短波物理層安全傳輸技術*

周 軍 ，周 琦 ，王 新

（1.中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041；2.軍事科學院系統工程研究院，北京100039）

0 引 言

由于具有通信距離遠、抗毀能力強等優點，短波通信在軍事通信中占有十分重要的地位[1-2］。相對于超短波、微波通信方式，短波通信距離遠，覆蓋范圍大，通信信號更容易被非授權用戶接收，信號承載信息也更容易被截獲和破譯，因此，短波通信信息安全需求也更加迫切。對于傳統短波通信，其安全性主要依賴于信息加密機制，在鏈路層及以上層對數據進行加密。隨著無線通信和傳統密碼攻擊、破譯手段和技術的進步，短波通信尤其是短波軍事通信在安全傳輸方面也需要有相應的應對手段保證其低截獲和抗破譯的需求。以密鑰管理、完整性檢測技術、身份認證數字簽名等技術為主的現代密碼學體制是目前無線通信網絡中保障信息安全的主要手段。傳統上，短波通信的安全機制建立在計算密碼學方法的基礎上，通過上層協議保證安全性破解密鑰所需的極高計算復雜度保證了加密算法的有效性。隨著計算機運算能力與運算速度的提升，傳統的基于計算復雜度的密鑰體制安全性正日益受到挑戰，物理層安全技術為保障短波通信信息安全提供了新的途徑[3］。

物理層安全技術綜合了調制解調、信道編解碼、多載波、多信道、多天線以及協同通信等技術特點，從傳輸技術方案研究通信的保密性，最終目的是在滿足合法用戶通信的性能要求的前提下，使非授權用戶無法從傳輸信號中提取有效信息，實現絕對意義的安全[4］。

調制解調是物理層傳輸的一個關鍵步驟，也是實現物理層安全的關鍵點之一。本文突破傳統信息加密思想，將加密技術創新應用于短波物理層空口信號保護，對調制信號星座圖進行加密，可以有效提高短波通信安全防御能力，達到物理層空口信號“難截獲、截獲難破譯”的目的。

1 系統模型

1.1 短波物理層安全技術系統模型

短波物理層安全傳輸技術原理框圖如圖1所示。發端信源信息經過糾錯編碼和交織后通過符號映射成PSK、QAM等調制符號，然后再經過密碼序列生成的隨機相位對調制符號的相位進行旋轉，再通過信號組幀以及載波調制將信號發射出去。接收端首先經過載波解調以及信號同步，然后進行信道估計與均衡得到均衡后的信號，通過解密序列生成的隨機相位再對其進行解旋轉，去除加密相位信號，再進行符號解調以及解交織和譯碼，最后將譯碼信息送到信宿。

圖1 短波物理層安全傳輸技術原理框

1.2 物理層安全傳輸技術原理

傳統星座映射后的調制符號用公式可以表示為：

式中，xi表示第i個調制符號，Ii和Qi分別表示第i個調制符號的實部和虛部，Ami和θi分別表示幅度和相位。

加密后的調制符號可以表示為：

式中，Δθi是加密序列隨機生成的相位，用于對傳統信號進行相位旋轉，達到物理層調制信號加密目的。加密原理圖如圖2所示。

圖2 調制信號加密框

圖3 是傳統QPSK調制信號的星座圖和加密后的安全波形星座圖，從圖3中可以看出，傳統QPSK調制信號星座圖為4個正交的星座點，加密后的信號星座圖為一個圓，即加密后的信號相位隨機覆蓋在單位圓內。對于傳統的QPSK調制信號，費合作方可以通過二階、四階、八階統計量等方式分析出發送方的調制方式，而對于加密后的調制信號非合作方無法采用同樣的方式分析出發送方的調制方式，同樣也無法截獲傳輸信息。

圖3 傳統QPSK調制星座圖和安全波形星座圖

2 仿真性能

星座加密方式可以為系統帶來抗截獲安全防御能力，但是該技術是否會對傳輸信號的峰均比、信號的頻譜以及傳輸性能帶來影響是我們比較關心的問題。本文以美軍MIL-STD-188-141A標準[5］中的傳統波形為基礎，通過增加星座加密功能形成安全波形，并評估了傳統波形和安全波形的峰均比、信號頻譜和傳輸性能。

圖4是傳統波形和安全波形的峰均比對比圖，從圖4中可以看出，星座加密技術對于信號的峰均比沒有影響，因此該技術與信號的發射功率沒有影響。

圖4 短波傳統波形和安全波形的峰均比

圖5 是傳統波形和安全波形的信號頻譜對比圖，從圖5中可以看出，星座加密技術對于信號的頻譜沒有影響，不會改變信號的頻譜效率。

圖5 傳統波形和安全波形頻譜

傳統波形和安全波形在高斯信道下的性能如圖6所示，從仿真結果可以看出，安全波形和傳統波形的性能基本相當。

圖6 傳統波形和安全波形在高斯信道下的性能

傳統波形和安全波形在多徑衰落信道下的性能如圖7所示，其中多徑時延為2 ms，衰落帶寬1 Hz，從仿真結果可以看出，安全波形和傳統波形的性能相當，基本無損失。

圖7 傳統波形和安全波形在多徑衰落信道下的性能

3 結 語

本文提出了一種調制信號星座加密的物理層安全傳輸技術，采用密碼序列對調制信號的相位進行隨機化，使非法接收方無法獲取正確的調制方式，從而無法正確破譯傳輸信息。通過對比傳統波形和文中提出的安全波形的峰均比、信號頻譜、在高斯信道和多徑衰落信道下的傳輸性能，可以得出：基于調制信號加密的物理層安全傳輸技術對信號的峰均比、信號頻譜無影響，對系統的傳輸性能也不會產生影響。因此該技術在不損失傳輸性能的前提下提高了系統的抗截獲安全防御能力。星座加密技術支持PSK、QAM、APSK、DPSK等線性調制方式，應用廣泛，不僅可以應用于短波通信中，也可以應用于超短波、微波、衛星等通信。