一種基于擴頻序列加權(quán)的干擾抑制跳空物理層安全通信系統(tǒng)

郭志軍， 董國英， 洪 濤， 趙偉杰

(1.上海無線電設(shè)備研究所， 上海 200090； 3.南京郵電大學(xué)， 江蘇 南京 210023)

0 引言

隨著無線通信技術(shù)在不同行業(yè)中的廣泛應(yīng)用，通信信息的安全性和私密性問題越來越受到人們的關(guān)注。基于上層加密的傳統(tǒng)解決方案逐漸受限于敵對方計算能力的加強和Ad-hoc等無中心網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，在物理層利用無線通信系統(tǒng)固有的特征來解決通信信息的安全性成為近年來新的研究熱點[1-3]。

基于多天線收發(fā)方式的物理層安全通信技術(shù)利用多天線發(fā)射提供的空間冗余度和陣列冗余度，在犧牲多天線無線通信系統(tǒng)信道容量的代價下?lián)Q取發(fā)射信號安全性能的提升。這個研究方向主要分為兩種發(fā)射方式：MIMO發(fā)射方式和陣列發(fā)射方式。MIMO方式中主要利用多收發(fā)天線信道信息之間的不相關(guān)特性確保通信信息在物理層的安全傳輸。

在實際的電子對抗環(huán)境中，物理層主要使用擴頻技術(shù)和波束形成技術(shù)確保通信信息的安全性能。擴頻技術(shù)多采用直序擴頻、跳頻或兩者相結(jié)合的混合擴頻方式防止敵對方的竊聽和干擾，擴頻技術(shù)的安全性能取決于使用擴頻碼的安全性能，一旦竊聽方獲得通信雙方使用擴頻序列的先驗知識，同樣可以解調(diào)出通信信息。因此，研究者們嘗試結(jié)合迅速發(fā)展的多天線物理層安全通信技術(shù)和傳統(tǒng)的擴頻安全通信技術(shù)兩者的優(yōu)點。本文根據(jù)擴頻序列對于干擾信號的頻譜擴展調(diào)制特性，提出了一種基于擴頻序列的加權(quán)跳空發(fā)射方案，發(fā)射機加權(quán)系數(shù)和跳空圖案不僅與收發(fā)天線之間的信道信息相關(guān)，而且與通信雙發(fā)約定的擴頻序列有關(guān)，使得發(fā)射的跳空擴頻信號具有一定的抗干擾容限。這種跳空物理層安全通信信號，結(jié)合了多天線收發(fā)物理層安全通信技術(shù)與傳統(tǒng)擴頻技術(shù)的安全性能優(yōu)點，是一種更具有現(xiàn)實意義的跳空物理層安全通信技術(shù)。

1 系統(tǒng)模

圖1中給出了基于分布式多天線跳空收發(fā)方式的物理層安全通信系統(tǒng)模型[1-4]。A和B為我方通信雙方，E為敵方監(jiān)聽方。

發(fā)射機A配備G個發(fā)射天線，期望接收機B配備K個接收天線，敵對方竊聽接收機E配備L個接收天線。跳空收發(fā)物理層安全通信的基本過程：

首先，期望用戶B依次切換天線向發(fā)射機A發(fā)送訓(xùn)練序列，A通過接收到的信號估計出收發(fā)天線之間的信道信息HBA，根據(jù)信道的互易性，A與B之間的信道信息HAB可以表示為

(1)

其次，A將信道信息安全反饋給B，期望接收機B根據(jù)信道信息分別設(shè)置對應(yīng)天線的加權(quán)系數(shù)，加權(quán)系數(shù)與信道信息之間的關(guān)系為

(2)

式中：g=1,…,G表示A的第g個發(fā)射天線，k=1,…,K表示B的第k個接收天線。最后，收發(fā)雙方根據(jù)預(yù)先約定額跳空圖案依次切換天線收發(fā)信號，圖2給出了當(dāng)發(fā)送天線數(shù)J=4接收天線數(shù)K=2時，一個調(diào)制符號周期內(nèi)T的天線跳空圖案示意圖，一個符號周期內(nèi)A切換天線發(fā)射信號，B利用高斯白噪聲與發(fā)射符號之間的獨立性累積相關(guān)接收信號，具有一定的累積增益。

上述的跳空跳空物理層安全通信系統(tǒng)與傳統(tǒng)的跳頻系統(tǒng)的區(qū)別：跳頻通信系統(tǒng)收發(fā)雙方必須按照跳頻圖案收發(fā)信號才能正確傳輸信息，但竊聽方只要掌握了跳頻圖案同樣可以解調(diào)接收的信號，也就是跳頻圖案是跳頻技術(shù)唯一的安全保障；而跳空物理層安全通信系統(tǒng)的安全性能不僅與跳空圖案相關(guān)，還利用了收發(fā)雙方的無線信道信息。由于期望用戶與竊聽用戶地理位置的差別導(dǎo)致無線信道的空域特性存在一定的差異，從而確保了通信信息在物理層的安全傳輸。此外，A天線快速切換的發(fā)射方式，不僅擴展了發(fā)射信號的空譜，提高了接收端的累積增益，而且使發(fā)射信號的空譜隨時間快速變化防止信息被竊聽方截獲，這樣即使公開了通信雙方的預(yù)定的跳空圖案，也能確保信息的安全傳輸。但在實際的電子對抗環(huán)境中，敵對方的目的不僅僅是竊聽我方通信信息，還會發(fā)射干擾信號干擾我方的正常通信。文中的加權(quán)設(shè)計方案只能對于高斯白噪聲有一定的累積增益[5-12]，而在敵對方放射干擾信號時期望接收機也無法正常接收信號。此外，在通信過程(2)中A反饋信道信息同樣存在被竊聽方竊取的可能，E可以利用竊取的A與B之間的信道信息和竊聽接收機盲估計出的自身與A之間的信道信息綜合設(shè)計加權(quán)系數(shù)竊聽通信信息[13]。因此，本文在下一小節(jié)中提出了一種基于擴頻序列的預(yù)加權(quán)跳空物理層安全通信方案，利用擴頻序列對于干擾信號的頻帶擴展特性，提升期望接收機在復(fù)雜的電子對抗環(huán)境中的抗干擾性能。

2 干擾抑制加權(quán)系數(shù)設(shè)計方案

本文提出一種基于擴頻序列的跳空設(shè)計方案，系統(tǒng)框圖如圖3所示。

發(fā)射發(fā)射機A配備G個發(fā)射天線，g=1,…,G表示A的第g個發(fā)射天線，對應(yīng)的發(fā)射加權(quán)系數(shù)用wTr,g表示。期望接收機B配備K個接收天線，k=1,…,K表示B的第k個接收天線，對應(yīng)的接收加權(quán)系數(shù)用wRe,g表示。竊聽接收機E配備L個竊聽接收天線，l=1,…,L表示E的第l個接收天線，對應(yīng)的接收加權(quán)系數(shù)用wEr,g表示，竊聽接收天線可以采用自干擾消除陣列在竊聽通信信息的同時，發(fā)射干擾信號干擾期望接收機的正常通信(發(fā)射的干擾信號對于E自身的竊聽不產(chǎn)生任何影響)。系統(tǒng)的通信過程表述如下：期望用戶B依次切換天線向發(fā)射機A發(fā)送訓(xùn)練序列，A根據(jù)接收到的信號估計出收發(fā)天線之間的信道信息HBA。根據(jù)信道的互易性，A與B之間的信道信息HAB可以用式(1)表示，A與E之間的信道信息用UAE為

(3)

(4)

因此，本文提出的加權(quán)方案中直接采用發(fā)射端A預(yù)加權(quán)的方式，A預(yù)加權(quán)系數(shù)不僅與跳空圖案對應(yīng)的收發(fā)天線信道信息相關(guān)，而且與通信雙方約定的擴頻序列相關(guān)。設(shè)計加權(quán)為

(5)

式中：cm(g，k)表示發(fā)射端第g個天線發(fā)射接收端第k個天線接收對應(yīng)權(quán)系數(shù)使用的擴頻碼片；m=1,…,M表示擴頻序列中第m個碼片；M表示使用的擴頻序列周期。從式(5)可以看出發(fā)射信號的安全性能由跳空圖案、收發(fā)天線間的信道信息和使用的擴頻序列共同決定，并且這種基于擴頻碼加權(quán)的方法，對于竊聽接收機發(fā)射干擾信號的情況下具有一定的抗干擾容限，更適應(yīng)復(fù)雜的電子對抗環(huán)境。圖4給出了一個調(diào)制符號周期T內(nèi)，當(dāng)擴頻序列周期M=7時跳空圖案的示意圖，第一個擴頻碼片c1對于的收發(fā)天線序號g=1，k=1和信道信息h11。以此類推，第七個擴頻碼片c7對于的收發(fā)天線序號g=5，k=1和信道信息。

根據(jù)上述的發(fā)射方案期望接收機和竊聽接收機接收信號可以分別表示為

rg,k(n)=hg,kwTr,gcms(n)+νB+JE

(6)

rg,l(n)=hg,lwTr,gcms(n)+νE

(7)

式中：s(n)表示第n個調(diào)制符號；νB和νE分別表示期望接收機B和竊聽接收機接收信號的加性高斯白噪聲；JE表示E發(fā)射的干擾信號用于干擾B的正常通信。干擾信號對于E自身的竊聽不產(chǎn)生任何的影響。對于期望接收機B根據(jù)雙方約定的跳空圖案和擴頻序列對接收信號采用累積相關(guān)的處理：

(8)

(9)

式中：{s(n)}表示調(diào)制符號集。由式(8)第三項可以看出本文的加權(quán)方法利用擴頻序列對于干擾信號的頻譜擴展調(diào)制，降低了干擾信號對于期望接收機正常通信的影響，使跳空物理層安全通信系統(tǒng)具有一定的抗干擾容限，相比于文獻中的權(quán)系數(shù)設(shè)置方法只是對于加性高斯白噪聲具有一定的累積增益[19-20]，本文的權(quán)系數(shù)設(shè)置方法在實際的電子對抗環(huán)境中更具現(xiàn)實意義。對于竊聽接收機E本文提出的加權(quán)方法的權(quán)系數(shù)與通信雙發(fā)約定的跳空圖案、擴頻序列以及收發(fā)信道信息三者相關(guān)。相比于文獻[13-14]，通信信息多了一層擴頻碼保護。即使通信雙方公開了跳空圖案和使用的擴頻序列，由于竊聽接收機與期望接收機兩者之間地理位置的差別，保證竊聽信道hg, l與加權(quán)系數(shù)wTr,g存在很低的匹配度，仍然可以保證通信信息在物理層的安全傳輸。

3 仿真性能及其分析

仿真條件設(shè)置如下：

a) 仿真中使用的信道為平坦衰落信道，1 000個調(diào)制符號組成一幀信號，每一幀信號信道衰落系數(shù)改變一次，調(diào)制符號s(n)取QPSK調(diào)制符號集合；

b) E發(fā)射的干擾信號為單頻干擾信號，干擾信號的中心頻率與發(fā)射信號的中心頻率之間的差值在(-100～+100) Hz之間隨機變化，初始相位為0～2π之間的隨機值；

c) 為了比較文獻[13-14]方法與本文方法的性能，接收端B接收同一調(diào)制符號的副本數(shù)相同的前提下比較兩種方法的通信性能和抗干擾性能。

圖5中給出了文獻[13-14]中的原方法和本文提出方法在無干擾和存在干擾信號的條件下，誤符號率隨著接收信號信噪比變化的曲線圖。

因為系統(tǒng)的發(fā)射設(shè)計方案不同，為了能比較接收機的通信性能，本文的仿真條件都是在接收端接收到同一個調(diào)制符號相同數(shù)目的副本數(shù)條件下進行比較的。由圖中可以看出：

a) 在無干擾信號情況下，原方法和本文方法期望接收機B具有較好的接收性能，并且竊聽接收機E都無法解調(diào)通信信號，具有相同的防竊聽能力；

b) 在有干擾信號的情況下，原方法中當(dāng)干信比為0 dB時，B的誤符號率幾乎不隨著接收信號信噪比的提高而提升；本文提出的方法中當(dāng)干信比達到25 dB時，B的誤符號率大約下降了2 dB，說明本文提出的算法具有一定的抗干擾容限，隨著干信比的提高B的誤符號率會下降，E都無法解調(diào)通信信號，具有防竊聽能力。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于擴頻序列的加權(quán)跳空發(fā)射方案，發(fā)射機加權(quán)系數(shù)和跳空圖案不僅與收發(fā)天線之間的信道信息相關(guān)而且與通信雙發(fā)約定的擴頻序列有關(guān)。期望接收機根據(jù)雙方約定的跳空圖案和使用的擴頻序列采用累積相關(guān)的方法解調(diào)接收信號，敵對方發(fā)射的干擾信號受到期望接收機本地產(chǎn)生擴頻序列的頻譜擴展調(diào)制作用，降低了干擾信號對于正常通信過程的影響，使得發(fā)射信號具有一定的抗干擾容限。因此，本文提出的跳空物理層安全通信技術(shù)結(jié)合了多天線物理層安全通信技術(shù)和擴頻通信技術(shù)的安全性能優(yōu)點，為無線通信信息的安全傳輸提供了一種有效的傳輸方案。