基于TCM-8PSK星座圖旋轉(zhuǎn)電磁波傳輸抗截獲技術(shù)研究

余興國(guó)?袁濤?袁學(xué)松

摘要： 跳頻、擴(kuò)頻技術(shù)在無(wú)線通信技術(shù)中是一種非常有效的通信系統(tǒng)采用的低截獲技術(shù)，其技術(shù)已經(jīng)非常成熟，對(duì)信號(hào)的抗截獲接收、識(shí)別技術(shù)非常有效。為了進(jìn)一步提高信息傳輸?shù)陌踩?，本文提出了一種基于TCM-8PSK星座圖旋轉(zhuǎn)電磁波傳輸抗截獲技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行星座圖變換，對(duì)信號(hào)進(jìn)行加密處理，同時(shí)與調(diào)制跳變技術(shù)相結(jié)合，使信號(hào)傳輸在不同載波頻率時(shí)采用不同的調(diào)制方式。在當(dāng)今電磁信號(hào)多樣、密集、多變的環(huán)境下。通過(guò)對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)的深入研究，可以大幅提升電磁波信號(hào)被截獲、分析和解密的難度。同時(shí)，在實(shí)現(xiàn)方面相對(duì)比較簡(jiǎn)單。

關(guān)鍵詞：? 星座圖；抗截獲；調(diào)制跳變；加密

一、引言

為了通信系統(tǒng)內(nèi)容安全性，通信系統(tǒng)常常采用擴(kuò)頻、跳頻和跳時(shí)等進(jìn)行調(diào)制處理。但第三方如果通過(guò)手段得到擴(kuò)頻偽碼等，就可通過(guò)調(diào)制識(shí)別技術(shù)進(jìn)行處理，有可能破譯一些傳輸信號(hào)中的有用數(shù)據(jù)。移動(dòng)互聯(lián)時(shí)代云計(jì)算和大數(shù)據(jù)的快速發(fā)展，使得需要通過(guò)電磁波信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟪尸F(xiàn)出幾何級(jí)增長(zhǎng)。當(dāng)前的電磁環(huán)境也變得更加復(fù)雜和多樣化，這給電磁信號(hào)傳輸系統(tǒng)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)[1] 。

通過(guò)光纖固定信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其傳輸穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)[2]。然而，這種方法的應(yīng)用場(chǎng)景較為單一、成本較高、網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)靈活性較差。相較之下，人們更青睞于通過(guò)電磁波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[3]。為了應(yīng)對(duì)當(dāng)前復(fù)雜的電磁環(huán)境，保證電磁波信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和安全性，以提高通信鏈路的抗截獲能力。本文提出了一種基于TCM-8PSK星座圖旋轉(zhuǎn)電磁波傳輸方式進(jìn)行信號(hào)的傳輸。為了應(yīng)對(duì)當(dāng)前復(fù)雜的無(wú)線電磁環(huán)境，保證無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和安全性，在通信技術(shù)方案通常采用擴(kuò)頻、跳頻等技術(shù)[4]。但第三方如果利用手段獲取擴(kuò)頻偽碼等信息，就能通過(guò)調(diào)制識(shí)別技術(shù)進(jìn)行處理[5]，有可能破譯一些傳輸信號(hào)中的有用數(shù)據(jù)。在相關(guān)研究方面，溫強(qiáng)等人在2006年對(duì)BPSK調(diào)制進(jìn)行了無(wú)線光通信實(shí)驗(yàn)研究[6] ，Song等人在2012年在指定信道模型下對(duì)副載波二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）和差分相移鍵控（DPSK）調(diào)制的誤碼率進(jìn)行了研究[7]。

二、系統(tǒng)信號(hào)調(diào)制原理及建模

在當(dāng)前電磁波多樣復(fù)雜的電磁波環(huán)境中，電磁波通信經(jīng)常會(huì)受到干擾。為了增加通信的抗干擾能力，常見(jiàn)的方法有采用添加糾錯(cuò)編碼，通過(guò)增加信號(hào)冗余度來(lái)降低誤碼率，但缺點(diǎn)是會(huì)增加信道帶寬。本文將通過(guò)對(duì)網(wǎng)格編碼（TCM）技術(shù)的原理[8]進(jìn)行研究，再設(shè)計(jì)一款基于相位調(diào)制器的星座圖旋轉(zhuǎn)加密方案。網(wǎng)格編碼（TCM）技術(shù)將調(diào)制和編碼過(guò)程相結(jié)合，在不消耗和占用帶寬的情況下，提升抗干擾能力，提高通信質(zhì)量。近年來(lái)，網(wǎng)格編碼技術(shù)受到許多研究者的關(guān)注和研究，發(fā)展迅速，它可以與其他技術(shù)相結(jié)合，比如TCM-OFDM技術(shù)、TCM-CPM技術(shù)[9]。

TCM-8PSK系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，分為三個(gè)部分，分別是差分編碼器、卷積碼編碼器和映射圖。信號(hào)先經(jīng)過(guò)差分編碼器進(jìn)行差分編碼，然后通過(guò)卷積碼編碼器添加冗余碼進(jìn)行重新編碼，最后將輸出的碼組進(jìn)行映射，轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的電平信號(hào)和波形。系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行差分編碼和卷積編碼，然后通過(guò)分集映射將信息對(duì)應(yīng)的組合對(duì)應(yīng)于信號(hào)。

分集映射是整個(gè)網(wǎng)格編碼調(diào)制的重要部分，它將編碼后的數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)，映射到各信號(hào)子集。這樣得到的信號(hào)序列可以最大化最小歐氏距離。解調(diào)時(shí)可以采用維特比譯碼算法。維特比譯碼算法是一種最大似然譯碼算法，它首先把接收序列和各個(gè)路徑進(jìn)行匹配，然后通過(guò)搜索網(wǎng)格圖的方式找到最有可能產(chǎn)生這個(gè)接收序列的路徑。

目前已經(jīng)有很多學(xué)者在研究通過(guò)不同調(diào)制方式來(lái)進(jìn)行信號(hào)的傳輸，如QPSK、PAM4、16QAM以及更高階的。本文主要從對(duì)信號(hào)進(jìn)行星座圖變換的物理層加密方向出發(fā)，對(duì)如何提升系統(tǒng)抗干擾性能的物理層加密技術(shù)進(jìn)行研究。其中還加入了加密和解密的信號(hào)作為密匙，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾截獲能力。其原理圖如圖2所示。

首先，將一個(gè)待處理信號(hào)送入調(diào)制器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行自定義角度的調(diào)制，得到一個(gè)調(diào)制信號(hào)Ein。在密鑰信號(hào)m（t）的調(diào)制下，得到一個(gè)相位偏差為α的輸出信號(hào)Eout。這種方法較為簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。具體表達(dá)式為：

Eout=Ein·exp （ j·α·m（t））? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

相位調(diào)制器的輸入密匙電信號(hào)用來(lái)控制角度的偏差，調(diào)制器輸出的信號(hào)Eout是加密信號(hào)。密鑰電信號(hào)的加入可以保證信息傳輸?shù)陌踩?。輸入和輸出都添加了相位調(diào)制器，信號(hào)只是多了一個(gè)加密與解密的過(guò)程。公式如下：

Eout2=Eout·exp （-j·α·m（t）=Ein? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

經(jīng)過(guò)第二相位調(diào)制器后，信號(hào)可以恢復(fù)到以前的狀態(tài)，并不會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生影響。從而增加系統(tǒng)的抗干擾能力。

三、系統(tǒng)構(gòu)架

TCM-8PSK系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖 3 所示。主要包括卷積編碼器、8PSK基帶調(diào)制、星座圖旋轉(zhuǎn)模塊、數(shù)字基帶解調(diào)模塊、譯碼器模塊、子系統(tǒng)等。

（一）卷積編碼器

經(jīng)過(guò)差分編碼的信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)后，卷積編碼器對(duì)信號(hào)進(jìn)行卷積編碼處理。卷積編碼將原信號(hào)打亂，經(jīng)過(guò)交織器處理后，將大面積的錯(cuò)誤平均地分配到其他不同的碼段。在不同的碼段上進(jìn)行糾錯(cuò)處理，可以有效地增強(qiáng)系統(tǒng)信道糾錯(cuò)能力，避免當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)大規(guī)模干擾時(shí)出現(xiàn)大段的錯(cuò)誤碼。

（二）8PSK基帶調(diào)制解調(diào)器

經(jīng)過(guò)卷積編碼的信號(hào)經(jīng)過(guò)8PSK映射規(guī)則進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)，同時(shí)對(duì)映射得到的星座圖進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和解旋轉(zhuǎn)處理。為了盡可能地模擬無(wú)線信道的復(fù)雜性，這里采用AWGN信道作為信號(hào)傳輸?shù)男诺?，在其中加入高斯白噪聲以等效于真?shí)環(huán)境中遇到的各類噪聲和干擾。

四、仿真結(jié)果及分析

首先，利用Matlab對(duì)系統(tǒng)TCM-8PSK星座圖“旋轉(zhuǎn)特性”進(jìn)行仿真分析。通過(guò)不斷調(diào)整α參數(shù)觀察圖形的變化。本文分別取α比較有代表性的參數(shù)為 0.0、0.5、1、1.7和 2 階進(jìn)行分析。其TCM-8PSK 星座圖在復(fù)平面上旋轉(zhuǎn)后的分布情況如圖4所示。

從圖中可以看出，原始TCM-8PSK（α=0.0）星座圖是一個(gè)較為清晰、明顯、規(guī)則的4個(gè)簇團(tuán)，這就是我們需要傳輸?shù)脑夹盘?hào)。當(dāng)α慢慢增加到0.5時(shí)，4個(gè)簇團(tuán)會(huì)慢慢擴(kuò)散，但仍然還有各自的信號(hào)輪廓邊界，同時(shí)開(kāi)始朝著順時(shí)針的方向發(fā)生了旋轉(zhuǎn)。當(dāng)α=1.0時(shí)，其4個(gè)簇團(tuán)已經(jīng)完全融合在一起，沒(méi)有了各自的輪廓邊界，這個(gè)時(shí)候的信號(hào)已經(jīng)相互混疊在一起了，想截獲破譯的難度就會(huì)非常大了。當(dāng)α繼續(xù)增大到1.7時(shí)，其4個(gè)簇團(tuán)又從混在一起的大簇團(tuán)中慢慢分離出來(lái)了，輪廓邊界慢慢變得清晰，與此同時(shí)還繼續(xù)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)α=2.0時(shí)，4個(gè)簇團(tuán)恢復(fù)到原來(lái)較為相似的形態(tài)，非常接近于α=0.0時(shí)原始信號(hào)，基本還原了原始信號(hào)。

通過(guò)對(duì)信號(hào)在不同階數(shù)時(shí)星座圖變化，星座圖隨著α數(shù)值的不斷變化而變化，這種變化也是有規(guī)律、可掌控的變化。特別是當(dāng)α取值在1附近時(shí)，其星座點(diǎn)出現(xiàn)了類似于噪聲的分布圖，毫無(wú)規(guī)律可言。當(dāng)采用此信號(hào)進(jìn)行傳播時(shí)，通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行星座圖旋轉(zhuǎn)處理，很難被當(dāng)成有用信號(hào)被檢測(cè)和識(shí)別。即使當(dāng)信號(hào)被截獲時(shí)，對(duì)方?jīng)]有星座圖旋轉(zhuǎn)反變換參數(shù)的情況，也無(wú)法正確地恢復(fù)出信號(hào)中攜帶的有用信息，極大增強(qiáng)了信號(hào)的抗干擾能力、保密性和安全性。

五、結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線通信系統(tǒng)的傳輸信息的安全性是一直研究的課題。如何設(shè)計(jì)無(wú)線通信系統(tǒng)使其不被非法破解，已經(jīng)成為每個(gè)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。同時(shí)，還需要兼顧信息傳輸系統(tǒng)不能太過(guò)復(fù)雜，整體系統(tǒng)穩(wěn)定性。本文通過(guò)對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)的研究，提出了一種基于TCM-8PSK星座圖旋轉(zhuǎn)電磁波傳輸抗截獲技術(shù)。通過(guò)對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行星座圖變換和加密處理，同時(shí)結(jié)合調(diào)制跳變技術(shù)，使信號(hào)傳輸在不同載波頻率時(shí)采用不同的調(diào)制方式。在當(dāng)前電磁信號(hào)多樣、密集、多變的環(huán)境下，大大提高了系統(tǒng)的抗截獲能力，并且簡(jiǎn)單易行。下一步將其應(yīng)用到實(shí)際工程中，在不同的各種干擾環(huán)境下測(cè)試設(shè)備的抗干擾和抗截獲能力。

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