一种基于合作信号的卫星叠加隐蔽通信方法∗

赵佳颖 李加洪 洪 涛 张更新

（1.南京邮电大学 南京 210003）（2.西安空间无线电技术研究所 西安 710000）

1 引言

由于卫星通信系统具有广覆盖的特点，因此在海洋、沙漠、山区等偏远地理环境作为长距离无线通信通信主要解决方案。但由于下行波束广覆盖的特性，卫星通信技术在作为特种长距离通信手段时存在安全性问题。对方在卫星下行波束范围内可以通过电子侦察设备对使用该卫星转发器的无线通信系统完成信息侦听，严重影响终端无线通信信息的安全性能［1～2］。

针对卫星长距离特种通信的安全性，传统的物理层解决方案是采用混合扩频的方式减低对方对于终端通信信息的截获能力。Abbas Jamalipour在文献［3］分析了多址干扰对直接序列扩频低地球轨道卫星通信网络吞吐性能的影响。Swadhin Thak⁃kar在文献［4］提出将扩频通信与隐写术和加密术结合在一起。Gizem Akcan在文献［7］提出利用直接噪声序列作为伪噪声序列来模仿白噪声的统计特征。上述采用扩频的方法虽然可以提高通信的安全性，但却限制了无线通信系统的传输效率。

此外，基于信号叠加的隐蔽通信方式也在不同的研究文献中报道。Sabel在文献［10］指出叠加通信中可以控制对掩护信号的干扰但也降低了传输速率和通信有效性。Arnab Roy在文献［11］提出一种使用经验模式分解技术来提取重叠通信的隐蔽信号。在实际的卫星转发器频谱使用情况中，合作信号中单个可作为掩护信号的频谱带宽并不满足终端的通信需求，尤其是在终端需要发射带宽较大的通信信息时，如视频信号等。卫星转发器中可作为掩护信号的频谱可能是间断分开的多个频谱，因此上述的卫星叠加通信假设条件往往很难得到满足。

频谱分割与聚合技术是J.Abe等在文献［13］针对传统卫星通信中频带利用率低所提出的信号传输技术，通过分割原信号频谱并在空闲频谱上传输来提高频带利用率，属于一种Nyquist多载波滤波器组技术。滤波器组技术在语音信号处理、通信、导航、雷达等领域应用广泛。

本文针对卫星长距离特种通信的安全性问题，将频谱分割与聚合技术应用于卫星叠加隐蔽通信，提出了一种基于卫星转发器当前频谱占用状态下的自适应合作信号卫星叠加隐蔽通信方法。根据卫星转发器合作信号频谱占用情况，利用分割滤波器组将需要发射的宽带通信信号频谱进行分割，分割后的子频谱调制到合作掩护信号的载频上，通过多个合作信号频谱掩护需要发送的宽带通信信号的频谱，使隐蔽信号子谱完全隐藏在当前的频谱环境中。在信关站通过设计的盲相位估计算法合并分割的子频谱，完成隐蔽通信信号的解调。本方法可以归类为一种信号层面的加密方法，通过对于宽带通信信号自适应的频谱分割在物理层提升发射信号的抗截获能力，达到了频谱“置乱”、“伪装”的效果，对方电子侦测设备必须截获所有的子频谱才能实现对于隐蔽通信信息的解调，大大增加了对方电子侦测设备的复杂度。

2 自适应的卫星叠加隐蔽通信方法

2.1 系统模型

图1 基于合作信号的卫星叠加隐蔽通信方法示意图

2.2 终端发射信号频谱分割方法

终端发射信号流程图如图2所示。

图2 终端发射信号流程图

设秘密信息序列m(x)，x=1，2，...，2n为双极性不归零码，采用QPSK调制，中频为fIF，单位为Hz，调制后隐蔽信号如式（1）所示：

其中，i(n)为隐蔽信号时域表示，n为时域采样点，ξ为原隐蔽信号功率，单位为W，mI(n)、mQ(n)分别为原秘密信息序列m(x)经串并变换得到的同向、正交分量。

其中，Ak(f)为第k个子谱，Hck(f)为频谱分割和搬移的滤波器的频域表达式。

分割滤波器组由多个带宽不同的平方根升余弦滤波器组成，表达式如式（3）所示：

其中：Hk为第k个分割滤波器，f为频率采样，fIF为原信号中频频率，Rc为原信号码率，fsk为第k个分割滤波器的分割带宽，Bk为检测到的第k个掩护信号的带宽，β为分割滤波器的滚降系数。

根据各个子频谱搬移的中心频率 fck，可以得到频谱搬移的滤波器表达式，如式（5）所示：

综上，发端发送的信号表达式如式（6）所示：

发端发送信号给卫星，在卫星上与掩护信号叠加一同转发，卫星转发的信号如式（7）所示：

其中，s(n)表示卫星转发的信号的时域表示，ck(n)表示卫星转发器中第k个可用的掩护信号，nS(n)为卫星转发器热噪声。

2.3 接收端频谱聚合与盲相位估计方法

接收端接收信号流程图如图3所示。

图3 接收端接收信号流程图

信关站接收到多个叠加发送的信号，如式（8）所示：

其中，φk为接收到的第k个信号的相位偏移，满足0≤φk≤2π，nR(n)为高斯白噪声。

首先采用SIC技术移除合作的掩护信号，得到各个子谱信号，如式（9）所示：

其中，D(n)为接收信号移除掩护信号后的时域表示，nC(n)为采用SIC移除掩护信号后剩下的信号残余，n表示信号时域采样点。

对各个子谱进行逆搬移，并进行匹配滤波，如式（10）所示：

其中，A″k(f，φk)为接收到的第k个子谱的频域表示，I″k(f，φk)为经过频谱逆搬移和匹配滤波的第k个子谱，Hak(f)为第k个逆搬移匹配滤波器，逆搬移匹配滤波器表达式如式（11）所示：

其中，fck为第k个子谱搬移的中心频率。

由于不同子谱信号要在不同频段的卫星长延时链路传输，接收端收到的第k个子谱信号会产生随机相移φk，0≤φk≤2π，所以要在聚合前要对每个子谱信号进行相位补偿，让各子带相位连续。本文采用盲相位估计算法，其原理为分别对相邻滤波器组分割的子谱的相位差Δθk行估计和补偿，如式（12）所示：

其中，Δθk为接收端接收到的第k-1个子谱和第k个子谱经过逆搬移之后的相位差，φk-1为第k-1个子谱的相移，φk为第k个子谱的相移。

以第一个分割子带信号相位为基准，其余分割子带向其相位进行补偿。在进行频谱分割时，两个相邻滤波器的交点处（即-3dB带宽处）的频点的幅度本是相同的，但在频谱搬移和逆搬移的过程中由于时延不同引入了相位差，计算该-3dB点的幅度比值，可以得出两个子谱的相位差，如式（13）所示：

其中，j表示复数，S(k-1，2)表示第k-1个子带在右侧-3dB带宽处频率分量的幅度，S(k，1)表示第k个子带在左侧-3dB带宽处频率分量的幅度。

对各个子带进行相位补偿，如式（14）所示：

最后将经过盲相位补偿后的各个子谱对应相加，得到原隐蔽信号频谱，如式（15）所示：

3 数值仿真与分析

为了评估本文提出的卫星叠加隐蔽通信的性能，将原数字基带信号进行QPSK调制，中频为70MHz，比特率为1Mbps，采用八倍采样，每个分割滤波器滚降系数β为0.5，将原隐蔽信号的频谱分为五个子频谱，第一、二、五个子带带宽为125kHz，第三个子带带宽为250kHz，第四个子带带宽为375kHz，分割滤波器的带宽同上述各子带带宽。子谱通过加性高斯白噪声信道，在接收端对每个子谱加入0～2π的随机相移。分别比较采用理想滤波器、分割滤波器来传输信号及截获部分子谱三种情况下，在接收端解调的误比特率来评估本方法的传输性能。

分割滤波器示意图如图4所示。

图4 分割滤波器示意图

1）分割隐蔽信号频谱

分割隐蔽信号频谱示意图如图5所示。可以看出分割滤波器组将原隐蔽信号的频谱分割成五个子谱，每个子谱包含了原隐蔽信号频谱的部分信息。

图5 分割隐蔽信号频谱示意图

2）星座图对比

图6是分别采用理想滤波器、分割滤波器来传输信号及截获部分子谱三种情况下解调后的星座图。若敌对方截获部分隐蔽信号子谱，则无法解调出原隐蔽信号信息。

图6 三种情况下解调后星座图比较

3）误比特率对比

图7是上述三种情况下误比特率对比图。可以看出采用分割滤波器分割隐蔽信号频谱和采用理想滤波器发送隐蔽信号相比，对接收端解调后的误比特率影响较小，几乎不影响原隐蔽信号的解调。而只截获部分频谱时，无法解调出原隐蔽信号信息。

图7 三种情况下误比特率比较

综上所述，本文提出的卫星叠加隐蔽通信方法不仅不影响原隐蔽信号调制解调，还大大提高了通信安全性，仅截获部分子谱无法还原出隐蔽信号信息。

4 结语

本文首先分析了卫星转发器不同合作用户占用的频带是分散的，单个合作掩护信号的频谱带宽并不能满足终端的通信掩护需求的问题，接着介绍了如何利用分割滤波器组技术，根据掩护信号频谱参数自适应的分割并搬移原隐蔽信号频谱，使其能够完全隐藏在掩护信号频谱下叠加发送，并在接收端采用盲相位估计技术对逆搬移后的子谱进行相位补偿并重新聚合。最后通过仿真比较分别采用理想滤波器、分割滤波器来传输信号及截获部分子谱三种情况下解调后的误码性能，得出本文提出的卫星叠加隐蔽通信方法不影响原隐蔽信号调制解调，大大提高了通信安全性。根据不同掩护信号的干扰容限以及发射信号的带宽选择合适的分割策略和掩护信号频谱的选择策略是后续研究中需要重点解决的问题。