一种基于扩频序列加权的干扰抑制跳空物理层安全通信系统

郭志军， 董国英， 洪 涛， 赵伟杰

(1.上海无线电设备研究所， 上海 200090； 3.南京邮电大学， 江苏 南京 210023)

0 引言

随着无线通信技术在不同行业中的广泛应用，通信信息的安全性和私密性问题越来越受到人们的关注。基于上层加密的传统解决方案逐渐受限于敌对方计算能力的加强和Ad-hoc等无中心网络的发展，在物理层利用无线通信系统固有的特征来解决通信信息的安全性成为近年来新的研究热点[1-3]。

基于多天线收发方式的物理层安全通信技术利用多天线发射提供的空间冗余度和阵列冗余度，在牺牲多天线无线通信系统信道容量的代价下换取发射信号安全性能的提升。这个研究方向主要分为两种发射方式：MIMO发射方式和阵列发射方式。MIMO方式中主要利用多收发天线信道信息之间的不相关特性确保通信信息在物理层的安全传输。

在实际的电子对抗环境中，物理层主要使用扩频技术和波束形成技术确保通信信息的安全性能。扩频技术多采用直序扩频、跳频或两者相结合的混合扩频方式防止敌对方的窃听和干扰，扩频技术的安全性能取决于使用扩频码的安全性能，一旦窃听方获得通信双方使用扩频序列的先验知识，同样可以解调出通信信息。因此，研究者们尝试结合迅速发展的多天线物理层安全通信技术和传统的扩频安全通信技术两者的优点。本文根据扩频序列对于干扰信号的频谱扩展调制特性，提出了一种基于扩频序列的加权跳空发射方案，发射机加权系数和跳空图案不仅与收发天线之间的信道信息相关，而且与通信双发约定的扩频序列有关，使得发射的跳空扩频信号具有一定的抗干扰容限。这种跳空物理层安全通信信号，结合了多天线收发物理层安全通信技术与传统扩频技术的安全性能优点，是一种更具有现实意义的跳空物理层安全通信技术。

1 系统模

图1中给出了基于分布式多天线跳空收发方式的物理层安全通信系统模型[1-4]。A和B为我方通信双方，E为敌方监听方。

发射机A配备G个发射天线，期望接收机B配备K个接收天线，敌对方窃听接收机E配备L个接收天线。跳空收发物理层安全通信的基本过程：

首先，期望用户B依次切换天线向发射机A发送训练序列，A通过接收到的信号估计出收发天线之间的信道信息HBA，根据信道的互易性，A与B之间的信道信息HAB可以表示为

(1)

其次，A将信道信息安全反馈给B，期望接收机B根据信道信息分别设置对应天线的加权系数，加权系数与信道信息之间的关系为

(2)

式中：g=1,…,G表示A的第g个发射天线，k=1,…,K表示B的第k个接收天线。最后，收发双方根据预先约定额跳空图案依次切换天线收发信号，图2给出了当发送天线数J=4接收天线数K=2时，一个调制符号周期内T的天线跳空图案示意图，一个符号周期内A切换天线发射信号，B利用高斯白噪声与发射符号之间的独立性累积相关接收信号，具有一定的累积增益。

上述的跳空跳空物理层安全通信系统与传统的跳频系统的区别：跳频通信系统收发双方必须按照跳频图案收发信号才能正确传输信息，但窃听方只要掌握了跳频图案同样可以解调接收的信号，也就是跳频图案是跳频技术唯一的安全保障；而跳空物理层安全通信系统的安全性能不仅与跳空图案相关，还利用了收发双方的无线信道信息。由于期望用户与窃听用户地理位置的差别导致无线信道的空域特性存在一定的差异，从而确保了通信信息在物理层的安全传输。此外，A天线快速切换的发射方式，不仅扩展了发射信号的空谱，提高了接收端的累积增益，而且使发射信号的空谱随时间快速变化防止信息被窃听方截获，这样即使公开了通信双方的预定的跳空图案，也能确保信息的安全传输。但在实际的电子对抗环境中，敌对方的目的不仅仅是窃听我方通信信息，还会发射干扰信号干扰我方的正常通信。文中的加权设计方案只能对于高斯白噪声有一定的累积增益[5-12]，而在敌对方放射干扰信号时期望接收机也无法正常接收信号。此外，在通信过程(2)中A反馈信道信息同样存在被窃听方窃取的可能，E可以利用窃取的A与B之间的信道信息和窃听接收机盲估计出的自身与A之间的信道信息综合设计加权系数窃听通信信息[13]。因此，本文在下一小节中提出了一种基于扩频序列的预加权跳空物理层安全通信方案，利用扩频序列对于干扰信号的频带扩展特性，提升期望接收机在复杂的电子对抗环境中的抗干扰性能。

2 干扰抑制加权系数设计方案

本文提出一种基于扩频序列的跳空设计方案，系统框图如图3所示。

发射发射机A配备G个发射天线，g=1,…,G表示A的第g个发射天线，对应的发射加权系数用wTr,g表示。期望接收机B配备K个接收天线，k=1,…,K表示B的第k个接收天线，对应的接收加权系数用wRe,g表示。窃听接收机E配备L个窃听接收天线，l=1,…,L表示E的第l个接收天线，对应的接收加权系数用wEr,g表示，窃听接收天线可以采用自干扰消除阵列在窃听通信信息的同时，发射干扰信号干扰期望接收机的正常通信(发射的干扰信号对于E自身的窃听不产生任何影响)。系统的通信过程表述如下：期望用户B依次切换天线向发射机A发送训练序列，A根据接收到的信号估计出收发天线之间的信道信息HBA。根据信道的互易性，A与B之间的信道信息HAB可以用式(1)表示，A与E之间的信道信息用UAE为

(3)

(4)

因此，本文提出的加权方案中直接采用发射端A预加权的方式，A预加权系数不仅与跳空图案对应的收发天线信道信息相关，而且与通信双方约定的扩频序列相关。设计加权为

(5)

式中：cm(g，k)表示发射端第g个天线发射接收端第k个天线接收对应权系数使用的扩频码片；m=1,…,M表示扩频序列中第m个码片；M表示使用的扩频序列周期。从式(5)可以看出发射信号的安全性能由跳空图案、收发天线间的信道信息和使用的扩频序列共同决定，并且这种基于扩频码加权的方法，对于窃听接收机发射干扰信号的情况下具有一定的抗干扰容限，更适应复杂的电子对抗环境。图4给出了一个调制符号周期T内，当扩频序列周期M=7时跳空图案的示意图，第一个扩频码片c1对于的收发天线序号g=1，k=1和信道信息h11。以此类推，第七个扩频码片c7对于的收发天线序号g=5，k=1和信道信息。

根据上述的发射方案期望接收机和窃听接收机接收信号可以分别表示为

rg,k(n)=hg,kwTr,gcms(n)+νB+JE

(6)

rg,l(n)=hg,lwTr,gcms(n)+νE

(7)

式中：s(n)表示第n个调制符号；νB和νE分别表示期望接收机B和窃听接收机接收信号的加性高斯白噪声；JE表示E发射的干扰信号用于干扰B的正常通信。干扰信号对于E自身的窃听不产生任何的影响。对于期望接收机B根据双方约定的跳空图案和扩频序列对接收信号采用累积相关的处理：

(8)

(9)

式中：{s(n)}表示调制符号集。由式(8)第三项可以看出本文的加权方法利用扩频序列对于干扰信号的频谱扩展调制，降低了干扰信号对于期望接收机正常通信的影响，使跳空物理层安全通信系统具有一定的抗干扰容限，相比于文献中的权系数设置方法只是对于加性高斯白噪声具有一定的累积增益[19-20]，本文的权系数设置方法在实际的电子对抗环境中更具现实意义。对于窃听接收机E本文提出的加权方法的权系数与通信双发约定的跳空图案、扩频序列以及收发信道信息三者相关。相比于文献[13-14]，通信信息多了一层扩频码保护。即使通信双方公开了跳空图案和使用的扩频序列，由于窃听接收机与期望接收机两者之间地理位置的差别，保证窃听信道hg, l与加权系数wTr,g存在很低的匹配度，仍然可以保证通信信息在物理层的安全传输。

3 仿真性能及其分析

仿真条件设置如下：

a) 仿真中使用的信道为平坦衰落信道，1 000个调制符号组成一帧信号，每一帧信号信道衰落系数改变一次，调制符号s(n)取QPSK调制符号集合；

b) E发射的干扰信号为单频干扰信号，干扰信号的中心频率与发射信号的中心频率之间的差值在(-100～+100) Hz之间随机变化，初始相位为0～2π之间的随机值；

c) 为了比较文献[13-14]方法与本文方法的性能，接收端B接收同一调制符号的副本数相同的前提下比较两种方法的通信性能和抗干扰性能。

图5中给出了文献[13-14]中的原方法和本文提出方法在无干扰和存在干扰信号的条件下，误符号率随着接收信号信噪比变化的曲线图。

因为系统的发射设计方案不同，为了能比较接收机的通信性能，本文的仿真条件都是在接收端接收到同一个调制符号相同数目的副本数条件下进行比较的。由图中可以看出：

a) 在无干扰信号情况下，原方法和本文方法期望接收机B具有较好的接收性能，并且窃听接收机E都无法解调通信信号，具有相同的防窃听能力；

b) 在有干扰信号的情况下，原方法中当干信比为0 dB时，B的误符号率几乎不随着接收信号信噪比的提高而提升；本文提出的方法中当干信比达到25 dB时，B的误符号率大约下降了2 dB，说明本文提出的算法具有一定的抗干扰容限，随着干信比的提高B的误符号率会下降，E都无法解调通信信号，具有防窃听能力。

4 结论

本文提出了一种基于扩频序列的加权跳空发射方案，发射机加权系数和跳空图案不仅与收发天线之间的信道信息相关而且与通信双发约定的扩频序列有关。期望接收机根据双方约定的跳空图案和使用的扩频序列采用累积相关的方法解调接收信号，敌对方发射的干扰信号受到期望接收机本地产生扩频序列的频谱扩展调制作用，降低了干扰信号对于正常通信过程的影响，使得发射信号具有一定的抗干扰容限。因此，本文提出的跳空物理层安全通信技术结合了多天线物理层安全通信技术和扩频通信技术的安全性能优点，为无线通信信息的安全传输提供了一种有效的传输方案。