衛星透明轉發通信中的隱蔽自適應擴頻傳輸

石 榮 胡 蘇 徐劍韜

(1.電子信息控制重點實驗室 成都 610036) (2.電子科技大學通信抗干擾國家重點實驗室 成都 611731)

衛星透明轉發通信中的隱蔽自適應擴頻傳輸

石 榮1胡 蘇2徐劍韜1

(1.電子信息控制重點實驗室 成都 610036) (2.電子科技大學通信抗干擾國家重點實驗室 成都 611731)

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

衛星通信; 透明轉發; 長碼擴頻; 隱蔽擴頻; 自適應擴頻; 反偵察; 抗干擾; 通信電子防御

Class Number TN927; TN973

1 引言

衛星通信是海面艦船實現超視距通信的必備手段之一,但是通信衛星對地波束覆蓋的廣域性也使得衛星通信信號容易遭受第三方的偵察截獲與干擾。通信系統中抗干擾的常用技術手段之一就是擴頻傳輸[1～2],但是在將直接序列擴頻傳輸體制應用于衛星通信系統時,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,隨著通信偵察技術的不斷進步與發展,目前已經能夠對周期性的短碼擴頻信號實施有效的檢測與參數估計[3],得到信號載波頻率、擴頻碼速率、擴頻碼周期、信息碼速率、調制樣式等關鍵參數,甚至還能恢復出通信雙方所使用的短碼擴頻序列[3～5]。第三方利用上述偵察結果來調整干擾參數,通過大功率壓制干擾方式,可阻斷正常的衛星通信傳輸[6～7]。雖然也可采用跳頻方式來躲避干擾,但跳頻衛星通信設備相對復雜,而且還要求衛星轉發器要具有非常大的頻率帶寬才能有效發揮跳頻抗干擾的效能,而絕大多數星載透明轉發器都不滿足這一要求,所以實際的工程應用受限。

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

2 衛星透明轉發通信與面臨的干擾

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

圖1 透明轉發衛星通信過程

由于透明轉發衛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星向地面發送的下行通信信號,在對該信號的載波頻率、符號速率、信號調制方式等參數分析之后,根據透明轉發器的頻率轉發變換關系即可反推出對應的上行信號頻率,于是第三方即可根據此頻率對該衛星通信鏈路實施干擾[7,9],即向該衛星發射上行信號頻率對應的干擾信號,該干擾信號同樣會被星載透明轉發器轉發回地面,從而對地面衛星通信終端B的接收機形成干擾,如圖2所示。

圖2 透明轉發衛星通信遭受干擾的情形

在圖2中由于衛星對地波束的廣域覆蓋性,第三方既可接收被通信衛星轉發下來的下行通信信號,還可接收被轉發下來的干擾信號,通過對兩個信號的功率電平進行測量之后,即可計算出干信比。因為對不同類型的通信信號實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射功率的大小,使之剛好能對目標信號實施有效的干擾,而又不至于導致所發射的干擾信號功率過大,所節省下來的干擾功率還能用于干擾其它的信號,從而獲得最大化的干擾效率。下面以對BPSK調制的擴頻通信信號Ss(t)實施干擾為例進行簡要說明。

(1)

(2)

通常情況下對擴頻信號實施壓制干擾時所需要的干信比JIRdB與擴頻處理增益GdB直接相關,由下式所表達:

(3)

式(3)中各變量的單位均為dB,Lsys表示系統損耗,SNRdem表示接收端解擴之后的解調環節所需要的信干噪比。由上可見,擴頻處理增益GdB越大,己方的抗干擾能力也越強,第三方實施有效干擾所需要的干信比也就越高。于是第三方將依據式(3)來對到達接收機處的干擾信號功率PJ(單位dBW)進行精確的控制,使之滿足:

(4)

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

3 信息傳輸符號速率參數的隱藏

在前一節所描述的應用中,如果要確保信息的有效傳輸,只有增強傳輸信號的抗干擾能力,一個重要技術手段就是提高直擴信號的擴頻處理增益GdB,但隨著己方GdB的提高,第三方在偵察之后也會提高所發射干擾信號的功率,這樣仍然不能達到有效傳輸信息的目的。

第三方之所以能夠對經過衛星透明轉發傳輸的直擴信號實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對目標信號的參數進行準確估計,然后按照式(3)與(4)來實施干擾功率的有效控制。進一步講,因為在常規的擴頻通信系統中擴頻碼序列c(t)通常采用周期性的短碼序列cs(t),其循環周期τs通常從ms到s量級不等,即:

(5)

之所以采用短碼序列cs(t)主要是考慮到工程實現的方便性。于是在式(1)中擴頻短碼序列與信息序列的乘積項ms(t)=cs(t)·d(t)也隱含了一定的周期性。因為擴頻碼碼速率為Rc至少比信息碼速率Rd大一個數量級,這就意味著擴頻碼的時寬比信息碼的時寬至少小一個數量級。當某幾位信息碼取相同的數值時,在其對應的時間段ΔT內,短碼擴頻的乘積項ms(t)就有可能滿足下式:

(6)

利用式(5)和(6),通過長期的統計分析,第三方即可估計出周期性短碼擴頻信號的擴頻碼速率Rc和信息符號速率Rd這兩個重要參數。關于這方面的眾多估計算法近十幾年來在各類公開技術文獻中被廣泛報道[3～5],在此就不再展開重復闡述了。

針對上述弱點,如果基于透明轉發的衛星通信系統中采用非周期的長碼序列cl(t)作為擴頻序列,對于任意的τl都有下式成立:

(7)

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

(8)

即在采用非周期長碼擴頻之后,消除了短碼擴頻信號中所隱含的部分周期性,此時從信號波形上觀察,信息符號序列d(t)是否存在,對信號Ss(t)的統計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所采用的擴頻序列,否則將無法估計非周期長碼擴頻信號中的信息符號速率參數Rd。這所造成的連鎖反應就是:第三方無法通過式(2)估計通信傳輸雙方的擴頻處理增益,于是也無法通過式(3)和(4)計算出對該信號實施干擾時所需要的精確干擾功率。

4 自適應調節擴頻處理增益抗干擾

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

(9)

即:

(10)

由于己方采用的擴頻碼速率參數Rc是事先選定的值,在此基礎上,可通過改變信息符號速率Rd來自適應地調節己方的擴頻處理增益GdB,始終使得下式成立:

(11)

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

另一方面,按照式(11)來計算并調節Rd,可以在抗干擾條件下實現信息傳輸速率Rd的最大化,從而提高整個系統的通信傳輸效率,因為將式(11)換一種表達方式,即:

(12)

由于上述擴頻處理增益的自適應調節是在通信發送端實時進行的,通信發送端在什么時候進行了調整,以及信息傳輸速率Rd調整為具體什么數值,這都需要通信接收端自己進行檢測。即通信接收端需要對接收到的信號Ss(t)按照式(13)進行解擴,得到解擴之后的信號Sp(t),以式(1)為例,解擴之后的信號為

(13)

由此可見,通信接收端通過對解擴之后的信號Sp(t)進行符號速率參數估計便可得到通信發送方設置的信息傳輸速率參數Rd,然后利用該估計參數設置己方的解調器,從而完成對解擴之后的信號的解調,獲得最終的碼流信息。目前對數字通信信號的傳輸符號速率估計的方法在各類公開文獻中已經有較多報道[10],在此就不再展開重復論述了。

在工程實現過程中為了避免通信接收端在參數估計中出現較大偏差,也可采用收發雙方事先約定一個信息傳輸符號速率列表,該列表中按照一定的傳輸速率間隔來設置符號速率參數值。這樣一來,即使接收端在參數估計環節出現誤差,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速率參數來對解擴之后的信號實施有效解調。

5 仿真驗證

仿真條件:衛星通信終端采用非周期長碼直接序列擴頻傳輸體制,調制方式為BPSK,擴頻碼速率為10Mchip/s,為了滿足透明轉發衛星通信信道的帶寬限制條件,在信號擴頻調制過程中采用了滾降系數為0.35的升余弦成型濾波器進行帶限濾波,仿真中信號采樣頻率為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速率參數進行了隱藏,所以上述信號從波形上看,與正常的普通衛星通信信號一樣,即第三方在截獲該信號之后,無法推斷該信號的擴頻處理增益。在無干擾條件下,該信號的頻譜如圖3所示。

圖3 無干擾條件下的信號頻譜圖

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

圖4 干信比20dB條件下的信號頻譜圖

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

圖5 符號速率100kbps條件下解擴之后的信號頻譜圖

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

圖6 符號速率10kbps條件下解擴之后的信號頻譜圖

由圖6可見,信息傳輸部分的信號頻譜在解擴之后已經突顯出來,將圖6中的信號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,解擴之后信號的信干噪比大約在10dB～12dB范圍,該信干噪比已經足夠滿足后續BPSK信號解調的要求了[1]。

以上是在干信比20dB條件下進行的仿真,如果干擾方增大干擾信號功率,通信傳輸方也可以自適應地再次減小信息符號傳輸速率,從而相應地提高己方的擴頻處理增益來抗干擾。這一過程對于基于透明轉發的通信雙方來說是透明的,也是自適應的;但對于干擾實施方來講,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,根據式(12)對信息傳輸符號速率進行比較精確的調整控制,從而達到在此條件下信息符號傳輸速率的最大化。

6 結語

本文針對衛星透明轉發通信系統中短碼擴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頻手段來實現衛星擴頻傳輸中物理層信息傳輸符號速率參數的隱藏,從而切斷了第三方對衛星通信物理層重要參數實施偵察分析的途徑,有效阻止了第三方利用偵察得到的信息傳輸符號速率參數來高效引導干擾的行動。在此基礎上己方反過來還可以通過對干擾參數的分析,自適應的隱蔽調節信息傳輸符號速率參數,以此來實現擴頻處理增益的最佳取值。該方法不僅能夠抗干擾,而且還能實現信息符號傳輸速率的最大化。仿真試驗結果也同時驗證了其有效性,這為采用直接序列擴頻體制的衛星透明轉發通信系統的抗干擾工程應用和通信電子防御的有效實施提供了新的技術手段。

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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

重點實驗室基金(編號:6142105040116210XXXX)資助。

石榮,男,博士,研究員,研究方向：電子對抗,通信與雷達系統。胡蘇,男,博士,副教授,研究方向：通信抗干擾技術。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