基于干擾消除和跟蹤同步的靈巧干擾技術(shù)研究*

張 杰,馬東堂

(國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙410073)

基于干擾消除和跟蹤同步的靈巧干擾技術(shù)研究*

張 杰,馬東堂

(國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙410073)

根據(jù)數(shù)字通信中靈巧干擾的基本思想,針對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)周期同步序列的靈巧干擾進(jìn)行了研究。提出了一種基于干擾消除及跟蹤同步序列的靈巧干擾方案,干擾方發(fā)送干擾序列對(duì)原始信號(hào)中的同步序列進(jìn)行跟蹤并干擾。同時(shí)為了確保干擾方對(duì)原始信號(hào)中的同步序列的準(zhǔn)確跟蹤,干擾方需要對(duì)混合信號(hào)進(jìn)行干擾信號(hào)恢復(fù)和消除操作。仿真結(jié)果表明,相比于傳統(tǒng)壓制式干擾,提出的靈巧干擾方案能夠以更小的代價(jià)獲得更好的干擾效果。

衛(wèi)星通信 同步序列 靈巧干擾 干擾消除

0 引 言

目前針對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的干擾手段,仍停留在傳統(tǒng)的通信干擾方法上,主要是以大功率壓制來(lái)破壞其通信[1]。一般來(lái)說(shuō),傳統(tǒng)的最佳干擾方案是發(fā)送一個(gè)與有用信號(hào)同頻率的干擾信號(hào),干擾強(qiáng)度必須等于或高于有用信號(hào)的強(qiáng)度,雖然實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單但是效率低下,已無(wú)法滿(mǎn)足通信對(duì)抗發(fā)展的需要?；谛l(wèi)星通信干擾的發(fā)展趨勢(shì)和現(xiàn)實(shí)需求,開(kāi)展能夠擾亂和破壞衛(wèi)星通信的靈巧干擾技術(shù)研究已成為當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)。

傳統(tǒng)最佳干擾[2]的基本原則是干擾信號(hào)在時(shí)域、頻域、空域等多維空間上覆蓋壓制通信信號(hào)。傳統(tǒng)最佳干擾針對(duì)的是整個(gè)通信系統(tǒng),而忽略了通信的過(guò)程性特征,即通信的時(shí)變性特征,以及通信中的關(guān)鍵過(guò)程,比如導(dǎo)頻信號(hào)、同步引導(dǎo)、幀同步、訓(xùn)練序列等過(guò)程,這些過(guò)程對(duì)通信起到了至關(guān)重要的作用,針對(duì)他們進(jìn)行干擾,能起到事半功倍的效果?？紤]通信過(guò)程的干擾是對(duì)傳統(tǒng)最佳干擾的擴(kuò)展,靈巧干擾就是這樣一種引入了過(guò)程空間的新型干擾策略[3]。

本文針對(duì)上行發(fā)送信號(hào)具有周期同步幀結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星通信系統(tǒng),利用其信號(hào)結(jié)構(gòu)特性采用針對(duì)同步序列進(jìn)行的靈巧干擾方案,提出了一種基于干擾消除及跟蹤同步序列的靈巧干擾方案,仿真結(jié)果表明相比于傳統(tǒng)壓制式干擾方案,該靈巧干擾方案能以更小的代價(jià)獲得更好的干擾性能。

1 同步序列干擾原理

在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中,為了快速有效地恢復(fù)原始信號(hào),發(fā)送端通常在發(fā)送信號(hào)特定的位置插入一段特殊的同步序列。在周期同步序列的幫助下,接收端能夠使信號(hào)同步并估計(jì)信道參數(shù)。這樣可以使得整個(gè)通信系統(tǒng)抵抗外界不利因素,從而獲得更好的系統(tǒng)性能。其幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 具有周期同步序列的幀結(jié)構(gòu)Fig.1 Frame structure with periodic synchronization sequence

數(shù)據(jù)幀的同步頭序列一般采用自相關(guān)性較好的序列,比如巴克碼、PN序列等。接收端利用同步序列的相關(guān)性,通過(guò)滑動(dòng)相關(guān)法[4]搜索碼相位,確定數(shù)據(jù)幀的起始位置。同步搜索原理圖如圖2所示。

圖2 同步模塊原理Fig.2 Schematic diagram of synchronization model

接收信號(hào)表達(dá)式為:

式中,s(t)是帶有同步頭的發(fā)送信號(hào),nnoise(t)為零均值的加性高斯白噪聲。將r(t)進(jìn)行解調(diào)得到碼元序列r(n),然后與本地偽隨機(jī)序列c(n)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,假設(shè)同步序列的長(zhǎng)度為N,則運(yùn)算結(jié)果表示為

式中,m表示同步序列與本地序列之間的碼相位差,而發(fā)送信號(hào)s(n)中的前N個(gè)碼元為幀同步頭,即同步序列c(n),則當(dāng)m=0時(shí),

由于nnoise(n)是零均值高斯白噪聲序列,與本地偽隨機(jī)序列c(n)相乘后均值為0。而同步序列與本地序列相位同步時(shí),相關(guān)函數(shù)出現(xiàn)峰值,通過(guò)門(mén)限判決后,認(rèn)為同步序列捕獲成功。

當(dāng)系統(tǒng)中存在人為干擾時(shí),接收信號(hào)表達(dá)式變?yōu)?/p>

式中njam(t)表示干擾信號(hào)。經(jīng)過(guò)解調(diào),且當(dāng)同步序列和本地序列相位同步時(shí),即m=0時(shí),接收序列與本地序列的相關(guān)函數(shù)表示為

同式(3),噪聲nnoise(n)與本地偽隨機(jī)序列c(n)相乘后均值為0。但是干擾信號(hào)njam(n)與c(n)相乘項(xiàng)為非零值,njam(n)的存在影響了接收端對(duì)相關(guān)峰值的正確判斷,從而干擾了同步系統(tǒng)的正常工作。

2 靈巧干擾的設(shè)計(jì)

針對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)上行鏈路信號(hào)進(jìn)行靈巧干擾設(shè)計(jì),衛(wèi)星通信系統(tǒng)上行鏈路干擾示意圖如圖3所示。采用地基干擾方式(地面固定、車(chē)載或艦載等地面干擾站),干擾方首先要截獲地面站發(fā)出的上行通信信號(hào)進(jìn)行分析,而后對(duì)衛(wèi)星實(shí)施干擾,以破壞其正常通信。但是由于在地面直接偵收衛(wèi)星上行信號(hào)是相當(dāng)困難的,通常是當(dāng)衛(wèi)星通信接收到上行信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)時(shí),干擾方通過(guò)偵收下行信號(hào)來(lái)確定上行信號(hào)的參數(shù)。在存在干擾時(shí),衛(wèi)星將接收到由有用信號(hào)和干擾站發(fā)送的干擾信號(hào)組成的混合信號(hào)。該混合信號(hào)被衛(wèi)星進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),干擾站和地面接收站都將接收到該混合信號(hào),并用于后續(xù)的信號(hào)處理。

圖3 衛(wèi)星上行鏈路干擾示意Fig.3 Sketch map of jamming in the uplink of satellite

2.1 針對(duì)同步序列的靈巧干擾方案

在圖3中的上行鏈路干擾中考慮針對(duì)同步序列的靈巧干擾的基本思路[5-6]為:首先地面干擾站接收到下行信號(hào)并完成同步后,找到上行發(fā)送信號(hào)中的同步序列位置;然后通過(guò)反饋調(diào)整發(fā)送干擾脈沖。同步序列和干擾脈沖在時(shí)域上相互重疊,使得地面接收端不能從下行混合信號(hào)中分離出目標(biāo)信號(hào)。該靈巧干擾過(guò)程如圖4所示。

圖4 針對(duì)上行信號(hào)同步序列的靈巧干擾Fig.4 Smart jamming aiming at the synchronization sequence of uplink signal

在上述干擾過(guò)程中,一旦干擾站發(fā)送出干擾脈沖,使得上行信號(hào)中的同步序列被有效干擾后,在往后的通信中,干擾站同樣無(wú)法找到并恢復(fù)出同步序列,從而不能產(chǎn)生正常的反饋信號(hào)來(lái)調(diào)整干擾脈沖的發(fā)送時(shí)間。因此,一般利用連續(xù)幀結(jié)構(gòu)的周期特性來(lái)決定干擾上行信號(hào)的恰當(dāng)時(shí)刻。但是由于估計(jì)誤差的存在,如果幀周期估計(jì)值不準(zhǔn)確,便會(huì)導(dǎo)致干擾方在某一次成功干擾之后,將失去同步,不得不從頭開(kāi)始搜索幀結(jié)構(gòu)中的同步序列。

為了進(jìn)一步分析幀周期估計(jì)誤差的影響,我們假設(shè)上行站和干擾站之間的時(shí)鐘偏差為δppm,同步序列的長(zhǎng)度為L(zhǎng)enSyn,干擾脈沖的長(zhǎng)度為L(zhǎng),原信號(hào)的符號(hào)速率為RMbps。通過(guò)定義,每δ×106個(gè)采樣中將有一個(gè)采樣偏差。不失一般性,我們忽略其他信號(hào)過(guò)程,比如前向數(shù)據(jù)糾錯(cuò)(FEC)。假設(shè)L＞Len-Syn,即同步序列可以被干擾脈沖完全覆蓋。如圖5所示,在該干擾方案中,一旦累積偏差達(dá)到L-Len-Syn個(gè)符號(hào),干擾站將失去對(duì)同步序列的同步,即不能完全覆蓋同步序列。則在干擾失同步之前最大持續(xù)時(shí)間為

圖5 干擾站失同步示意Fig.5 Sketch map of jamming-station desynchronization

圖6 干擾失同步前最大持續(xù)時(shí)間理論值Fig.6 Theoretical value of maximum duration before jamming desynchronization

圖6表示在不同符號(hào)速率和不同數(shù)據(jù)時(shí)鐘偏差下,干擾失同步前最大持續(xù)時(shí)間的理論上限值。從圖中可以看出,即使數(shù)據(jù)時(shí)鐘偏差低于15 ppm時(shí),干擾者也只能保持少于2 s的同步時(shí)間。很容易使得干擾站與上行信號(hào)中的同步序列失去同步。因此,下面進(jìn)一步提出一種基于跟蹤的靈巧干擾方案來(lái)解決這個(gè)失同步問(wèn)題。

2.2 基于跟蹤的靈巧干擾方案

根據(jù)對(duì)上述靈巧干擾方案的分析,干擾者只是在初始階段與上行信號(hào)中的同步序列同步,一旦干擾信號(hào)被發(fā)送并與同步序列達(dá)到精確同步,干擾站將會(huì)失去同步,只能利用上行信號(hào)的幀結(jié)構(gòu)周期特性來(lái)完成下一步干擾操作。這表明整個(gè)系統(tǒng)并不是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng),而且是不穩(wěn)定的,這將導(dǎo)致不完全和不準(zhǔn)確的干擾,從而使得用戶(hù)端有可能正確解調(diào)并恢復(fù)出原始信號(hào)。

為了避免這種可能性的出現(xiàn),我們必須保證干擾站總是與上行站處于同步狀態(tài),這樣才能準(zhǔn)確估計(jì)所有參數(shù)以制造正確地干擾時(shí)機(jī),確保用戶(hù)端不能準(zhǔn)確捕捉同步序列。

因此,我們對(duì)上面設(shè)計(jì)的靈巧干擾方案進(jìn)行改進(jìn)。在改進(jìn)方案中,干擾站不再利用幀周期的估計(jì)值來(lái)決定干擾脈沖的發(fā)送時(shí)刻,而是從下行混合信號(hào)中恢復(fù)并消除已知的干擾序列,進(jìn)而有效地恢復(fù)具有同步序列的上行原始信號(hào)進(jìn)行跟蹤以時(shí)刻與上行信號(hào)保持同步[5]。改進(jìn)的干擾方案結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

圖7 基于跟蹤的靈巧干擾方案Fig.7 Track-based smart jamming scheme

如圖7所示,與之前的干擾方案相比,改進(jìn)后的靈巧干擾方案在干擾方增加了一個(gè)恢復(fù)并消除干擾序列的步驟:首先,干擾站根據(jù)匹配濾波器,估計(jì)出衛(wèi)星到干擾站之間的信道響應(yīng)參數(shù),包括幅度、相位和信道的傳送時(shí)延;然后通過(guò)估計(jì)到的信道參數(shù)來(lái)恢復(fù)出干擾信號(hào);之后從混合信號(hào)中移除干擾信號(hào),從而使干擾站能夠保持對(duì)上行原始信號(hào)的同步跟蹤。

根據(jù)改進(jìn)方案中干擾站對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行消除,可以將干擾站對(duì)上行原始信號(hào)的同步概率提高到100%,從而使得干擾站精確計(jì)算出原始信號(hào)中同步序列的位置。因此,干擾信號(hào)處理環(huán)路是收斂的,能夠使得干擾站與上行站始終處于同步狀態(tài),進(jìn)而使得用戶(hù)端被干擾序列完全干擾,避免了用戶(hù)端完成同步過(guò)程。

3 仿真結(jié)果與分析

首先,我們仿真干擾站進(jìn)行的干擾消除對(duì)同步跟蹤的影響。假設(shè)上行發(fā)送信號(hào)為S,針對(duì)同步序列的靈巧干擾信號(hào)為I,高斯白噪聲為N,則干擾站接收到的混合信號(hào)為

干擾站估計(jì)并恢復(fù)出的干擾信號(hào)為αejθ·I,其中α和θ分別是干擾信號(hào)幅度和相位的估計(jì)值。因此,干擾站移除估計(jì)到的干擾信號(hào)后,實(shí)際用來(lái)進(jìn)行跟蹤的信號(hào)為

仿真中,我們只考慮幅度α估計(jì)誤差的影響而不考慮相位θ的估計(jì)誤差,干擾信號(hào)采用15位的m序列,信干比SIR設(shè)為-6 dB。仿真結(jié)果如圖8所示。結(jié)果表明,顯然地,干擾信號(hào)估計(jì)的越準(zhǔn)確(即α的值越大),對(duì)同步跟蹤的性能就越好。從圖中還可以看出干擾信號(hào)對(duì)其他接收者的影響,當(dāng)α=0時(shí),即在干擾信號(hào)完全沒(méi)有消除掉的情況下,在信噪比SNR大于4 dB之后,出現(xiàn)了誤碼平層的現(xiàn)象,說(shuō)明該干擾對(duì)其他接收者的干擾效果顯著。

圖8 干擾消除的影響Fig.8 Influence of interference cancellation

然后,我們仿真比較所提出的靈巧干擾方案與幾種常見(jiàn)的傳統(tǒng)壓制式干擾方案的干擾效果。在仿真中,我們采用11位的巴克碼作為幀同步序列,而干擾序列采用15位m序列,信噪比SNR設(shè)為6 dB。仿真結(jié)果如圖9所示。由圖可得,與傳統(tǒng)壓制式干擾相比,本文設(shè)計(jì)的針對(duì)同步序列的靈巧干擾的干擾效果最好。即使與最有效的傳統(tǒng)的全頻段噪聲干擾相比,在干擾效果相同的情況下,提出的靈巧干擾的干擾功率損耗要低于全頻段噪聲干擾的6～8 dB。

圖9 不同干擾方案誤碼率曲線(xiàn)Fig.9 BER curve of different interference scheme

4 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)數(shù)字通信中靈巧干擾設(shè)計(jì)的基本思想,針對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的周期同步序列提出了一種基于干擾消除及跟蹤同步的靈巧干擾方案。在干擾方,對(duì)已知的干擾信號(hào)進(jìn)行參數(shù)估計(jì),并進(jìn)行恢復(fù)和消除,因此,干擾方能夠始終對(duì)幾乎未受干擾的原始信號(hào)中的同步序列進(jìn)行跟蹤并干擾。仿真結(jié)果表明,由于同步序列的長(zhǎng)度要比數(shù)據(jù)長(zhǎng)度小的多,因此干擾信號(hào)發(fā)送功率也會(huì)大大減小,且同步過(guò)程在整個(gè)通信中起到至關(guān)重要的作用,從而相比于傳統(tǒng)壓制式干擾,采用文中提出的跟蹤同步序列的靈巧干擾方案,能夠以更低的功率消耗獲得更好的干擾效果。

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ZHANG Jie(1990-),female,graduate student,mainly engaged in satellite communication and physical layer security.

馬東堂(1969—),男,博士,教授,主要研究方向?yàn)閷拵ㄐ排c網(wǎng)絡(luò)、物理層安全與量子光通信。

MA Dong-tang(1969-),male,Ph.D.,professor,mainly engaged in broadband communication and network,physical layer security and quantum optical communication.

Smart Jamming Technology based on Jamming Cancellation and Tracking Synchronization Sequence

ZHANG Jie,MA Dong-tang
(School of Electronic Science&Engineering,National University of Defense Technology,Changsha Hunan 410073,China)

In accordance with the basic idea of smart jamming in digital communication,the smart jamming aiming at the periodic synchronization sequence in satellite communication system is discussed,and a smart jamming scheme based on jamming cancellation and tracking synchronization sequence proposed.The interference sequence transmitted by the jammer,is used to track and interfere with the synchronization sequence in the original signal.Meanwhile,in order to guarantee the exact tracking of synchronization sequence in the original signal,the jammer needs to implement recovery and cancellation of the interference sequence and in the mixed signal.Simulation results show that as compared with the traditional blanket jamming,the proposed smart jamming scheme can achieve much better interferential effect at a fairly low cost.

satellite communication,synchronization sequence,smart jamming,jamming cancellation

TN92

A

1002-0802(2014)10-1139-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.10.007

張 杰(1990—),女,碩士研究生,主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信、物理層安全;

2014-08-15;

2014-09-15 Received date：2014-08-15;Revised date：2014-09-15