基于WFRFT的衛(wèi)星信號掩蓋方法研究

桑之昂 劉亞南 劉子威* 胡義鑫 張更新

①(南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 南京 210003)

②(哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 哈爾濱 150001)

③(中國電波傳播研究所 青島 266107)

1 引言

衛(wèi)星通信能夠提供全球化、全天候、高可靠的信息互聯(lián)，在諸多場景得到廣泛應(yīng)用。然而衛(wèi)星信道具有開放性，信號易被非合作方獲取，如何保證衛(wèi)星的通信安全得到了研究人員的重視。目前，衛(wèi)星信號主要依靠直擴、跳頻和跳時技術(shù)來降低偵查設(shè)備的捕獲概率和積累時間，然而，針對上述技術(shù)的研究已經(jīng)相當充分，諸如循環(huán)譜分析和高階累積量等技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了對擴頻信號的檢測[1，2]。因此，研究新型應(yīng)用于衛(wèi)星的安全通信技術(shù)具有迫切需求。近年來，新穎的技術(shù)手段不斷出現(xiàn)，包括混沌技術(shù)[3]、認知無線電[4]、變換域通信[5]、量子加密[6]以及信號掩蓋[7]等。

在沒有先驗知識的情況下，針對時頻域重合、強弱不同的兩個信號，從中分離出弱信號是一個具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)[8]。因此，基于這一原理發(fā)展出的信號掩蓋技術(shù)成為研究的熱點之一，其設(shè)計強功率掩蓋信號和通信信號同頻同時進行傳輸，利用強功率、特定參數(shù)特征來掩蓋信道中的通信信號。然而，隨著調(diào)制識別、串行干擾消除(Successive Interference Cancellation， SIC)[9]等信號分析與處理技術(shù)的發(fā)展，研究人員提出了諸多針對這種強弱混合信號的盲分離方法。文獻[10]在無先驗知識的情況下實現(xiàn)了對非對稱成對載波多址(Paired Carrier Multiple Access， PCMA)中兩路信號的解調(diào)，文獻[11]針對強弱混合信號提出了一種基于同步擠壓小波變換的盲分離算法，文獻[12]利用最大似然準則得到了PCMA混合信號的分離性能界。

存在安全通信需求的衛(wèi)星通信終端中，便攜式終端是需要重點關(guān)注的一類設(shè)備，其多工作于境外等特種通信場景中。便攜式終端為保證續(xù)航時間并降低被發(fā)現(xiàn)概率，常設(shè)計采用持續(xù)時間很短的突發(fā)信號傳輸信息，并且不會監(jiān)測信道占用情況。因此，這類終端將難以獲取外部信號作為掩蓋，信號傳輸?shù)陌踩珕栴}難以解決。本文在信號掩蓋技術(shù)的基礎(chǔ)上，借鑒PCMA技術(shù)使用本地信號副本進行自干擾抵消的思路[13]，設(shè)計在終端和信關(guān)站預(yù)置掩蓋信號的副本，終端不借助外界信號作掩蓋，自行發(fā)送掩蓋信號和通信信號。同時，針對信號掩蓋技術(shù)的缺陷，將加權(quán)類分數(shù)傅里葉變換[14](Weightedtype FRactional Fourier Transform， WFRFT)引入信號掩蓋結(jié)構(gòu)中，利用WFRFT變換可以實現(xiàn)對掩蓋信號的波形加密，同時WFRFT變換也改變了掩蓋信號的時頻域分布，使其呈現(xiàn)類高斯特征，能夠有效迷惑常規(guī)的調(diào)制識別手段。針對這一安全通信方法，本文還分析了一種合作接收方可用的信號分離方法。仿真表明本文所提方法能夠有效保證設(shè)計場景下信號的波形安全，且經(jīng)過信號分離后，系統(tǒng)的誤碼率損失在可接受范圍內(nèi)。

2 系統(tǒng)與信號模型

2.1 系統(tǒng)模型

在基于信號掩蓋思想的衛(wèi)星重疊通信系統(tǒng)[15]中，一般會選取衛(wèi)星傳輸公開業(yè)務(wù)的信號作為掩蓋，或由信關(guān)站在特定信道上連續(xù)發(fā)送信號作為掩蓋。前者需要終端實時感知衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的頻譜占用情況，對終端能力和接收機靈敏度的要求較高；后者會增加通信暴露的風(fēng)險。為滿足本方法設(shè)計場景中終端便攜化、減少與衛(wèi)星交互的需求，設(shè)計在發(fā)送終端和接收信關(guān)站均預(yù)置掩蓋信號基帶波形副本，并約定使用的WFRFT變換階數(shù)。

基于WFRFT的衛(wèi)星信號掩蓋通信方法的系統(tǒng)模型如圖1所示。設(shè)計掩蓋信號與通信信號具有相同的符號周期和數(shù)據(jù)長度，發(fā)送終端對齊經(jīng)過WFRFT變換的掩蓋信號基帶波形和通信信號基帶波形，疊加兩路基帶信號并變頻到衛(wèi)星上行頻率發(fā)送。經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)后，信關(guān)站接收到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的疊加信號，同時利用預(yù)置的掩蓋信號基帶波形副本在本地復(fù)現(xiàn)終端的WFRFT變換過程，重構(gòu)接收信號中掩蓋信號的波形并用于從接收信號中抵消掩蓋信號的干擾，繼而恢復(fù)出通信信號。由于終端上行至衛(wèi)星與衛(wèi)星下行至信關(guān)站的均為疊加信號，因此能夠同時對抗非合作方對終端上行發(fā)送和衛(wèi)星下行轉(zhuǎn)發(fā)的監(jiān)聽，使其難以獲取真實通信信號?？紤]到衛(wèi)星信道的衰落和多普勒頻偏等影響，需要通過參數(shù)估計、自適應(yīng)濾波等方式，提高信關(guān)站重構(gòu)的掩蓋信號波形與實際接收信號中掩蓋信號波形的擬合度，以降低得到的通信信號中掩蓋信號的殘差成分。

圖1 基于WFRFT的衛(wèi)星信號掩蓋通信模型

2.2 信號模型

下面給出信關(guān)站接收信號的模型。掩蓋和通信信號均采用T的符號周期，對疊加信號進行下變頻，經(jīng)過N點采樣得到疊加信號的離散形式

3 具體算法

3.1 WFRFT掩蓋信號的生成

當V=0時，式(4)中只包含變換階數(shù)，稱為單參數(shù)加權(quán)類分數(shù)傅里葉變換(Single Parameter Weighted-type FRactional Fourier Transform，SPWFRFT)；當V非零時，決定式(4)的參數(shù)由1個擴充到了9個，稱為多參數(shù)加權(quán)類分數(shù)傅里葉變換(Multiple Parameter Weighted-type Fractional Fourier Transform， MPWFRFT)。MPWFRFT能夠增加波形變換的隨機性，但增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，考慮到便攜型終端的計算能力受到限制，本方法采用SPWFRFT變換體制處理掩蓋信號。

一般認為，對于強弱混合信號，當功率差較大時能夠在一定程度上忽略弱信號的影響去解調(diào)強信號。由此，非合作方可以利用掩蓋與通信信號之間的功率差，通過參數(shù)掃描等方法獲取SPWFRFT變換階數(shù)、解調(diào)掩蓋信號。針對上述情況，本方法在信關(guān)站和終端均預(yù)置了掩蓋信號的副本，使得合作信關(guān)站不需要去解調(diào)疊加信號中的掩蓋信號就能實現(xiàn)干擾消除，掩蓋與通信信號之間也就不需要設(shè)置較大的功率差。而較小的功率差降低了疊加信號中掩蓋信號的SINR，增加了非合作解調(diào)掩蓋信號的難度。

3.2 信號分離

接收信關(guān)站使用約定好的變換階數(shù)α對預(yù)置的掩蓋信號副本進行WFRFT變換得到x1。由于信號在傳輸過程中受到了衛(wèi)星信道的影響，若要精準地重構(gòu)接收掩蓋信號波形，要對接收信號的幅度、頻率和相位進行參數(shù)估計。信號分離的步驟如圖2所示。

圖2 信號分離方法

信關(guān)站將接收信號和掩蓋信號副本送入自動增益控制(Automatic Gain Control， AGC)單元，比較兩路信號之間的電平差異，并轉(zhuǎn)化為指示信號來調(diào)整RF的前端放大器，使得兩路信號的幅度基本相等。

4 仿真及分析

驗證引入WFRFT后掩蓋信號的抗調(diào)制識別性能，一般通過提取信號中具有區(qū)別性的特征參數(shù)實現(xiàn)調(diào)制方式的識別，具體方法包括小波變換、高階累積量、星座聚類分析和機器學(xué)習(xí)等。其中，高階累積量方法對WFRFT信號具有一定的識別能力，但要達到和傳統(tǒng)信號一樣的識別性能需要付出額外的信噪比代價[17]，本方法在掩蓋信號中疊加通信信號降低了掩蓋信號的等效信噪比，使得實現(xiàn)調(diào)制方式識別的難度進一步提高。通過聚類算法構(gòu)建信號的星座圖可以用來進行調(diào)制識別，為體現(xiàn)信號掩蓋技術(shù)在引入WFRFT前后星座圖的變化，對經(jīng)SNR=10 dB的AWGN信道傳輸后的疊加信號星座圖進行仿真，如圖3所示。其中圖3(a)對應(yīng)疊加信號中的掩蓋信號采用常規(guī)QPSK調(diào)制體制，而圖3(b)對采用QPSK調(diào)制的掩蓋信號進行變換階數(shù)α=0.5的WFRFT變換，這使得信號星座呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、擴散和裂變特性。綜上所述，在掩蓋信號中引入WFRFT變換可以很好地隱藏掩蓋信號的原始調(diào)制方式，使非合作方難以選擇合適的解調(diào)體制。

圖3 接收信號星座圖對比

目前研究人員已經(jīng)提出了針對SPWFRFT變換階數(shù)的參數(shù)掃描或破解方法[18，19]，而本方法中較小的掩信功率差可以降低掩蓋信號的SINR，為驗證這種情況下應(yīng)對非合作解調(diào)的性能，仿真了如下信號體制：單路SPWFRFT掩蓋信號、疊加SPWFRFT掩蓋信號和一路功率低3 dB的通信信號，對掩蓋信號進行逆變換并解調(diào)。由于非合作方在受到噪聲以及通信信號干擾的情況下準確獲取掩蓋信號的變換階數(shù)的復(fù)雜度是相當高的，因此引入一定的誤差，仿真變換階數(shù)的誤差分別為0.01和0.05，得到誤碼率曲線如圖4所示，可見在受到通信信號干擾情況下對掩蓋信號的解調(diào)失效。

圖4 非合作解調(diào)掩蓋信號的誤碼率曲線

針對信號掩蓋系統(tǒng)，非合作方需要識別出掩蓋信號的調(diào)制方式，進而解調(diào)和重構(gòu)掩蓋信號的波形用以干擾抵消。根據(jù)上述仿真結(jié)果，可以看到本方法增加了非合作識別和解調(diào)掩蓋信號的難度。仿真?zhèn)鹘y(tǒng)信號掩蓋[7]方法和本文方法在面對非合作破解的不同表現(xiàn)，為滿足非合作解調(diào)掩蓋信號的門限，設(shè)定掩信功率差為6 dB，變換階數(shù)的最小誤差達到0.01。經(jīng)干擾抵消后，解調(diào)分離出的通信信號得到的誤碼率性能曲線如圖5所示，可以看到很小的變換階數(shù)誤差就能夠在面對非合作解調(diào)時有較好的表現(xiàn)。

圖5 非合作解調(diào)通信信號的誤碼率曲線

分析掩蓋信號與通信信號功率差對本文方法性能的影響。疊加信號中的掩蓋信號成分經(jīng)信號分離后，其殘差將作為干擾影響到對通信信號的解調(diào)，在這種情況下，通信性能與信干噪比相關(guān)

式中，S為接收通信信號功率，N為噪聲功率。令I(lǐng)=ηP1，其中P1是接收掩蓋信號功率，系數(shù)η(0＜η＜1)表示干擾抵消的程度。仿真在采用不同功率差時，非合作方從疊加信號中直接解調(diào)掩蓋信號的性能表現(xiàn)，仿真結(jié)果如圖6(a)所示，可見隨著功率差的增大，非合作解調(diào)掩蓋信號的誤碼率下降，這將使非合作方在干擾抵消過程中能夠降低η值，導(dǎo)致信號掩蓋性能下降。現(xiàn)有文獻指出，當兩路QPSK信號的功率差大于6 dB時即可實現(xiàn)對強信號的解調(diào)[10]，在實際解調(diào)器設(shè)計時，也存在一定的限制，因此需要根據(jù)實際情況進行設(shè)計，通常不建議設(shè)置過大的功率差差異。合作接收方使用副本進行干擾消除，較大的掩信功率差能夠提高對疊加信號中掩蓋信號參數(shù)估計的精度，進一步降低η值，但也提高了P1的值。對不同功率差下信號分離方法的誤碼率性能進行仿真，仿真參數(shù)如表1，解調(diào)分離出的通信信號得到誤碼率曲線如圖6(b)所示，可見功率差對合作方信號分離性能的影響不是很敏感。

表1 仿真參數(shù)

圖6 不同功率差下的誤碼率性能曲線

5 結(jié)束語

本文基于信號掩蓋方法的基礎(chǔ)上、針對特定場景提出了一種利用掩蓋信號副本進行通信收發(fā)的方法，能夠滿足終端便攜化、降低通信暴露風(fēng)險的要求。相較于常規(guī)信號掩蓋技術(shù)，本文利用WFRFT體制的掩蓋信號增加非合作方剔除掩蓋信號干擾的難度；相較于單獨使用WFRFT的安全通信方法，一方面嵌入到掩蓋信號中的通信信號降低了WFRFT信號的SINR，使得對掩蓋信號的解調(diào)失效；另一方面，未知先驗信息的非合作方由于無法準確抵消掩蓋信號，在解調(diào)通信信號時會受到殘差干擾。掩蓋與通信信號互相影響、互為掩護，能夠有效保護通信安全。在下一步研究中，將探索WFRFT技術(shù)在安全通信領(lǐng)域的更廣泛應(yīng)用，以及效果更好的信號分離方法。