卫星透明转发通信中的隐蔽自适应扩频传输

石 荣 胡 苏 徐剑韬

(1.电子信息控制重点实验室 成都 610036) (2.电子科技大学通信抗干扰国家重点实验室 成都 611731)

卫星透明转发通信中的隐蔽自适应扩频传输

石 荣1胡 苏2徐剑韬1

(1.电子信息控制重点实验室 成都 610036) (2.电子科技大学通信抗干扰国家重点实验室 成都 611731)

针对卫星透明转发通信中短码扩频传输在反侦察抗干扰方面存在的问题,提出了一种改进的隐蔽自适应扩频传输方法。该方法利用非周期长码序列实施扩频,从而在信号波形上实现了对通信发送方信息符号速率参数的隐藏,第三方难以从截获到的信号中推断其扩频处理增益的大小,只能实施盲目压制干扰。而通信双方可利用卫星透明转发信道的开放性特点,对干信比参数实施测量,并以此为参考来调节己方的信息符号速率,从而通过改变扩频处理增益来自适应抵抗外界干扰的变化,实现了在干扰条件下传输速率的最大化。仿真结果验证了理论分析的有效性,从而为透明转发体制的卫星通信抗干扰工程应用和通信电子防御提供了新的手段。

卫星通信; 透明转发; 长码扩频; 隐蔽扩频; 自适应扩频; 反侦察; 抗干扰; 通信电子防御

Class Number TN927; TN973

1 引言

卫星通信是海面舰船实现超视距通信的必备手段之一,但是通信卫星对地波束覆盖的广域性也使得卫星通信信号容易遭受第三方的侦察截获与干扰。通信系统中抗干扰的常用技术手段之一就是扩频传输[1～2],但是在将直接序列扩频传输体制应用于卫星通信系统时,由于其传输信道的开放性,第三方也能截获到通信双方的信号,随着通信侦察技术的不断进步与发展,目前已经能够对周期性的短码扩频信号实施有效的检测与参数估计[3],得到信号载波频率、扩频码速率、扩频码周期、信息码速率、调制样式等关键参数,甚至还能恢复出通信双方所使用的短码扩频序列[3～5]。第三方利用上述侦察结果来调整干扰参数,通过大功率压制干扰方式,可阻断正常的卫星通信传输[6～7]。虽然也可采用跳频方式来躲避干扰,但跳频卫星通信设备相对复杂,而且还要求卫星转发器要具有非常大的频率带宽才能有效发挥跳频抗干扰的效能,而绝大多数星载透明转发器都不满足这一要求,所以实际的工程应用受限。

针对上述问题,本文在前期研究[8]以及对第三方实施卫星通信干扰的整个侦察引导控制流程分析的基础上,利用非周期长码扩频序列替代传统直接序列扩频通信中常用的周期性短码扩频序列,从而有效阻止了第三方侦察引导环节中对己方信息传输符号速率参数的有效估计,即隐藏了直扩通信过程中的信息传输符号速率参数,形成了一种隐蔽扩频传输模式,即第三方通过侦察截获到的信号无法推断己方的扩频处理增益。接着同样利用卫星通信传输信道的开放性,通过对干信比参数的估计,来自适应地调节己方的信息传输符号速率,从而使得能够在一定的外界干扰功率条件下达到最大的信息传输速率。该方法不仅实现了扩频传输物理层参数的隐藏,而且也提高了整个卫星通信扩频传输系统的抗干扰性能。其技术原理详细阐述如下。

2 卫星透明转发通信与面临的干扰

由于卫星透明转发通信所需要的星载设备量小,可靠度高,所以当前95%以上的同步轨道通信卫星中都搭载有多个透明转发器。地面卫星通信终端A发向太空的上行通信信号被卫星接收之后,通过变频与放大再次发回地面,由另一个卫星通信终端B接收,从而完成整个单向的通信过程,如图1所示。由于卫星对地波束的广域覆盖性,地面卫星通信终端A一般也能接收到下行通信信号。

图1 透明转发卫星通信过程

由于透明转发卫星通信信道的开放性,第三方通过侦察同样可接收到同步轨道通信卫星向地面发送的下行通信信号,在对该信号的载波频率、符号速率、信号调制方式等参数分析之后,根据透明转发器的频率转发变换关系即可反推出对应的上行信号频率,于是第三方即可根据此频率对该卫星通信链路实施干扰[7,9],即向该卫星发射上行信号频率对应的干扰信号,该干扰信号同样会被星载透明转发器转发回地面,从而对地面卫星通信终端B的接收机形成干扰,如图2所示。

图2 透明转发卫星通信遭受干扰的情形

在图2中由于卫星对地波束的广域覆盖性,第三方既可接收被通信卫星转发下来的下行通信信号,还可接收被转发下来的干扰信号,通过对两个信号的功率电平进行测量之后,即可计算出干信比。因为对不同类型的通信信号实施有效干扰所要求的干信比是各不相同的,所以第三方能精确控制干扰发射功率的大小,使之刚好能对目标信号实施有效的干扰,而又不至于导致所发射的干扰信号功率过大,所节省下来的干扰功率还能用于干扰其它的信号,从而获得最大化的干扰效率。下面以对BPSK调制的扩频通信信号Ss(t)实施干扰为例进行简要说明。

(1)

(2)

通常情况下对扩频信号实施压制干扰时所需要的干信比JIRdB与扩频处理增益GdB直接相关,由下式所表达:

(3)

式(3)中各变量的单位均为dB,Lsys表示系统损耗,SNRdem表示接收端解扩之后的解调环节所需要的信干噪比。由上可见,扩频处理增益GdB越大,己方的抗干扰能力也越强,第三方实施有效干扰所需要的干信比也就越高。于是第三方将依据式(3)来对到达接收机处的干扰信号功率PJ(单位dBW)进行精确的控制,使之满足:

(4)

由此可见,第三方通过侦察,对A,fc,Rc,Rd等信号参数进行精确估计,从而按照式(3)和(4)来有效控制干扰发射功率。这样既做到了干扰有效,又确保了不会造成干扰功率的浪费,节约下来的干扰功率还可用于对其它目标的干扰,从而提高了第三方的干扰效能。

3 信息传输符号速率参数的隐藏

在前一节所描述的应用中,如果要确保信息的有效传输,只有增强传输信号的抗干扰能力,一个重要技术手段就是提高直扩信号的扩频处理增益GdB,但随着己方GdB的提高,第三方在侦察之后也会提高所发射干扰信号的功率,这样仍然不能达到有效传输信息的目的。

第三方之所以能够对经过卫星透明转发传输的直扩信号实施干扰功率的精确控制,其重要原因之一就在于第三方能够对目标信号的参数进行准确估计,然后按照式(3)与(4)来实施干扰功率的有效控制。进一步讲,因为在常规的扩频通信系统中扩频码序列c(t)通常采用周期性的短码序列cs(t),其循环周期τs通常从ms到s量级不等,即:

(5)

之所以采用短码序列cs(t)主要是考虑到工程实现的方便性。于是在式(1)中扩频短码序列与信息序列的乘积项ms(t)=cs(t)·d(t)也隐含了一定的周期性。因为扩频码码速率为Rc至少比信息码速率Rd大一个数量级,这就意味着扩频码的时宽比信息码的时宽至少小一个数量级。当某几位信息码取相同的数值时,在其对应的时间段ΔT内,短码扩频的乘积项ms(t)就有可能满足下式:

(6)

利用式(5)和(6),通过长期的统计分析,第三方即可估计出周期性短码扩频信号的扩频码速率Rc和信息符号速率Rd这两个重要参数。关于这方面的众多估计算法近十几年来在各类公开技术文献中被广泛报道[3～5],在此就不再展开重复阐述了。

针对上述弱点,如果基于透明转发的卫星通信系统中采用非周期的长码序列cl(t)作为扩频序列,对于任意的τl都有下式成立:

(7)

于是对于任意的τl,在式(1)中长码扩频序列与信息序列的乘积项ml(t)一定满足:

(8)

即在采用非周期长码扩频之后,消除了短码扩频信号中所隐含的部分周期性,此时从信号波形上观察,信息符号序列d(t)是否存在,对信号Ss(t)的统计特性几乎没有任何影响。除非第三方事先从其它渠道得知该信号所采用的扩频序列,否则将无法估计非周期长码扩频信号中的信息符号速率参数Rd。这所造成的连锁反应就是:第三方无法通过式(2)估计通信传输双方的扩频处理增益,于是也无法通过式(3)和(4)计算出对该信号实施干扰时所需要的精确干扰功率。

4 自适应调节扩频处理增益抗干扰

如前所述,通信发送方通过非周期长码扩频方式有效隐藏了己方的信息传输速率参数Rd,从而造成第三方无法估计出己方的扩频处理增益GdB,这也等价于第三方无法知道己方的扩频抗干扰能力到底有多强。在此条件下第三方对己方信号实施干扰时,在干扰功率分配上就处于一种盲目状态。由于卫星对地波束的广域覆盖性,干扰方所发射的干扰信号己方同样是可以完全接收的,所以己方也能估计出干信比参数,这就意味着在卫星透明转发通信中己方也能获得准确的反馈信息。于是己方将通过调节自己的传输参数来消除干扰方的有效干扰条件,从而使得式(3)不再成立,即与之相反的表达式为

(9)

即:

(10)

由于己方采用的扩频码速率参数Rc是事先选定的值,在此基础上,可通过改变信息符号速率Rd来自适应地调节己方的扩频处理增益GdB,始终使得下式成立:

(11)

而式(11)的成立则意味着己方在实施解扩处理之后所得到的信干噪比一定满足后续解调的要求,这样就实现了在干扰条件下的可靠信息传输。

另一方面,按照式(11)来计算并调节Rd,可以在抗干扰条件下实现信息传输速率Rd的最大化,从而提高整个系统的通信传输效率,因为将式(11)换一种表达方式,即:

(12)

由于上述扩频处理增益的自适应调节是在通信发送端实时进行的,通信发送端在什么时候进行了调整,以及信息传输速率Rd调整为具体什么数值,这都需要通信接收端自己进行检测。即通信接收端需要对接收到的信号Ss(t)按照式(13)进行解扩,得到解扩之后的信号Sp(t),以式(1)为例,解扩之后的信号为

(13)

由此可见,通信接收端通过对解扩之后的信号Sp(t)进行符号速率参数估计便可得到通信发送方设置的信息传输速率参数Rd,然后利用该估计参数设置己方的解调器,从而完成对解扩之后的信号的解调,获得最终的码流信息。目前对数字通信信号的传输符号速率估计的方法在各类公开文献中已经有较多报道[10],在此就不再展开重复论述了。

在工程实现过程中为了避免通信接收端在参数估计中出现较大偏差,也可采用收发双方事先约定一个信息传输符号速率列表,该列表中按照一定的传输速率间隔来设置符号速率参数值。这样一来,即使接收端在参数估计环节出现误差,只要误差的大小不超过列表中传输速率间隔值的一半,就可以确保接收端采用精确的信息符号速率参数来对解扩之后的信号实施有效解调。

5 仿真验证

仿真条件:卫星通信终端采用非周期长码直接序列扩频传输体制,调制方式为BPSK,扩频码速率为10Mchip/s,为了满足透明转发卫星通信信道的带宽限制条件,在信号扩频调制过程中采用了滚降系数为0.35的升余弦成型滤波器进行带限滤波,仿真中信号采样频率为100M,中频的载波频率为20MHz。由于采用了前文所叙述的方法对信息符号速率参数进行了隐藏,所以上述信号从波形上看,与正常的普通卫星通信信号一样,即第三方在截获该信号之后,无法推断该信号的扩频处理增益。在无干扰条件下,该信号的频谱如图3所示。

图3 无干扰条件下的信号频谱图

由于第三方无法侦察获得全部的信号参数,也就无法进行精确的干扰功率控制,只能实施大功率的盲干扰。设干扰方采用干信比约为16dB的扫频干扰样式对该卫通信号实施压制干扰,此时卫通接收端接收到信号的频谱如图4所示,图中明显可见叠加于信号频谱之上的干扰频谱。

图4 干信比20dB条件下的信号频谱图

在此条件下,如果通信传输方的信息传输符号速率为100kbps,即扩频处理增益为20dB,那么接收方解扩之后的信号频谱图如图5所示。

图5 符号速率100kbps条件下解扩之后的信号频谱图

从图5中几乎观察不到信息传输部分的信号频谱,只能非常隐约地在频谱上看到一小点突显,显然在此条件下接收方是无法完成信号解调的。但如前文所述,通信方可根据对干信比参数的准确测量,调整己方的信息传输速率,即将符号速率调整为10kbps,这相当于将扩频处理增益提高到30dB,在此条件下通信接收方解扩之后的信号频谱图如图6所示。

图6 符号速率10kbps条件下解扩之后的信号频谱图

由图6可见,信息传输部分的信号频谱在解扩之后已经突显出来,将图6中的信号频谱局部放大之后观察如图7所示。

图7 图6的局部放大图

由图7可见,解扩之后信号的信干噪比大约在10dB～12dB范围,该信干噪比已经足够满足后续BPSK信号解调的要求了[1]。

以上是在干信比20dB条件下进行的仿真,如果干扰方增大干扰信号功率,通信传输方也可以自适应地再次减小信息符号传输速率,从而相应地提高己方的扩频处理增益来抗干扰。这一过程对于基于透明转发的通信双方来说是透明的,也是自适应的;但对于干扰实施方来讲,这一过程是隐蔽不可见的,不可察觉的。所以该方法能在干扰功率一定条件下,根据式(12)对信息传输符号速率进行比较精确的调整控制,从而达到在此条件下信息符号传输速率的最大化。

6 结语

本文针对卫星透明转发通信系统中短码扩频传输存在的反侦察抗干扰能力弱的问题,提出通过非周期长码扩频手段来实现卫星扩频传输中物理层信息传输符号速率参数的隐藏,从而切断了第三方对卫星通信物理层重要参数实施侦察分析的途径,有效阻止了第三方利用侦察得到的信息传输符号速率参数来高效引导干扰的行动。在此基础上己方反过来还可以通过对干扰参数的分析,自适应的隐蔽调节信息传输符号速率参数,以此来实现扩频处理增益的最佳取值。该方法不仅能够抗干扰,而且还能实现信息符号传输速率的最大化。仿真试验结果也同时验证了其有效性,这为采用直接序列扩频体制的卫星透明转发通信系统的抗干扰工程应用和通信电子防御的有效实施提供了新的技术手段。

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Concealed Adaptive Spectrum Spread Transmission for Satellite Communication by Transparent Repeater

SHI Rong1HU Su2XU Jiantao1

(1. Science and Technology on Electronic Information Control Laboratory, Chengdu 610036) (2. National Key Lab of Communication, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731)

There are many problems about anti-reconnaissance and anti-jamming for satellite communication by transparent repeater, if the short cycle code is used for direct sequence spectrum spread. In this paper an improved method about concealed adaptive spectrum spread transmission is proposed. The non-cycle long code is introduced so as to conceal the information symbol rate parameter. The third party cannot conclude the processing gain of spectrum spread about this communication. So the blind jamming is adopted. The satellite communication by transparent repeater is open to all. After the jamming signal ratio is measured by the transmitter, the symbol rate is adaptively changed for the satellite communication. In this way the jamming can be eliminated effectively and the maximum transmission rate is realized in jamming conditions. The simulation results show the validity of the theoretic analysis. It is a new approach for anti-jamming application of satellite communication by transparent repeater and communication electronic protection.

satellite communication, transparent repeater, spectrum spread by long code, concealed spectrum spread, adaptive spectrum spread, anti-reconnaissance, anti-jamming, communication electronic protection

2016年7月13日,

2016年8月29日

重点实验室基金(编号:6142105040116210XXXX)资助。

石荣,男,博士,研究员,研究方向：电子对抗,通信与雷达系统。胡苏,男,博士,副教授,研究方向：通信抗干扰技术。徐剑韬,男,硕士研究生,研究方向：电子对抗。

TN927; TN973

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.01.014