短波物理层安全传输技术*

周 军 ，周 琦 ，王 新

（1.中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041；2.军事科学院系统工程研究院，北京100039）

0 引 言

由于具有通信距离远、抗毁能力强等优点，短波通信在军事通信中占有十分重要的地位[1-2］。相对于超短波、微波通信方式，短波通信距离远，覆盖范围大，通信信号更容易被非授权用户接收，信号承载信息也更容易被截获和破译，因此，短波通信信息安全需求也更加迫切。对于传统短波通信，其安全性主要依赖于信息加密机制，在链路层及以上层对数据进行加密。随着无线通信和传统密码攻击、破译手段和技术的进步，短波通信尤其是短波军事通信在安全传输方面也需要有相应的应对手段保证其低截获和抗破译的需求。以密钥管理、完整性检测技术、身份认证数字签名等技术为主的现代密码学体制是目前无线通信网络中保障信息安全的主要手段。传统上，短波通信的安全机制建立在计算密码学方法的基础上，通过上层协议保证安全性破解密钥所需的极高计算复杂度保证了加密算法的有效性。随着计算机运算能力与运算速度的提升，传统的基于计算复杂度的密钥体制安全性正日益受到挑战，物理层安全技术为保障短波通信信息安全提供了新的途径[3］。

物理层安全技术综合了调制解调、信道编解码、多载波、多信道、多天线以及协同通信等技术特点，从传输技术方案研究通信的保密性，最终目的是在满足合法用户通信的性能要求的前提下，使非授权用户无法从传输信号中提取有效信息，实现绝对意义的安全[4］。

调制解调是物理层传输的一个关键步骤，也是实现物理层安全的关键点之一。本文突破传统信息加密思想，将加密技术创新应用于短波物理层空口信号保护，对调制信号星座图进行加密，可以有效提高短波通信安全防御能力，达到物理层空口信号“难截获、截获难破译”的目的。

1 系统模型

1.1 短波物理层安全技术系统模型

短波物理层安全传输技术原理框图如图1所示。发端信源信息经过纠错编码和交织后通过符号映射成PSK、QAM等调制符号，然后再经过密码序列生成的随机相位对调制符号的相位进行旋转，再通过信号组帧以及载波调制将信号发射出去。接收端首先经过载波解调以及信号同步，然后进行信道估计与均衡得到均衡后的信号，通过解密序列生成的随机相位再对其进行解旋转，去除加密相位信号，再进行符号解调以及解交织和译码，最后将译码信息送到信宿。

图1 短波物理层安全传输技术原理框

1.2 物理层安全传输技术原理

传统星座映射后的调制符号用公式可以表示为：

式中，xi表示第i个调制符号，Ii和Qi分别表示第i个调制符号的实部和虚部，Ami和θi分别表示幅度和相位。

加密后的调制符号可以表示为：

式中，Δθi是加密序列随机生成的相位，用于对传统信号进行相位旋转，达到物理层调制信号加密目的。加密原理图如图2所示。

图2 调制信号加密框

图3 是传统QPSK调制信号的星座图和加密后的安全波形星座图，从图3中可以看出，传统QPSK调制信号星座图为4个正交的星座点，加密后的信号星座图为一个圆，即加密后的信号相位随机覆盖在单位圆内。对于传统的QPSK调制信号，费合作方可以通过二阶、四阶、八阶统计量等方式分析出发送方的调制方式，而对于加密后的调制信号非合作方无法采用同样的方式分析出发送方的调制方式，同样也无法截获传输信息。

图3 传统QPSK调制星座图和安全波形星座图

2 仿真性能

星座加密方式可以为系统带来抗截获安全防御能力，但是该技术是否会对传输信号的峰均比、信号的频谱以及传输性能带来影响是我们比较关心的问题。本文以美军MIL-STD-188-141A标准[5］中的传统波形为基础，通过增加星座加密功能形成安全波形，并评估了传统波形和安全波形的峰均比、信号频谱和传输性能。

图4是传统波形和安全波形的峰均比对比图，从图4中可以看出，星座加密技术对于信号的峰均比没有影响，因此该技术与信号的发射功率没有影响。

图4 短波传统波形和安全波形的峰均比

图5 是传统波形和安全波形的信号频谱对比图，从图5中可以看出，星座加密技术对于信号的频谱没有影响，不会改变信号的频谱效率。

图5 传统波形和安全波形频谱

传统波形和安全波形在高斯信道下的性能如图6所示，从仿真结果可以看出，安全波形和传统波形的性能基本相当。

图6 传统波形和安全波形在高斯信道下的性能

传统波形和安全波形在多径衰落信道下的性能如图7所示，其中多径时延为2 ms，衰落带宽1 Hz，从仿真结果可以看出，安全波形和传统波形的性能相当，基本无损失。

图7 传统波形和安全波形在多径衰落信道下的性能

3 结 语

本文提出了一种调制信号星座加密的物理层安全传输技术，采用密码序列对调制信号的相位进行随机化，使非法接收方无法获取正确的调制方式，从而无法正确破译传输信息。通过对比传统波形和文中提出的安全波形的峰均比、信号频谱、在高斯信道和多径衰落信道下的传输性能，可以得出：基于调制信号加密的物理层安全传输技术对信号的峰均比、信号频谱无影响，对系统的传输性能也不会产生影响。因此该技术在不损失传输性能的前提下提高了系统的抗截获安全防御能力。星座加密技术支持PSK、QAM、APSK、DPSK等线性调制方式，应用广泛，不仅可以应用于短波通信中，也可以应用于超短波、微波、卫星等通信。