基于乘性加扰的卫星信号遮蔽传输方案*

程若峻，戴旭初，李 辉

基于乘性加扰的卫星信号遮蔽传输方案*

程若峻，戴旭初，李 辉

（中国科学技术大学 合肥 230026）

针对卫星发送功率受限的情况，提出了一种卫星信号遮蔽传输的新方案。在卫星上，通过将待传输的业务信号与特别设计的非恒包络遮蔽信号相乘，隐藏了原业务信号的时频域特征。在授权地面站，利用遮蔽信号副本进行互相关时延估计并解遮蔽，从而恢复原业务信号。该方案具有不增加卫星的传输功耗、星上遮蔽运算复杂度低、传输安全性强等特点。此外，通过处理损耗、互信息等定量评价指标，分析了遮蔽方案的遮蔽性能。仿真实验表明，该遮蔽方案可以实现良好的时频域遮蔽效果。遮蔽后信号与原业务信号间的互信息结果表明：遮蔽后信号与原业务信号间相关性很弱，已基本掩盖原业务信号通信特征。在遮蔽信号与原业务信号带宽之比不小于0.3、信噪比不小于–4 dB的条件下，授权地面站解遮蔽的处理损耗可以控制在1 dB以内，具有良好的实用价值。

卫星通信传输；乘性遮蔽通信；时延估计

引 言

卫星通信一般指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电波，以实现两个或多个地球站之间的通信[1]。卫星通信具有长距离无线传输和大规模业务覆盖的特点，信号容易被窃听方截获和干扰。在某些特定服务中，为了通信安全，有必要在卫星转发信号前，对待传输信号进行相应的遮蔽处理[2]。

1986年，LEE等人正式提出了遮蔽通信系统CCS（Covert Communication System）的概念[3]，指出遮蔽通信是防止未经授权的窃听者在通信传输中获得有用信息流的技术。遮蔽通信也被叫作隐蔽通信、波形搭载通信、重叠通信等。与传统的数据加密通信相比，遮蔽通信更注重隐藏受保护信号的通信特征[4]，以实现低截获概率和低检测概率。卫星通信除了考虑传输的安全性外，还需要合理分配和利用频带、发射功率等资源[5]。大多数卫星系统主要由太阳能供电，导致星上的发射功率受限。另一方面，卫星上的硬件资源相对固定，且调整和更换的成本太大，这限制了星上通信系统的计算能力。目前遮蔽通信方法主要包括四类。

①扩频技术。扩频技术通过扩展频谱来达到隐藏原信号的效果[6,7]。业界往往采用扩频与其他方法联合设计的方式实现遮蔽通信[8]。然而，扩频并不适用于模拟系统，针对扩频的截获技术也相对成熟，且扩频后系统占用了大量的频带资源。

②信道辅助增强技术，包括波束成形[9]、中继伪装技术等。迫零波束成形技术通过让发射信号位于非授权方的零空间来防止非授权方侦测到传输信号。中继伪装则针对可能存在的非授权窃听方，人为预设假目标与假基站等，干扰非授权地面站。波束成形需要对信道状态信息有一定的了解，而中继伪装则增加了系统架构的复杂性和额外的设计成本。

③加性干扰方法。添加一个加性干扰信号遮蔽原始信号，如成对载波多址PCMA（Paired Carrier Multiple Access）[10]、人工噪声技术[11]等。在对称PCMA中，星上发送功率加倍；人工噪声添加的大噪声分量也增加了星上的发送功率。

④变换域通信系统技术。变换域技术将信号映射到频域、空域、能量域和其他变换域处理，以实现对信号的遮蔽[12–14]。但变换域通信处理的复杂度高，且需要合理设计和调整基函数。

考虑到卫星通信的隐蔽性、星上发射功率及计算资源受限等因素，设计一种不增加额外功耗、具有低复杂度和良好遮蔽性能的卫星信号遮蔽传输方案显得尤为重要。本文提出了一种基于乘性加扰的卫星信号遮蔽传输的新方案，并给出了相应的评估指标和仿真实验结果。

1 卫星通信信号的乘性遮蔽与解遮蔽方案

为了不增加卫星的发送功率，可以采用乘性遮蔽方案。图1展示了乘性加扰的卫星信号遮蔽传输模型。在卫星上将业务信号与遮蔽信号相乘后转发，改变了业务信号的时频域分布；在授权地面站，利用预置的遮蔽信号副本估计传输时延并解遮蔽，最终恢复得到业务信号。卫星通信信号的遮蔽传输应确保授权地面站由接收到的信号成功恢复出业务信号，同时非授权地面站无法由接收到的信号获取业务信号的有效通信信息。这一安全传输实现的保证是授权地面站已知遮蔽方案和遮蔽信号的副本，而非授权地面站没有遮蔽处理的任何先验信息。

图1 乘性加扰的卫星信号遮蔽传输模型

1.1 星上遮蔽处理方案

遮蔽信号的设计应保证实现良好的遮蔽效果（具有随机性），不增加星上的发送功率（具有单位功率），同时尽可能降低解遮蔽过程中的信号损失（幅值波动较小）。满足如上要求的遮蔽信号的一种可行设计如下

对式（4）进行功率归一化后即得到最终的遮蔽信号

1.2 地面站解遮蔽处理方案

在授权地面站，首先通过正交下变频和滤波将信号转换到基带进行处理，即

式中，为一常数。地面站的时延估计可由互相关峰值位置求得

2 评价指标

为了评价方案的可行性和遮蔽效果，需要给出评价处理损耗和遮蔽效果的指标。

2.1 遮蔽效果

2.2 处理损耗

式中，为采样点数。进一步地，处理损耗可表示为

3 实验

3.1 实验参数设置

图2 遮蔽前后信号最佳采样点星座图

3.2 遮蔽效果

图3 遮蔽性能评价指标IH

3.3 时延估计误差

表1 不同和带宽比下时延估计误差

表2 不同和带宽比下的方差

3.4 处理损耗

影响处理损耗的主要因素是遮蔽信号振幅波动大小、噪声水平和遮蔽信号带宽。

3.4.1 遮蔽信号幅值波动对处理损耗的影响

图4 不同遮蔽信号幅值波动下的处理损耗

表3 不同和带宽比下处理损耗

3.4.2 遮蔽信号带宽和噪声水平对处理损耗的影响

根据上述实验结果，在实际应用过程中，频带资源充分的条件下，宽带遮蔽信号优于窄带遮蔽信号。考虑到遮蔽效果和互相关时延估计的准确度，带宽比不宜小于0.3。遮蔽信号的包络波动控制在0.8至1.2之间，可以满足大多数应用要求。

4 结束语

本文提出了一种适用于星上发送功率受限的卫星通信系统的遮蔽和解遮蔽方案。在卫星上，将原业务信号与具有随机均匀相位分布的遮蔽信号相乘，降低了业务信号被非授权方检测的可能性。在地面站，利用遮蔽信号副本估计时延，并解遮蔽得到原业务信号。仿真结果表明，当遮蔽信号带宽与业务信号带宽之比大于0.3，且遮蔽信号幅值波动在[0.8, 1.2]范围内时，处理损耗可控制在1 dB以下。

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Covert satellite signal transmission scheme based on multiplicative interference

CHENG Ruojun, DAI Xuchu, LI Hui

（University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China）

In view of the limited transmission power of satellite, a new scheme of covert satellite signal transmission is proposed. On the satellite, the time-frequency domain characteristics of the original service signal are hidden by multiplying the service signal to be transmitted with the specially designed non-constant envelope masking signal. At the authorized ground station, the masking signal replica is used for cross-correlation time delay estimation and de-masking, so as to restore the original service signal. This scheme has the advantages of no increase in transmission power consumption, low complexity of on-board masking operation and strong transmission security. In addition, the covert performance of the scheme is analyzed through quantitative evaluation indexes such as processing loss and mutual information. Simulation results show that the masking scheme can achieve good masking effect in time-frequency domain. The mutual information between the masked signal and the original service signal shows that the correlation between the masked signal and the original service signal is very weak, and the communication characteristic of the original service signal has been basically covered. Under the condition that the ratio of the masking signal to the original service signal bandwidth is not less than 0.3, and the signal-to-noise ratio is not less than –4 dB, the processing loss of authorized ground station de-masking processing can be controlled within 1 dB, which has good practical value.

Satellite communication transmission; Multiplicative covert communication; Time delay estimation

Website: ycyk.brit.com.cn Email: ycyk704@163.com

TN927+.2

A

CN11-1780(2022)06-0039-08

10.12347/j.ycyk.20220303001

程若峻, 戴旭初, 李辉.基于乘性加扰的卫星信号遮蔽传输方案[J]. 遥测遥控, 2022, 43(6): 39–46.

10.12347/j.ycyk.20220303001

: CHENG Ruojun, DAI Xuchu, LI Hui. Covert satellite signal transmission scheme based on multiplicative interference[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(6): 39–46.

国家自然科学基金（62171425）

李辉（mythlee@ustc.edu.cn）

2022-03-03

2022-04-28

程若峻 1997年生，硕士研究生，主要研究方向为通信信号处理。

戴旭初 1963年生，教授，博士生导师，主要研究方向为宽带无线通信系统关键技术和盲自适应信号处理。

李 辉 1969年生，博士，副教授，主要研究方向为通信信号处理、无线网络和分子通信理论。

(本文编辑：傅 杰)