一種基于擴(kuò)頻序列加權(quán)的干擾抑制跳空物理層安全通信系統(tǒng)

郭志軍， 董國(guó)英， 洪 濤， 趙偉杰

(1.上海無(wú)線電設(shè)備研究所， 上海 200090； 3.南京郵電大學(xué)， 江蘇 南京 210023)

0 引言

隨著無(wú)線通信技術(shù)在不同行業(yè)中的廣泛應(yīng)用，通信信息的安全性和私密性問(wèn)題越來(lái)越受到人們的關(guān)注?；谏蠈蛹用艿膫鹘y(tǒng)解決方案逐漸受限于敵對(duì)方計(jì)算能力的加強(qiáng)和Ad-hoc等無(wú)中心網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，在物理層利用無(wú)線通信系統(tǒng)固有的特征來(lái)解決通信信息的安全性成為近年來(lái)新的研究熱點(diǎn)[1-3]。

基于多天線收發(fā)方式的物理層安全通信技術(shù)利用多天線發(fā)射提供的空間冗余度和陣列冗余度，在犧牲多天線無(wú)線通信系統(tǒng)信道容量的代價(jià)下?lián)Q取發(fā)射信號(hào)安全性能的提升。這個(gè)研究方向主要分為兩種發(fā)射方式：MIMO發(fā)射方式和陣列發(fā)射方式。MIMO方式中主要利用多收發(fā)天線信道信息之間的不相關(guān)特性確保通信信息在物理層的安全傳輸。

在實(shí)際的電子對(duì)抗環(huán)境中，物理層主要使用擴(kuò)頻技術(shù)和波束形成技術(shù)確保通信信息的安全性能。擴(kuò)頻技術(shù)多采用直序擴(kuò)頻、跳頻或兩者相結(jié)合的混合擴(kuò)頻方式防止敵對(duì)方的竊聽(tīng)和干擾，擴(kuò)頻技術(shù)的安全性能取決于使用擴(kuò)頻碼的安全性能，一旦竊聽(tīng)方獲得通信雙方使用擴(kuò)頻序列的先驗(yàn)知識(shí)，同樣可以解調(diào)出通信信息。因此，研究者們嘗試結(jié)合迅速發(fā)展的多天線物理層安全通信技術(shù)和傳統(tǒng)的擴(kuò)頻安全通信技術(shù)兩者的優(yōu)點(diǎn)。本文根據(jù)擴(kuò)頻序列對(duì)于干擾信號(hào)的頻譜擴(kuò)展調(diào)制特性，提出了一種基于擴(kuò)頻序列的加權(quán)跳空發(fā)射方案，發(fā)射機(jī)加權(quán)系數(shù)和跳空?qǐng)D案不僅與收發(fā)天線之間的信道信息相關(guān)，而且與通信雙發(fā)約定的擴(kuò)頻序列有關(guān)，使得發(fā)射的跳空擴(kuò)頻信號(hào)具有一定的抗干擾容限。這種跳空物理層安全通信信號(hào)，結(jié)合了多天線收發(fā)物理層安全通信技術(shù)與傳統(tǒng)擴(kuò)頻技術(shù)的安全性能優(yōu)點(diǎn)，是一種更具有現(xiàn)實(shí)意義的跳空物理層安全通信技術(shù)。

1 系統(tǒng)模

圖1中給出了基于分布式多天線跳空收發(fā)方式的物理層安全通信系統(tǒng)模型[1-4]。A和B為我方通信雙方，E為敵方監(jiān)聽(tīng)方。

發(fā)射機(jī)A配備G個(gè)發(fā)射天線，期望接收機(jī)B配備K個(gè)接收天線，敵對(duì)方竊聽(tīng)接收機(jī)E配備L個(gè)接收天線。跳空收發(fā)物理層安全通信的基本過(guò)程：

首先，期望用戶B依次切換天線向發(fā)射機(jī)A發(fā)送訓(xùn)練序列，A通過(guò)接收到的信號(hào)估計(jì)出收發(fā)天線之間的信道信息HBA，根據(jù)信道的互易性，A與B之間的信道信息HAB可以表示為

(1)

其次，A將信道信息安全反饋給B，期望接收機(jī)B根據(jù)信道信息分別設(shè)置對(duì)應(yīng)天線的加權(quán)系數(shù)，加權(quán)系數(shù)與信道信息之間的關(guān)系為

(2)

式中：g=1,…,G表示A的第g個(gè)發(fā)射天線，k=1,…,K表示B的第k個(gè)接收天線。最后，收發(fā)雙方根據(jù)預(yù)先約定額跳空?qǐng)D案依次切換天線收發(fā)信號(hào)，圖2給出了當(dāng)發(fā)送天線數(shù)J=4接收天線數(shù)K=2時(shí)，一個(gè)調(diào)制符號(hào)周期內(nèi)T的天線跳空?qǐng)D案示意圖，一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)A切換天線發(fā)射信號(hào)，B利用高斯白噪聲與發(fā)射符號(hào)之間的獨(dú)立性累積相關(guān)接收信號(hào)，具有一定的累積增益。

上述的跳空跳空物理層安全通信系統(tǒng)與傳統(tǒng)的跳頻系統(tǒng)的區(qū)別：跳頻通信系統(tǒng)收發(fā)雙方必須按照跳頻圖案收發(fā)信號(hào)才能正確傳輸信息，但竊聽(tīng)方只要掌握了跳頻圖案同樣可以解調(diào)接收的信號(hào)，也就是跳頻圖案是跳頻技術(shù)唯一的安全保障；而跳空物理層安全通信系統(tǒng)的安全性能不僅與跳空?qǐng)D案相關(guān)，還利用了收發(fā)雙方的無(wú)線信道信息。由于期望用戶與竊聽(tīng)用戶地理位置的差別導(dǎo)致無(wú)線信道的空域特性存在一定的差異，從而確保了通信信息在物理層的安全傳輸。此外，A天線快速切換的發(fā)射方式，不僅擴(kuò)展了發(fā)射信號(hào)的空譜，提高了接收端的累積增益，而且使發(fā)射信號(hào)的空譜隨時(shí)間快速變化防止信息被竊聽(tīng)方截獲，這樣即使公開(kāi)了通信雙方的預(yù)定的跳空?qǐng)D案，也能確保信息的安全傳輸。但在實(shí)際的電子對(duì)抗環(huán)境中，敵對(duì)方的目的不僅僅是竊聽(tīng)我方通信信息，還會(huì)發(fā)射干擾信號(hào)干擾我方的正常通信。文中的加權(quán)設(shè)計(jì)方案只能對(duì)于高斯白噪聲有一定的累積增益[5-12]，而在敵對(duì)方放射干擾信號(hào)時(shí)期望接收機(jī)也無(wú)法正常接收信號(hào)。此外，在通信過(guò)程(2)中A反饋信道信息同樣存在被竊聽(tīng)方竊取的可能，E可以利用竊取的A與B之間的信道信息和竊聽(tīng)接收機(jī)盲估計(jì)出的自身與A之間的信道信息綜合設(shè)計(jì)加權(quán)系數(shù)竊聽(tīng)通信信息[13]。因此，本文在下一小節(jié)中提出了一種基于擴(kuò)頻序列的預(yù)加權(quán)跳空物理層安全通信方案，利用擴(kuò)頻序列對(duì)于干擾信號(hào)的頻帶擴(kuò)展特性，提升期望接收機(jī)在復(fù)雜的電子對(duì)抗環(huán)境中的抗干擾性能。

2 干擾抑制加權(quán)系數(shù)設(shè)計(jì)方案

本文提出一種基于擴(kuò)頻序列的跳空設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)框圖如圖3所示。

發(fā)射發(fā)射機(jī)A配備G個(gè)發(fā)射天線，g=1,…,G表示A的第g個(gè)發(fā)射天線，對(duì)應(yīng)的發(fā)射加權(quán)系數(shù)用wTr,g表示。期望接收機(jī)B配備K個(gè)接收天線，k=1,…,K表示B的第k個(gè)接收天線，對(duì)應(yīng)的接收加權(quán)系數(shù)用wRe,g表示。竊聽(tīng)接收機(jī)E配備L個(gè)竊聽(tīng)接收天線，l=1,…,L表示E的第l個(gè)接收天線，對(duì)應(yīng)的接收加權(quán)系數(shù)用wEr,g表示，竊聽(tīng)接收天線可以采用自干擾消除陣列在竊聽(tīng)通信信息的同時(shí)，發(fā)射干擾信號(hào)干擾期望接收機(jī)的正常通信(發(fā)射的干擾信號(hào)對(duì)于E自身的竊聽(tīng)不產(chǎn)生任何影響)。系統(tǒng)的通信過(guò)程表述如下：期望用戶B依次切換天線向發(fā)射機(jī)A發(fā)送訓(xùn)練序列，A根據(jù)接收到的信號(hào)估計(jì)出收發(fā)天線之間的信道信息HBA。根據(jù)信道的互易性，A與B之間的信道信息HAB可以用式(1)表示，A與E之間的信道信息用UAE為

(3)

(4)

因此，本文提出的加權(quán)方案中直接采用發(fā)射端A預(yù)加權(quán)的方式，A預(yù)加權(quán)系數(shù)不僅與跳空?qǐng)D案對(duì)應(yīng)的收發(fā)天線信道信息相關(guān)，而且與通信雙方約定的擴(kuò)頻序列相關(guān)。設(shè)計(jì)加權(quán)為

(5)

式中：cm(g，k)表示發(fā)射端第g個(gè)天線發(fā)射接收端第k個(gè)天線接收對(duì)應(yīng)權(quán)系數(shù)使用的擴(kuò)頻碼片；m=1,…,M表示擴(kuò)頻序列中第m個(gè)碼片；M表示使用的擴(kuò)頻序列周期。從式(5)可以看出發(fā)射信號(hào)的安全性能由跳空?qǐng)D案、收發(fā)天線間的信道信息和使用的擴(kuò)頻序列共同決定，并且這種基于擴(kuò)頻碼加權(quán)的方法，對(duì)于竊聽(tīng)接收機(jī)發(fā)射干擾信號(hào)的情況下具有一定的抗干擾容限，更適應(yīng)復(fù)雜的電子對(duì)抗環(huán)境。圖4給出了一個(gè)調(diào)制符號(hào)周期T內(nèi)，當(dāng)擴(kuò)頻序列周期M=7時(shí)跳空?qǐng)D案的示意圖，第一個(gè)擴(kuò)頻碼片c1對(duì)于的收發(fā)天線序號(hào)g=1，k=1和信道信息h11。以此類推，第七個(gè)擴(kuò)頻碼片c7對(duì)于的收發(fā)天線序號(hào)g=5，k=1和信道信息。

根據(jù)上述的發(fā)射方案期望接收機(jī)和竊聽(tīng)接收機(jī)接收信號(hào)可以分別表示為

rg,k(n)=hg,kwTr,gcms(n)+νB+JE

(6)

rg,l(n)=hg,lwTr,gcms(n)+νE

(7)

式中：s(n)表示第n個(gè)調(diào)制符號(hào)；νB和νE分別表示期望接收機(jī)B和竊聽(tīng)接收機(jī)接收信號(hào)的加性高斯白噪聲；JE表示E發(fā)射的干擾信號(hào)用于干擾B的正常通信。干擾信號(hào)對(duì)于E自身的竊聽(tīng)不產(chǎn)生任何的影響。對(duì)于期望接收機(jī)B根據(jù)雙方約定的跳空?qǐng)D案和擴(kuò)頻序列對(duì)接收信號(hào)采用累積相關(guān)的處理：

(8)

(9)

式中：{s(n)}表示調(diào)制符號(hào)集。由式(8)第三項(xiàng)可以看出本文的加權(quán)方法利用擴(kuò)頻序列對(duì)于干擾信號(hào)的頻譜擴(kuò)展調(diào)制，降低了干擾信號(hào)對(duì)于期望接收機(jī)正常通信的影響，使跳空物理層安全通信系統(tǒng)具有一定的抗干擾容限，相比于文獻(xiàn)中的權(quán)系數(shù)設(shè)置方法只是對(duì)于加性高斯白噪聲具有一定的累積增益[19-20]，本文的權(quán)系數(shù)設(shè)置方法在實(shí)際的電子對(duì)抗環(huán)境中更具現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)于竊聽(tīng)接收機(jī)E本文提出的加權(quán)方法的權(quán)系數(shù)與通信雙發(fā)約定的跳空?qǐng)D案、擴(kuò)頻序列以及收發(fā)信道信息三者相關(guān)。相比于文獻(xiàn)[13-14]，通信信息多了一層擴(kuò)頻碼保護(hù)。即使通信雙方公開(kāi)了跳空?qǐng)D案和使用的擴(kuò)頻序列，由于竊聽(tīng)接收機(jī)與期望接收機(jī)兩者之間地理位置的差別，保證竊聽(tīng)信道hg, l與加權(quán)系數(shù)wTr,g存在很低的匹配度，仍然可以保證通信信息在物理層的安全傳輸。

3 仿真性能及其分析

仿真條件設(shè)置如下：

a) 仿真中使用的信道為平坦衰落信道，1 000個(gè)調(diào)制符號(hào)組成一幀信號(hào)，每一幀信號(hào)信道衰落系數(shù)改變一次，調(diào)制符號(hào)s(n)取QPSK調(diào)制符號(hào)集合；

b) E發(fā)射的干擾信號(hào)為單頻干擾信號(hào)，干擾信號(hào)的中心頻率與發(fā)射信號(hào)的中心頻率之間的差值在(-100～+100) Hz之間隨機(jī)變化，初始相位為0～2π之間的隨機(jī)值；

c) 為了比較文獻(xiàn)[13-14]方法與本文方法的性能，接收端B接收同一調(diào)制符號(hào)的副本數(shù)相同的前提下比較兩種方法的通信性能和抗干擾性能。

圖5中給出了文獻(xiàn)[13-14]中的原方法和本文提出方法在無(wú)干擾和存在干擾信號(hào)的條件下，誤符號(hào)率隨著接收信號(hào)信噪比變化的曲線圖。

因?yàn)橄到y(tǒng)的發(fā)射設(shè)計(jì)方案不同，為了能比較接收機(jī)的通信性能，本文的仿真條件都是在接收端接收到同一個(gè)調(diào)制符號(hào)相同數(shù)目的副本數(shù)條件下進(jìn)行比較的。由圖中可以看出：

a) 在無(wú)干擾信號(hào)情況下，原方法和本文方法期望接收機(jī)B具有較好的接收性能，并且竊聽(tīng)接收機(jī)E都無(wú)法解調(diào)通信信號(hào)，具有相同的防竊聽(tīng)能力；

b) 在有干擾信號(hào)的情況下，原方法中當(dāng)干信比為0 dB時(shí)，B的誤符號(hào)率幾乎不隨著接收信號(hào)信噪比的提高而提升；本文提出的方法中當(dāng)干信比達(dá)到25 dB時(shí)，B的誤符號(hào)率大約下降了2 dB，說(shuō)明本文提出的算法具有一定的抗干擾容限，隨著干信比的提高B的誤符號(hào)率會(huì)下降，E都無(wú)法解調(diào)通信信號(hào)，具有防竊聽(tīng)能力。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于擴(kuò)頻序列的加權(quán)跳空發(fā)射方案，發(fā)射機(jī)加權(quán)系數(shù)和跳空?qǐng)D案不僅與收發(fā)天線之間的信道信息相關(guān)而且與通信雙發(fā)約定的擴(kuò)頻序列有關(guān)。期望接收機(jī)根據(jù)雙方約定的跳空?qǐng)D案和使用的擴(kuò)頻序列采用累積相關(guān)的方法解調(diào)接收信號(hào)，敵對(duì)方發(fā)射的干擾信號(hào)受到期望接收機(jī)本地產(chǎn)生擴(kuò)頻序列的頻譜擴(kuò)展調(diào)制作用，降低了干擾信號(hào)對(duì)于正常通信過(guò)程的影響，使得發(fā)射信號(hào)具有一定的抗干擾容限。因此，本文提出的跳空物理層安全通信技術(shù)結(jié)合了多天線物理層安全通信技術(shù)和擴(kuò)頻通信技術(shù)的安全性能優(yōu)點(diǎn)，為無(wú)線通信信息的安全傳輸提供了一種有效的傳輸方案。