戰(zhàn)場QPSK通信系統(tǒng)干擾注入仿真研究

周瑞釗，王和明，劉俊杰，張大江

（空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，西安710051）

戰(zhàn)場QPSK通信系統(tǒng)干擾注入仿真研究

周瑞釗，王和明，劉俊杰，張大江

（空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，西安710051）

無線射頻干擾注入可對無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行干擾，甚至實現(xiàn)非授權(quán)接入實施網(wǎng)電攻擊。若捕獲敵方的通信協(xié)議，掌握其采用的通信模式，如何進(jìn)行干擾甚至將虛假的信息注入無線網(wǎng)絡(luò)，是實施網(wǎng)電攻擊的技術(shù)難點(diǎn)。針對指揮通信系統(tǒng)中的無線開放環(huán)節(jié)，基于軟件無線電技術(shù)，分析了戰(zhàn)場通信目標(biāo)信號系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，對編碼方式、信號帶寬、載波頻率、調(diào)制方式和調(diào)制滾降系數(shù)等主要參數(shù)進(jìn)行分析，在MATLAB/Simulink環(huán)境下建立QPSK數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)和射頻干擾注入系統(tǒng)模型，并且對關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，在不同干擾方式下，通信系統(tǒng)會受到較明顯的干擾，或者解調(diào)出與注入一致的干擾信息，達(dá)到了驗證設(shè)計的目的。

QPSK，射頻通信，網(wǎng)絡(luò)對抗，干擾注入

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，制信息權(quán)的獲取，對于交戰(zhàn)雙方來說，發(fā)揮著越來越重要的作用。為了爭奪信息優(yōu)先權(quán)，充分利用和控制電磁信息，敵對雙方研發(fā)各類先進(jìn)的電子對抗武器來保障自己信息通暢或者干擾攻擊對方電子通信設(shè)備［1-2］。

目前，最先進(jìn)的綜合電子戰(zhàn)裝備是美軍的“舒特”機(jī)載網(wǎng)電攻擊系統(tǒng)［3］。它實現(xiàn)攻擊的方式就是射頻注入技術(shù)。無線射頻干擾注入可對通信系統(tǒng)進(jìn)行干擾，甚至將虛假的信息注入到無線網(wǎng)絡(luò)以實施網(wǎng)絡(luò)對抗，其關(guān)鍵目標(biāo)就是各種開放的無線鏈路［4-5］。

射頻干擾注入的本質(zhì)，從通信對抗的角度來看，首先要對目標(biāo)信號進(jìn)行探測，進(jìn)而精確測向定位，其次是對目標(biāo)信號進(jìn)行解調(diào)、解碼以及解密，形成自己所需要注入信號的波形，并利用定向天線進(jìn)行發(fā)射；從通信的角度來看，就是與敵方“接收機(jī)”實現(xiàn)非協(xié)作通信，即在不干擾收發(fā)雙方正常通信的情況下，實現(xiàn)通信系統(tǒng)的非授權(quán)接入［6］。

北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室在信號注入的物理層上提出了自己的觀點(diǎn)，研究針對無線網(wǎng)絡(luò)的智能干擾技術(shù)［7］；國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)也對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的干擾攻擊關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究［8］。

1 戰(zhàn)場通信目標(biāo)信號系統(tǒng)技術(shù)分析

1.1發(fā)射功率分析

射頻干擾欲成功注入，必須使通信接收機(jī)認(rèn)為是己方的信號。接收機(jī)面臨的信號環(huán)境是多個信號、干擾與噪聲互相交疊的信號流，對接收而言除了目標(biāo)信號，其他信號都是干擾，所以進(jìn)入接收機(jī)的信號：

式中，si（t）表示進(jìn)入接收機(jī)的目標(biāo)信號，功率為Psi；ji（t）+ni（t）表示進(jìn)入接收機(jī)的干擾，其中ni（t）表示噪聲，具有相位或者頻率不相關(guān)的隨機(jī)特性，功率為Pni；ji（t）表示進(jìn)入接收機(jī)、除噪聲以外的所有干擾，功率為Pji。

進(jìn)入接收機(jī)的信號經(jīng)過處理后輸出信號：

式中，so（t）表示進(jìn)入接收機(jī)輸出的目標(biāo)信號，功率為Pso；jo（t）+no（t）表示輸出干擾，其中no（t）表示輸出噪聲，功率為Pno；jo（t）表示輸出所有干擾，功率為Pjo。

目標(biāo)信號si（t）進(jìn)入接收機(jī)后，其載噪比為：

其中已知參數(shù)有：波茲曼常量k，接收機(jī)等效溫度T（一般為定值），載波功率C，接收機(jī)的噪聲系數(shù)NF，噪聲功率密度N0，其他損失Lt；未知參數(shù)有：發(fā)射天線的天線增益Gt，接收天線的天線增益Gr；路徑傳播損耗Lb；信號帶寬B（通過偵測得到）。要確定發(fā)射功率Pt的大小，就要得到未知參數(shù)Gt、Gr、Lb和NF等，并根據(jù)輸入輸出信噪比和式（3）進(jìn)行推算。1.1.1天線增益（Gt、Gr）

通信的收發(fā)設(shè)備和射頻注入設(shè)備可以構(gòu)成如圖1所示的位置關(guān)系，三者的天線增益存在一定的方向關(guān)系。根據(jù)位置關(guān)系，收發(fā)平臺的分類，及其工作頻率，估算注入設(shè)備的發(fā)射天線增益和接收機(jī)的接收天線增益。本文研究對象是基于機(jī)載平臺，采用的是全向天線，可以判斷Gt和Gr的方向性。

1.1.2 路徑傳播損耗（Lb）

無線通信電波傳播過程中，路徑損耗表征電波傳播過程中路徑給電波傳播帶來的衰減，Lb的確定要根據(jù)具體的電波環(huán)境。一些通用的室外傳播模型包括：Longley-Rice模型、Durkin模型、Okumura模型和Hada模型等［9］。結(jié)合特定裝備具體參數(shù)，著重考慮VHF/UHF（30～3 000 MHz）地-地視距傳播。

自由空間是理想介質(zhì)，它不吸收電磁能量。自由空間路徑損耗隨傳播距離的增大，能量自然擴(kuò)散。自由空間路徑損耗Lf只與頻率f和傳播距離r有關(guān)，且［10］

如圖2所示，接收點(diǎn)的場強(qiáng)為：

將Δr帶入式（7），得接收點(diǎn)場強(qiáng)為：

其中，E1為直射波強(qiáng)，亦即為自由空間傳播時的場強(qiáng)E0值。地-地視距傳播時衰減因子為：

最終可得傳輸路徑損耗

1.1.3 帶寬噪聲（kTB）

帶寬噪聲的確定即式（3）中的kTB，分兩種情況進(jìn)行討論：第1種情況是通信的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)處于非通信狀態(tài)，射頻干擾注入設(shè)備代替發(fā)射機(jī)工作，與接收機(jī)的通信只需克服正常通信的熱噪聲和路徑傳播損耗，此時的噪聲即環(huán)境噪聲，帶寬噪聲=kTB；第2種情況是通信雙方正在進(jìn)行通信，射頻干擾注入設(shè)備作為第三方強(qiáng)行注入信號，對方欲接收信號，必須滿足注入設(shè)備的功率大于發(fā)射機(jī)功率，也就是說將發(fā)射機(jī)發(fā)送的信號當(dāng)作噪聲處理，此情況下：帶寬噪聲=kTB+發(fā)射機(jī)信號強(qiáng)度。

在確定天線增益、路徑傳播損耗、帶寬噪聲等參數(shù)的前提下，根據(jù)式（3）可以計算出射頻干擾注入的發(fā)射功率水平。

1.2 信號匹配分析

若要在物理層上成功進(jìn)行射頻干擾注入，就要求注入信號和裝備發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號格式匹配［11］，并根據(jù)對方接收機(jī)的解調(diào)器結(jié)構(gòu)，使注入信號與接收信號格式匹配，具體包括編碼方式、加密方式、調(diào)制方式、載波頻率、信號帶寬和調(diào)制速率滾降系數(shù)等。

1.2.1 編碼方式

這里的編碼方式主要指兩種形式：信源編碼，滿足傳輸系統(tǒng)特性要求的基帶傳輸碼型；信道編碼，滿足通信需求、對誤碼進(jìn)行檢糾錯、降低通信誤碼率，并對數(shù)字信號進(jìn)行的特殊處理。

（1）信源編碼

數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)一般是單極性的矩形脈沖信號（NRZ碼）。根據(jù)某型裝備的通信系統(tǒng)特點(diǎn)，以Manchester碼為例進(jìn)行分析，該碼在每個碼元的中心部位都發(fā)生電平跳變。

（2）信道編碼

根據(jù)某型裝備的通信系統(tǒng)特點(diǎn)，以卷積碼（n，k，N）為例進(jìn)行分析。卷積碼的一般結(jié)構(gòu)由輸入移位寄存器、模2加法器和輸出移位寄存器3部分組成。輸入移位寄存器共有N段，每段有k級，共Nk位寄存器，信息序列由此不斷輸入。

1.2.2 時序關(guān)系分析

發(fā)射機(jī)與接收機(jī)要正常通信必須嚴(yán)格按照時序來進(jìn)行。接收機(jī)要接收干擾注入信號，必須掌握對方的通信規(guī)程，最重要的是時序關(guān)系是否滿足。

以某型裝備的無線通信為例，其信息交換是半雙工的，即主站先發(fā)送信息，副站接收到信息后，向主站發(fā)送上一周期處理好的信息，這一段時間稱為一次信息交換周期。由于主站最多有8個通信方向，不論接入的副站是多少，其主站都要一次與8個通信方向進(jìn)行信息交換。

在一個通信方向上進(jìn)行一次信息交換主要含發(fā)送的兩個目標(biāo)指示信息和返回的狀態(tài)信息，其信息發(fā)送的時序嚴(yán)格按照上述過程進(jìn)行，訪問時間始終為1.08 s。由于每個需要6個目標(biāo)指示，因而上述的信息交換過程需要3次，約為3.24 s，這個時間也是由程序固化的。當(dāng)完成一個周期交換后，繼續(xù)進(jìn)行目標(biāo)指示并接收返回狀態(tài)信息，其信息交換時序如圖3所示。

發(fā)送時間和接收時間為定值，約為1.08 s/8，而信息間隔的長度又是可變的，通過補(bǔ)償時間可以使：數(shù)字信息碼+空閑時間=發(fā)送時間/接收時間。其中數(shù)字信息碼的組成由地址碼和計算機(jī)送來的數(shù)字信息組成，語音碼由地址碼和數(shù)字化的語音信息組成，信息字?jǐn)?shù)：2～175字，字長24位。其無線通信方式下的具體信息碼格式如下頁圖4所示。

其中，正向傳輸間隔共占用22個信息交換通道間隔時間，一個信息交換通道間隔為1.7 ms。一個信息交換通道間隔內(nèi)傳輸32位信息，一位信息的持續(xù)時間為52 us。

①同步信號串（T1）

為32位信息，占用一個信息交換通道間隔，由4個8位碼組（11100110）組成。

②信息轉(zhuǎn)換設(shè)備同步信號串（T2）

為64位信息，占用兩個信息交換通道間隔。該信號串由16位方波信息和48位同步碼組成。方波信息用于信息交換的脈沖同步，同步碼用于周期同步。

16位方波信息的碼組為（0101010101010101）；48位同步碼由A和B脈沖串構(gòu)成，A脈沖串的碼組為（0001101110101000010010111001111）31位，B脈沖串的碼組為（00110100100001010）17位。

③用戶地址（D）

32位的信息，占用一個信息交換通道間隔。用戶地址由檢查指令、地址碼和糾錯碼組成：

1P（位）：碼間邏輯位；

3P（位）：自主線路檢查指令；7～12P（位）：6位地址碼；

13～26P（位）：14位地址字；

27～32P（位）：為糾錯（冗余）碼信息。

④技術(shù)信息字（J）

正向傳輸間隔信息共包括18個32位的技術(shù)信息字。每個技術(shù)信息字分別占用一個信息交換通道間隔，其信息組成位相同。技術(shù)信息字的位組成為：

1P（位）：碼間隔邏輯位；

2～26P（位）：傳輸?shù)募夹g(shù)信息字的信息；

27～32P（位）：為糾錯（冗余）碼。

1.2.3 外部參數(shù)分析

外部參數(shù)主要指：信號帶寬、載波頻率、調(diào)制方式和調(diào)制滾降系數(shù)等。本文所述的干擾注入，是基于已經(jīng)成功偵察目標(biāo)信號參數(shù)，而這些參數(shù)的獲取，可以利用當(dāng)前的數(shù)字信號處理技術(shù)得到。

依據(jù)相關(guān)資料，查得某通信設(shè)備的信號帶寬、載波頻率等參數(shù)，其頻段在70 MHz～230 MHz，傳輸速率為11 500 b/s。調(diào)制滾降系數(shù)主要影響濾波器的帶寬，文獻(xiàn)［12］證明該系數(shù)誤差對系統(tǒng)的整體性能影響很小，因此，在進(jìn)行干擾注入中，可以不精確獲取其數(shù)值，假定一個合適的值，一般設(shè)為0.5。

干擾信號的注入關(guān)鍵之一是載波頻率要匹配，因此，必須事先獲取載波頻率，其次調(diào)制方式也要嚴(yán)格一致，以正交調(diào)制即四相位絕對移相鍵控（QPSK）分析。

2 干擾注入系統(tǒng)建模及仿真分析

2.1 QPSK數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)建模

根據(jù)QPSK調(diào)制解調(diào)的原理，以物理鏈路層各參數(shù)分析的結(jié)果為設(shè)計指標(biāo)，在MATLAB/Simulink環(huán)境下對該數(shù)字傳輸動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真。數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)仿真模型如下頁圖5所示，可以劃分為3個部分：發(fā)射機(jī)、傳輸信道、接收機(jī)。

發(fā)射機(jī)部分，主要為QPSK的調(diào)制電路。由Bernouli Binary模塊產(chǎn)生單極性二進(jìn)制信源，經(jīng)過Unipolar to Bipolar Converter轉(zhuǎn)換成雙極性波形；Buffer的作用是將數(shù)據(jù)碼元按幀輸出，此處設(shè)定幀大小為2，即信源每一組輸出有2個數(shù)據(jù)；Select Rows將數(shù)據(jù)流分成I、Q兩路，分別和載波sin ωt和cos ωt相乘完成調(diào)制，兩路合成后將信號發(fā)射出去，其中載波頻率設(shè)定為500 Hz。

傳輸信道部分，主要考慮噪聲的影響，選擇加性高斯白噪聲信道AWGN Channel。參數(shù)設(shè)定：模式為信噪比模塊SNR（dB），輸入信號的平均功率為1 w。另外根據(jù)不同的模擬環(huán)境，也可以選擇二進(jìn)制平衡信道、瑞利衰落信道和萊斯衰落信道。

接收機(jī)部分，主要為QPSK的解調(diào)電路，采用相干解調(diào)法。仿真時關(guān)鍵在于濾波器的設(shè)計，用FDA tool設(shè)計濾波器。在本模型中需要得到I、Q兩路原始信號，因此，需將高頻部分濾除。

由仿真結(jié)果可知，信源發(fā)送數(shù)據(jù)51個，錯誤解析2個，誤碼率只有0.039 2。隨著傳輸數(shù)據(jù)的增多，誤碼率進(jìn)一步減小，傳輸數(shù)據(jù)大于2 000時，誤碼率穩(wěn)定在0.001左右，解調(diào)出的波形和原始數(shù)據(jù)對比如下頁圖6所示。

2.2 QPSK頻帶傳輸系統(tǒng)干擾注入仿真

文獻(xiàn)［13］介紹了3種基于QPSK的信號干擾源的設(shè)計方法，文獻(xiàn)［14］對這些干擾設(shè)計進(jìn)行了優(yōu)劣性的討論。結(jié)合前人研究和設(shè)計結(jié)果，在MATLAB/Simulink環(huán)境下對干擾注入進(jìn)行仿真建模，模型的整體框圖如圖7所示。圖7中左側(cè)框圖內(nèi)為圖5所示的QPSK頻帶傳輸系統(tǒng)，為了便于顯示，創(chuàng)建子系統(tǒng)（Create Subsystem）取代原來復(fù)雜的發(fā)射模塊和接收模塊。右側(cè)框圖則為干擾注入源：jammer1-dy為單音干擾系統(tǒng)、jammer2-lxzs為連續(xù)噪聲干擾系統(tǒng)、jammer3-zxx為指向性干擾系統(tǒng)。根據(jù)需要，在不同的環(huán)境下，分別進(jìn)行3種分類的注入式干擾。

2.2.1 連續(xù)噪聲干擾建模

連續(xù)噪聲源選擇Simulink中的Gaussian Noise Generator模塊，產(chǎn)生離散高斯白噪聲。jammer2-lxzs內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下頁圖8所示，將高斯白噪聲分I、Q兩路調(diào)制到發(fā)射頻率上，然后相加合成為一路信號輸出，另外增加增益Gain模塊，調(diào)節(jié)輸出功率。

現(xiàn)將連續(xù)噪聲干擾源接入通信鏈路中，運(yùn)行觀察仿真結(jié)果，如下頁圖9所示，在發(fā)送信源個數(shù)相同時，系統(tǒng)誤碼率達(dá)到0.414 3。

2.2.2 單音干擾建模

在單音干擾建模中，為了直觀地觀察輸出干擾結(jié)果，此處選擇Pulse Generator作為干擾源，如果需要特定的干擾序列，可以用S函數(shù)編寫來獲取。jammer1-dy的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖10所示，將干擾源信息調(diào)制到I、Q兩路，輸出一路信號對其進(jìn)行干擾，此處也增加Gain模塊，用來模擬功率輸出的大小。

同樣將單音干擾源接入通信鏈路，運(yùn)行觀察仿真結(jié)果可以得到在發(fā)送信源個數(shù)2 001時，系統(tǒng)誤碼率達(dá)到0.482 3，如圖11所示。

2.2.3 指向性干擾建模

指向性干擾是射頻注入的關(guān)鍵性仿真建模，它的實際內(nèi)涵和目的，是在掌握對方的通信模式、機(jī)制和原理，制造一樣或者類似的發(fā)射機(jī)，發(fā)射出我方欲讓敵方接收的錯誤信息，以達(dá)到以假亂真的效果。如圖12所示。

同樣將指向性干擾源接入通信鏈路，運(yùn)行觀察仿真結(jié)果可以得到在發(fā)送信源個數(shù)2 001時，系統(tǒng)誤碼率達(dá)到0.517 7，如下頁圖13所示。

僅僅將系統(tǒng)的誤碼率提高并不是指向性干擾的單一目的，更重要的是能否將我方所需要的信息成功注入通信設(shè)備，為了方便觀察本文選擇方波脈沖序列“0101…”來進(jìn)行對比，由圖14所示，系統(tǒng)解調(diào)出的信息與指向性干擾注入的信息一致，達(dá)到最初設(shè)計目的。

2.3 QPSK干擾仿真結(jié)果分析

這里所分析的干擾注入效果按照射頻注入信號類型分為兩個標(biāo)準(zhǔn)，如果注入的信號是篡改類型，評估標(biāo)準(zhǔn)是接收機(jī)解調(diào)的信息是否和篡改后信息一致。如果所注入的是干擾信號，其評估標(biāo)準(zhǔn)就是系統(tǒng)接收機(jī)的誤碼率，誤碼率越高說明注入信號干擾越有效，反之則說明注入效果不理想。

上述的3種建模中，都使用了Gain模塊，通過實驗仿真可以得到，當(dāng)Gain的數(shù)值大于原通信系統(tǒng)的Gain值，誤碼率會進(jìn)一步增大，但也不會無限制地增大，當(dāng)達(dá)到臨界值時（注入機(jī)大于發(fā)射機(jī)3 dB），誤碼率保持穩(wěn)定。

3 結(jié)論

本文主要針對射頻干擾注入系統(tǒng)，在理論上進(jìn)行建模與仿真，解決了在硬件實現(xiàn)前的系統(tǒng)仿真問題，驗證了干擾注入方案的可行性和有效性。實驗仿真結(jié)果表明，當(dāng)輸出功率較小時，連續(xù)噪聲干擾效果最佳；當(dāng)輸出功率大于1 W時，連續(xù)噪聲干擾和指向性干擾效果好于單音干擾；當(dāng)輸出功率超過2.7 W時，指向性干擾最佳。因此，要靈活在干擾端選擇最優(yōu)干擾，來實現(xiàn)最佳射頻干擾注入的效果。

如何基于FPGA實現(xiàn)QPSK全數(shù)字調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，構(gòu)造無線射頻干擾注入的半實物仿真系統(tǒng)以及硬件實現(xiàn)，是下一步的主要工作。

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Simulation Research on Jamming Injection of QPSK Communication System in Battlefield

ZHOU Rui-zhao，WANG He-ming，LIU Jun-jie，ZHANG Da-jiang
（School of Air and Missile Defense，Air Force Engineering University，Xi’an 710051，China）

Wireless RF jamming injection is used to jam wireless communication network system. It can implement cyber attack，even by unauthorized access.If the enemy’s communication protocol was captured and the communication mode was mastered，the technical difficulties of achieving cyber attack is how to jam and inject the inaccurate information into the wireless network.According to the weak link of open wireless on Command Communication System，a wireless RF jamming injection basic model framework is constructed based on Software Defined Radio（SDR）technologies.The main parameters of encoded mode，signal bandwidth，carrier frequency，modulation type and rolloff-factor are analyzed.The QPSK digital frequency band transmission system and RF jamming injection system are constructed in MATLAB/Simulink environment，and the critical nodes are simulated.Simulation results show that the system will be jammed obviously and the demodulated information is consistent with injected information in different jamming ways.The purpose of the design is verified.

QPSK，RF communication，network countermeasure，jamming injection

TN978

A

1002-0640（2017）01-0174-07

2015-11-25

2016-03-28

周瑞釗（1991-），男，陜西寶雞人，碩士研究生。研究方向：微電子技術(shù)在武器系統(tǒng)中的應(yīng)用。