程若峻，戴旭初，李 輝

基于乘性加擾的衛(wèi)星信號遮蔽傳輸方案*

程若峻，戴旭初，李 輝

（中國科學技術大學 合肥 230026）

針對衛(wèi)星發(fā)送功率受限的情況，提出了一種衛(wèi)星信號遮蔽傳輸?shù)男路桨?。在衛(wèi)星上，通過將待傳輸?shù)臉I(yè)務信號與特別設計的非恒包絡遮蔽信號相乘，隱藏了原業(yè)務信號的時頻域特征。在授權地面站，利用遮蔽信號副本進行互相關時延估計并解遮蔽，從而恢復原業(yè)務信號。該方案具有不增加衛(wèi)星的傳輸功耗、星上遮蔽運算復雜度低、傳輸安全性強等特點。此外，通過處理損耗、互信息等定量評價指標，分析了遮蔽方案的遮蔽性能。仿真實驗表明，該遮蔽方案可以實現(xiàn)良好的時頻域遮蔽效果。遮蔽后信號與原業(yè)務信號間的互信息結果表明：遮蔽后信號與原業(yè)務信號間相關性很弱，已基本掩蓋原業(yè)務信號通信特征。在遮蔽信號與原業(yè)務信號帶寬之比不小于0.3、信噪比不小于–4 dB的條件下，授權地面站解遮蔽的處理損耗可以控制在1 dB以內(nèi)，具有良好的實用價值。

衛(wèi)星通信傳輸；乘性遮蔽通信；時延估計

引 言

衛(wèi)星通信一般指利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)無線電波，以實現(xiàn)兩個或多個地球站之間的通信[1]。衛(wèi)星通信具有長距離無線傳輸和大規(guī)模業(yè)務覆蓋的特點，信號容易被竊聽方截獲和干擾。在某些特定服務中，為了通信安全，有必要在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)信號前，對待傳輸信號進行相應的遮蔽處理[2]。

1986年，LEE等人正式提出了遮蔽通信系統(tǒng)CCS（Covert Communication System）的概念[3]，指出遮蔽通信是防止未經(jīng)授權的竊聽者在通信傳輸中獲得有用信息流的技術。遮蔽通信也被叫作隱蔽通信、波形搭載通信、重疊通信等。與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)加密通信相比，遮蔽通信更注重隱藏受保護信號的通信特征[4]，以實現(xiàn)低截獲概率和低檢測概率。衛(wèi)星通信除了考慮傳輸?shù)陌踩酝?，還需要合理分配和利用頻帶、發(fā)射功率等資源[5]。大多數(shù)衛(wèi)星系統(tǒng)主要由太陽能供電，導致星上的發(fā)射功率受限。另一方面，衛(wèi)星上的硬件資源相對固定，且調(diào)整和更換的成本太大，這限制了星上通信系統(tǒng)的計算能力。目前遮蔽通信方法主要包括四類。

①擴頻技術。擴頻技術通過擴展頻譜來達到隱藏原信號的效果[6,7]。業(yè)界往往采用擴頻與其他方法聯(lián)合設計的方式實現(xiàn)遮蔽通信[8]。然而，擴頻并不適用于模擬系統(tǒng)，針對擴頻的截獲技術也相對成熟，且擴頻后系統(tǒng)占用了大量的頻帶資源。

②信道輔助增強技術，包括波束成形[9]、中繼偽裝技術等。迫零波束成形技術通過讓發(fā)射信號位于非授權方的零空間來防止非授權方偵測到傳輸信號。中繼偽裝則針對可能存在的非授權竊聽方，人為預設假目標與假基站等，干擾非授權地面站。波束成形需要對信道狀態(tài)信息有一定的了解，而中繼偽裝則增加了系統(tǒng)架構的復雜性和額外的設計成本。

③加性干擾方法。添加一個加性干擾信號遮蔽原始信號，如成對載波多址PCMA（Paired Carrier Multiple Access）[10]、人工噪聲技術[11]等。在對稱PCMA中，星上發(fā)送功率加倍；人工噪聲添加的大噪聲分量也增加了星上的發(fā)送功率。

④變換域通信系統(tǒng)技術。變換域技術將信號映射到頻域、空域、能量域和其他變換域處理，以實現(xiàn)對信號的遮蔽[12–14]。但變換域通信處理的復雜度高，且需要合理設計和調(diào)整基函數(shù)。

考慮到衛(wèi)星通信的隱蔽性、星上發(fā)射功率及計算資源受限等因素，設計一種不增加額外功耗、具有低復雜度和良好遮蔽性能的衛(wèi)星信號遮蔽傳輸方案顯得尤為重要。本文提出了一種基于乘性加擾的衛(wèi)星信號遮蔽傳輸?shù)男路桨?，并給出了相應的評估指標和仿真實驗結果。

1 衛(wèi)星通信信號的乘性遮蔽與解遮蔽方案

為了不增加衛(wèi)星的發(fā)送功率，可以采用乘性遮蔽方案。圖1展示了乘性加擾的衛(wèi)星信號遮蔽傳輸模型。在衛(wèi)星上將業(yè)務信號與遮蔽信號相乘后轉(zhuǎn)發(fā)，改變了業(yè)務信號的時頻域分布；在授權地面站，利用預置的遮蔽信號副本估計傳輸時延并解遮蔽，最終恢復得到業(yè)務信號。衛(wèi)星通信信號的遮蔽傳輸應確保授權地面站由接收到的信號成功恢復出業(yè)務信號，同時非授權地面站無法由接收到的信號獲取業(yè)務信號的有效通信信息。這一安全傳輸實現(xiàn)的保證是授權地面站已知遮蔽方案和遮蔽信號的副本，而非授權地面站沒有遮蔽處理的任何先驗信息。

圖1 乘性加擾的衛(wèi)星信號遮蔽傳輸模型

1.1 星上遮蔽處理方案

遮蔽信號的設計應保證實現(xiàn)良好的遮蔽效果（具有隨機性），不增加星上的發(fā)送功率（具有單位功率），同時盡可能降低解遮蔽過程中的信號損失（幅值波動較?。?。滿足如上要求的遮蔽信號的一種可行設計如下

對式（4）進行功率歸一化后即得到最終的遮蔽信號

1.2 地面站解遮蔽處理方案

在授權地面站，首先通過正交下變頻和濾波將信號轉(zhuǎn)換到基帶進行處理，即

式中，為一常數(shù)。地面站的時延估計可由互相關峰值位置求得

2 評價指標

為了評價方案的可行性和遮蔽效果，需要給出評價處理損耗和遮蔽效果的指標。

2.1 遮蔽效果

2.2 處理損耗

式中，為采樣點數(shù)。進一步地，處理損耗可表示為

3 實驗

3.1 實驗參數(shù)設置

圖2 遮蔽前后信號最佳采樣點星座圖

3.2 遮蔽效果

圖3 遮蔽性能評價指標IH

3.3 時延估計誤差

表1 不同和帶寬比下時延估計誤差

表2 不同和帶寬比下的方差

3.4 處理損耗

影響處理損耗的主要因素是遮蔽信號振幅波動大小、噪聲水平和遮蔽信號帶寬。

3.4.1 遮蔽信號幅值波動對處理損耗的影響

圖4 不同遮蔽信號幅值波動下的處理損耗

表3 不同和帶寬比下處理損耗

3.4.2 遮蔽信號帶寬和噪聲水平對處理損耗的影響

根據(jù)上述實驗結果，在實際應用過程中，頻帶資源充分的條件下，寬帶遮蔽信號優(yōu)于窄帶遮蔽信號?？紤]到遮蔽效果和互相關時延估計的準確度，帶寬比不宜小于0.3。遮蔽信號的包絡波動控制在0.8至1.2之間，可以滿足大多數(shù)應用要求。

4 結束語

本文提出了一種適用于星上發(fā)送功率受限的衛(wèi)星通信系統(tǒng)的遮蔽和解遮蔽方案。在衛(wèi)星上，將原業(yè)務信號與具有隨機均勻相位分布的遮蔽信號相乘，降低了業(yè)務信號被非授權方檢測的可能性。在地面站，利用遮蔽信號副本估計時延，并解遮蔽得到原業(yè)務信號。仿真結果表明，當遮蔽信號帶寬與業(yè)務信號帶寬之比大于0.3，且遮蔽信號幅值波動在[0.8, 1.2]范圍內(nèi)時，處理損耗可控制在1 dB以下。

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Covert satellite signal transmission scheme based on multiplicative interference

CHENG Ruojun, DAI Xuchu, LI Hui

（University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China）

In view of the limited transmission power of satellite, a new scheme of covert satellite signal transmission is proposed. On the satellite, the time-frequency domain characteristics of the original service signal are hidden by multiplying the service signal to be transmitted with the specially designed non-constant envelope masking signal. At the authorized ground station, the masking signal replica is used for cross-correlation time delay estimation and de-masking, so as to restore the original service signal. This scheme has the advantages of no increase in transmission power consumption, low complexity of on-board masking operation and strong transmission security. In addition, the covert performance of the scheme is analyzed through quantitative evaluation indexes such as processing loss and mutual information. Simulation results show that the masking scheme can achieve good masking effect in time-frequency domain. The mutual information between the masked signal and the original service signal shows that the correlation between the masked signal and the original service signal is very weak, and the communication characteristic of the original service signal has been basically covered. Under the condition that the ratio of the masking signal to the original service signal bandwidth is not less than 0.3, and the signal-to-noise ratio is not less than –4 dB, the processing loss of authorized ground station de-masking processing can be controlled within 1 dB, which has good practical value.

Satellite communication transmission; Multiplicative covert communication; Time delay estimation

Website: ycyk.brit.com.cn Email: ycyk704@163.com

TN927+.2

A

CN11-1780(2022)06-0039-08

10.12347/j.ycyk.20220303001

程若峻, 戴旭初, 李輝.基于乘性加擾的衛(wèi)星信號遮蔽傳輸方案[J]. 遙測遙控, 2022, 43(6): 39–46.

10.12347/j.ycyk.20220303001

: CHENG Ruojun, DAI Xuchu, LI Hui. Covert satellite signal transmission scheme based on multiplicative interference[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(6): 39–46.

國家自然科學基金（62171425）

李輝（mythlee@ustc.edu.cn）

2022-03-03

2022-04-28

程若峻 1997年生，碩士研究生，主要研究方向為通信信號處理。

戴旭初 1963年生，教授，博士生導師，主要研究方向為寬帶無線通信系統(tǒng)關鍵技術和盲自適應信號處理。

李 輝 1969年生，博士，副教授，主要研究方向為通信信號處理、無線網(wǎng)絡和分子通信理論。

(本文編輯：傅 杰)