shí)隙注入干擾方法

相似序列空時(shí)隙注入的干擾效果受到保護(hù)長(zhǎng)度M大小的影響，下面針對(duì)相似序列注入位置距離目標(biāo)信號(hào)獨(dú)特字序列之間的距離不同進(jìn)行分析。

設(shè)相似序列與目標(biāo)獨(dú)特字序列之間的碼元差為d，當(dāng)d

(4)

式中第二項(xiàng)為本地訓(xùn)練序列與加性高斯噪聲的乘積和，通常令其為0；第三項(xiàng)為本地訓(xùn)練序列與相似序列的乘積，但是由于相似序列插入在目標(biāo)信號(hào)獨(dú)特字序列之后M個(gè)碼元之內(nèi)，當(dāng)M足夠大時(shí)獨(dú)特字序列相關(guān)旁瓣很小，此項(xiàng)輸出相關(guān)值可以忽略不計(jì)，因此當(dāng)d

3 實(shí)驗(yàn)仿真與結(jié)果分析

為驗(yàn)證方法的可行性與有效性，實(shí)驗(yàn)選擇廣播控制信道BCCH的數(shù)據(jù)序列為目標(biāo)進(jìn)行獨(dú)特字序列的捕獲識(shí)別，固定信噪比條件下的識(shí)別率由1 000次蒙特卡洛實(shí)驗(yàn)得到。建立突發(fā)信號(hào)傳輸與檢測(cè)模型，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展靈巧式干擾與傳統(tǒng)方法對(duì)獨(dú)特字序列干擾效果的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

3.1 廣播控制信道突發(fā)信號(hào)仿真

GMR-1廣播控制信道采用π/4-CQPSK調(diào)制方式，根據(jù)協(xié)議設(shè)定如下：

信號(hào)形式[15]：

(5)

式中:T為符號(hào)周期；p(t)為協(xié)議規(guī)定的功率斜升函數(shù)；h(t)為滾降系數(shù)等于0.35的根升余弦濾波器的沖擊響應(yīng)；N為信號(hào)時(shí)隙持續(xù)數(shù)，取值為2, 3, 4, 6和9，而ak滿(mǎn)足為：

仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下：設(shè)定數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為2個(gè)PC6d幀，共3 744 bit，采用π/4-CQPSK調(diào)制與差分解調(diào)方式，通信方連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，在-2～12 dB的信噪比范圍內(nèi)，分析信道噪聲對(duì)誤碼率的影響。

圖4為1 000次蒙特卡洛實(shí)驗(yàn)下，信噪比-2～12 dB對(duì)誤碼率的影響。由式(7)可知，π/4-CQPSK調(diào)制載波相位由當(dāng)前碼元對(duì)應(yīng)相位和π/4整數(shù)倍之和，不存在180°跳變，包絡(luò)起伏小，調(diào)制信號(hào)峰均比小。

圖4 1 000次誤碼率蒙特卡洛仿真

3.2 相關(guān)匹配檢測(cè)

相同實(shí)驗(yàn)條件下，利用針對(duì)BCCH第一段獨(dú)特字和第二段獨(dú)特字進(jìn)行檢測(cè)，分析獨(dú)特字段長(zhǎng)度對(duì)檢測(cè)結(jié)果虛警位置的影響。設(shè)定信噪比12 dB，相關(guān)值門(mén)限為0.8。

根據(jù)表1可知，BCCH包括3段獨(dú)特字序列，UW1占據(jù)11個(gè)符號(hào)位共22 bit，UW2和UW3結(jié)構(gòu)相同占據(jù)3個(gè)符號(hào)位共6 bit。分別進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別，其輸出相關(guān)值如圖5所示，能夠精確定位UW1在幀結(jié)構(gòu)中的起始位置，且獨(dú)特字序列占據(jù)符號(hào)位越短，檢測(cè)算法產(chǎn)生的虛警位置越多，識(shí)別難度越大。

圖5 獨(dú)特字序列檢測(cè)匹配濾波輸出值

3.3 精確瞄準(zhǔn)靈巧式干擾

設(shè)置目標(biāo)信號(hào)發(fā)射功率100 W，干信比范圍為-10～10 dB，選擇相對(duì)識(shí)別率較高的UW1序列進(jìn)行干擾，進(jìn)行全頻段噪聲、集中噪聲、偽隨機(jī)序列干擾方式對(duì)獨(dú)特字序列識(shí)別率影響的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。為了防止精確瞄準(zhǔn)干擾的失同步，偽隨機(jī)序列的長(zhǎng)度設(shè)置為目標(biāo)獨(dú)特字序列的兩倍即占據(jù)22個(gè)符號(hào)共44 bit的差分編碼序列。

針對(duì)信道獨(dú)特碼字的精確瞄準(zhǔn)干擾主要在于干擾數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)中的特定結(jié)構(gòu)，集中功率，達(dá)到以更小的能量消耗破壞通信鏈路的目的。由圖6可以看出，集中噪聲和偽隨機(jī)序列靈巧式干擾對(duì)于獨(dú)特字序列的檢測(cè)效果都明顯優(yōu)于全頻段噪聲壓制式干擾。偽序列干擾信號(hào)相較于高斯噪聲干擾信號(hào)，與目標(biāo)信號(hào)特征差異小，干擾效果更好。

圖6 精確瞄準(zhǔn)與全頻段噪聲壓制干擾效果對(duì)比圖

3.4 相似序列空時(shí)隙注入

相同實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)置下，根據(jù)協(xié)議構(gòu)造占據(jù)11個(gè)符號(hào)位的UW1相似序列，選擇插入到BCCH的相鄰空時(shí)隙中，與全頻段噪聲干擾進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。需要說(shuō)明的是，實(shí)驗(yàn)中相似序列的插入位置與目標(biāo)信號(hào)獨(dú)特字序列位置的距離大于保護(hù)序列長(zhǎng)度M，若距離小于M，由公式(2)可知，在特定功率下無(wú)法產(chǎn)生具有干擾效果的偽相關(guān)峰。

由圖7可以看出，相似序列空時(shí)隙插入的干擾效果明顯優(yōu)于全頻段噪聲干擾。這是因?yàn)樵诳諘r(shí)隙插入相似序列導(dǎo)致檢測(cè)出現(xiàn)了偽相關(guān)峰的存在，虛警位置對(duì)獨(dú)特碼的捕獲造成了直接影響，破壞了移動(dòng)端對(duì)于廣播控制信道信令的接收，導(dǎo)致通信鏈路時(shí)鐘失同步與關(guān)鍵信息接受失敗，從而達(dá)到靈巧式干擾的目的。

圖7 相似序列空時(shí)隙插入與全頻段噪聲干擾效果對(duì)比圖

4 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有研究傳統(tǒng)干擾方法效率低的問(wèn)題，提出了基于GMR-1協(xié)議邏輯信道獨(dú)特字序列檢測(cè)的靈巧式干擾技術(shù)?；趨f(xié)議研究了數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)并進(jìn)行干擾的可行性分析，干擾獨(dú)特字序列可以影響特定信道數(shù)據(jù)字段位置的精確識(shí)別。設(shè)計(jì)了針對(duì)獨(dú)特字序列的檢測(cè)與干擾策略，采用相關(guān)匹配對(duì)獨(dú)特字序列進(jìn)行位置識(shí)別，提出精確瞄準(zhǔn)和相似序列空時(shí)隙插入干擾的干擾策略，在廣播控制性信道突發(fā)傳輸模型上驗(yàn)證了靈巧式干擾方法的干擾效果，并與傳統(tǒng)壓制式干擾方法進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)證明，所提方法可以準(zhǔn)確識(shí)別邏輯信道中獨(dú)特字序列的位置，并實(shí)現(xiàn)了集中干擾功率實(shí)施干擾，最終達(dá)到破壞通信鏈路的效果。