一种基于SIMULINK的新颖卫星抗截获系统仿真

孙志远 潘申富 张 静 郝 放

（中国电子科技集团公司第五十四研究所河北石家庄050081）

1 引言

在通信系统的设计中，采用软件仿真技术已成为通信系统设计过程中所采用的最主要的技术手段。Math Works公司的图形仿真工具-SIMULINK，是一种用来对系统进行可视化建模、动态仿真与分析的集成环境，为用户提供了用框图进行建模仿真的图形接口，可以方便快捷的进行系统建模。

本文通过SIMULINK仿真了一种有别于传统卫星通信中抗截获通信的系统架构。该抗截获通信系统核心是融入了频谱感知和频谱分割技术。利用频谱认知技术对频谱环境进行实时地感知，获取频谱数据分布情况，并对频谱空洞的分布、干扰、抗截获性能进行评估，然后指导宽带信号频谱自适应分割成为不同宽度与数量的子谱，隐蔽在正常通信频谱之中进行通信，最后在接收端对子谱进行合并，实现信号的恢复，达到了抗截获通信的目的。在SIMULINK环境下给出了简化的基带系统仿真模型，并对系统参数进行修改，高效地对系统性能进行全面分析。

2 系统模型

提出的智能化卫星抗截获通信体系架构[1]由频谱感知部分和频谱分割聚合部分构成，如图1所示。

图1 系统架构

频谱感知部分对环境进行感知，实现对信道以及星上转发器频谱资源利用情况的掌控。可以对正常业务与干扰信号进行分析，得出频谱空洞的分布情况以及可用性的评估预测。进而，对各类参数进行综合，从历史信息、信道可用度和抗截获度分析频谱空洞特性,利用决策算法，指导频谱分割聚合设备参数重构。

频谱分割聚合[2,3]部分将根据从频谱认知决策设备得到的参数，对分割合并滤波器参数和频谱搬移参数进行配置，实现子谱的精确分割、搬移和聚合，达到抗截获通信的目的。如在图1种，在发送端，首先将调制信号经FFT变换到频域上，然后根据频谱感知设备提供的参数将信号频谱分割成3个与频谱空洞相适应的子谱，再将这3个子谱分配到ABCD4个用户之间的频谱空隙中，隐蔽在其他用户的信号频谱中进行传输。在接收端，频谱分割聚合设备将接收到的3个子谱搬移合并到一起，再将信号经IFFT变换再生出调制信号。

3 关键模块分析

设计的抗截获通信模型的建立是通过频谱感知模块和频谱分割聚合模块构成的，其分别使用的频谱感知技术和频谱分割聚合技术形成对系统的整体支撑。

3.1 频谱感知模块

频谱感知模块利用频谱感知技术[4]使认知设备从周围的无线环境中感知频谱资源的相关信息，发现特定时域、频域和空间域中未使用的频谱资源，选择最适当的工作频段和工作参数。认知有3个主要的步骤：频谱感知、频谱分析和频谱判决。频谱感知主要是监测目标频段，检测频谱空洞；频谱分析是估计频谱感知获取的频谱空洞特性；频谱判决是根据频谱空洞的特性和用户需求选择合适的频段传输数据。

在此系统中，当用户入网后，终端启动频谱感知决策设备，对星上频谱占用情况和干扰情况进行感知，检测对频谱占用和干扰的情况。具体包括对干扰的类和干扰的强度，与频率分布特性进行检测，并进行频谱空洞链路特性的分析。

其中的干扰检测[5]流程为，首先将接收的信号进行频域变换，得到频域信息，然后对接收信号的谱线的能量进行冒泡排序，选取谱线中最小的一部分（若干根谱线），假设这些谱线没有受到干扰，并计算其均值：

利用（1）式计算出的乘以门限因子T得到检测门限

把所有谱线与检测门限进行对比，小于门限值的谱线，则认为没有受到干扰，最后将接受信号频谱中没有受到干扰的谱线进行存储更新，然后重复进行排序和选取谱线最小部分，直到没有检测到新的谱线小于门限值为止，这时干扰检测结束。

3.2 频谱分割聚合模块[2]

在发送端，频谱分割设备将调制解调器输出的时域信号经过快速傅里叶变换转成频域信号，再使用频谱分割滤波器组对信号频谱进行分割，并将分割后的子谱分配到合适的频段上，然后通过傅里叶逆变换将其转换成时域信号。

在接收端，频谱聚合设备利用快速傅里叶变换将收到的子波变换到频域，并使用频谱组合滤波器组对其进行重新组合，再使用傅里叶逆变换将组合后的信号变换到时域上。最后，利用调制解调器对频谱聚合适配器输出的信号进行解调，如图2所示。

图2 频谱分割、聚合流程图

在子谱聚合的时候，子谱之间会存在一个相位补偿的问题，在卫星通信系统中，相对于地面无线通信而言，信道情况较为简单，分割后的子频谱以传播时延造成的失真为主，频移使相邻子谱之间经历了固定的相差，如图3所示，需要对相位失真进行补偿。频移使得再生信号的相位特性变得不连续，其中每个子谱的相偏大小为：

图3 频谱聚合后产生的相位失真

通过2个未调制的导频信号进行相位斜率的估计，如图4所示。

图4 相位补偿

相位梯度为：

其中pk（k=1，2）是接收到的第k个试探信号；fk是第k个试探信号的频率。当对第1个到第k个子频谱分别进行Δθκ的相位补偿后，相位失真情况受到有效抑制。

4 仿真系统的实现

卫星链路常常传送射频信号，这就要求将数据调制到一个射频载波上传输，但基带信号比解析信号使用起来方便，因为基带信号不含载波，解析信号含载波，而载波的作用只是作为信息信号一种载体，不含有任何有用的信息。在SIMULINK平台下直接进行频带仿真，系统的复杂度和计算机的运算量将会很大，故一般采用基带等效模型，将频带通信系统转化为等效的基带通信系统进行仿真。

对所提出的卫星通信抗截获方案进行仿真。主要涉及到通信和信号处理等工具箱，这些工具箱提供了常见通信模块的低通等效模型。地球站发送端包括了：信源、调制和脉冲成型。传输数据采用+1-1随机序列进行模拟，BPSK调制，脉冲成型采用滚降系数为0.35的平方根升余弦脉冲。原始信号带宽1 kHz，分割成2个带宽为0.5 kHz的子频谱，分别搬移到-1.1 kHz和0.8 kHz 2个频点上。转发器采用透明转发器，下行信道包括自由空间衰减。接收端包括接收天线、均方根升余弦接收滤波器和相位补偿模块等。仿真结果如图5示，证明可以在功能上实现频谱的分割、搬移和聚合。

(a)频谱的分割

图5 频谱的分割、搬移和聚合

在分割成2个子频谱的基础上进一步分割成4个子谱，测试系统的性能，如图6所示。由仿真结果可知，在误码率达到10-4情况下，系统性能恶化在0.5 dB，并且子谱分割数目的增加未对系统性能造成明显影响。

图6 误码率曲线

5 结束语

采用SIMULINK动态仿真环境实现了对一种新颖的卫星抗截获通信系统的仿真分析，抗截获通信体系架构创新性的引入了频谱感知技术和频谱分割聚合技术，使得卫星通信系统在抗截获方面具有决策更加智能、使用方式灵活的优势。从仿真结果来看，可以较好的实现信号频谱的分散化和隐蔽传输，整个系统的误码率表现满足实际应用的要求。后续工作中，可以方便的对系统模型进行改造和完善，有效地辅助硬件设计与实现。

[1]汪春霆,张俊祥,潘申富,等.卫星通信系统[M].北京:国防工业出版社.2012.

[2]ABEJI,NAKAHIRA K,SUZUKIY,et al.Direct Spectrum Division Transmission for High-capacity Satellite Communications:USA,20020041328[P].2012.

[3]ABEJI,NAKAHIRA K,KOBAYASHIK.A Blind Phase Compensation Method for Direct Spectrum Division Transmission[J].IEEEGlobecom 2011 proceedings,2011:1-5.

[4]MITOLA J,JRMAGUIREG Q.Cognitive radio:Making soft ware radiosmore personal[J].IEEEWireless Communications,1999,6(4):13-18.

[5]邹武平.干扰检测与识别技术研究与实现[D].四川:电子科技大学,2011.