CN112291034B - 一种面向安全通信需求的卫星重叠通信方法 - Google Patents

一种面向安全通信需求的卫星重叠通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向安全通信需求的卫星重叠通信方法，用来解决便携式卫星通信终端的安全通信问题，首先发送终端和接收信关站预置掩盖信息序列，经过WFRFT变换和成型滤波，形成掩盖信号基带波形；然后发送终端使用MPSK方式调制有用信息生成通信信号，并与掩盖信号叠加、上变频至卫星轨道后发送至信关站；接收信关站使用预置信号副本复现掩盖信号波形，利用复现波形进行自干扰抵消得到通信信号；本方法利用掩盖信号来降低通信信号的信干噪比，并引入WFRFT变换提高非合作方消除掩盖信号干扰的难度，相较于采用常规调制的卫星重叠通信方法，进一步提高了信号传输的安全性。

Description

一种面向安全通信需求的卫星重叠通信方法
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，主要涉及一种面向安全通信需求的卫星重叠通信方法。
背景技术
卫星通信具有全球化、全天候、高可靠的特点，使其成为一种重要的通信手段。由于信道的开放性，卫星通信的安全问题需要格外关注。在不断进步的卫星技术和通信技术的推动下，出现了信号掩盖、加权类分数傅立叶变换(Weighted-type Fractional FourierTransform,WFRFT)等新兴技术手段，相较于传统的扩频等技术，这些技术能够更好的保护卫星信号的安全。
信号掩盖技术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，降低非合作方解调通信信号时的信干噪比。加权类分数傅立叶变换技术能够实现对信号的波形加密，使未知变换参数的非合作方难以实现对传输信号的解调；同时，WFRFT变换能够使信号在时频域呈现类高斯特征，有效迷惑常规的调制识别手段。但是，信号掩盖的中功率的不平衡性使非合作方可以通过干扰消除方法分离出通信信号，而WFRFT也存在被全周期扫描获得变换参数的可能。研究发现，结合两种技术能够弥补彼此的缺陷，更好地解决卫星安全通信问题。
在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。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，并且不会监测卫星转发器的占用情况。因此，这类终端难以获取外部有用掩盖信号，且传输时的安全问题难以解决。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明结合信号掩盖与WFRFT技术，提出一种面向安全通信需求的卫星重叠通信方法，并将其应用在便携式卫星通信终端上。考虑到便携式终端计算能力较弱的特点，设计时尽可能降低算法复杂度。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种面向安全通信需求的卫星重叠通信方法，包括以下步骤：
步骤S1、发送终端和接收信关站预置掩盖信息序列S，设定加权类分数傅立叶变换WFRFT的变换阶数α；
步骤S2、发送终端采用MPSK调制处理方式处理有用信息序列C，生成通信信号基带波形xc；
步骤S3、发送终端将预设掩盖信息序列S进行串并变换，得到掩盖信息序列的复数形式X0；
步骤S4、对所述步骤S3中的掩盖信息序列X0进行4阶WFRFT变换，获得变换值F4W；
步骤S5、对步骤S4得到的变换值F4W取实部和虚部，得到变换后的掩盖信息序列的复数形式
Figure BDA0002738132570000021
所述掩盖信息序列经过成形滤波器滤波，获取掩盖信号基带波形xI；
步骤S6、将所述步骤S2中的通信信号基带波形xc和步骤S5中掩盖信号基带波形xI叠加，上变频形成叠加信号y发送至卫星；
步骤S7、接收信关站接收到叠加信号y后，根据上述步骤S3-S6，复现掩盖信号基带波形xI；接着对叠加信号y进行参数估计，利用掩盖信号基带波形xI和参数估计值重构接收掩盖信号的波形y'I；
步骤S8、接收信关站从叠加信号y中减去步骤S7所述重构接收掩盖信号的波形y'I，分离出通信信号yc；对通信信号yc进行解调，得到有用的信息序列C。
进一步地，所述步骤S1中预置掩盖信息序列S是长度为n的掩盖信息序列S＝[S1,S2,...,Sn]，其中Si(i＝1,...,n)从-1和+1中取值；WFRFT变换的阶数α，α取值范围为[-2,2]。
进一步地，所述步骤S3中将预设掩盖信息序列S进行串并变换生成同相序列SI和正交序列SQ，掩盖信息序列的复数形式为X0＝SI+i*SQ，i表示复数虚部。
进一步地，所述步骤S4中对掩盖信息序列X0进行4阶WFRFT变换，具体步骤如下：
步骤S4.1、使用归一化DFT矩阵F对掩盖信息序列X0进行一次傅立叶变换，表示为：
Figure BDA0002738132570000031
其中N为序列X0的长度，WN＝exp(-i2π/N)；
步骤S4.2、对掩盖信息序列X0进行二次DFT变换，其矩阵形式可以表示为X2＝MX0，其中M为N阶翻转矩阵：
Figure BDA0002738132570000032
步骤S4.3、对掩盖信息序列X0进行三次DFT变换，其矩阵形式可以表示为X3＝FHX0，[.]H表示矩阵共轭；
步骤S4.4、掩盖信息序列X0的4阶WFRFT表示为
F4W＝ω0IX0+ω1X1+ω2X2+ω2X3
＝ω0IX0+ω1FX0+ω2MX0+ω2FHX0
其中I为N阶单位矩阵，式中加权系数表示为
Figure BDA0002738132570000033
其中α为变换阶数；V＝[MV,NV]，MV＝[m0,m1,m2,m3]与NV＝[n0,n1,n2,n3]为加权系数参数，使参数V＝0。
进一步地，所述步骤S6中，上变频到卫星接收频率，调制过程中设置掩盖信号的功率比通信信号大3dB，生成叠加信号y发送至卫星。
进一步地，所述步骤S7中，信关站接收到叠加信号y后进行下变频得到叠加信号的离散形式yk如下：
Figure BDA0002738132570000041
其中，vk为均值为0、功率谱密度为N0的加性高斯白噪声，T为符号周期，aI为掩盖信号幅度，ac为通信信号幅度，fc与θc为接收信号载波的频率和初相。
有益效果：
1、本发明中终端不借助外界信号自行发送掩盖信号，减轻了终端的计算复杂度，能够做到开机即发；同时不需要与卫星进行交互，降低了暴露风险。
2、本发明在掩盖信号中引入WFRFT变换技术，能够提高掩盖信号对抗调制识别和解调的能力。
3、本发明允许在掩盖信号和通信信号之间设置较小的功率差，降低掩盖信号的信干噪比，使非合作方难以实现对掩盖信号的解调和重构。
附图说明
图1是本发明提供的卫星重叠通信方法流程图；
图2是本发明中对掩盖信息序列进行WFRFT变换的效果示意图；
图3a是掩盖信号采用QPSK调制体制时传输信号星座图对比示意图；
图3b是掩盖信号采用WFRFT变换时传输信号星座图对比示意图；
图4是本发明中低功率差对非合作方解调WFRFT信号的影响效果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明提供的一种面向安全通信需求的卫星重叠通信方法，如图1所示，具体步骤如下：
步骤S1、发送终端和接收信关站预置掩盖信息序列S，设定加权类分数傅立叶变换WFRFT的变换阶数α。具体地，指定发送终端与接收信关站均预置有完全一致的长度为n的掩盖信息序列S＝[S1,S2,...,Sn]，其中Si(i＝1,...,n)从-1和+1中取值，并约定WFRFT变换的阶数α，α取值范围为[-2,2]。
步骤S2、发送终端采用MPSK调制处理方式处理有用信息序列C，生成通信信号基带波形xc。此处有用信息序列C具有与掩盖信息序列S一致的长度n和符号周期T。
步骤S3、发送终端将预设掩盖信息序列S进行串并变换，得到掩盖信息序列的复数形式X0。掩盖信息序列S通过串并变换生成同相序列SI和正交序列SQ，掩盖信息序列的复数形式为X0＝SI+i*SQ，i表示复数虚部。
步骤S4、对步骤S3中的掩盖信息序列X0进行4阶WFRFT变换，获得变换值F4W。具体如下：
步骤S4.1、用归一化DFT矩阵F对掩盖信息序列X0进行一次傅立叶变换，表示为：
Figure BDA0002738132570000051
其中N为序列X0的长度，WN＝exp(-i2π/N)。
步骤S4.2、对掩盖信息序列X0进行二次DFT变换，其矩阵形式可以表示为X2＝MX0，其中M为N阶翻转矩阵：
Figure BDA0002738132570000052
步骤S4.3、对掩盖信息序列X0进行三次DFT变换，其矩阵形式可以表示为X3＝FHX0，[.]H表示矩阵共轭；
步骤S4.4、掩盖信息序列X0的4阶WFRFT表示为
F4W＝ω0IX0+ω1X1+ω2X2+ω2X3
＝ω0IX0+ω1FX0+ω2MX0+ω2FHX0
其中I为N阶单位矩阵，式中加权系数表示为
Figure BDA0002738132570000061
其中α为变换阶数；V＝[MV,NV]，MV＝[m0,m1,m2,m3]与NV＝[n0,n1,n2,n3]为加权系数参数，使参数V＝0。
步骤S5、对步骤S4得到的变换值F4W取实部和虚部，得到
Figure BDA0002738132570000062
Figure BDA0002738132570000063
如图2所示，同相序列SI和正交序列SQ经WFRFT变换后输出的是多电平信号，对应了信号星座图的类高斯分布。变换后的掩盖信息序列表示为
Figure BDA0002738132570000064
变换后的掩盖信息序列的复数形式
Figure BDA0002738132570000065
经过成形滤波器滤波，获取掩盖信号基带波形xI。
步骤S6、将所述步骤S2中的通信信号基带波形xc和步骤S5中掩盖信号基带波形xI叠加，上变频形成叠加信号y发送至卫星。上变频过程中，调制过程中设置掩盖信号功率比通信信号大3dB。
步骤S7、接收信关站接收到叠加信号y后，根据上述步骤S3-S6，复现掩盖信号基带波形xI；接着对叠加信号y的幅度、频率和相位进行参数估计，利用掩盖信号基带波形xI和参数估计值重构接收掩盖信号的波形y'I。
具体地，对接收信号y进行下变频得到叠加信号的离散形式yk如下：
Figure BDA0002738132570000066
其中，vk为均值为0、功率谱密度为N0的加性高斯白噪声，T为符号周期，aI为掩盖信号幅度，ac为通信信号幅度，fc与θc为接收信号载波的频率和初相。由于aI>ac，通信信号的信干噪比为负值，非合作方将难以实现对通信信号的解调。
考虑接收的信号受卫星信道影响，合作信关站对接收信号中掩盖信号的幅度、频率和相位进行参数估计，利用估计值aI'、f'c、θ'c以及步骤9复现的掩盖信号基带波形xI，重构掩盖信号波形
Figure BDA0002738132570000071
用以自干扰抵消。
步骤S8、接收信关站从叠加信号y中减去步骤S7所述重构接收掩盖信号的波形y'I，分离出通信信号yc；对通信信号yc进行解调，得到有用的信息序列C。
下面提供两个实施例，对本发明提供的通信方法进行进一步验证。
实施例1
仿真采样率fs＝320kHz，短突发数据包长600bit，掩盖信号和通信信号的符号速率均为RB＝32kBaud，均采用QPSK调制，成型滤波滚降系数为0.25，使用同一频率为fc＝100kHz的载波调制，功率差为3dB，其中WFRFT掩盖信号的变换阶数α＝1，叠加两路信号并经过无编码AWGN信道传输。
验证引入WFRFT后掩盖信号的抗调制识别性能。数字调制信号都可以被特定的星座图唯一描述，通过聚类算法来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＝10dB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a)图对应叠加信号中的掩盖信号采用常规QPSK调制体制；而b)图在a)图的基础上，对采用常规调制的掩盖信号进行了WFRFT变换。由图可见，这种星座点的旋转、扩散和裂变可以很好地隐藏掩盖信号的原始调制方式。
实施例2
验证低功率差对非合作方解调WFRFT信号的影响。仿真了两种场景：单路SPWFRFT信号、叠加SPWFRFT信号和一路功率低3dB的常规调制QPSK信号。对两种信号的变换阶数以0.01和0.02的间隔在[-2,2]内进行全周期扫描，利用扫描值对SPWFRFT信号进行逆变换并解调，得到误码率曲线如图4所示。可见全周期扫描可以实现对单路SPWFRFT信号的解调，但在双路情况下全周期扫描方法基本失效。
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 (6)

1.一种面向安全通信需求的卫星重叠通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、发送终端和接收信关站预置掩盖信息序列S，设定加权类分数傅立叶变换WFRFT的变换阶数α；
步骤S2、发送终端采用MPSK调制处理方式处理有用信息序列C，生成通信信号基带波形xc；
步骤S3、发送终端将预设掩盖信息序列S进行串并变换，得到掩盖信息序列的复数形式X0；
步骤S4、对所述步骤S3中的掩盖信息序列X0进行4阶WFRFT变换，获得变换值F4W；
步骤S5、对步骤S4得到的变换值F4W取实部和虚部，得到变换后的掩盖信息序列的复数形式
Figure FDA0002738132560000011
所述掩盖信息序列经过成形滤波器滤波，获取掩盖信号基带波形xI；
步骤S6、将所述步骤S2中的通信信号基带波形xc和步骤S5中掩盖信号基带波形xI叠加，上变频形成叠加信号y发送至卫星；
步骤S7、接收信关站接收到叠加信号y后，根据上述步骤S3-S6，复现掩盖信号基带波形xI；接着对叠加信号y的幅度、频率和相位进行参数估计，利用掩盖信号基带波形xI和参数估计值重构接收掩盖信号的波形y'I；
步骤S8、接收信关站从叠加信号y中减去步骤S7所述重构接收掩盖信号的波形y'I，分离出通信信号yc；对通信信号yc进行解调，得到有用的信息序列C。
2.根据权利要求1所述的一种面向安全通信需求的卫星重叠通信方法，其特征在于，所述步骤S1中预置掩盖信息序列S是长度为n的掩盖信息序列S＝[S1,S2,...,Sn]，其中Si(i＝1,...,n)从-1和+1中取值；WFRFT变换的阶数α，α取值范围为[-2,2]。
3.根据权利要求1所述的一种面向安全通信需求的卫星重叠通信方法，其特征在于，所述步骤S3中将预设掩盖信息序列S进行串并变换生成同相序列SI和正交序列SQ，掩盖信息序列的复数形式为X0＝SI+i*SQ，i表示复数虚部。
4.根据权利要求1所述的一种面向安全通信需求的卫星重叠通信方法，其特征在于，所述步骤S4中对掩盖信息序列X0进行4阶WFRFT变换，具体步骤如下：
步骤S4.1、使用归一化DFT矩阵F对掩盖信息序列X0进行一次傅立叶变换，表示为：
Figure FDA0002738132560000021
其中N为序列X0的长度，WN＝exp(-i2π/N)；
步骤S4.2、对掩盖信息序列X0进行二次DFT变换，其矩阵形式可以表示为X2＝MX0，其中M为N阶翻转矩阵：
Figure FDA0002738132560000022
步骤S4.3、对掩盖信息序列X0进行三次DFT变换，其矩阵形式可以表示为X3＝FHX0，[.]H表示矩阵共轭；
步骤S4.4、掩盖信息序列X0的4阶WFRFT表示为
F4W＝ω0IX0+ω1X1+ω2X2+ω2X3
＝ω0IX0+ω1FX0+ω2MX0+ω2FHX0
其中I为N阶单位矩阵，式中加权系数表示为
Figure FDA0002738132560000023
其中α为变换阶数；V＝[MV,NV]，MV＝[m0,m1,m2,m3]与NV＝[n0,n1,n2,n3]为加权系数参数，使参数V＝0。
5.根据权利要求1所述的一种面向安全通信需求的卫星重叠通信方法，其特征在于，所述步骤S6中，上变频到卫星接收频率，调制过程中设置掩盖信号的功率比通信信号大3dB，生成叠加信号y发送至卫星。
6.根据权利要求1所述的一种面向安全通信需求的卫星重叠通信方法，其特征在于，所述步骤S7中，信关站接收到叠加信号y后进行下变频得到叠加信号yk的离散形式如下：
Figure FDA0002738132560000031
其中，vk为均值为0、功率谱密度为N0的加性高斯白噪声，T为符号周期，aI为掩盖信号幅度，ac为通信信号幅度，fc与θc为接收信号载波的频率和初相；
合作信关站对接收信号中掩盖信号的幅度、频率和相位进行参数估计，利用估计值aI'、f'c、θ'c和复现的掩盖信号基带波形xI，重构掩盖信号波形
Figure FDA0002738132560000032
用以自干扰抵消。
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