基于WFRFT的卫星信号掩盖方法研究

桑之昂 刘亚南 刘子威* 胡义鑫 张更新

①(南京邮电大学通信与信息工程学院 南京 210003)

②(哈尔滨工程大学信息与通信工程学院 哈尔滨 150001)

③(中国电波传播研究所 青岛 266107)

1 引言

卫星通信能够提供全球化、全天候、高可靠的信息互联，在诸多场景得到广泛应用。然而卫星信道具有开放性，信号易被非合作方获取，如何保证卫星的通信安全得到了研究人员的重视。目前，卫星信号主要依靠直扩、跳频和跳时技术来降低侦查设备的捕获概率和积累时间，然而，针对上述技术的研究已经相当充分，诸如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检测[1，2]。因此，研究新型应用于卫星的安全通信技术具有迫切需求。近年来，新颖的技术手段不断出现，包括混沌技术[3]、认知无线电[4]、变换域通信[5]、量子加密[6]以及信号掩盖[7]等。

在没有先验知识的情况下，针对时频域重合、强弱不同的两个信号，从中分离出弱信号是一个具有挑战性的任务[8]。因此，基于这一原理发展出的信号掩盖技术成为研究的热点之一，其设计强功率掩盖信号和通信信号同频同时进行传输，利用强功率、特定参数特征来掩盖信道中的通信信号。然而，随着调制识别、串行干扰消除(Successive Interference Cancellation， SIC)[9]等信号分析与处理技术的发展，研究人员提出了诸多针对这种强弱混合信号的盲分离方法。文献[10]在无先验知识的情况下实现了对非对称成对载波多址(Paired Carrier Multiple Access， PCMA)中两路信号的解调，文献[11]针对强弱混合信号提出了一种基于同步挤压小波变换的盲分离算法，文献[12]利用最大似然准则得到了PCMA混合信号的分离性能界。

存在安全通信需求的卫星通信终端中，便携式终端是需要重点关注的一类设备，其多工作于境外等特种通信场景中。便携式终端为保证续航时间并降低被发现概率，常设计采用持续时间很短的突发信号传输信息，并且不会监测信道占用情况。因此，这类终端将难以获取外部信号作为掩盖，信号传输的安全问题难以解决。本文在信号掩盖技术的基础上，借鉴PCMA技术使用本地信号副本进行自干扰抵消的思路[13]，设计在终端和信关站预置掩盖信号的副本，终端不借助外界信号作掩盖，自行发送掩盖信号和通信信号。同时，针对信号掩盖技术的缺陷，将加权类分数傅里叶变换[14](Weightedtype FRactional Fourier Transform， WFRFT)引入信号掩盖结构中，利用WFRFT变换可以实现对掩盖信号的波形加密，同时WFRFT变换也改变了掩盖信号的时频域分布，使其呈现类高斯特征，能够有效迷惑常规的调制识别手段。针对这一安全通信方法，本文还分析了一种合作接收方可用的信号分离方法。仿真表明本文所提方法能够有效保证设计场景下信号的波形安全，且经过信号分离后，系统的误码率损失在可接受范围内。

2 系统与信号模型

2.1 系统模型

在基于信号掩盖思想的卫星重叠通信系统[15]中，一般会选取卫星传输公开业务的信号作为掩盖，或由信关站在特定信道上连续发送信号作为掩盖。前者需要终端实时感知卫星转发器的频谱占用情况，对终端能力和接收机灵敏度的要求较高；后者会增加通信暴露的风险。为满足本方法设计场景中终端便携化、减少与卫星交互的需求，设计在发送终端和接收信关站均预置掩盖信号基带波形副本，并约定使用的WFRFT变换阶数。

基于WFRFT的卫星信号掩盖通信方法的系统模型如图1所示。设计掩盖信号与通信信号具有相同的符号周期和数据长度，发送终端对齐经过WFRFT变换的掩盖信号基带波形和通信信号基带波形，叠加两路基带信号并变频到卫星上行频率发送。经卫星转发后，信关站接收到卫星转发的叠加信号，同时利用预置的掩盖信号基带波形副本在本地复现终端的WFRFT变换过程，重构接收信号中掩盖信号的波形并用于从接收信号中抵消掩盖信号的干扰，继而恢复出通信信号。由于终端上行至卫星与卫星下行至信关站的均为叠加信号，因此能够同时对抗非合作方对终端上行发送和卫星下行转发的监听，使其难以获取真实通信信号。考虑到卫星信道的衰落和多普勒频偏等影响，需要通过参数估计、自适应滤波等方式，提高信关站重构的掩盖信号波形与实际接收信号中掩盖信号波形的拟合度，以降低得到的通信信号中掩盖信号的残差成分。

图1 基于WFRFT的卫星信号掩盖通信模型

2.2 信号模型

下面给出信关站接收信号的模型。掩盖和通信信号均采用T的符号周期，对叠加信号进行下变频，经过N点采样得到叠加信号的离散形式

3 具体算法

3.1 WFRFT掩盖信号的生成

当V=0时，式(4)中只包含变换阶数，称为单参数加权类分数傅里叶变换(Single Parameter Weighted-type FRactional Fourier Transform，SPWFRFT)；当V非零时，决定式(4)的参数由1个扩充到了9个，称为多参数加权类分数傅里叶变换(Multiple Parameter Weighted-type Fractional Fourier Transform， MPWFRFT)。MPWFRFT能够增加波形变换的随机性，但增加了系统的复杂度，考虑到便携型终端的计算能力受到限制，本方法采用SPWFRFT变换体制处理掩盖信号。

一般认为，对于强弱混合信号，当功率差较大时能够在一定程度上忽略弱信号的影响去解调强信号。由此，非合作方可以利用掩盖与通信信号之间的功率差，通过参数扫描等方法获取SPWFRFT变换阶数、解调掩盖信号。针对上述情况，本方法在信关站和终端均预置了掩盖信号的副本，使得合作信关站不需要去解调叠加信号中的掩盖信号就能实现干扰消除，掩盖与通信信号之间也就不需要设置较大的功率差。而较小的功率差降低了叠加信号中掩盖信号的SINR，增加了非合作解调掩盖信号的难度。

3.2 信号分离

接收信关站使用约定好的变换阶数α对预置的掩盖信号副本进行WFRFT变换得到x1。由于信号在传输过程中受到了卫星信道的影响，若要精准地重构接收掩盖信号波形，要对接收信号的幅度、频率和相位进行参数估计。信号分离的步骤如图2所示。

图2 信号分离方法

信关站将接收信号和掩盖信号副本送入自动增益控制(Automatic Gain Control， AGC)单元，比较两路信号之间的电平差异，并转化为指示信号来调整RF的前端放大器，使得两路信号的幅度基本相等。

4 仿真及分析

验证引入WFRFT后掩盖信号的抗调制识别性能，一般通过提取信号中具有区别性的特征参数实现调制方式的识别，具体方法包括小波变换、高阶累积量、星座聚类分析和机器学习等。其中，高阶累积量方法对WFRFT信号具有一定的识别能力，但要达到和传统信号一样的识别性能需要付出额外的信噪比代价[17]，本方法在掩盖信号中叠加通信信号降低了掩盖信号的等效信噪比，使得实现调制方式识别的难度进一步提高。通过聚类算法构建信号的星座图可以用来进行调制识别，为体现信号掩盖技术在引入WFRFT前后星座图的变化，对经SNR=10 dB的AWGN信道传输后的叠加信号星座图进行仿真，如图3所示。其中图3(a)对应叠加信号中的掩盖信号采用常规QPSK调制体制，而图3(b)对采用QPSK调制的掩盖信号进行变换阶数α=0.5的WFRFT变换，这使得信号星座呈现旋转、扩散和裂变特性。综上所述，在掩盖信号中引入WFRFT变换可以很好地隐藏掩盖信号的原始调制方式，使非合作方难以选择合适的解调体制。

图3 接收信号星座图对比

目前研究人员已经提出了针对SPWFRFT变换阶数的参数扫描或破解方法[18，19]，而本方法中较小的掩信功率差可以降低掩盖信号的SINR，为验证这种情况下应对非合作解调的性能，仿真了如下信号体制：单路SPWFRFT掩盖信号、叠加SPWFRFT掩盖信号和一路功率低3 dB的通信信号，对掩盖信号进行逆变换并解调。由于非合作方在受到噪声以及通信信号干扰的情况下准确获取掩盖信号的变换阶数的复杂度是相当高的，因此引入一定的误差，仿真变换阶数的误差分别为0.01和0.05，得到误码率曲线如图4所示，可见在受到通信信号干扰情况下对掩盖信号的解调失效。

图4 非合作解调掩盖信号的误码率曲线

针对信号掩盖系统，非合作方需要识别出掩盖信号的调制方式，进而解调和重构掩盖信号的波形用以干扰抵消。根据上述仿真结果，可以看到本方法增加了非合作识别和解调掩盖信号的难度。仿真传统信号掩盖[7]方法和本文方法在面对非合作破解的不同表现，为满足非合作解调掩盖信号的门限，设定掩信功率差为6 dB，变换阶数的最小误差达到0.01。经干扰抵消后，解调分离出的通信信号得到的误码率性能曲线如图5所示，可以看到很小的变换阶数误差就能够在面对非合作解调时有较好的表现。

图5 非合作解调通信信号的误码率曲线

分析掩盖信号与通信信号功率差对本文方法性能的影响。叠加信号中的掩盖信号成分经信号分离后，其残差将作为干扰影响到对通信信号的解调，在这种情况下，通信性能与信干噪比相关

式中，S为接收通信信号功率，N为噪声功率。令I=ηP1，其中P1是接收掩盖信号功率，系数η(0＜η＜1)表示干扰抵消的程度。仿真在采用不同功率差时，非合作方从叠加信号中直接解调掩盖信号的性能表现，仿真结果如图6(a)所示，可见随着功率差的增大，非合作解调掩盖信号的误码率下降，这将使非合作方在干扰抵消过程中能够降低η值，导致信号掩盖性能下降。现有文献指出，当两路QPSK信号的功率差大于6 dB时即可实现对强信号的解调[10]，在实际解调器设计时，也存在一定的限制，因此需要根据实际情况进行设计，通常不建议设置过大的功率差差异。合作接收方使用副本进行干扰消除，较大的掩信功率差能够提高对叠加信号中掩盖信号参数估计的精度，进一步降低η值，但也提高了P1的值。对不同功率差下信号分离方法的误码率性能进行仿真，仿真参数如表1，解调分离出的通信信号得到误码率曲线如图6(b)所示，可见功率差对合作方信号分离性能的影响不是很敏感。

表1 仿真参数

图6 不同功率差下的误码率性能曲线

5 结束语

本文基于信号掩盖方法的基础上、针对特定场景提出了一种利用掩盖信号副本进行通信收发的方法，能够满足终端便携化、降低通信暴露风险的要求。相较于常规信号掩盖技术，本文利用WFRFT体制的掩盖信号增加非合作方剔除掩盖信号干扰的难度；相较于单独使用WFRFT的安全通信方法，一方面嵌入到掩盖信号中的通信信号降低了WFRFT信号的SINR，使得对掩盖信号的解调失效；另一方面，未知先验信息的非合作方由于无法准确抵消掩盖信号，在解调通信信号时会受到残差干扰。掩盖与通信信号互相影响、互为掩护，能够有效保护通信安全。在下一步研究中，将探索WFRFT技术在安全通信领域的更广泛应用，以及效果更好的信号分离方法。