主动自加噪传输技术及其反通信侦察效能分析

石　荣，李　潇，刘　畅

(电子信息控制重点实验室，四川 成都 610036)



主动自加噪传输技术及其反通信侦察效能分析

石荣，李潇，刘畅

(电子信息控制重点实验室，四川 成都 610036)

虽然各种信息安全措施在通信系统的传输层、网络层和链路层广泛使用，使其安全等级得到了较大提升，但随着近年来通信侦察技术的不断进步与发展，通信传输物理层安全问题却日益突出。针对这一情况，提出了基于通信发射方自己主动添加噪声进行信号传输的方法，以此来有效阻止非合作的第三方对物理层信息的直接获取。根据不同的防护要求，设计了空间辐射自加噪与射频合路自加噪这2种主动自加噪传输模式，并分析了其不同的应用条件与反通信侦察的效能。最后通过仿真验证了上述方法的合理性与有效性，这对于提高通信传输物理层安全等级，推进通信电子防御工程建设具有重要参考意义。

主动自加噪传输；物理层安全；反通信侦察；空间辐射自加噪；射频合路自加噪；电子防御；效能分析

0　引言

近年来随着通信侦察技术的不断进步与快速发展，目前侦察方已能够对传统的LPI/LPD通信信号实施检测截获[1-2]、参数分析[3-4]、调制与编码识别[5-6]、非合作解调译码[4]，从而给通信传输物理层安全带来了极大的威胁。虽然也可以采取文献[7-11]提出的方法，将加密手段引入到物理层安全传输之中，但该方法的实现也必然会对通信系统底层的软硬件体系架构进行重新设计与更改，从而极大地增加工程实现的复杂度，需付出较大的代价，所以尽可能保持现有通信方式变化不大的条件下，采取相对简洁的方法来提升物理层安全成为一个重要的研究课题。本文针对这一问题，提出了通信方自己主动添加噪声的方法来进行通信传输，该方法可以在保持现有通信物理层软硬件总体架构不变的基础之上，通过局部的简单调整与改进来提高物理层信号的安全传输等级。为此在前期研究的基础上[12-13]，设计了2种传输模式，以此来阻止非合作的通信侦察方对通信物理层信息的获取，其基本原理及其反通信侦察的效能分析详细阐述如下。

1　通信传输与通信侦察的载噪比描述模型

在通信发送方M1向通信接收方M2传输信号的同时，第三方Z，即通信侦察方，对通信发射方M1的信号进行侦察接收，如图1所示。

图1　通信传输与通信侦察场景图示

1.1通信传输中的载噪比

图1中M1的发射机输出的有效功率记为Wt，在M1与M2连线方向上通信发射方与接收方的天线增益分别记为Gt与Gr，M1到M2的空间传输等因素所导致的衰减记为Ld。通信接收方天线后端的接收系统性能因素记为[G/T]r2，可由下式计算：

[G/T]r2=Gr/(Ta2+Tr2)，

(1)

式中，Ta2与Tr2分别表示通信接收方天线的噪声温度与天线后端整个接收系统的等效噪声温度，于是通信接收方所接收到的信号的载噪比[C/n0]r2(定义为信号载波功率C与接收系统单位带宽内的噪声功率n0之比)可由下式表达：

(2)

式中，k表示玻耳兹曼常数，k=1.380 54×10-23(Joules /K)。在正常通信系统中，载噪比[C/n0]r2直接决定了该通信链路的传输容量与质量。

1.2通信侦察中的载噪比

图1中在M1与Z连线方向上通信发射方的天线增益记为Gtz，侦察方的天线增益记为Gz，M1到Z的空间传输等因素所导致的衰减记为Ldz。侦察接收方天线后端的接收系统性能因素[G/T]z表示为：

[G/T]z=Gz/(Taz+Trz)，

(3)

式中，Taz与Trz分别表示侦察接收方天线的噪声温度与天线后端整个接收系统的等效噪声温度。于是侦察方所接收到的信号的载噪比[C/n0]z表示如下：

(4)

同样[C/n0]z直接决定了通信侦察方截获到的信号的质量，以及是否能够通过侦察分析和处理来完成对截获信号的非合作解调与译码。

通信侦察过程中的传输衰减Ldz与正常通信系统的传输衰减Ld主要由传输距离决定。通常情况下，通信发射方的天线增益在指向通信接收方的方向上要比其他方向要高，即Gt>Gtz；通信侦察系统的等效噪声温度Trz要高于通信接收方系统的等效噪声温度Tr2，即Trz>Tr2，但二者不会有数量级上的差异。对比式(2)与式(4)，对于通信侦察方来说，虽然有上述不利因素，但从理论上讲，通信侦察方总可以不断地通过提高侦察接收天线的增益Gz来使得所截获信号的载噪比[C/n0]z得以提高，从而最终满足非合作解调的信噪比要求。由此可见，通信侦察接收方的载噪比[C/n0]z的调节主动权是由侦察接收方自己掌控的。

2　主动自加噪传输技术原理

由于电磁空间的开放性，在无线通信中通信发射方的信号被第三方所接收是无法避免的。尽管如此，对于如何消除由式(4)所决定的通信侦察实施条件，避免通信侦察方不断提高其所截获信号的载噪比，这成为通信电子防御的重要研究内容。

实际上可通过通信发送方自己主动添加射频噪声的方法来改变通信侦察实施条件。即通信发送方M1在发送信号的同时，也发送射频噪声信号，此时记发送的信号功率为Wt1，发送的射频噪声的功率为Wn1，对应的带宽为Bn1，射频噪声发射天线的增益在M2方向上为Gnt。于是通信接收方M2所接收到信号的载噪比[C/n0]r2,new可表示为：

(5)

而此时对于通信侦察方来说，所侦察接收到的信号的载噪比[C/n0]z,new如下式所表达：

(6)

式中，Gntz为侦察方向上通信发射方的噪声发射天线的增益。于是由式(6)可得：

(7)

由式(7)可见，在此条件下通信侦察方再也无法利用式(4)来调节侦察信号的载噪比。通信发送方通过主动发射噪声，从而使得侦察接收方的载噪比[C/n0]z,new的调节主动权掌握在了自己的手里，因为式(7)中的5个参数Wt1、Wn1、B、Gtz和Gntz都是由通信发送方自己所决定的。只要通信发送方在确保式(5)所描述正常通信的载噪比条件满足接收解调要求的情况下，通过上述5个参数的调节，使得式(7)所描述的侦察接收的载噪比条件远不满足非合作接收解调的要求。这样就有效阻止了通信侦察方对通信链路上物理层信号的非合作接收解调，从而有效地提高了通信传输的物理层安全等级。

基于这一技术原理，有如下2种通信发射方自己主动添加发射噪声的模式。

3　2种主要传输模式及其反侦察效能

3.1空间辐射自加噪传输模式

通信发送方在正常通信传输条件下，在通信发射天线处再增配一部发射机和一副噪声发射天线，该发射机专门用来发射与正常通信信号同频带的射频噪声，其输出信号再经过单独的噪声发射天线向空间辐射，如图2所示。

图2　空间辐射自加噪传输中的通信发射方

对于正常通信接收方来说，分情况讨论如下：

① 当k(Ta2+Tr2)≥Wn1GntGr/(LdB)时

该条件的物理意义是通信接收方本地产生的噪声还要大于等于通信发射方传来的噪声。于是由式(5)可得：

[C/n0]r2,new≥Wt1GtGr/[2Ldk(Ta2+Tr2)]，

(8)

对比式(8)与式(2)可知，通信接收方的载噪比降低将不会超过3 dB。一般情况下，通信传输系统都留有较大的链路预算余量，所以这对正常的通信接收所产生的影响很小。

② 当k(Ta2+Tr2)

该条件的物理意义是通信发射方传来的噪声大于通信接收方本地产生的噪声。于是由式(5)可得：

[C/n0]r2,new≥Wt1GtB/(2Wn1Gnt)，

(9)

由式(9)可见，只要通信发送方控制好Wt1、Wn1、B、Gt和Gnt这5个参数，就可以确保通信接收方的接收载噪比条件，从而确保正常通信的顺利进行。在正常通信得以保证的前提下，再利用式(7)调节Gtz和Gntz这2个参数，以尽量降低侦察接收的载噪比条件，从而提高通信物理层传输的安全等级。

空间辐射自加噪传输模式一般针对通信发射方采用定向高增益传输天线，定向发射通信信号时，对其天线主波束以外的区域进行防护，此时正常通信信号发射天线方向图为针状波束，而噪声信号发射天线方向图可以为全向波束，如图3所示。

图3　空间辐射自加噪传输中发射方天线波束图

由图3可见，在正常通信信号发射天线方向图与噪声信号发射天线方向图给定的条件下，可通过适当调节噪声发射机的输出功率Wn1的大小，来控制向空间所辐射的噪声功率的大小，从而使得通信发射方对外发射的混合信号本身就是一个具有一定信噪比的信号。通过输出噪声功率的适当控制，可使得在通信发射天线的主波束区域内的信号带内信噪比SNR(单位是dB)为正；而远离主波束方向的区域内的信号带内SNR很小，甚至为负。这样就能在空间区域上体现出发射信号本身在SNR上的差异。在此条件下，正常通信接收方可接收到满足信号解调要求的正SNR信号；而通信侦察方接收到的是负SNR条件的信号，从而无法对此信号实施有效解调。

对比式(7)、式(8)和式(9)可知，空间辐射自加噪传输模式反通信侦察的效能主要取决于：信号功率与噪声功率的相对大小，以及正常通信信号发射天线方向图和噪声发射天线方向图的对比。通过2种不同天线的设计，使得通信发射天线在通信接收方向上的增益尽可能大，在侦察方向上的增益尽可能小；另一方面，使得噪声发射天线在通信接收方向上的增益尽可能小，在侦察方向上的增益尽可能大，这样的设计更有利于反通信侦察的实施。

3.2射频合路自加噪传输模式

射频合路自加噪传输模式是一种全空域防护模式，在通信发送方的正常通信信号进入发射机之前，通过合路器将射频噪声产生器生成的与信号同带宽的噪声信号一起送入通信发射机，然后将放大之后的带有噪声的混合信号向空间辐射，如图4所示。

图4　射频合路自加噪传输中的通信发送方

由图4可见，射频合路自加噪模式不受通信发射天线的限制，无论天线方向图是何种形状，该方式都可以实现在全空域上主动添加噪声。而且从发射天线处观察，混合信号无论从哪一个方向辐射，其辐射时的SNR在任何方向上都是一个恒定值，这是该模式的最突出的特点。即有如下两式成立：

Gt=Gnt，

(10)

Gtz=Gntz，

(11)

在此模式中一般要求正常通信接收方要满足k(Ta2+Tr2)

[C/n0]r2,new≥Wt1B/(2Wn1)，

(12)

对于通信侦察方，由式(7)和式(11)可得：

[C/n0]z,new≤Wt1B/Wn1，

(13)

对比式(12)与式(13)可知，如果不采取特殊处理方式，正常通信接收方与通信侦察方在此条件下的载噪比差异不大，从而无法达到物理层信号安全传输的目的。所以需要对于射频合路自加噪传输模式采取附加的长码扩频措施[11]，即正常通信发射方在信号发射时，采用无周期的直接序列长码对传输信号进行扩频，记扩频处理增益为A，于是正常通信接收方在解扩之后，信号带内SNRr可表示为：

(14)

由此可见，正常通信接收方通过解扩操作实际上等效于提高了通信接收端的SNRr，在解扩之后正常通信接收方可完成接收信号的解调。但对于非合作通信侦察方来说，即使对扩频信号实施直接解调处理，此时被解调信号的带内SNRz由下式确定：

SNRz=[C/n0]z,new/B≤Wt1/Wn1，

(15)

由式(15)可知，只要通信发送方合理分配信号功率Wt1与噪声功率Wn1的数值，就可以使得通信侦察方处于低SNR，甚至负SNR条件，由于无法对扩频信号实施直接解调来恢复非周期的扩频长码序列，更无法通过解扩来提高侦察接收的带内SNR，这实际上就等效于消除了通信侦察方实施非合作解调的前提条件，从而有效阻止了非合作的通信侦察方对物理层信息的获取，确保了通信传输的物理层安全。

对比式(14)和式(15)可知，射频合路自加噪传输模式反通信侦察的效能主要取决于：信号功率与噪声功率的相对大小，以及通信信号直接序列扩频处理增益的大小。正常通信方所采用的扩频处理增益越大，则侦察方截获到的信号的带内SNR与正常通信接收方的信号带内SNR的差异也就越大，其反通信侦察的效能就可得到更有效的提高。

4　应用示例与仿真验证

4.1空间辐射自加噪传输

在地面微波通信点对点传输应用中，正常通信发射方工作于5.6 GHz频点，采用2.5 W的发射机，通信收发两端都采用口径为0.5 m的抛物面天线，天线增益同为26 dB，收发双方的距离为100 km。与此同时，在与通信链路传输方向成45°方向上有一通信侦察方对此微波通信链路实施侦察，侦察方与通信发射方的距离为30 km。在通信发送方处还配置了一个用于射频噪声发射的全向天线，后接一台输出功率为10 W的发射噪声的功放，如图5所示。

图5　点对点通信传输与通信侦察场景图示

在通信发射方没有主动发射噪声的情况下，根据式(2)可得：通信接收方所收到信号的载噪比为104 dBm/Hz，其中接收方本地单位带宽内的噪声功率谱密度取为-166 dBm/Hz。在此条件下通信双方可采用QPSK数字调制，传输速率可达100 Msps，此时在通信接收端的SNR约为24 dB，显然该SNR足够确保接收机的正常解调，并且还有较大的余量。

对于通信侦察方来说，采用口径为10 m的天线实施副瓣侦察，对于目标发射天线方向的增益按-10 dB计算，侦察天线增益为52 dB，由式(4)可得侦察截获信号的载噪比为104 dBm/Hz，其中侦察方本地单位带宽内的噪声功率谱密度为-165 dBm/Hz。由此可见，侦察方截获到的信号与正常通信方接收到的信号的载噪比是相同的，按照当前通信侦察的信号分析与非合作解调能力，完全可以对此信号实施非合作解调而获取物理层的码流信息。

按照本文前面所提出的空间辐射自加噪传输模式，通信发射方在通信信号所在的100 MHz左右的带宽内主动发射噪声信号，发射功率为10 W，单独采用一个全向天线对外辐射。此时正常通信接收方在接收天线后端所接收到的从发射方传来的信号的带内的噪声功率谱密度为-82 dBm/100 MHz，即-162 dBm/Hz，这一数值比接收方本地噪声还要高，由式(9)可知此时在通信接收端的解调SNR至少为17 dB，完全满足QPSK信号解调信噪比门限要求。

但此时对于通信侦察方来讲就不那么幸运了，由于实施的旁瓣侦察，在侦察方向上正常通信信号的天线增益不超过-10 dB，而同带宽噪声辐射天线的增益为0 dB。结合式(7)可知，无论侦察方如何增加侦察天线的口径，所接收到的信号的带内SNR最大都不可能超过-16 dB，因为在此方向上从通信发送方辐射出来的信号本身就是一个负SNR的信号。显然在-16 dB带内SNR条件下是不能完成QPSK信号的解调的，因为此条件下的解调误码率都超过了35%，这样的解调结果是毫无意义的。

从该示例还可发现，空间辐射自加噪传输的防护区域与正常信号发射天线方向图、噪声信号发射天线方向图，以及正常信号与噪声信号功率相对大小紧密相关。如果图5中的通信侦察方改变侦察地点，运动到正常通信发送方与接收方的连线附近区域实施侦察，其防护效果就会变差，甚至起不到防护作用，因为此时侦察方几乎满足主瓣侦察条件。

按照前述仿真条件，设正常通信双方的抛物面天线在不同方向上的归一化相对增益G(θ)(单位dB，-90°≤θ≤90°)由下式近似表达：

(16)

式中，θ表示偏离天线主轴的度数，D表示天线直径，本例中D=0.5 m，λ为信号波长，本例中λ=0.053 6 m，J1[·]为一阶贝塞尔函数。按照式(16)所对应的天线归一化相对增益随角度的变化如图6所示。

根据这一天线增益函数，结合QPSK解调误比特率理论曲线，可以仿真得到在空间不同角度方向上实施侦察时，侦察方所能达到的QPSK解调误比特率的下限曲线图如图7所示。

图6　天线归一化相对增益随角度的变化曲线图

图7　空间不同角度方向上解调误比特率下限曲线图

由图7可见，在偏离通信传输天线主轴30°以外的方向上，在空间辐射自加噪模式下其误码率下限都在30%以上，在此条件下通信侦察方已经无法满足非合作解调的SNR条件。

4.2射频合路自加噪传输

射频合路自加噪传输不依赖于通信方天线的方向图，可以在全空域形成防护，这是其最大的特点。以星地通信链路为例，同步轨道通信卫星与地面终端之间建立正常的通信链路，采用BPSK调制，载波频率为12.5 GHz，数据传输速率为50 kbps，扩频码速率为50 Mcps。在卫星向地面终端传输正常信号的同时，地面上的通信侦察方也在同时接收来自通信卫星的下行信号[11]，如图8所示。

图8　星地链路正常通信双方及侦察方位置示意图

卫星的发射机输出功率为1 W，天线口径为0.5 m，天线增益为33dB，星地传输距离为38 000 km，对应的空间传输衰减为206dB。地面通信终端天线口径为1 m，增益为39dB。于是在地面终端天线后端所接收到的卫星信号强度为-104dBm，对应接收带宽内的扩频信号带内信噪比约为-10dB(其中前端噪声功率谱密度按-171dBm/Hz计算，以下同)。对于正常通信接收方来说，扩频处理增益为30dB，所以经过解扩之后，信号的带内信噪比可以提升为20dB，在此信噪比条件下能够实现几乎无误码的解调。

在图8所示的场景中，如果通信侦察方采用1 m口径的天线来进行侦察接收，由于事先没有获得通信双方的扩频码，所以无法实现解扩处理；另一方面，在解扩之前信号的带内信噪比为-10dB，这也无法实现直接解调处理。但侦察方可以增大侦察接收天线的口径，例如将天线口径增加到16 m，这样一来，解扩前所接收信号的带内信噪比提升至14dB。在此条件下侦察方可对扩频信号直接实施解调处理，得到扩频序列与信息序列共同作用的混合序列。在此基础上，侦察方可采用密码学中的唯密文分析手段来进一步挖掘其中所包含的信息序列[14]。

为消除上述隐患可采用射频合路自加噪传输模式。卫星在发送信号时，利用其中的0.05 W功率来发射正常的通信信号，而利用0.5 W功率来发送射频噪声，这就决定了混合信号一旦从通信卫星发射出来之后，信号的最高带内信噪比已经被限定为不超过-10dB。当信号到达地面通信终端之后，天线后端的信号强度为-117dBm，在接收带宽内的扩频信号带内信噪比为-23dB，经过解扩之后，信号带内信噪比可提升至7dB，在此信噪比条件下经过解调处理，再加上后续的信道码纠错之后，正常通信的接收方是可以获得正确的信息码流。但对于通信侦察方来说，此时无论如何增大侦察接收天线的口径，所接收到的解扩之前的信号带内信噪比始终无法超过-10dB，在此条件下如果实施直接解调，由BPSK解调误码率曲线可知，此时的解调误码率约为32.7%。显然第三方在无法得到比较准确的码流序列的条件下，扩频码分析与恢复也是无法实施的。侦察方由于不能获得准确的原始码流，所以更加无法实施码流分析与恢复。由此可见，射频合路自加噪传输模式使得通信侦察方即使利用主瓣侦收条件，仍然不能有效获得物理层传输的码流信息。

5　结束语

本文首先从接收信号的载噪比的角度建立了通信传输与通信侦察的描述模型，并以此为基础，阐述了通信发送端自己主动添加噪声进行信号传输的技术原理，提出了2种典型的自加噪传输模式：空间辐射自加噪与射频合路自加噪，并分别对这2种模式的特点和反通信侦察的效能进行了分析，最后通过应用示例与仿真验证了其有效性和可行性。所给出的应用示例也为本方法的工程实际应用提供了重要参考，这对于提高通信传输物理层安全等级，推进通信电子防御的应用实施具有重要意义。

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Transmission Technique by Active Self-added Noise and Its Efficiency Analysis for Anti Communication Reconnaissance

SHI Rong,LI Xiao,LIU Chang

(Science and Technology on Electronic Information Control Laboratory,Chengdu Sichuan 610036,China)

Various safety measurements are widely utilized in transmission layer,network layer and data-link layer of the communication systems and their safety grades have been enhanced greatly.But the safety of physical layer becomes a big problem now.In order to resolve this,a new transmission method based on active self-added noise at transmitter is put forward and the third party with non-cooperative relationship can be prevented from acquiring the information in signal of physical layer.According to the different protection requirements,two modes have been designed,including space radiation self-added noise mode and radio frequency combiner self-added noise mode.Their different utilization conditions and efficiency for anti communication reconnaissance are analyzed.The rationality and validity have been demonstrated by simulations in the end.It is an important reference for communication physical layer safety and electronic protection application.

transmission by active self-added noise;physical layer safety;anti communication reconnaissance;space radiation self-added noise;radio frequency combiner self-added noise;electronic protection;efficiency analysis

10.3969/j.issn.1003-3114.2016.05.11

引用格式：石荣，李潇，刘畅.主动自加噪传输技术及其反通信侦察效能分析[J].无线电通信技术,2016,42(5):42-47.

2016-05-13

国家部委基金资助项目

石荣(1974—)，男，博士，研究员，主要研究方向：电子对抗、通信与雷达系统。李潇(1992—)，女，硕士研究生，主要研究方向：通信防御技术。

TN973

A

1003-3114(2016)05-42-6