基于卫星透明转发器的隐蔽通信设计与应用

吉志海

摘 要：本文基于卫星透明转发器设计一种DS/FH相结合的波形体制，对帧结构、同步检测等进行分析研究和仿真实现，可在极低信噪比条件下满足检测需要，仿真结果验证帧结构设计的有效性。

关键词：卫星通信；透明转发；隐蔽通信；

1引言

随着我国经济实力的快速增长，在“一带一路”及军事力量“走出去”的战略背景下，亚丁湾护航、海外维和任务、海外应急撤侨、海洋科考以及远洋演习等任务日趋频繁，受限于通信卫星覆盖范围和通信容量大小限制，在某些热点区域，尤其突发情况下，需要采用特定的技术手段，避免被第三方发现和截获的前提下，使用民用卫星或其他卫星进行的一种非常规应急通信手段，为国家战略投送、反恐处突、抢险救灾、应急保障等任务提供可靠超视距远程组网通信保障，满足话音、低速数据和格式化报文业务等特定应用需求。

2通信原理框架

通信卫星公开地暴露在空间轨道上，很容易受到敌方的窃听、干扰甚至摧毁，而目前卫星转发器主要分为透明转发、星上处理等方式，星上处理因实现复杂，一般需要星地一体化设计，大多用于军用通信领域；大量民商用转发器多为透明转发器，该方式转发器数量多、覆盖范围广、使用灵活。考虑到一般转发器常用带宽一般为36MHz、54MHz、72MHz，本项目的信号带宽最高限定在36MHz范围内，通过采用高性能集成芯片、优化宽带信号处理等方式将，提高波形通用性和可移植性。波形工作原理如图1所示。

本项目采用DS/FH相结合的方式，在36MHz宽带信道上，将扩频信号与转发器底噪声重叠，使其隐蔽于底噪声中，达到低截获的目的。发送端通过基带信号处理完成编码、调制、扩频和成型滤波，在I/Q直接上变频至C中频，最后通过射频器件实现频率搬移至C/Ku/Ka频段进行信号发射；接收端将射频信号搬移至低中频，再通过匹配滤波、解扩、解调、译码等步骤完成信号恢复。

通过直扩获得21dB的扩频处理增益，同时降低位定时的难度和提高波形可实现性。本信号带宽小于1MHz，在转发器带宽允许的情况下，可采用DS/FH混合扩频技术，提高了波形的抗干扰、抗截获能力，同时可获得约15dB的跳频增益。通过集中跳频系统和直扩系统的优点，降低波形设计复杂度，克服了单一扩频方式的不足。通过采用宽带数字中频技术，接收时在中频模块将信号滤波采样，再通过高速总线将采样后的数据传送到基带处理模块，由其完成解调、解扩、译码等工作；发送时，直接将基带IQ信号上变频至C中频，再通过功放变频至Ka/Ku频段发送出去。

3时隙及帧结构设计

3.1时隙类型

时隙是TDMA网内时间资源分配的最小单位，本文设定时隙长度为32ms。根据业务应用需求，可采用多个时隙级联设计的方式减少报头的开销，提高卫星信道资源的利用效率。按照时隙中承载的帧类型，可分为参考时隙、申请时隙、控制时隙、业务时隙等。按照时隙的分配和使用方式可分为独占时隙和竞爭时隙。

本波形设计12s为一个时帧周期。在12s时间内，TDMA网内各站使用各自分配的时隙资源完成数据的发送。本波形的时隙、频率资源由部署在主站后端的网管统一管理分配，参考时隙、申请时隙等在每个帧中的位置是固定的，其余时隙由网管根据网内用户数及业务流量情况进行分配和回收。

3.2帧结构设计

时帧周期为12s，由多个帧组成，每个帧由一个或多个连续的时隙组成，每个时隙由一个或多个连续的跳组成。

按照传输内容可将帧结构分为参考帧、申请帧、控制帧、业务帧。

1）参考帧仅由主站发送，为TDMA网内其他终端提供同步参考信号以及TOD数值，用于终端的入网和同步保持；

2）申请帧由TDMA网内各终端使用竞争方式发送，被主站接收。用于终端发送入/退网请求，时隙分配请求；

3）业务帧由TDMA网内各站在自己的业务时隙内发送。实现业务突发的发送。各终端通过接收自己的业务帧可实现测距功能；

4）控制帧用于主站向全网广播TDMA网络规模、时隙分配计划等参数。

主站以外的各个终端站通过接收自己发送的业务帧实现测距功能。

本波形考虑了跳频频点的切换过程在数字域中使用DDS完成，它能以连续相位的方式切换到新的频点。因此，跳频频率的切换过程为实时切换，在设计帧结构时无需预留跳频切换保护时间。根据接收能力的不同，本波形设计了64kbps、32kbps、16kbps、2.4kbps四种速率的帧结构，分别对应-7dB、-10dB、-13dB、-21dB的接收门限。帧结构分别如图3所示：

四种帧结构的扩频倍数N分别为8、16、32、128，占用时间M为32ms（扩频倍数为128倍时为32ms）。它们的主要传输性能如下表所述：

帧结构由帧头，独特码，数据部分组成。帧头装载帧同步码，用于接收机实现帧同步和符号同步。独特码包含帧数据类型、帧长等信息。数据部分为用户的有效载荷，根据不同情况，需要在数据部分填入源和目的终端的ID。

帧数据类型包括申请帧、控制帧、业务帧等，其中业务类型包括格式报文、分组数据（IP、网管、话音、视频）等。

4仿真实现

长度为256到5120的同步序列的检测概率，仿真结果如图3所示。从图中可见，当选择长度为256、512、1024、5120的同步序列时，在门限信噪比为-7dB、-10dB、-13dB、-21dB的情况下，检测概率均超过90%，能够满足系统极低限情况下的信号检测要求，该模块已在在Xilinx的XQ7Z045-2FFG900I芯片上实现。

5小结

本文基于卫星透明转发器设计通信波形，可通过增加扩频倍数、降低通信速率、DS/FH相结合的方式，将信号隐藏在卫星透明转发器底噪声下，同时不对原业务信号形成明显干扰，降低第三方检测和截获概率，满足特定应用需求。本文研究的隐蔽通信波形已完成模拟环测试，后续将择机上星验证。

参考文献

[1] 石荣、胡苏、徐剑韬，卫星透明转发通信中的隐蔽自适应扩频传输，舰船电子工程，2017.1，54-57；

[2] 李洪涛、郝士琦、王春迎，军事卫星隐蔽通信的数据速率及信道选择，现代军事通信，2005.3，13（1），8-10；

[3] 郭道省、张邦宁、刘爱军、甘仲民，基于透明转发器的卫星通信抗干扰技术及仿真系统，解放军理工大学学报，2002.2，40-44；

（作者身份证号码：320102197905081218）