一種基于SIMULINK的新穎衛星抗截獲系統仿真

孫志遠 潘申富 張 靜 郝 放

（中國電子科技集團公司第五十四研究所河北石家莊050081）

1 引言

在通信系統的設計中，采用軟件仿真技術已成為通信系統設計過程中所采用的最主要的技術手段。Math Works公司的圖形仿真工具-SIMULINK，是一種用來對系統進行可視化建模、動態仿真與分析的集成環境，為用戶提供了用框圖進行建模仿真的圖形接口，可以方便快捷的進行系統建模。

本文通過SIMULINK仿真了一種有別于傳統衛星通信中抗截獲通信的系統架構。該抗截獲通信系統核心是融入了頻譜感知和頻譜分割技術。利用頻譜認知技術對頻譜環境進行實時地感知，獲取頻譜數據分布情況，并對頻譜空洞的分布、干擾、抗截獲性能進行評估，然后指導寬帶信號頻譜自適應分割成為不同寬度與數量的子譜，隱蔽在正常通信頻譜之中進行通信，最后在接收端對子譜進行合并，實現信號的恢復，達到了抗截獲通信的目的。在SIMULINK環境下給出了簡化的基帶系統仿真模型，并對系統參數進行修改，高效地對系統性能進行全面分析。

2 系統模型

提出的智能化衛星抗截獲通信體系架構[1]由頻譜感知部分和頻譜分割聚合部分構成，如圖1所示。

圖1 系統架構

頻譜感知部分對環境進行感知，實現對信道以及星上轉發器頻譜資源利用情況的掌控。可以對正常業務與干擾信號進行分析，得出頻譜空洞的分布情況以及可用性的評估預測。進而，對各類參數進行綜合，從歷史信息、信道可用度和抗截獲度分析頻譜空洞特性,利用決策算法，指導頻譜分割聚合設備參數重構。

頻譜分割聚合[2,3]部分將根據從頻譜認知決策設備得到的參數，對分割合并濾波器參數和頻譜搬移參數進行配置，實現子譜的精確分割、搬移和聚合，達到抗截獲通信的目的。如在圖1種，在發送端，首先將調制信號經FFT變換到頻域上，然后根據頻譜感知設備提供的參數將信號頻譜分割成3個與頻譜空洞相適應的子譜，再將這3個子譜分配到ABCD4個用戶之間的頻譜空隙中，隱蔽在其他用戶的信號頻譜中進行傳輸。在接收端，頻譜分割聚合設備將接收到的3個子譜搬移合并到一起，再將信號經IFFT變換再生出調制信號。

3 關鍵模塊分析

設計的抗截獲通信模型的建立是通過頻譜感知模塊和頻譜分割聚合模塊構成的，其分別使用的頻譜感知技術和頻譜分割聚合技術形成對系統的整體支撐。

3.1 頻譜感知模塊

頻譜感知模塊利用頻譜感知技術[4]使認知設備從周圍的無線環境中感知頻譜資源的相關信息，發現特定時域、頻域和空間域中未使用的頻譜資源，選擇最適當的工作頻段和工作參數。認知有3個主要的步驟：頻譜感知、頻譜分析和頻譜判決。頻譜感知主要是監測目標頻段，檢測頻譜空洞；頻譜分析是估計頻譜感知獲取的頻譜空洞特性；頻譜判決是根據頻譜空洞的特性和用戶需求選擇合適的頻段傳輸數據。

在此系統中，當用戶入網后，終端啟動頻譜感知決策設備，對星上頻譜占用情況和干擾情況進行感知，檢測對頻譜占用和干擾的情況。具體包括對干擾的類和干擾的強度，與頻率分布特性進行檢測，并進行頻譜空洞鏈路特性的分析。

其中的干擾檢測[5]流程為，首先將接收的信號進行頻域變換，得到頻域信息，然后對接收信號的譜線的能量進行冒泡排序，選取譜線中最小的一部分（若干根譜線），假設這些譜線沒有受到干擾，并計算其均值：

利用（1）式計算出的乘以門限因子T得到檢測門限

把所有譜線與檢測門限進行對比，小于門限值的譜線，則認為沒有受到干擾，最后將接受信號頻譜中沒有受到干擾的譜線進行存儲更新，然后重復進行排序和選取譜線最小部分，直到沒有檢測到新的譜線小于門限值為止，這時干擾檢測結束。

3.2 頻譜分割聚合模塊[2]

在發送端，頻譜分割設備將調制解調器輸出的時域信號經過快速傅里葉變換轉成頻域信號，再使用頻譜分割濾波器組對信號頻譜進行分割，并將分割后的子譜分配到合適的頻段上，然后通過傅里葉逆變換將其轉換成時域信號。

在接收端，頻譜聚合設備利用快速傅里葉變換將收到的子波變換到頻域，并使用頻譜組合濾波器組對其進行重新組合，再使用傅里葉逆變換將組合后的信號變換到時域上。最后，利用調制解調器對頻譜聚合適配器輸出的信號進行解調，如圖2所示。

圖2 頻譜分割、聚合流程圖

在子譜聚合的時候，子譜之間會存在一個相位補償的問題，在衛星通信系統中，相對于地面無線通信而言，信道情況較為簡單，分割后的子頻譜以傳播時延造成的失真為主，頻移使相鄰子譜之間經歷了固定的相差，如圖3所示，需要對相位失真進行補償。頻移使得再生信號的相位特性變得不連續，其中每個子譜的相偏大小為：

圖3 頻譜聚合后產生的相位失真

通過2個未調制的導頻信號進行相位斜率的估計，如圖4所示。

圖4 相位補償

相位梯度為：

其中pk（k=1，2）是接收到的第k個試探信號；fk是第k個試探信號的頻率。當對第1個到第k個子頻譜分別進行Δθκ的相位補償后，相位失真情況受到有效抑制。

4 仿真系統的實現

衛星鏈路常常傳送射頻信號，這就要求將數據調制到一個射頻載波上傳輸，但基帶信號比解析信號使用起來方便，因為基帶信號不含載波，解析信號含載波，而載波的作用只是作為信息信號一種載體，不含有任何有用的信息。在SIMULINK平臺下直接進行頻帶仿真，系統的復雜度和計算機的運算量將會很大，故一般采用基帶等效模型，將頻帶通信系統轉化為等效的基帶通信系統進行仿真。

對所提出的衛星通信抗截獲方案進行仿真。主要涉及到通信和信號處理等工具箱，這些工具箱提供了常見通信模塊的低通等效模型。地球站發送端包括了：信源、調制和脈沖成型。傳輸數據采用+1-1隨機序列進行模擬，BPSK調制，脈沖成型采用滾降系數為0.35的平方根升余弦脈沖。原始信號帶寬1 kHz，分割成2個帶寬為0.5 kHz的子頻譜，分別搬移到-1.1 kHz和0.8 kHz 2個頻點上。轉發器采用透明轉發器，下行信道包括自由空間衰減。接收端包括接收天線、均方根升余弦接收濾波器和相位補償模塊等。仿真結果如圖5示，證明可以在功能上實現頻譜的分割、搬移和聚合。

(a)頻譜的分割

圖5 頻譜的分割、搬移和聚合

在分割成2個子頻譜的基礎上進一步分割成4個子譜，測試系統的性能，如圖6所示。由仿真結果可知，在誤碼率達到10-4情況下，系統性能惡化在0.5 dB，并且子譜分割數目的增加未對系統性能造成明顯影響。

圖6 誤碼率曲線

5 結束語

采用SIMULINK動態仿真環境實現了對一種新穎的衛星抗截獲通信系統的仿真分析，抗截獲通信體系架構創新性的引入了頻譜感知技術和頻譜分割聚合技術，使得衛星通信系統在抗截獲方面具有決策更加智能、使用方式靈活的優勢。從仿真結果來看，可以較好的實現信號頻譜的分散化和隱蔽傳輸，整個系統的誤碼率表現滿足實際應用的要求。后續工作中，可以方便的對系統模型進行改造和完善，有效地輔助硬件設計與實現。

[1]汪春霆,張俊祥,潘申富,等.衛星通信系統[M].北京:國防工業出版社.2012.

[2]ABEJI,NAKAHIRA K,SUZUKIY,et al.Direct Spectrum Division Transmission for High-capacity Satellite Communications:USA,20020041328[P].2012.

[3]ABEJI,NAKAHIRA K,KOBAYASHIK.A Blind Phase Compensation Method for Direct Spectrum Division Transmission[J].IEEEGlobecom 2011 proceedings,2011:1-5.

[4]MITOLA J,JRMAGUIREG Q.Cognitive radio:Making soft ware radiosmore personal[J].IEEEWireless Communications,1999,6(4):13-18.

[5]鄒武平.干擾檢測與識別技術研究與實現[D].四川:電子科技大學,2011.