抗截獲物理層安全寬帶傳輸技術研究*

王 馨，陳 真，周 軍，王凱燕

（中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

現代戰爭中，電子戰作為一種重要的作戰手段，已成為決定戰爭勝負的關鍵因素之一。以美國為首的軍事大國正著力發展電子偵察、電子干擾、電子摧毀等電子戰相關技術，其中通信偵察、通信截獲、通信干擾和新概念武器等方面的技術水平和快速反應能力不斷提高。近年來，隨著新型作戰理論和作戰平臺不斷出現，電子進攻武器已覆蓋幾乎所有的軍用通信頻段。尤其是全時空全天候的偵察技術、新的靈巧干擾技術以及高功率電磁脈沖攻擊技術等，形成了新的電子進攻“軟”“硬”殺傷態勢，擁有、使用和隱蔽通信電磁頻譜信號變得十分困難，對軍用通信裝備在未來信息化戰爭中正常工作造成了嚴重威脅。

物理層安全作為一種新型的抗截獲反偵察通信技術，已成為無線通信領域的一個研究熱點，被視為進一步增強無線通信安全性的安全防御技術，能夠為無線通信系統提供第一道安全防線，是構建多層次無線通信安全防御體系的重要前提[1]。通過物理層安全與動態可重構波形技術的結合，可從信號特性隱藏、頻譜特征隱蔽等角度提升抗截獲能力，防止我方通信過程被發現、所傳遞信息被破譯[2]。

抗截獲物理層安全寬帶傳輸技術有助于實現一種隱蔽通信系統，降低強對抗環境下戰場通信系統遭受來自敵方干擾和打擊破壞的概率，提高通信系統戰術應用的安全性和可生存性，促進智能化作戰通信系統的應用發展[3]。

1 抗截獲理論基礎

1.1 信號截獲的理論

第三方截獲信號進行檢測的基礎是能夠有效區分噪聲與信號。如果第三方無法有效區分對應信號與噪聲，那么對應通信將無法被檢測。同樣，如果第三方能夠從噪聲中檢測出可能的感興趣信號，但是不能得到足夠多的頻域、時域信息，也無法從信號中分析獲取信息。更進一步，即使提供足夠多的時間和資源，成功的期望并不會成比例增加，較大概率無法有效截獲信息[4]。

從信號截獲的角度看，假定感興趣信號具有很低的信噪比（如負信噪比），則截獲一個信號并恢復出其承載的信息必須具備以下條件：

（1）能夠區分噪聲擾動與信號的不同之處，從而檢測出信號的存在；

（2）獲取信號，檢測相關特征，并分析估計出相應的信號參數；

（3）對信號進行解調，獲取其承載的信息；

（4）破譯信息。

其中：第4 個條件與密碼相關，不屬于本文考慮范疇；而前3 個條件與信號截獲難度息息相關。第1 個條件描述的是盲信號檢測，第2 個條件描述的是盲參數分析，第3 個條件描述的是盲解譯恢復。

1.2 信號抗截獲的理論

通過分析可以看出，如果一個信號要足夠安全難以被截獲，應該具備如下兩項基本能力。

第一，載波特征被高度抑制，信號與高斯白噪聲混雜在一起難以區分，具體體現在以下幾個方面：作為感興趣信號，難以被檢測到；抗第三方盲檢測，對應信號不會成為潛在的竊聽對象或被跟蹤；信號隱藏在高斯白噪聲下，沒有可檢測的特征，具有最小的負信噪比。

第二，具有最大化截獲難度，具體體現在以下幾個方面：無法獲取足夠多的信號信息，從而無法進行信號獲取和挖掘；即使給予足夠多的時間和資源，截獲成功的可能性并不會相應增加；無法提取任何信號特征或要素；無法收集足夠多的信息來模擬或仿制該信號波形。

2 抗截獲物理層安全傳輸技術

2.1 傳統信號的脆弱性分析

傳統的無線通信波形設計，由于參數不隨時間變化，因此信號一般是平穩信號，如同步頭、訓練序列、固定幀結構、星座圖樣、正交頻分復用技 術（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）的導頻音與循環前綴、擴頻信號中固定擴頻碼以及跳頻中跳頻周期與頻率集等因素相對固定。傳統信號中，這些薄弱環節（詳見表1）的存在會產生第三方可檢測特征，通過積累足夠長的數據來估計相關的參數信息，以重構信號并進一步分析，所以存在信號容易被檢測、信息容易被截獲的風險[5]。

表1 傳統信號脆弱性分析

2.2 特征動態隱藏安全寬帶傳輸技術

通過對截獲、抗截獲理論基礎和現有波形脆弱性的分析，可知傳統的波形存在信號容易被檢測、信息容易被截獲的風險。傳統通信系統中，信息的安全性更多依賴于上層的密碼技術，未從傳輸技術上引起關注，沒有考慮無線通信廣播性、傳輸信號隨機性等物理層本身所具有的抗截獲安全優勢。

本文以物理層安全為立足點，開展特征動態隱藏安全寬帶傳輸技術實時化、智能化研究。采用星座置亂、OFDM 信號特征隱藏[6]、無特征跳碼擴頻[7]和安全糾錯編碼等物理層安全主動防御關鍵技術實現特征隱藏設計，重點突破波形參數、信號特征隱藏與消除技術，從通信波形中移除可預見的結構、增加隨機非典型結構和新結構使信號難以被采集和跟蹤，實現空口信號的安全保護[8]。此外，該傳輸技術具備動態波形重構能力，結合實時戰場攻擊態勢感知和動態防御決策，使其具備自動感知裝備和環境因素，并動態決策選取最優的波形參數和物理層安全主動防御技術實現動態跳變防御機制。如圖1 所示，它可更有效地對抗各種干擾、截獲、竊聽以及偽造等攻擊手段，提升復雜戰場環境下的可靠通信和抗截獲通信能力。

圖1 特征動態隱藏安全寬帶傳輸技術框架

2.2.1 星座置亂技術

傳統的數字調制中，每種調制方式均有標準的星座映射圖（如常見的采用Gray 碼映射方式的星座圖）。在現代無線通信中采用自動調制方式識別等技術，非常容易識別出調制方式、星座圖樣等信息。為此，采用星座置亂技術以擾亂標準星座映射，可一定程度提高通信系統傳輸的抗截獲能力。

星座置亂技術利用隨機序列對調制信號的相位和幅度進行隨機序列置亂[9]，發送端工作原理如圖2 所示，接收端則為發送端的逆處理。在加性高斯白噪聲（Additive White Gaussian Noise，AWGN）信道信噪比為8 dB 的情況下，接收端星座解擾前后如圖3 所示。通過星座置亂，在提升抗截獲能力的同時，系統的誤碼性能基本不受影響，傳輸速率也不會有損耗。如圖4 所示，QPSK 在星座置亂前后誤碼性能基本一致。

圖2 星座置亂發送端原理

圖3 QPSK 接收端星座置亂解擾前后星座圖

圖4 QPSK 在AWGN 信道下二維星座旋轉前后誤碼性能

2.2.2 OFDM 信號特征隱藏技術

寬帶通信通常會采用OFDM技術，但標準OFDM系統具有獨特的特征而容易導致信息的泄漏。物理層上的竊聽者容易利用這些特征進行信號捕獲、同步及傳輸數據的恢復。本文采用OFDM 信號CP 隨機化和頻率抖動技術，可有效消除OFDM 信號特有的二階循環平穩特征和譜線特征。

（1）OFDM 信號CP 隨機化技術[10]。與傳統的直接復制最后Ncp個時域符號的采樣值的CP 選擇處理不同，本方法中CP 選擇的區域由隨機序列進行控制，以正值隨機變量向下一個符號移動。為了進一步提高OFDM 系統的安全性，設計CP 長度也是隨機變化的，但須保證最小CP 時間大于多徑時延，保證所傳輸的OFDM 信號無符號間干擾，且小于OFDM 有效符號長度的1/4，最終會稍微提高系統復雜度。

（2）頻率抖動技術。引入頻率抖動使OFDM系統子載波間隔在一定范圍內波動。考慮到子載波間隔過小時會影響系統抗多普勒頻移和相位噪聲能力（通常OFDM 可容忍的多普勒頻移應小于子載波間隔的5%），為此假設節點最大移動速度為v、載頻為fc、子載波間隔為Δf時，載頻最大抖動范圍ε應滿足：

對上述方法進行仿真分析，OFDM 符號長度為64，CP 取1/4 的OFDM 符號長度，調制方式為QPSK。OFDM 符號經過CP 隨機化處理后，再進行頻率抖動處理，OFDM 信號新特征隱藏前后經平方處理后的頻譜如圖5 所示?？梢?，特征隱藏后譜線特征得到了有效消除。

圖5 OFDM 信號特征隱藏前后平方處理后的頻譜對比

2.2.3 無特征跳碼擴頻技術

直接序列擴頻通信采用“隱蔽”策略，發射功率譜很低，通?？梢匝蜎]在噪聲中，從而很難被發現，具有低截獲概率特性。但是，直接序列擴頻通信同時存在遠近效應敏感、用戶量受限以及碼型變換困難等缺點，影響了其實用性[11]。本文采用跳碼直擴技術，在常規直擴基礎上對擴頻碼字進行跳變，使系統具備部分類似跳頻的特征，并采用無特征混沌序列作為擴頻碼，擴大了直擴通信體制的應用范圍，提高了系統抗截獲能力。

（1）無特征混沌序列。傳統單一混沌映射雖然擁有良好的類隨機特性和相關性，且迭代公式簡單，工程上易于實現，但一維單級迭代映射結構簡單，生成的混沌序列復雜度不夠高，通過相空間重構、反向迭代等方法被破譯的可能性較大。為了實現信號隨機化設計，達到破壞波形信號的循環譜和周期平穩等信號特征，降低信號被檢測識別概率的目的，本文采用一種無特征的復合型混沌序列，利用多個不同初值的Logistic 映射合成一種無特征混沌序列，使得混沌序列的隨機性更強、復雜度更高，在高階累積量特性上無線接近高斯白噪聲，從而提升其抗檢測性能。復合型混沌序列原理如圖6所示。

圖6 無特征復合型混沌序列生成原理

通過分布直方圖對無特征混沌序列與單映射混沌序列的數值分布規律進行對比分析，如圖7 所示。可以看出，改進型Logistic 和Cubic 兩種單映射混沌序列的數值分布規律相似，呈現出兩邊高、中間窄的規律。此外，無特征混沌序列的數值分布規律與高斯分布相似，基于統計量的檢測手段無法將其與高斯白噪聲區分開來，具有較好的抗截獲性能。

圖7 3 種混沌序列的數值分布直方圖

在AWGN 信道下，對無特征混沌序列、單映射的改進型Logistic 混沌序列和m 序列作為擴頻序列的誤碼性能進行比較。3 種序列作為擴頻碼的誤碼性能大致相同，擴頻性能相當，如圖8 所示。

圖8 不同序列作為擴頻碼的擴頻系統的誤碼性能

（2）動態跳碼擴頻技術。跳碼擴頻技術作為傳統直接序列擴頻技術的一種延伸，通過偽碼跳變引入了跳碼增益，提高了系統的反偵查、低截獲和抗干擾性能。傳統的直擴信號能夠被截獲的根本原因是直擴信號是一個循環平穩信號，具有潛在的周期性，通過計算搜索此相關峰可以實現對信號的檢測。估計直擴碼是實施直擴相關干擾和高效還原直擴數據信息的前提條件。跳碼擴頻的直擴碼是一個時變的參數，其偽隨機變化進一步增加了識別直擴信號參數的難度，從單一固定的碼型發展到多個直擴碼型，且偽隨機跳變。跳碼擴頻原理如圖9 所示。

圖9 跳碼擴頻處理流程

跳碼圖案的產生可以參考跳頻圖案的產生，根據其使用的偽隨機序列的不同，有多種跳碼圖案產生方法，但都具備一個基本的物理模型。用公式描述跳碼圖案產生的過程為：

式中：Nccw為跳碼圖案；NL[·]為非線性運算；S(·)為偽碼序列的移位運算；TOD是實時時鐘（二進制表示）；PK是跳變控制序列，輸出的控制字用于控制直擴碼跳變。通過改變所采用的偽隨機碼序列和跳變控制序列PK，可以生成不同的跳碼圖案。

組成跳碼擴頻碼集的偽碼，根據不同的場合、不同的系統要求、不同的截獲環境，在碼類型、碼速率、碼長以及碼相位等方面進行不同組合，產生了不同的擴頻碼，大體上分15 種（見圖10）。不同的組合在低截獲、抗干擾性能上存在差異，所造成的系統復雜度和同步的難度也有所不同。

圖10 跳碼擴頻碼集總類

對跳碼擴頻的誤碼性能進行仿真分析，采用無特征混沌序列作為擴頻序列，產生256 組無特征混沌序列組成擴頻碼集，由偽隨機序列產生跳碼圖案。如圖11 所示，跳碼擴頻與傳統直擴在AWGN 信道下的性能相當，非合作方由于跳碼圖案未知，進行解跳解擴處理后的誤碼率大致為0.5。

圖11 跳碼擴頻與傳統直擴在AWGN 信道下的誤碼性能

為了驗證跳碼擴頻具有比固定碼型直擴優良的抗截獲特性，從擴頻碼估計進行分析。利用時域自相關法對傳統直擴信號和跳碼直擴信號進行仿真，結果如圖12 所示。對傳統直擴信號，當時延變量等于直擴信號碼長的整數倍時，自相關函數中出現周期性的峰值。對跳碼直擴信號，當直擴碼不相同長度相同時，則無法得到相關峰。雖然經過長時間的統計可對跳碼的碼長進行估計，但時效性和準確性已經大大降低。當跳碼碼集的直擴碼具有不同的長度時，這種方法很難準確得到多個直擴碼的碼長。

圖12 跳碼擴頻與傳統直擴時域自相關

2.2.4 安全糾錯編碼技術

物理層安全編碼本質上屬于信道編碼，但增加了保證私密信息安全傳輸的功能[12]。為提高系統抗截獲能力，保證私密信息安全且可靠傳輸，需要利用無線信道特征為安全編碼創造合法信道質量占優的條件并提高安全增益，同時需要與傳輸技術進行聯合設計以提升安全編碼效率和系統功率利用率。

本文以具有典型性和代表性的Turbo 碼為例進行安全編碼設計，通過對雙二元Turbo 碼中的可變參數或模式進行隨機化變動，以達到安全防護目的。設計原理如圖13 所示。

圖13 Turbo 安全編碼設計原理

為了分析其對雙二元Turbo 碼性能的影響，將此編碼方案的誤碼率與標準編碼的誤碼率進行比較。在AWGN 信道下，不同碼率下誤碼性能仿真結果如圖14 所示。

圖14 安全編碼與傳統編碼的性能比較

可以看出，安全糾錯編碼與經典糾錯編碼相比，1/3、1/2 碼率在誤碼率達到10-5量級時的糾錯性能非常接近，基本無損耗，能夠滿足系統對可靠性的要求。

圖15 給出了非法用戶和合法用戶在未知和已知算法下2/3 碼率時的誤碼性能，非法用戶誤碼率一直維持在50%左右的水平，無法正確譯碼，提升了非法用戶的破譯難度。

圖15 2/3 碼率下合法及非法用戶譯碼后誤碼率結果對比

3 結語

為提高無線通信系統的抗截獲安全傳輸能力，通過分析現有信號截獲理論和信號抗截獲理論基礎，針對傳統信號存在的脆弱性，提出了一種以物理層安全和動態可重構為基礎的特征動態隱藏的抗截獲安全寬帶傳輸技術，并分別對技術框架和各關鍵技術的通信性能、抗截獲性能等方面對進行驗證和分析。結果表明：通過動態重組物理層波形參數和物理層安全技術，可實現物理層信號的特征動態隱藏；物理層安全技術能夠一定程度上解決傳統物理層波形存在的脆弱性，提高通信系統的抗截獲能力，同時系統通信性能無明顯損耗[12]。

從本文的研究成果來看，物理層安全技術與現有智能化設備的有效結合，能夠有效提高戰術無線通信系統空口信號的抗檢測、抗截獲能力，從而為網電空間對抗