極化信號安全傳輸技術探析

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隨著信息技術的發(fā)展，衛(wèi)星通信特別是在軍事領域得到了廣泛應用。但隨著軍事斗爭日趨嚴峻復雜，對衛(wèi)星通信的安全性和抗干擾能力提出了更高的要求。我們在衛(wèi)星通信保障和訓練中，經常發(fā)現(xiàn)天線饋源組件的極化角度一旦發(fā)生變化，信號的強度也隨著發(fā)生變化。信號的極化特性在器件非線性應對、頻譜資源緊張緩解、抗干擾等方面均有著不俗表現(xiàn)。本文將就衛(wèi)星通信中極化信號的安全傳輸技術作進一步的分析和探討。

1衛(wèi)星通信安全傳輸技術分析

通過研究，我們發(fā)現(xiàn)在空域、頻域和時域難以處理的抑制干擾問題，可基于極化濾波實現(xiàn)較好的處理。極化濾波器和干擾信號極化參數識別技術在其中發(fā)揮著關鍵性作用，極化濾波器的濾波效果，在很大程度上受到極化參數識別的精確度影響，而隨著近年來其他技術的引入，如聯(lián)合極化空間抗干擾方法，其極化抗干擾的實用性正不斷提升。但值得注意的是，受云計算等技術的影響，近年來不斷增強的數據處理能力使得加密技術可靠性不斷下降，訪問敏感衛(wèi)星數據、惡意節(jié)點成功破解加密的風險不斷提升，這種風險的應對需更好地利用信號極化特性，如極化抗干擾技術、快速雙極化跳變系統(tǒng)、方向極化調制技術等，本文對基于傳統(tǒng)的代表性技術的優(yōu)化升級展開探索。

2衛(wèi)星通信中的極化信號安全傳輸技術

2.1基于卡爾曼濾波的極化抗干擾技術。極化參數識別可基于卡爾曼濾波技術實現(xiàn)，這一過程的干擾信號濾除可應用斜投算子。在技術的具體應用中，干擾極化狀態(tài)估計的方法需通過極化模型解釋，并隨之建設可用于極化濾波器設計的卡爾曼遞推方程。為最終實現(xiàn)衛(wèi)星通信抗干擾，需進一步引入斜投影濾波算子的運算性質及原理，圖1為極化抗干擾系統(tǒng)設計方案。基于圖1進行分析可以發(fā)現(xiàn)，正交雙極化天線（合法用戶配備）可負責EH和EV的（極化信號）接收，分別經過I/Q支路的EH和EV會被分解，并得到IV、QV、IH和QH四路信號，圍繞四路信號的干擾信號極化參數識別需采用卡爾曼濾波算法，以此得出的結果需引入斜投影濾波算子，以此基于其性質同時實現(xiàn)干擾信號的濾除和目標信號的完整保留。開展具體仿真，設置εj、δj分別為45°、0°，采用25dB的干噪比，在完成干擾信號的極化參數設置后，即可開展針對性的仿真實驗，并得到極化參數仿真曲線。極化抗干擾技術相較于LMS算法在相等收斂速度下?lián)碛懈鼮閮?yōu)秀的跟蹤性能，在具體的仿真計算中，該極化抗干擾技術擁有0.003s的平均運算消耗時間，LMS算法的平均運算消耗時間則為0.03s，在時間消耗層面優(yōu)勢明顯。卡爾曼濾波動態(tài)跟蹤識別在衛(wèi)星通信中可較好處理干擾信號極化參數，配合斜投影濾波算子，該技術即可實現(xiàn)衛(wèi)星通信抗干擾，而相較于LMS算法，該極化抗干擾技術在收斂性和魯棒性方面的表現(xiàn)更為優(yōu)秀，且耗時短更短。2.2改進型快速雙極化跳變技術。對于PSK的調制方式來說，傳統(tǒng)的快速雙極化跳變系統(tǒng)在防竊聽方面的表現(xiàn)較差，這一問題可通過新型的快速雙極化跳變算法解決。該算法的相調制信號承載采用一對新的快速跳變極化狀態(tài)，需首先進行系統(tǒng)模型建設（基于衛(wèi)星信道），并以此完成盲識別的信號極化狀態(tài)方案介紹，隨后需進行新的雙極化狀態(tài)信號設計，并最終完成收發(fā)信機的設計，跳變圖樣的生成采用偽隨機序列。對于具體的信號極化盲識別來說，其流程可概括為圖2。基于圖2，在具體的信號極化盲識別過程中，接收端需首先接收極化信號（利用雙極化天線），正交雙極化信號EH和EV的獲取需通過載波下變頻和信號采樣實現(xiàn)，對于Eve（竊聽用戶）來說，I/Q分解EH和EV可得到四路信號，四路信號處理采用卡爾曼濾波，即可得到極化狀態(tài)γR和δR。對于PSK的調制方式，傳統(tǒng)的跳極化僅能夠在nφ上實現(xiàn)信息承載，對于不含γs的相位來說，竊聽用戶仍能夠由此完成信號的正確解調，防竊聽目標自然無法順利實現(xiàn)。在新的技術應用中，信號疊加可基于新的雙極化狀態(tài)實現(xiàn)，這相當于γs/α均增加于各個相位，因此基于新的發(fā)送信號開展極化參數識別并引入極化匹配，即可最終得到式（1）所示的信號表達式（極化調制消除后）。（1）基于式（1）可知，信號幅度和相位在極化匹配后直接受到γs影響，且信息是否僅承載于相位，Eve（竊聽用戶）均無法實現(xiàn)信號的正確解調，衛(wèi)星通信中信息的安全傳輸由此可得到保障。開展QPSK和16QAM在初值情況下的誤碼率性能仿真可以確定，合法用戶在新型算法影響下不會受到影響，可實現(xiàn)信息的正確接收。總的來說，改進型快速雙極化跳變技術可嚴重惡化竊聽者的誤碼率，防竊聽性能可實現(xiàn)長足提升，最終實現(xiàn)衛(wèi)星通信中信息的安全傳輸。2.3方向極化調制技術。方向極化調制技術基于傳統(tǒng)的極化調制發(fā)射機，方向極化調制發(fā)射機采用改進式設計，基于成本最低和硬件改動最小原則，其原理如圖3所示。基于圖3進行分析可以發(fā)現(xiàn)，通過功分和相移單元，數據信號的極化狀態(tài)映射可順利實現(xiàn)，利用載波上變頻為射頻信號配合幅相校準屬于傳統(tǒng)極化調制模塊部分，方向調制發(fā)射機的信號發(fā)射需利用極化信號的水平和垂直分量，同時在理想方向信道的零空間添加人工噪聲，方向極化調制發(fā)射機可由此構成。深入分析可以發(fā)現(xiàn)，方向調制與傳統(tǒng)極化調制發(fā)射機的結合可獲得新型的方向極化調制發(fā)射機，單一天線的傳統(tǒng)極化調制發(fā)射機可被基于采用天線陣的方向調制發(fā)射機代替，配合人工噪聲的針對性添加，圖2信號極化盲識別流程圖3方向極化調制發(fā)射機原理合法接收機在期望方向上接收的極化信號屬于未畸變、不含人工噪聲的信號，而竊聽接收機在非期望方向接收的極化信號則屬于畸變的具有人工噪聲信號。分析傳統(tǒng)方向調制和方向極化調制得到的各方向誤碼率可以發(fā)現(xiàn)，經過下變頻、信號采樣和幅相校準，配合最大似然準則解調信息，即可對比0°～180°各方位角上（期待方向為60°時）傳統(tǒng)方向調制的誤碼率，以及0°～180°各方位角上（期待方向為60°時）方向極化調制的誤碼率。通過對比可直觀發(fā)現(xiàn)，方向極化調制相較于傳統(tǒng)方向調制具有上升更快的非期望方向誤碼率。由此可見，方向極化調制技術具有較強的抗干擾性能。結論：綜上所述，本文對基于卡爾曼濾波的極化抗干擾技術、改進型快速雙極化跳變技術、方向極化調制技術等內容，進行了深入地分析和探討。必將對現(xiàn)有部隊衛(wèi)星通信裝備抗干擾性能的改造具有一定的借鑒意義和啟發(fā)作用。

作者:李新科 程相波 單位:武警士官學校