基于干扰消除和跟踪同步的灵巧干扰技术研究*

张 杰,马东堂

(国防科技大学电子科学与工程学院,湖南长沙410073)

基于干扰消除和跟踪同步的灵巧干扰技术研究*

张 杰,马东堂

(国防科技大学电子科学与工程学院,湖南长沙410073)

根据数字通信中灵巧干扰的基本思想,针对卫星通信系统周期同步序列的灵巧干扰进行了研究。提出了一种基于干扰消除及跟踪同步序列的灵巧干扰方案,干扰方发送干扰序列对原始信号中的同步序列进行跟踪并干扰。同时为了确保干扰方对原始信号中的同步序列的准确跟踪,干扰方需要对混合信号进行干扰信号恢复和消除操作。仿真结果表明,相比于传统压制式干扰,提出的灵巧干扰方案能够以更小的代价获得更好的干扰效果。

卫星通信 同步序列 灵巧干扰 干扰消除

0 引 言

目前针对卫星通信系统的干扰手段,仍停留在传统的通信干扰方法上,主要是以大功率压制来破坏其通信[1]。一般来说,传统的最佳干扰方案是发送一个与有用信号同频率的干扰信号,干扰强度必须等于或高于有用信号的强度,虽然实现简单但是效率低下,已无法满足通信对抗发展的需要。基于卫星通信干扰的发展趋势和现实需求,开展能够扰乱和破坏卫星通信的灵巧干扰技术研究已成为当前的发展趋势。

传统最佳干扰[2]的基本原则是干扰信号在时域、频域、空域等多维空间上覆盖压制通信信号。传统最佳干扰针对的是整个通信系统,而忽略了通信的过程性特征,即通信的时变性特征,以及通信中的关键过程,比如导频信号、同步引导、帧同步、训练序列等过程,这些过程对通信起到了至关重要的作用,针对他们进行干扰,能起到事半功倍的效果。考虑通信过程的干扰是对传统最佳干扰的扩展,灵巧干扰就是这样一种引入了过程空间的新型干扰策略[3]。

本文针对上行发送信号具有周期同步帧结构的卫星通信系统,利用其信号结构特性采用针对同步序列进行的灵巧干扰方案,提出了一种基于干扰消除及跟踪同步序列的灵巧干扰方案,仿真结果表明相比于传统压制式干扰方案,该灵巧干扰方案能以更小的代价获得更好的干扰性能。

1 同步序列干扰原理

在现代通信系统中,为了快速有效地恢复原始信号,发送端通常在发送信号特定的位置插入一段特殊的同步序列。在周期同步序列的帮助下,接收端能够使信号同步并估计信道参数。这样可以使得整个通信系统抵抗外界不利因素,从而获得更好的系统性能。其帧结构如图1所示。

图1 具有周期同步序列的帧结构Fig.1 Frame structure with periodic synchronization sequence

数据帧的同步头序列一般采用自相关性较好的序列,比如巴克码、PN序列等。接收端利用同步序列的相关性,通过滑动相关法[4]搜索码相位,确定数据帧的起始位置。同步搜索原理图如图2所示。

图2 同步模块原理Fig.2 Schematic diagram of synchronization model

接收信号表达式为:

式中,s(t)是带有同步头的发送信号,nnoise(t)为零均值的加性高斯白噪声。将r(t)进行解调得到码元序列r(n),然后与本地伪随机序列c(n)进行相关运算,假设同步序列的长度为N,则运算结果表示为

式中,m表示同步序列与本地序列之间的码相位差,而发送信号s(n)中的前N个码元为帧同步头,即同步序列c(n),则当m=0时,

由于nnoise(n)是零均值高斯白噪声序列,与本地伪随机序列c(n)相乘后均值为0。而同步序列与本地序列相位同步时,相关函数出现峰值,通过门限判决后,认为同步序列捕获成功。

当系统中存在人为干扰时,接收信号表达式变为

式中njam(t)表示干扰信号。经过解调,且当同步序列和本地序列相位同步时,即m=0时,接收序列与本地序列的相关函数表示为

同式(3),噪声nnoise(n)与本地伪随机序列c(n)相乘后均值为0。但是干扰信号njam(n)与c(n)相乘项为非零值,njam(n)的存在影响了接收端对相关峰值的正确判断,从而干扰了同步系统的正常工作。

2 灵巧干扰的设计

针对卫星通信系统上行链路信号进行灵巧干扰设计,卫星通信系统上行链路干扰示意图如图3所示。采用地基干扰方式(地面固定、车载或舰载等地面干扰站),干扰方首先要截获地面站发出的上行通信信号进行分析,而后对卫星实施干扰,以破坏其正常通信。但是由于在地面直接侦收卫星上行信号是相当困难的,通常是当卫星通信接收到上行信号进行转发时,干扰方通过侦收下行信号来确定上行信号的参数。在存在干扰时,卫星将接收到由有用信号和干扰站发送的干扰信号组成的混合信号。该混合信号被卫星进行转发,干扰站和地面接收站都将接收到该混合信号,并用于后续的信号处理。

图3 卫星上行链路干扰示意Fig.3 Sketch map of jamming in the uplink of satellite

2.1 针对同步序列的灵巧干扰方案

在图3中的上行链路干扰中考虑针对同步序列的灵巧干扰的基本思路[5-6]为:首先地面干扰站接收到下行信号并完成同步后,找到上行发送信号中的同步序列位置;然后通过反馈调整发送干扰脉冲。同步序列和干扰脉冲在时域上相互重叠,使得地面接收端不能从下行混合信号中分离出目标信号。该灵巧干扰过程如图4所示。

图4 针对上行信号同步序列的灵巧干扰Fig.4 Smart jamming aiming at the synchronization sequence of uplink signal

在上述干扰过程中,一旦干扰站发送出干扰脉冲,使得上行信号中的同步序列被有效干扰后,在往后的通信中,干扰站同样无法找到并恢复出同步序列,从而不能产生正常的反馈信号来调整干扰脉冲的发送时间。因此,一般利用连续帧结构的周期特性来决定干扰上行信号的恰当时刻。但是由于估计误差的存在,如果帧周期估计值不准确,便会导致干扰方在某一次成功干扰之后,将失去同步,不得不从头开始搜索帧结构中的同步序列。

为了进一步分析帧周期估计误差的影响,我们假设上行站和干扰站之间的时钟偏差为δppm,同步序列的长度为LenSyn,干扰脉冲的长度为L,原信号的符号速率为RMbps。通过定义,每δ×106个采样中将有一个采样偏差。不失一般性,我们忽略其他信号过程,比如前向数据纠错(FEC)。假设L＞Len-Syn,即同步序列可以被干扰脉冲完全覆盖。如图5所示,在该干扰方案中,一旦累积偏差达到L-Len-Syn个符号,干扰站将失去对同步序列的同步,即不能完全覆盖同步序列。则在干扰失同步之前最大持续时间为

图5 干扰站失同步示意Fig.5 Sketch map of jamming-station desynchronization

图6 干扰失同步前最大持续时间理论值Fig.6 Theoretical value of maximum duration before jamming desynchronization

图6表示在不同符号速率和不同数据时钟偏差下,干扰失同步前最大持续时间的理论上限值。从图中可以看出,即使数据时钟偏差低于15 ppm时,干扰者也只能保持少于2 s的同步时间。很容易使得干扰站与上行信号中的同步序列失去同步。因此,下面进一步提出一种基于跟踪的灵巧干扰方案来解决这个失同步问题。

2.2 基于跟踪的灵巧干扰方案

根据对上述灵巧干扰方案的分析,干扰者只是在初始阶段与上行信号中的同步序列同步,一旦干扰信号被发送并与同步序列达到精确同步,干扰站将会失去同步,只能利用上行信号的帧结构周期特性来完成下一步干扰操作。这表明整个系统并不是一个闭环系统,而且是不稳定的,这将导致不完全和不准确的干扰,从而使得用户端有可能正确解调并恢复出原始信号。

为了避免这种可能性的出现,我们必须保证干扰站总是与上行站处于同步状态,这样才能准确估计所有参数以制造正确地干扰时机,确保用户端不能准确捕捉同步序列。

因此,我们对上面设计的灵巧干扰方案进行改进。在改进方案中,干扰站不再利用帧周期的估计值来决定干扰脉冲的发送时刻,而是从下行混合信号中恢复并消除已知的干扰序列,进而有效地恢复具有同步序列的上行原始信号进行跟踪以时刻与上行信号保持同步[5]。改进的干扰方案结构框图如图7所示。

图7 基于跟踪的灵巧干扰方案Fig.7 Track-based smart jamming scheme

如图7所示,与之前的干扰方案相比,改进后的灵巧干扰方案在干扰方增加了一个恢复并消除干扰序列的步骤:首先,干扰站根据匹配滤波器,估计出卫星到干扰站之间的信道响应参数,包括幅度、相位和信道的传送时延;然后通过估计到的信道参数来恢复出干扰信号;之后从混合信号中移除干扰信号,从而使干扰站能够保持对上行原始信号的同步跟踪。

根据改进方案中干扰站对干扰信号进行消除,可以将干扰站对上行原始信号的同步概率提高到100%,从而使得干扰站精确计算出原始信号中同步序列的位置。因此,干扰信号处理环路是收敛的,能够使得干扰站与上行站始终处于同步状态,进而使得用户端被干扰序列完全干扰,避免了用户端完成同步过程。

3 仿真结果与分析

首先,我们仿真干扰站进行的干扰消除对同步跟踪的影响。假设上行发送信号为S,针对同步序列的灵巧干扰信号为I,高斯白噪声为N,则干扰站接收到的混合信号为

干扰站估计并恢复出的干扰信号为αejθ·I,其中α和θ分别是干扰信号幅度和相位的估计值。因此,干扰站移除估计到的干扰信号后,实际用来进行跟踪的信号为

仿真中,我们只考虑幅度α估计误差的影响而不考虑相位θ的估计误差,干扰信号采用15位的m序列,信干比SIR设为-6 dB。仿真结果如图8所示。结果表明,显然地,干扰信号估计的越准确(即α的值越大),对同步跟踪的性能就越好。从图中还可以看出干扰信号对其他接收者的影响,当α=0时,即在干扰信号完全没有消除掉的情况下,在信噪比SNR大于4 dB之后,出现了误码平层的现象,说明该干扰对其他接收者的干扰效果显著。

图8 干扰消除的影响Fig.8 Influence of interference cancellation

然后,我们仿真比较所提出的灵巧干扰方案与几种常见的传统压制式干扰方案的干扰效果。在仿真中,我们采用11位的巴克码作为帧同步序列,而干扰序列采用15位m序列,信噪比SNR设为6 dB。仿真结果如图9所示。由图可得,与传统压制式干扰相比,本文设计的针对同步序列的灵巧干扰的干扰效果最好。即使与最有效的传统的全频段噪声干扰相比,在干扰效果相同的情况下,提出的灵巧干扰的干扰功率损耗要低于全频段噪声干扰的6～8 dB。

图9 不同干扰方案误码率曲线Fig.9 BER curve of different interference scheme

4 结 语

本文根据数字通信中灵巧干扰设计的基本思想,针对卫星通信系统中的周期同步序列提出了一种基于干扰消除及跟踪同步的灵巧干扰方案。在干扰方,对已知的干扰信号进行参数估计,并进行恢复和消除,因此,干扰方能够始终对几乎未受干扰的原始信号中的同步序列进行跟踪并干扰。仿真结果表明,由于同步序列的长度要比数据长度小的多,因此干扰信号发送功率也会大大减小,且同步过程在整个通信中起到至关重要的作用,从而相比于传统压制式干扰,采用文中提出的跟踪同步序列的灵巧干扰方案,能够以更低的功率消耗获得更好的干扰效果。

[1] 赵长雷,梁俊.几种跳频技术下干扰的分析与比较[J].通信技术,2008,41(07):24-26.

ZHAO Chang-lei,LIANG Jun.Analysis and Comparison of Some Interferences in Frequency Hopping Spread[J]. Communications Technology,2008,41(07):24-26.

[2] 彭勃,曹建辉.对FSK信号最佳干扰效果及效能研究[J].通信技术,2013,46(07):10-13.

PENG Bo,Cao Jian-hui.Optimal Jamming Effect and Efficiency of FSK[J].Communications Technology,2013, 46(07):10-13.

[3] 郭富强,于雨,王呈贵.对数字通信的灵巧干扰技术[C]//2007年青年通信学术会议.北京:中国通信学会,2007:1234-1237.

GUO Fu-qiang,YU Yu,WANG Cheng-Gui.The Technology of Smart Jamming in Digital Communications[C]// The 2007 Youth Conference on Communication Bei Jing: China Institute of Communications.2007:1234-1237.

[4] 姚俊楠,王先,曹晶秋.针对3G-ALE系统同步头的灵巧干扰[J].电子对抗,2009(02):14-17.

YAO Jun-nan,WANG Xian,CAO Jing-qiu.The Smart Jamming in Synchronization of 3G-ALE System[J].E-lectronic Warfare,2009(2):14-17.

[5] 郭富强,于雨,王呈贵.基于OFDM同步系统的灵巧干扰方法研究[J].通信对抗,2008(01):38-41.

GUO Fu-qiang,YU Yu,WANG Cheng-Gui.A Jamming Scheme Based on Synchronization System of OFDM[J]. Communication Warfare,2008(1):38-41.

[6] CHEN Yuan,HE Fei,YAN Jian,CHEN Xiang,and GU Yuan-tao.A Smart Tracking-based Jamming Scheme for Signals with Periodic Synchronization Seuqence[C]// Wireless Communications and Signal Processing(WCSP),2011:1-5.

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

马东堂(1969—),男,博士,教授,主要研究方向为宽带通信与网络、物理层安全与量子光通信。

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

张 杰(1990—),女,硕士研究生,主要研究方向为卫星通信、物理层安全;

2014-08-15;

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