齊 帥，潘克剛，譚宗胤，李曉光

（中國人民解放軍陸軍工程大學(xué) 通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210007）

0 引 言

衛(wèi)星通信作為現(xiàn)代通信的重要組成部分，具有覆蓋范圍廣、信道條件好、對(duì)通信距離不敏感等優(yōu)點(diǎn)，在軍事和商業(yè)中承擔(dān)著重要任務(wù)。

由于衛(wèi)星功能的不斷擴(kuò)展和數(shù)量的不斷增多，各國都在緊鑼密鼓地?fù)屨夹l(wèi)星頻率資源。目前，衛(wèi)星頻率由吉赫茲向太赫茲探索發(fā)展，一定程度上緩解了衛(wèi)星頻譜資源緊張的問題，但高頻率會(huì)帶來信號(hào)衰減嚴(yán)重、對(duì)衛(wèi)星硬件制造工藝要求較高等新問題[1]。于是，極化頻率復(fù)用技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并在衛(wèi)星廣播服務(wù)中得到了廣泛應(yīng)用[2]。極化調(diào)制（Polarization Modulation，PM）技術(shù)具有對(duì)載波相位不敏感、不受器件非線性影響等特點(diǎn)[3]，應(yīng)用于衛(wèi)星通信具有明顯優(yōu)勢(shì)。因此，利用信號(hào)的極化特性可以為解決現(xiàn)有的衛(wèi)星通信問題提供新的思路和途徑。由于衛(wèi)星的位置相對(duì)暴露，且衛(wèi)星波束覆蓋范圍廣，獨(dú)具廣播特性，因此信息在傳播過程中容易出現(xiàn)被干擾和竊聽的問題。隨著數(shù)據(jù)處理能力的增強(qiáng)，以高復(fù)雜度為保證的傳統(tǒng)加密技術(shù)安全隱患日益增大，衛(wèi)星通信中信息安全傳輸問題形勢(shì)嚴(yán)峻。

極化作為電磁波的固有性質(zhì)，是電磁波除了幅度、頻率、相位外的另一維度資源。極化調(diào)制利用一對(duì)正交的極化狀態(tài)來承載信息，打開了調(diào)制技術(shù)的又一扇大門。極化技術(shù)的應(yīng)用在緩解頻譜資源緊張、應(yīng)對(duì)器件非線性等問題的同時(shí)，也能為抗干擾、防竊聽等安全傳輸問題提供新的思路。

1 傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信安全傳輸技術(shù)

近年來，信息安全傳輸問題被廣泛關(guān)注。Shannon[4]首先建立了物理層安全的基本理論，之后Wyne介紹了著名的竊聽信道模型，并進(jìn)一步定義了信道保密能力。文獻(xiàn)[5]提出了一種被廣泛用于無線傳播環(huán)境建模的高斯退化竊聽信道。在衛(wèi)星通信中，抗干擾和防竊聽技術(shù)是研究信息安全傳輸?shù)膬蓚€(gè)方面。

衛(wèi)星通信中存在的干擾包括日凌、電離層閃爍、臨星干擾和臨道干擾等無意干擾和干擾者故意而為的有意干擾。一般而言，衛(wèi)星通信中的抗干擾技術(shù)主要有跳頻技術(shù)[6]和多波束天線技術(shù)[7]。兩種技術(shù)分別是基于頻域和空域的，分別具有所需頻段較寬和性能受限于干擾源位置的缺點(diǎn)[8]。極化濾波則可用于解決時(shí)間、頻率和空間域難以處理的干擾抑制問題。傳統(tǒng)的極化抗干擾主要基于干擾信號(hào)極化參數(shù)識(shí)別技術(shù)和極化濾波器。文獻(xiàn)[9]利用斜投影算子極化濾波器進(jìn)行極化抗干擾。在此基礎(chǔ)上， 文獻(xiàn)[10]提出改進(jìn)型斜投影算子的極化抗干擾算法。文獻(xiàn)[11]提出了基于正交投影三維極化濾波方法，解決了目標(biāo)和干擾信號(hào)極化點(diǎn)在Poincare球面上的距離過近而無法有效濾波的問題。極化參數(shù)識(shí)別的精確度對(duì)極化濾波器的濾波效果有很大影響。近年來，與其他技術(shù)相結(jié)合的極化抗干擾的成果逐漸增多。文獻(xiàn)[12]提出了一種聯(lián)合極化空間抗干擾方法，與傳統(tǒng)的LCMV準(zhǔn)則不同，文中提出了一個(gè)由期望信號(hào)和干擾的轉(zhuǎn)向矢量組成的約束矩陣來濾除干擾信號(hào)。

針對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中存在竊聽者的信息防泄漏問題，目前主要通過高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)[13]等加密手段在上層實(shí)現(xiàn)。然而，隨著包括云計(jì)算在內(nèi)的數(shù)據(jù)處理能力的增強(qiáng)，以高計(jì)算復(fù)雜度為保證的加密技術(shù)的可靠性越來越低，惡意節(jié)點(diǎn)成功破解加密、訪問敏感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)也越來越大[14]。不同于上層加密技術(shù)，物理層安全技術(shù)不依賴于竊聽者的計(jì)算能力，在更底層實(shí)現(xiàn)信息的安全傳輸[15]。由于信號(hào)極化特性在衛(wèi)星中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，衛(wèi)星通信中極化信號(hào)安全傳輸?shù)某晒苍絹碓蕉?。文獻(xiàn)[16]比較了MIMO網(wǎng)絡(luò)在雙極化信道模型下實(shí)現(xiàn)最大分集的三種不同的傳輸方案，而之前的工作幾乎都沒有考慮利用極化敏感陣列來增強(qiáng)安全通信。在此背景下，文獻(xiàn)[17]研究了基于極化敏感陣列的無線網(wǎng)絡(luò)安全傳輸策略，特別是針對(duì)點(diǎn)到點(diǎn)單輸入多輸出（Single-Input Multi-Output，SIMO）網(wǎng)絡(luò)，首先設(shè)計(jì)了安全波束形成，目的是在保密速率要求下最大限度地減少總發(fā)射功率，然后提出了提高單輸入多輸出網(wǎng)絡(luò)保密能力的保密速率最大化方案。在極化調(diào)制的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[18]創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了一個(gè)快速雙極化跳變（Fast Dual Polarization Hopping，F(xiàn)DPH）系統(tǒng)，以提高固定衛(wèi)星通信的物理層安全性。然而，此方案對(duì)于相移鍵控（Phase Shift Keying，PSK）的調(diào)制方式的防竊聽性能欠佳。

2 基于信號(hào)極化特性的衛(wèi)星通信安全傳輸技術(shù)

衛(wèi)星通信中，基于信號(hào)極化特性的抗干擾和防竊聽能力的不斷提升對(duì)信息安全傳輸至關(guān)重要。本文著重介紹衛(wèi)星通信中極化信號(hào)安全傳輸?shù)南嚓P(guān)技術(shù)，包括基于卡爾曼濾波的極化抗干擾技術(shù)、基于改進(jìn)型快速雙極化跳變的安全傳輸技術(shù)和基于方向極化調(diào)制的安全傳輸技術(shù)。

2.1 基于卡爾曼濾波的極化抗干擾技術(shù)

利用卡爾曼濾波技術(shù)進(jìn)行極化參數(shù)識(shí)別，結(jié)合斜投算子實(shí)現(xiàn)干擾信號(hào)濾除。系統(tǒng)首先利用極化模型解釋干擾極化狀態(tài)估計(jì)的方法，其次建立卡爾曼遞推方程（二者可以應(yīng)用于極化濾波器的設(shè)計(jì)），然后結(jié)合斜投影濾波算子的原理及其運(yùn)算性質(zhì)實(shí)現(xiàn)抗干擾。

極化抗干擾系統(tǒng)總體的設(shè)計(jì)方案如圖1所示。合法用戶中配備正交雙極化天線來接收極化信號(hào)EV和EH，EV和EH分別經(jīng)過I/Q支路分解后形成四路信號(hào)QV、IV、QH和IV。這四路信號(hào)利用卡爾曼濾波算法實(shí)現(xiàn)干擾信號(hào)的極化參數(shù)識(shí)別，識(shí)別結(jié)果與斜投影濾波算子運(yùn)算，利用斜投影算子的性質(zhì)，可以在濾除干擾信號(hào)的同時(shí)，完整地保留目標(biāo)信號(hào)。

圖1 極化抗干擾系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

仿真中，干擾信號(hào)的極化參數(shù)設(shè)置εj=45°，δj=δVj-δHj=120°-120°=0°。此外，干噪比設(shè)置為25 dB。將初始參數(shù)設(shè)置完成后，利用上述理論進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到如圖2、圖3所示的極化參數(shù)仿真曲線。其中，橫坐標(biāo)表示遞歸計(jì)算的迭代次數(shù)，最大值設(shè)置為200。

仿真結(jié)果表明，卡爾曼濾波的跟蹤曲線在第15步左右開始收斂，并逐漸趨于穩(wěn)定。因此，調(diào)整LMS算法的步長，使其跟蹤曲線在第15步時(shí)接近穩(wěn)定狀態(tài)，選擇均方誤差和算法運(yùn)算時(shí)間作為衡量跟蹤性能的標(biāo)準(zhǔn)。通過仿真計(jì)算，利用卡爾曼濾波得到的εj和δj的穩(wěn)態(tài)均方誤差分別為0.53和0.17，而利用LMS算法得到的結(jié)果分別是0.81和0.66。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)收斂速度相等時(shí)，本章算法的跟蹤性能優(yōu)于LMS算法。仿真計(jì)算中，該運(yùn)算的平均消耗時(shí)間為0.003 s，而LMS算法運(yùn)算的平均消耗時(shí)間為0.03 s。顯然，與LMS算法相比，本算法完成極化狀態(tài)跟蹤的消耗時(shí)間縮短了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖2 極化參數(shù)εj跟蹤曲線

圖3 極化參數(shù)δj跟蹤曲線

通過以上分析，可以總結(jié)如下：在衛(wèi)星通信中，利用卡爾曼濾波動(dòng)態(tài)跟蹤識(shí)別干擾信號(hào)極化參數(shù)，結(jié)合斜投影濾波算子最終實(shí)現(xiàn)抗干擾是可行的；與傳統(tǒng)的LMS算法相比，該算法具有更好的魯棒性和收斂性，且算法耗時(shí)短，更適合應(yīng)用于衛(wèi)星通信的抗干擾系統(tǒng)。

2.2 改進(jìn)型快速雙極化跳變技術(shù)

傳統(tǒng)的快速雙極化跳變系統(tǒng)對(duì)PSK的調(diào)制方式無法有效防竊聽，而新的快速雙極化跳變算法可以解決此問題。該算法采用一對(duì)新的快速跳變的極化狀態(tài)來承載幅相調(diào)制信號(hào)，首先建立基于衛(wèi)星信道的系統(tǒng)模型，介紹信號(hào)極化狀態(tài)盲識(shí)別方案，其次設(shè)計(jì)新的雙極化狀態(tài)信號(hào)，最后設(shè)計(jì)信號(hào)的收發(fā)信機(jī)，并利用偽隨機(jī)序列生成跳變圖樣。

信號(hào)極化盲識(shí)別的具體方案，如圖4所示。首先，接收端利用雙極化天線接收極化信號(hào)，通過載波下變頻和信號(hào)采樣得到正交雙極化信號(hào)EV和EH。對(duì)于竊聽用戶Eve，對(duì)EV和EH分別進(jìn)行I/Q分解可以得到四路信號(hào)。利用卡爾曼濾波對(duì)這四路信號(hào)處理，可以得到其極化狀態(tài)δR和γR。利用極化匹配可以得到基于幅相調(diào)制的信號(hào)。因?yàn)榇朔桨笜O化狀態(tài)是為了增強(qiáng)信息傳輸?shù)陌踩圆⒉粩y帶信息，所以得到幅相調(diào)制信號(hào)后仍需要對(duì)幅相信號(hào)進(jìn)行幅相解調(diào)，最終獲取調(diào)制信息。

圖4 信號(hào)極化狀態(tài)盲識(shí)別方案流程

傳統(tǒng)的跳極化對(duì)于PSK的調(diào)制方式，信息只承載到nφ上。因?yàn)橄辔恢胁缓胹，所以竊聽用戶仍然能夠正確解調(diào)信號(hào)，無法實(shí)現(xiàn)有效防竊聽。新的雙極化狀態(tài)進(jìn)行信號(hào)疊加，與傳統(tǒng)極化狀態(tài)相比，相當(dāng)于各個(gè)相位均增加γs/α，所以新的發(fā)送信號(hào)可以表示為：

對(duì)此發(fā)送信號(hào)進(jìn)行極化參數(shù)識(shí)別，可以得到如下結(jié)果：

進(jìn)行極化匹配后，可以得到消除極化調(diào)制后的信號(hào)表達(dá)式為：

可知，極化匹配后的信號(hào)幅度和相位均和γs有關(guān)，即無論信息是否只承載到相位上，竊聽用戶Eve都不能正確解調(diào)信號(hào)，確保了信息的安全傳輸。

在初值情況下，16QAM和QPSK的誤碼率性能仿真結(jié)果如圖5和圖6所示?？梢钥闯?，本算法對(duì)合法用戶正確接收信息沒有影響。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)算法相比，本算法可以將竊聽者的誤碼率嚴(yán)重惡化，大大提升防竊聽性能，以達(dá)到安全傳輸?shù)哪康摹?/p>

圖5 16QAM誤碼率性能

圖6 QPSK誤碼率性能

2.3 方向極化調(diào)制技術(shù)

方向極化調(diào)制是將方向調(diào)制和極化調(diào)制結(jié)合，使極化調(diào)制代替方向調(diào)制中傳統(tǒng)的調(diào)制方式。方向極化調(diào)制發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)是在極化調(diào)制發(fā)射機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)，秉承了使硬件改動(dòng)最小和成本最低的原則，原理如圖7所示。數(shù)據(jù)信號(hào)通過功分和相移單元實(shí)現(xiàn)極化狀態(tài)的映射，利用載波上變頻為射頻信號(hào)，再經(jīng)過幅相校準(zhǔn)。此部分為傳統(tǒng)的極化調(diào)制模塊，極化信號(hào)的垂直和水平分量分別用方向調(diào)制發(fā)射機(jī)來發(fā)送信號(hào)，人工噪聲添加在理想方向信道的零空間上，由此構(gòu)成方向極化調(diào)制發(fā)射機(jī)。顯然，方向極化調(diào)制發(fā)射機(jī)是將傳統(tǒng)的極化調(diào)制發(fā)射機(jī)和方向調(diào)制結(jié)合，利用方向調(diào)制發(fā)射機(jī)的天線陣代替?zhèn)鹘y(tǒng)極化調(diào)制發(fā)射機(jī)的單一天線，同時(shí)通過在期望方向信道的零空間上添加人工噪聲，使期望方向上合法接收機(jī)接收到的信號(hào)為不含人工噪聲的未畸變的極化信號(hào)，而非期望方向上的竊聽接收機(jī)接收到的信號(hào)為具有人工噪聲的畸變了的極化信號(hào)。

圖7 方向極化調(diào)制發(fā)射機(jī)原理

如圖8所示，垂直和水平接收天線分別接收信號(hào)后經(jīng)過下變頻、信號(hào)采樣和幅相校準(zhǔn)，再由EvR和EhR二者的振幅和相位差表示出Stokes矢量G1、G2、G3，映射到Poincare球面上后，再利用最大似然準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)信息的解調(diào)。

圖8 方向極化調(diào)制接收機(jī)原理

圖9為傳統(tǒng)的方向調(diào)制下，期待方向?yàn)?0°時(shí)，在0°～180°各方位角上的誤碼率；圖10表示在方向極化調(diào)制下，期望方向?yàn)?0°時(shí)，在0°～180°各方位角上的誤碼率?？梢缘贸觯c傳統(tǒng)的方向調(diào)制相比，采用方向極化調(diào)制時(shí)，非期望方向上誤碼率上升得更快，且整體誤碼率更高。

圖9 傳統(tǒng)方向調(diào)制各方向誤碼率

圖10 方向極化調(diào)制各方向誤碼率

3 結(jié) 語

本文主要介紹了衛(wèi)星通信中極化信號(hào)安全傳輸?shù)南嚓P(guān)技術(shù)，包括基于卡爾曼濾波的極化抗干擾技術(shù)、基于改進(jìn)型快速雙極化跳變的安全傳輸技術(shù)和基于方向極化調(diào)制的安全傳輸技術(shù)。但是，基于極化的調(diào)制和解調(diào)在實(shí)際通信過程中由于存在交叉極化鑒別度、極化模式色散和極化相關(guān)損耗等去極化效應(yīng)，會(huì)使通信雙方的質(zhì)量大打折扣。針對(duì)此種情況，一般利用信道預(yù)補(bǔ)償技術(shù)盡量消除去極化效應(yīng)。因此，需進(jìn)一步研究性能更好的信道預(yù)補(bǔ)償技術(shù)。