浅谈卫星隐蔽通信

李小萌 杨波 王秭又

1. 西安电子科技大学通信工程学院 陕西 西安 710071；

2. 32620部队某室 青海 西宁 810000；

3. 西南财经大学统计学院 四川 成都 610074

1 研究背景

目前，我国在轨运行的应用卫星超过200颗，这些卫星是我国重要的空间基础设施[1]。其中，卫星通信具有覆盖范围广，通信质量高，通信容量大，可灵活组网等优势被广泛应用。例如卫星电视、应急通信、移动通信卫星等民用以及军事用途。

在民用领域，远洋运输、南极科考、抗震救灾、护航任务等都离不开通信卫星。通信卫星可以在全球内建立稳定的连接，实现高质量的通信，为经济和科研活动注入源源不断的发展动力。在军事领域，通信卫星是国之利器，对于军事战略意义重大。通信卫星部署在太空之中，可以不受自然条件影响提供高质量的通信服务，及时获取和反馈战场局势。且不易受到破坏，可靠性较高。无论在民用领域还是军事领域一些信息是绝对不允许被窃听的，通信卫星的安全性就变得尤为重要。然而，卫星信道具有开放性，在通信范围内信号容易被窃听方截获，难以确保通信的安全性[2]。随着全球不稳定因素不断增加，各国都高度重视卫星通信技术的发展，持续增加投资，推动相关研究和创新的进程以提升通信卫星的安全性。我国也急需安全性有保证的通信卫星解决方案。卫星通信系统覆盖范围广且不受地形因素的限制，但由于无线信道的开放性，卫星信号易遭受非法用户的窃听，其安全面临极大的挑战。针对卫星通信系统的安全弱点，通过使用隐蔽通信技术来隐藏信息，将大大降低信号被非法用户窃听的风险。

2 卫星隐蔽通信

2.1 卫星通信

近年来，在所有技术领域中都有许多技术进步和发展。在信息社会，卫星通信和广播都是此过程的一部分，并已成为社会的特征。卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站转发或反射无线电波，在两个或者多个地球表面通信站之间进行的通信，是地面微波中继系统的发展和继承。卫星通信系统包含通信和保障通信的设备，可以分为三部分：空间段、地面段和用户段。空间段主要是卫星本身，包含有效载荷和空间平台两大子系统。典型的地面段即地球站，由发射接收设备、信道终端设备等组成。用户段则主要包括各种用户终端。

卫星通信具有频带宽、传输容量大、机动灵活、覆盖面广等优点，即使通信距离远，但成本与距离无关，且卫星通信链路稳定可靠，传输质量高，可进行多址通信。但也存在一定的局限性，如通信卫星的使用寿命短，部件出现故障无法修复，存在日凌中断、星蚀等现象，此外，卫星通信系统的技术较复杂，电波的传输时延较高并且有回波干扰，静止卫星通信在地球的高纬度地区通信效果不好，南北极地区为通信盲区。目前尚未有成熟的技术可以完全解决这些问题。目前，通信卫星主要用来提供远距离电话、电传和电视服务，同时也是国际干线的最佳传输媒体。

2.2 隐蔽通信

实现隐蔽通信即在通信数据帧和通信信号中实现信息隐藏，主要的隐藏手段有替换数据冗余字段、引入额外编码、引入信号噪声和插入额外信号频带等方式[3]。一般用隐蔽性、可靠性以及隐蔽速率三个指标来评价隐蔽通信系统的好坏。

基于链路层的隐蔽通信手段主要有数据帧字段的插入和替换，如使用无线通信协议中的数据帧余字段、填充部分和序列号的方法[3]。物理层的隐蔽通信的实现主要体现在编码层、调制层和信号层。在编码层可以使用纠错码技术，引入纠错码产生的比特冗余可提高信息传输的可靠性[4-5]。调制层可使用多载波调制的正交频分复用（OFDM）技术，Grabski S等的研究[6]提出在OFDM调制过程中给每个符号增加循环前缀，可以降低多径时延，提高传输的可靠性。

在信号层实现隐蔽通信的方法可以归结为噪声式隐蔽通信。标准的隐蔽通信模型包括三个基本节点，即发送方Alice，接收方Bob以及检测方Willie。在Alice与Bob进行信息传输时，Alice把信息转变成无线电信号进行传播，Bob接收经过信道传输后衰落的信号并将信息提取出来。Alice希望传输的信息不被Willie所知晓，但由于无线信号的广播特性，Alice发出的信号可能会被Willie截获，通过加入人工噪声（AN）或利用一定的策略来降低Willie的检测概率，进而构建一定的隐蔽通信网络。

物理层安全技术还包括波束形成，被广泛应用于实现特定通信场景的安全。Lassaad AM等的研究[7]分析了多输入多输出（MIMO）发射波束形成系统的物理层安全性。Lin J等的研究[8]提出了一种新的频率分集阵列（FDA）波束形成方法，该方法通过阵列天线的频率偏移来解决合法用户和窃听用户的高度相关信道。Yan S等的研究[9]提出了一种新的基于位置的波束形成方法，重点研究了窃听信道。此外，AN技术通常与波束形成相结合，以实现物理层的安全性。Qiang L等[10]研究了多用户系统波束形成中辅助和协调多个单元的AN优化方法。所有波束形成基站和AN矢量都进行了集中优化，最大限度地降低了总发射功率，同时保证了授权用户的服务质量，避免了未授权用户对信息的干扰。

2.3 研究现状

目前提升通信卫星安全性的方法主要可分为两类：信息加密和信号隐藏[11]。信息加密是以密码学为基础的信息加密技术。通过加密算法对数据进行加密，常见的加密算法有：对称加密算法AES、DES、3DES、RC4等，非对称加密算法RSA、ECC(移动设备用)、Diffie-Hellman等[12]。这类方法是对数据进行加密，但由于无线信道的不可预测特性，物理层安全无法保证被窃听的信息量，而加密技术在面对具有智能反加密和强大计算能力的窃听者的时候，窃听者仍可获取和破解到加密之后的数据。

信号隐藏是通过提升信号的抗截获能力实现的。传统的抗截获方法有直接序列扩频、调频等方法，通过降低被截获方捕获的时间和概率来提升抗截获能力。但随着信号盲检测技术的发展，循环谱分析和高阶累积量等技术已经实现了对扩频信号的盲检测[11]。以上两种方法分别在时域和频域实现。在功率域有大信号覆盖技术还在发展阶段[2]，有待进一步研究。

传统地面无线通信的物理层技术不能直接应用于卫星通信的安全传输。上述所讲的地面无线通信的物理层安全技术是利用合法和窃听信道的区别来实现安全通信的。然而，在卫星通信中，由于卫星的高度远大于任意一个合法接收机的高度，因而在传输中几乎没有障碍或反射，直射信号的功率远大于多径信号的功率。信道本质上与传输损耗有关，传输损耗由距离决定，当合法用户接近窃听用户时，合法用户和窃听用户之间的距离远小于从卫星到其他卫星的距离，因此通常可以忽略[13]。Bankey V等人[14]主要研究了下行陆地移动卫星系统的SOP，在该模型中还考虑了共信道干扰信号。

He B等的研究[15]介绍关于具有噪声不确定性的隐蔽通信的研究，采用噪声不确定性的分布等指标，来分析有界和无界噪声不确定性模型下给定隐蔽性要求的最大可达率，证明了噪声不确定性确实有助于提高系统隐蔽性能。利用无人机部署的灵活性，可以为隐蔽通信创造新的噪声不确定性。Yi Z等人[16]在研究中提出用无人机作为干扰器，用来改善合法的发射机-接收机对于窃听者之间的安全通信，其中拦截概率安全区域(IPSR)最大化。Qian W等人[17]研究了无人机支持的中继无线系统的PLS，旨在最大限度地提高保密率。下文将详细描述一个使用无人机作为干扰器的卫星隐蔽通信系统。

2.4 UAV干扰辅助下的卫星隐蔽通信系统

图2 .1 系统模型

图2.1展示了包含四个节点的卫星隐蔽通信系统的基本模型，分别为低轨卫星Satellite、地面的合法接收用户Destination以及作为干扰器的无人机UAV，由于无线媒体的广播性质，在地面用户的周围还存在窃听者Eve。当卫星与地面合法用户进行通信时，Eve会试图检测星地之间的消息传输。用无人机作为干扰器可辅助卫星实现隐蔽通信，具体实现为无人机可产生空对地的伪随机噪声，并适当地将该噪声加入到卫星的发射信号中去，这会在Eve端造成新的噪声不确定性，从而干扰窃听者，降低窃听者的信号接收质量，提高保密能力。本系统中所有节点之间的通信均配备单天线，并且所有链路在统计上都是独立的。

在不失一般性的情况下，各节点的位置信息可由笛卡尔三维坐标系来表示。并且假设所有的通信都发生在有限时间段T内，T可被平均分为N个连续时隙，每个时隙的长度为δt=T/N。卫星、地面用户以及窃听者坐标分别表示为(x S,y S,zS)、(xD,yD,0)和(x E,yE,0)，UAV的坐标可被动态表示为(xU[n],yU[n],zU[n])（n∈{1,2,…,N}）。

各节点之间的距离定义为欧几里得距离，即卫星与地面用户的距离可表示为，同样的，卫星与窃听者Eve之间的距离定义为。假设卫星与地面合法用户距离固定，二者之间的通信信道为完美信道，不考虑信道估计误差，地面合法用户与Eve保持静止，而无人机在第n个时隙内以速度V[n]保持匀速运动。无人机的运动方向是随机的，在时间tδ内呈现球形运动轨迹。故在第n个时隙，无人机与窃听者之间的最大、最小距离分别为：

卫星—合法用户、卫星—窃听者、无人机—窃听者之间通信链路的信道系数分别表示为与。合法用户与窃听者处的噪声设为加性高斯白噪声，定义为和。其中是合法用户完全已知的。UAV已知星地通信链路和无人机窃听者链路的信道状态信息，以及用户的加性高斯白噪声，Eve处的高斯白噪声UAV是未知的。卫星发送数量足够大的J个信号给地面合法用户，第n个时隙的第j个发送信号表示为，服从复高斯分布， ，其中代表每一个信号的发射功率。窃听者Eve试图收集这些信号，并把收集到的信号表示为。用户或窃听者Eve的接收信号功率与离卫星的距离成反比，用自由空间路径损耗模型来表征，即合法用户的接收功率为，为路径损耗指数。

卫星与地面合法用户之间的信道为SR（Shadowed Rice）信道[19]，其余节点间的通信信道均为Nakagami-m信道。卫星已知它与合法用户之间的信道状态信息（CSI）。在窃听信道上，为了检测隐蔽通信的存在，Eve需要区分卫星是否发送了消息给合法用户，检测的方法可以抽象成一个二元的假设检验，如下：

H0表示卫星没有发射信号，H1表示卫星发射信号，表示Eve在第n个时隙的第j个采样信号，表示UAV的干扰功率，代表Eve处，在第n个时隙发送的第j个信号的未知噪声，。针对该假设Eve使用能量检测器进行检测，时隙n的对应统计量为：

Eve通过接收信号，用平均功率的估计量Y[n]与判决门限γ进行比较，从而进行假设检验的选择[20]。D1、D0分别代表支持H1、H0假设的决策。虚警概率为，漏检概率为。Eve的目标是最小化总检测错误概率ξ，而卫星的目标是通过限定发射功率等策略最大化ξ，使其满足且充分小。

当卫星的发送信噪比低于ρ−1/ρ时，即使Eve收集了无穷多的样本，它也无法检测到卫星的信号。假设Eve在其噪声不确定性的区间内对ξ采用最大—最小方法的检测度量：[21]

PD[n]为Eve的检测概率，为使隐蔽速率达到最大，需使PD[n]→0或者PF A[n]→1。

当PF A[n]→1时，有[n]；

当PD[n]→0时，有。

对于所有的γ和部分

因此，卫星最大发射功率为：

最大隐蔽速率为：

定义平均隐蔽速率：

卫星与窃听者之间的信道为Nakagami-m衰落信道，则|hSE|2服从伽马分布，定义为。hSD为SR信道衰落系数[19]，假设E[|hSD|2]=µ，根据Abdi A等人[19]对信道的描述可得到：

把式（10）代入（11）中计算得到平均隐蔽速率的表达式：

其中：

3 结束语

现代人们的生活已经进入信息化时代，实现信息化的基本要求就是保证信息传输的安全性和隐蔽性。本文介绍了卫星隐蔽系统的研究背景和基本概念，详细讲述了用无人机作为干扰器的卫星隐蔽通信系统的实现，并进行性能分析。改变无人机与窃听者之间的距离并用无人机发射人工噪声，就可以在窃听者一端产生新的噪声不确定度，以保护卫星与地面合法用户之间的隐蔽传输，避免被非法用户窃听。文中最后推导了无人机干扰下系统可达到的最高平均隐蔽速率。