衛星通信中極化信號安全傳輸技術研究*

齊 帥，潘克剛，譚宗胤，李曉光

（中國人民解放軍陸軍工程大學 通信工程學院，江蘇 南京 210007）

0 引 言

衛星通信作為現代通信的重要組成部分，具有覆蓋范圍廣、信道條件好、對通信距離不敏感等優點，在軍事和商業中承擔著重要任務。

由于衛星功能的不斷擴展和數量的不斷增多，各國都在緊鑼密鼓地搶占衛星頻率資源。目前，衛星頻率由吉赫茲向太赫茲探索發展，一定程度上緩解了衛星頻譜資源緊張的問題，但高頻率會帶來信號衰減嚴重、對衛星硬件制造工藝要求較高等新問題[1]。于是，極化頻率復用技術應運而生，并在衛星廣播服務中得到了廣泛應用[2]。極化調制（Polarization Modulation，PM）技術具有對載波相位不敏感、不受器件非線性影響等特點[3]，應用于衛星通信具有明顯優勢。因此，利用信號的極化特性可以為解決現有的衛星通信問題提供新的思路和途徑。由于衛星的位置相對暴露，且衛星波束覆蓋范圍廣，獨具廣播特性，因此信息在傳播過程中容易出現被干擾和竊聽的問題。隨著數據處理能力的增強，以高復雜度為保證的傳統加密技術安全隱患日益增大，衛星通信中信息安全傳輸問題形勢嚴峻。

極化作為電磁波的固有性質，是電磁波除了幅度、頻率、相位外的另一維度資源。極化調制利用一對正交的極化狀態來承載信息，打開了調制技術的又一扇大門。極化技術的應用在緩解頻譜資源緊張、應對器件非線性等問題的同時，也能為抗干擾、防竊聽等安全傳輸問題提供新的思路。

1 傳統的衛星通信安全傳輸技術

近年來，信息安全傳輸問題被廣泛關注。Shannon[4]首先建立了物理層安全的基本理論，之后Wyne介紹了著名的竊聽信道模型，并進一步定義了信道保密能力。文獻[5]提出了一種被廣泛用于無線傳播環境建模的高斯退化竊聽信道。在衛星通信中，抗干擾和防竊聽技術是研究信息安全傳輸的兩個方面。

衛星通信中存在的干擾包括日凌、電離層閃爍、臨星干擾和臨道干擾等無意干擾和干擾者故意而為的有意干擾。一般而言，衛星通信中的抗干擾技術主要有跳頻技術[6]和多波束天線技術[7]。兩種技術分別是基于頻域和空域的，分別具有所需頻段較寬和性能受限于干擾源位置的缺點[8]。極化濾波則可用于解決時間、頻率和空間域難以處理的干擾抑制問題。傳統的極化抗干擾主要基于干擾信號極化參數識別技術和極化濾波器。文獻[9]利用斜投影算子極化濾波器進行極化抗干擾。在此基礎上， 文獻[10]提出改進型斜投影算子的極化抗干擾算法。文獻[11]提出了基于正交投影三維極化濾波方法，解決了目標和干擾信號極化點在Poincare球面上的距離過近而無法有效濾波的問題。極化參數識別的精確度對極化濾波器的濾波效果有很大影響。近年來，與其他技術相結合的極化抗干擾的成果逐漸增多。文獻[12]提出了一種聯合極化空間抗干擾方法，與傳統的LCMV準則不同，文中提出了一個由期望信號和干擾的轉向矢量組成的約束矩陣來濾除干擾信號。

針對衛星通信系統中存在竊聽者的信息防泄漏問題，目前主要通過高級加密標準[13]等加密手段在上層實現。然而，隨著包括云計算在內的數據處理能力的增強，以高計算復雜度為保證的加密技術的可靠性越來越低，惡意節點成功破解加密、訪問敏感衛星數據的風險也越來越大[14]。不同于上層加密技術，物理層安全技術不依賴于竊聽者的計算能力，在更底層實現信息的安全傳輸[15]。由于信號極化特性在衛星中應用的優勢，衛星通信中極化信號安全傳輸的成果也越來越多。文獻[16]比較了MIMO網絡在雙極化信道模型下實現最大分集的三種不同的傳輸方案，而之前的工作幾乎都沒有考慮利用極化敏感陣列來增強安全通信。在此背景下，文獻[17]研究了基于極化敏感陣列的無線網絡安全傳輸策略，特別是針對點到點單輸入多輸出（Single-Input Multi-Output，SIMO）網絡，首先設計了安全波束形成，目的是在保密速率要求下最大限度地減少總發射功率，然后提出了提高單輸入多輸出網絡保密能力的保密速率最大化方案。在極化調制的基礎上，文獻[18]創造性地設計了一個快速雙極化跳變（Fast Dual Polarization Hopping，FDPH）系統，以提高固定衛星通信的物理層安全性。然而，此方案對于相移鍵控（Phase Shift Keying，PSK）的調制方式的防竊聽性能欠佳。

2 基于信號極化特性的衛星通信安全傳輸技術

衛星通信中，基于信號極化特性的抗干擾和防竊聽能力的不斷提升對信息安全傳輸至關重要。本文著重介紹衛星通信中極化信號安全傳輸的相關技術，包括基于卡爾曼濾波的極化抗干擾技術、基于改進型快速雙極化跳變的安全傳輸技術和基于方向極化調制的安全傳輸技術。

2.1 基于卡爾曼濾波的極化抗干擾技術

利用卡爾曼濾波技術進行極化參數識別，結合斜投算子實現干擾信號濾除。系統首先利用極化模型解釋干擾極化狀態估計的方法，其次建立卡爾曼遞推方程（二者可以應用于極化濾波器的設計），然后結合斜投影濾波算子的原理及其運算性質實現抗干擾。

極化抗干擾系統總體的設計方案如圖1所示。合法用戶中配備正交雙極化天線來接收極化信號EV和EH，EV和EH分別經過I/Q支路分解后形成四路信號QV、IV、QH和IV。這四路信號利用卡爾曼濾波算法實現干擾信號的極化參數識別，識別結果與斜投影濾波算子運算，利用斜投影算子的性質，可以在濾除干擾信號的同時，完整地保留目標信號。

圖1 極化抗干擾系統設計方案

仿真中，干擾信號的極化參數設置εj=45°，δj=δVj-δHj=120°-120°=0°。此外，干噪比設置為25 dB。將初始參數設置完成后，利用上述理論進行仿真實驗，得到如圖2、圖3所示的極化參數仿真曲線。其中，橫坐標表示遞歸計算的迭代次數，最大值設置為200。

仿真結果表明，卡爾曼濾波的跟蹤曲線在第15步左右開始收斂，并逐漸趨于穩定。因此，調整LMS算法的步長，使其跟蹤曲線在第15步時接近穩定狀態，選擇均方誤差和算法運算時間作為衡量跟蹤性能的標準。通過仿真計算，利用卡爾曼濾波得到的εj和δj的穩態均方誤差分別為0.53和0.17，而利用LMS算法得到的結果分別是0.81和0.66。計算結果表明，當收斂速度相等時，本章算法的跟蹤性能優于LMS算法。仿真計算中，該運算的平均消耗時間為0.003 s，而LMS算法運算的平均消耗時間為0.03 s。顯然，與LMS算法相比，本算法完成極化狀態跟蹤的消耗時間縮短了一個數量級。

圖2 極化參數εj跟蹤曲線

圖3 極化參數δj跟蹤曲線

通過以上分析，可以總結如下：在衛星通信中，利用卡爾曼濾波動態跟蹤識別干擾信號極化參數，結合斜投影濾波算子最終實現抗干擾是可行的；與傳統的LMS算法相比，該算法具有更好的魯棒性和收斂性，且算法耗時短，更適合應用于衛星通信的抗干擾系統。

2.2 改進型快速雙極化跳變技術

傳統的快速雙極化跳變系統對PSK的調制方式無法有效防竊聽，而新的快速雙極化跳變算法可以解決此問題。該算法采用一對新的快速跳變的極化狀態來承載幅相調制信號，首先建立基于衛星信道的系統模型，介紹信號極化狀態盲識別方案，其次設計新的雙極化狀態信號，最后設計信號的收發信機，并利用偽隨機序列生成跳變圖樣。

信號極化盲識別的具體方案，如圖4所示。首先，接收端利用雙極化天線接收極化信號，通過載波下變頻和信號采樣得到正交雙極化信號EV和EH。對于竊聽用戶Eve，對EV和EH分別進行I/Q分解可以得到四路信號。利用卡爾曼濾波對這四路信號處理，可以得到其極化狀態δR和γR。利用極化匹配可以得到基于幅相調制的信號。因為此方案極化狀態是為了增強信息傳輸的安全性并不攜帶信息，所以得到幅相調制信號后仍需要對幅相信號進行幅相解調，最終獲取調制信息。

圖4 信號極化狀態盲識別方案流程

傳統的跳極化對于PSK的調制方式，信息只承載到nφ上。因為相位中不含γs，所以竊聽用戶仍然能夠正確解調信號，無法實現有效防竊聽。新的雙極化狀態進行信號疊加，與傳統極化狀態相比，相當于各個相位均增加γs/α，所以新的發送信號可以表示為：

對此發送信號進行極化參數識別，可以得到如下結果：

進行極化匹配后，可以得到消除極化調制后的信號表達式為：

可知，極化匹配后的信號幅度和相位均和γs有關，即無論信息是否只承載到相位上，竊聽用戶Eve都不能正確解調信號，確保了信息的安全傳輸。

在初值情況下，16QAM和QPSK的誤碼率性能仿真結果如圖5和圖6所示。可以看出，本算法對合法用戶正確接收信息沒有影響。仿真結果表明，與傳統算法相比，本算法可以將竊聽者的誤碼率嚴重惡化，大大提升防竊聽性能，以達到安全傳輸的目的。

圖5 16QAM誤碼率性能

圖6 QPSK誤碼率性能

2.3 方向極化調制技術

方向極化調制是將方向調制和極化調制結合，使極化調制代替方向調制中傳統的調制方式。方向極化調制發射機的設計是在極化調制發射機的基礎上進行的改進，秉承了使硬件改動最小和成本最低的原則，原理如圖7所示。數據信號通過功分和相移單元實現極化狀態的映射，利用載波上變頻為射頻信號，再經過幅相校準。此部分為傳統的極化調制模塊，極化信號的垂直和水平分量分別用方向調制發射機來發送信號，人工噪聲添加在理想方向信道的零空間上，由此構成方向極化調制發射機。顯然，方向極化調制發射機是將傳統的極化調制發射機和方向調制結合，利用方向調制發射機的天線陣代替傳統極化調制發射機的單一天線，同時通過在期望方向信道的零空間上添加人工噪聲，使期望方向上合法接收機接收到的信號為不含人工噪聲的未畸變的極化信號，而非期望方向上的竊聽接收機接收到的信號為具有人工噪聲的畸變了的極化信號。

圖7 方向極化調制發射機原理

如圖8所示，垂直和水平接收天線分別接收信號后經過下變頻、信號采樣和幅相校準，再由EvR和EhR二者的振幅和相位差表示出Stokes矢量G1、G2、G3，映射到Poincare球面上后，再利用最大似然準則實現信息的解調。

圖8 方向極化調制接收機原理

圖9為傳統的方向調制下，期待方向為60°時，在0°～180°各方位角上的誤碼率；圖10表示在方向極化調制下，期望方向為60°時，在0°～180°各方位角上的誤碼率。可以得出，與傳統的方向調制相比，采用方向極化調制時，非期望方向上誤碼率上升得更快，且整體誤碼率更高。

圖9 傳統方向調制各方向誤碼率

圖10 方向極化調制各方向誤碼率

3 結 語

本文主要介紹了衛星通信中極化信號安全傳輸的相關技術，包括基于卡爾曼濾波的極化抗干擾技術、基于改進型快速雙極化跳變的安全傳輸技術和基于方向極化調制的安全傳輸技術。但是，基于極化的調制和解調在實際通信過程中由于存在交叉極化鑒別度、極化模式色散和極化相關損耗等去極化效應，會使通信雙方的質量大打折扣。針對此種情況，一般利用信道預補償技術盡量消除去極化效應。因此，需進一步研究性能更好的信道預補償技術。