CN112260795A - 一种基于合作信号的卫星叠加隐蔽通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于合作信号的卫星叠加隐蔽通信方法，首先采用频谱感知技术检测和估计当前卫星转发器占用频谱的中心频率、带宽、信号功率参数，获得可用的掩护信号信息；然后设计对应的分割滤波器组参数信息，将原宽带隐蔽通信信号的频谱分割成与掩护信号频谱带宽相适配的多个子频谱，并将这些子频谱混频搬移到对应的中心频率，由卫星将合作信号统一发送至信关站；最后在信关站移除合作的掩护信号，通过设计的盲相位估计算法将分割的子频谱进行逆搬移和重新聚合，得到原宽带隐蔽通信信号；本发明在信号层面具备良好的加密功能，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。

Description

一种基于合作信号的卫星叠加隐蔽通信方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，主要涉及一种基于合作信号的卫星叠加隐蔽通信方法。

背景技术

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。针对这一问题，传统的卫星通信通信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，但采用混合扩频的方案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，但这类研究中都假设卫星转发器当前的频谱环境提供足够的掩护信号频谱环境，需要发射的隐蔽通信信号能够完全隐藏在当前的卫星转发器频谱环境中。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。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种基于合作信号的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，敌对方即使发现部分采用叠加通信方式的通信信号也不能恢复出有用的通信信息。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。采用本方案设计的合作信号卫星叠加隐蔽通信方法可以达到了频谱“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。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于合作信号的卫星叠加隐蔽通信方法，包括如下步骤：

步骤S1、采用频谱感知技术检测当前卫星转发器占用频谱的中心频率、带宽和信号功率，获取可用的掩护信号信息；

步骤S2、根据掩护信号的带宽、中心频率信息设计对应的分割滤波器组；将原隐蔽信号的频谱带宽分割成与掩护信号频谱带宽相同的多个子频谱，并将子频谱分别搬移至对应的中心频率，使隐蔽信号的子频谱完全隐藏在掩护信号的频谱中，由卫星将叠加信号转发至信关站；

步骤S3、信关站接收后，移除合作的掩护信号，将各个子频谱与对应的匹配滤波器相乘，所述匹配滤波器表达式与各分割滤波器表达式相同；通过盲相位估计算法将分割的子频谱进行逆搬移、重新聚合，获取原宽带隐蔽通信信号；

步骤S4、将所述步骤S3中经过盲相位补偿后的各个子频谱对应相加，得到原隐蔽信号频谱，解调出原秘密信息。

进一步地，所述步骤S2中分割滤波器组设计方法如下：

记检测到的掩护信号为1,2,...,n，掩护信号的带宽分别为B₁,B₂,...,B_n，各掩护信号的中心频率分别为f_c1,f_c2,...,f_cn，设计分割滤波器组带宽为B_k,k＝1,2,...,n；调制后原隐蔽信号的频谱带宽为B，且满足B＞B_k,k＝1,2,...,n，

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，表达式如下所示：

其中H_n表示第n个分割滤波器，f表示频率，f_c表示原信号频谱中心频率，f_sn表示第n个分割滤波器的分割带宽，

表示第1～(n-1)个分割滤波器的带宽之和，B_n表示检测到的第n个掩护信号的带宽,β表示分割滤波器的滚降系数；

根据各个子频谱搬移的中心频率f_cn，可以得到频谱搬移的滤波器表达式如下：

H_cn(f)＝H_n(f-f_cn)。

进一步地，所述步骤S3中通过盲相位估计算法将分割的子频谱进行逆搬移、重新聚合的具体步骤如下：

分别对相邻滤波器组的相位差进行估计和补偿，以第一个分割子频谱带信号相位为基准，其余分割子频谱带向第一个分割子频谱带相位进行补偿；计算两个相邻滤波器-3dB带宽处频点的幅度比值，获得两个子频谱的相位差，如下所示：

其中：Δθ为滤波器H_n和滤波器H_n+1分割的子谱经过逆搬移之后的相位差，i表示复数，S(n,2)表示第n个子带在右侧-3dB带宽处频率分量的幅度，S(n+1,1)表示第n+1个子带在左侧-3dB带宽处频率分量的幅度。

有益效果：

本发明通过寻找多个掩护信号，并将原隐蔽信号的带宽根据检测到的多个掩护信号带宽进行自适应的分割，并搬移到对应的中心频率上，将宽带隐蔽通信信号自适应的隐蔽在当前卫星转发器的频谱环境中，解决了单个合作掩护信号频谱带宽不能满足终端通信需求的问题，对方侦测设备即使采用信号分离技术侦测卫星转发器频谱，如果不能截获全部的子频谱信号也无法从截获信号中解调出有用的通信信息。

附图说明

图1是本发明提供的卫星叠加隐蔽通信系统框架图；

图2是本发明提供的卫星叠加隐蔽通信方法流程图；

图3是本发明提供的分割滤波器组示意图；

图4是本发明提供的分割隐蔽信号频谱示意图；

图5是本发明提供的实施例中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解调后的星座图；

图6是本发明提供的实施例中误比特率对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种基于合作信号的卫星叠加隐蔽通信方法，如图1-2所示，包括如下步骤：

步骤S1、采用频谱感知技术检测当前卫星转发器占用频谱的中心频率、带宽和信号功率，获取可用的掩护信号信息。

步骤S2、根据掩护信号的带宽、中心频率信息设计对应的分割滤波器组；将原隐蔽信号的频谱带宽分割成与掩护信号频谱带宽相同的多个子频谱，并将子频谱分别搬移至对应的中心频率，使隐蔽信号的子频谱完全隐藏在掩护信号的频谱中，由卫星将叠加信号转发至信关站。分割滤波器组设计方法如下：

记检测到的掩护信号为1,2,...,n，掩护信号的带宽分别为B₁,B₂,...,B_n，各掩护信号的中心频率分别为f_c1,f_c2,...,f_cn，设计分割滤波器组带宽为B_k,k＝1,2,...,n；调制后原隐蔽信号的频谱带宽为B，且满足B＞B_k,k＝1,2,...,n，

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，表达式如下所示：

其中H_n表示第n个分割滤波器，f表示频率，f_c表示原信号频谱中心频率，f_sn表示第n个分割滤波器的分割带宽，

表示第1～(n-1)个分割滤波器的带宽之和，B_n表示检测到的第n个掩护信号的带宽,β表示分割滤波器的滚降系数；

根据各个子频谱搬移的中心频率f_cn，可以得到频谱搬移的滤波器表达式如下：

H_cn(f)＝H_n(f-f_cn)。

步骤S3、信关站接收后，移除合作的掩护信号，将各个子频谱与对应的匹配滤波器相乘，所述匹配滤波器表达式与各分割滤波器表达式相同；通过盲相位估计算法将分割的子频谱进行逆搬移、重新聚合，获取原宽带隐蔽通信信号。具体如下：

分别对相邻滤波器组的相位差进行估计和补偿，以第一个分割子频谱带信号相位为基准，其余分割子频谱带向第一个分割子频谱带相位进行补偿；计算两个相邻滤波器-3dB带宽处频点的幅度比值，获得两个子频谱的相位差，如下所示：

其中：Δθ为滤波器H_n和滤波器H_n+1分割的子谱经过逆搬移之后的相位差，i表示复数，S(n,2)表示第n个子带在右侧-3dB带宽处频率分量的幅度，S(n+1,1)表示第n+1个子带在左侧-3dB带宽处频率分量的幅度。

步骤S4、将所述步骤S3中经过盲相位补偿后的各个子频谱对应相加，得到原隐蔽信号频谱，解调出原秘密信息。

下面提供一份具体实施例，进一步评估本发明的性能。

以1MHz带宽的QPSK数字信号为例，采用八倍采样，每个分割滤波器滚降系数为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。频谱分割后，分别将各个子谱搬移到不同中心频率上，并叠加到不同掩护信号上一同转发。叠加信号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，通过盲相位检测算法来估计并补偿各个子谱的相移。最后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发明的传输性能。

图3是本实施例中的分割滤波器示意图。采用多个不同带宽的分割滤波器，可以将原隐蔽信号频谱分割为多个子频谱。

图4是分割隐蔽信号频谱示意图。分割滤波器组将原隐蔽信号的频谱分割成五个子谱，各个子谱的带宽对应各个分割滤波器的带宽。分割后将各个子谱搬移到不同的中心频率，叠加在多个合作掩护信号下一同转发，由信关站接收。每个子谱包含了原隐蔽信号频谱的部分信息，而对于敌方监听来说，即使截获到包含部分频率信息的子频谱，也不能恢复出原隐蔽信号频谱。

图5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解调后的星座图。可以看出，采用分割滤波器分割隐蔽信号频谱后，在信关站采用盲相位估计方法补偿各子谱的相移并重新聚合，几乎不影响原隐蔽信号的解调。若敌对方截获部分隐蔽信号子谱，则不能恢复原隐蔽信号信息。

图6是误比特率对比图。采用本发明的方法对隐蔽信息在接收端的解调影响较小，却大大提高了隐蔽通信的安全性，仅截获部分子谱无法还原出隐蔽信号信息。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于合作信号的卫星叠加隐蔽通信方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、采用频谱感知技术检测当前卫星转发器占用频谱的中心频率、带宽和信号功率，获取可用的掩护信号信息；

步骤S2、根据掩护信号的带宽、中心频率信息设计对应的分割滤波器组；将原隐蔽信号的频谱带宽分割成与掩护信号频谱带宽相同的多个子频谱，并将子频谱分别搬移至对应的中心频率，使隐蔽信号的子频谱完全隐藏在掩护信号的频谱中，由卫星将叠加信号转发至信关站；

步骤S3、信关站接收后，移除合作的掩护信号，将各个子频谱与对应的匹配滤波器相乘，所述匹配滤波器表达式与各分割滤波器表达式相同；通过盲相位估计算法将分割的子频谱进行逆搬移、重新聚合，获取原宽带隐蔽通信信号；

步骤S4、将所述步骤S3中经过盲相位补偿后的各个子频谱对应相加，得到原隐蔽信号频谱，解调出原秘密信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于合作信号的卫星叠加隐蔽通信方法，其特征在于，所述步骤S2中分割滤波器组设计方法如下：

记检测到的掩护信号为1,2,...,n，掩护信号的带宽分别为B₁,B₂,...,B_n，各掩护信号的中心频率分别为f_c1,f_c2,...,f_cn，设计分割滤波器组带宽为B_k,k＝1,2,...,n；调制后原隐蔽信号的频谱带宽为B，且满足B＞B_k,k＝1,2,...,n，

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，表达式如下所示：

f_sn≤B_n

其中H_n表示第n个分割滤波器，f表示频率，f_c表示原信号频谱中心频率，f_sn表示第n个分割滤波器的分割带宽，

表示第1～(n-1)个分割滤波器的带宽之和，B_n表示检测到的第n个掩护信号的带宽,β表示分割滤波器的滚降系数；

根据各个子频谱搬移的中心频率f_cn，可以得到频谱搬移的滤波器表达式如下：

H_cn(f)＝H_n(f-f_cn)。

3.根据权利要求1所述的一种基于合作信号的卫星叠加隐蔽通信方法，其特征在于，所述步骤S3中通过盲相位估计算法将分割的子频谱进行逆搬移、重新聚合的具体步骤如下：

分别对相邻滤波器组的相位差进行估计和补偿，以第一个分割子频谱带信号相位为基准，其余分割子频谱带向第一个分割子频谱带相位进行补偿；计算两个相邻滤波器-3dB带宽处频点的幅度比值，获得两个子频谱的相位差，如下所示：

其中：Δθ为滤波器H_n和滤波器H_n+1分割的子谱经过逆搬移之后的相位差，i表示复数，S(n,2)表示第n个子带在右侧-3dB带宽处频率分量的幅度，S(n+1,1)表示第n+1个子带在左侧-3dB带宽处频率分量的幅度。

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