基于MP-WFRFT的多维联合调制卫星隐蔽通信研究_倪磊.pdf

基于MP-WFRFT的多维联合调制卫星隐蔽通信研究倪 磊 达新宇*胡 航 王浩波(中国人民解放军95037部队 武汉 430074)(阳光学院人工智能学院 福州 350108)(空军工程大学信息与导航学院 西安 710077)摘 要：为进一步提高卫星信号的隐蔽性能，该文结合加权分数阶傅里叶变换(WFRFT)的星座混淆特性与混沌映射轨迹的抗截获特性，提出一种基于物理层安全的双极化卫星联合调制方案。借鉴“相位扰码”思想和“联合设计”理念，通过扩展4-WFRFT加权项参数，增加了卫星信号处理的多样性，在此基础上嵌入Logistic映射加密，提高了信息破解的难度。建立双极化卫星混沌安全传输系统模型，提出基于MP-WFRFT一体多维的组合隐蔽新概念，探索双极化卫星信号星座优化设计和裂变融合机理。仿真结果验证了所提方案的有效性。关键词：卫星隐蔽通信；傅里叶变换；极化调制；混沌映射；星座图中图分类号：TN911.7文献标识码：A文章编号：1009-5896(2023)04-1183-09DOI:10.11999/JEIT220121Research on Multi-dimensional Joint Modulation for Satellite CovertCommunication Based on MP-WFRFTNI Lei DA Xinyu HU Hang WANG Haobo(Unit 95037 of PLA,Wuhan 430074,China)(College of Artificial Intelligence,Yango University,Fuzhou 350108,China)(Information and Navigation College,Aire Force Engineering University,Xian 710077,China)Abstract:To improve further the concealment performance of satellite signals,combined with the constellationconfusion characteristics of Weighted FRactional Fourier Transform(WFRFT)and the anti-interceptioncharacteristics of chaotic trajectory,a dual polarization satellite joint modulation scheme based on physicallayer security is proposed.Referring to the idea of phase scrambling code and the concept of joint design,thediversity of satellite signal processing is increased by expanding the weighted term parameters of 4-WFRFT.On this basis,logistic mapping encryption is embedded to enhance the difficulty of information cracking.Thechaotic secret transmission model of secure dual-polarized satellite communication system is established,a newconcept of integrated multi-dimensional concealment based on MP-WFRFT is proposed,and the optimal designand fission mechanism of dual-polarized satellite signal constellation are explored.Simulation results verify theeffectiveness of our proposed scheme.Key words:Satellite convert communication;Fourier transform;Polarization modulation;Chaotic mapping;Signal constellation 1 引言2022年，全球安全形势随着新型冠状病毒的肆虐风云莫测，大国博弈复杂激烈且日趋白热化。围绕联合全域作战中指挥信息“不落地”，空天一体化军事力量建设将成为世界强国军事战略的重要组成部分。在未来战争中，影响战争胜负的因素不再简单局限于武器的杀伤力，更多的是体现在对信息的控制权上。网络中对“信息流”控制强度不仅会夺取海、陆、空、天、电磁等多维空间的自主权，而且将深刻地影响政治、经济、社会、文化以及心理。为了赢得制信息权就必须确保各种战场信息传输的安全性、可靠性和实时性，而具有抗检测、低截获概率的卫星隐蔽通信是实现全球，乃至深空、太空信息安全传输的重要手段，也是目前国际军事通信研究的最前沿。收稿日期：2022-01-27；改回日期：2022-05-10；网络出版：2022-06-13*通信作者：达新宇基金项目：国家自然科学基金(61571460,61901490,61901509)Foundation Items:The National Natural Science Foundation ofChina(61571460,61901490,61901509)第45卷第4期电 子 与 信 息 学 报Vol.45No.42023年4月Journal of Electronics&Information TechnologyApr.2023不论是传统的卫星通信系统还是新兴的5G星地混合网络，由于无线媒介的开放性和广播性，使得空中传输的信号极易受到非法窃听或恶意攻击等威胁1。当前，无线隐蔽通信的实现方式普遍是采用具有低功率谱密度的扩展频谱技术，包括直接序列扩频、跳频、跳时、混合扩频等，此外还有近年来兴起的认知无线电(Cognitive Radio,CR)、变换域通信(Transform Domain Communication Sys-tem,TDCS)、智能反射面以及流星余迹通信等技术2。然而，随着现代通信理论的发展，特别是谱分析技术的成熟，针对以上通信过程的截获、检测和攻击手段也层出不穷。再者，从协议栈的上层实现来看，保证卫通信息安全的主流方法是使用不同类型的密钥来加密或解密传输的保密消息，从而保障通信整体的安全性。但是，随着终端计算与数据处理能力的增强，尤其是量子计算和并行处理器的不断发展，使得依赖计算复杂度的加密手段不足以保证当前通信业务的安全；此外，未来通信体系架构的扁平化、接入设备的多样化以及网络拓扑的动态化等特点，也让基于密钥的传统加密措施部署与维护变得愈发困难35。针对上述挑战，基于物理层安全的调制加密技术受到学者越来越多的关注6，其核心思想是利用信号调制加密，使发送消息的星座符号发生混叠变化，让窃听者无法解调恢复原始信号，从而保证信息安全。作为一种新型时频域分析工具，加权分数阶傅里叶变换(Weighted FRactional FourierTransform,WFRFT)具有诸多优点，在信息光学、图像处理以及安全通信等领域得到了广泛应用7。研究发现，WFRFT处理后的调制信号比特能量均匀对称分布，信号星座图在不同参数下表现出旋转、模糊特性，而抗截获通信的关键就在于时频变换对信号星座的扩散混淆程度。最近，文献8提出一种基于WFRFT的集成波形构建方法，该方法结合正交时频空间调制优势，具有2维参数可调的特点；文献9在卫星成对载波多址中使用本地信号副本进行自干扰抵消，提出一种基于WFRFT的卫星信号掩盖方法；文献10提出一种基于物理层信道状态信息加密WFRFT的卫星隐蔽通信方案；文献7针对WFRFT加权项数固定的局限性进行改进，提出一种多参数WFRFT(Multi-Parameter WFRFT,MP-WFRFT)星座预编码方案。上述研究工作对于卫星通信安全传输起到良好的促进作用，但在复杂的环境条件下，上述方法加密手段较为单一，信号仍存在被破解的可能性。此外，现有文献少有考虑极化状态调制技术在隐蔽通信中的应用。基于此，本文探索利用极化特征增强卫星信息传输安全性，引入新型混沌映射加大非法接收端的解调难度，针对传统WFRFT方法的不足，提出一种基于MP-WFRFT的多维联合调制卫星隐蔽通信方案。通过研究星座裂变安全传输的时频项特点，探索MP-WFRFT隐蔽信号星座图在3维空间的裂变规律和统计特性，分析系统的可达安全容量指标，并通过仿真验证所提方案的保密性能。2 系统模型本文研究的双极化卫星通信系统包含一个卫星发射端Alice、一个合法接收者Bob和一个窃听者Eve,3者均配备双极化天线，且可以使用同一频率在两个独立信道中发送不同的极化波，进而承载差异化信息，实现频带资源的重复利用。考虑Eve处于卫星通信覆盖区域，且与Bob具有相同的信号处理能力，如果卫星发射信号不采用任何安全防护措施，Eve同样能解调出接收信号，造成信息泄露。2.1 多参加权分数阶傅里叶变换X0(,V)对于任意复数序列，其阶的4-WFRFT定义为11Y=F,V4WX0=0(,V)X0+1(,V)X1+2(,V)X2+3(,V)X3(1)F,V4W 2,2Xl(l=0,1,2,3)X0l其中，表示WFRFT算子，为变换阶数，分别是的03次归一化离散傅里叶变换，对应的加权系数计算式为l(,V)=143k=0exp2i4(4mk+1)(k+4nk)lk(2)V=MV,NV MV=m0,m1,m2,m3NV=n0,n1,n2,n3其 中，与为尺度向量。V=0V=0当时，式(1)中仅包含1个参数，记作单参WFRFT(Single-Parameter WFRFT,SP-WFRFT)，其星座图在特定的变换阶数下呈现出类高斯分布特点；而当时，4-WFRFT中的参数由1个扩展到多个，也被称为MP-WFRFT12。MP-WFRFT可以看成是SP-WFRFT的一般形式，其调制信号同样具有星座旋转和分裂特征。这里，以正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying,QPSK)映射为例说明，设定基带信号长度为1024，经过SP-WFRFT和MP-WFRFT变换的信号星座图如图1所示。=0.04由图1可知，通过调控参数组合，可以使信号星座图产生旋转、扩散和分裂，进而表现出一定的模糊特性。由于加权系数参数的增多，MP-WFRFT信号的抗参数扫描能力得到进一步增强，复平面上的星座变化规律也更加多样。特别地，当1184电 子 与 信 息 学 报第 45 卷时，经MP-WFRFT处理后的QPSK信号在复平面呈现出16正交振幅调制(Quadrature AmplitudeModulation,QAM)分布形式，具有很强的伪装性。当 相同时，采用MP-WFRFT变换的星座点相较于SP-WFRFT混淆程度更高、扩散速度更快。在保持己方通信性能不变的情况下，这种模糊特性能够有效抵抗以能量检测、星座识别为基础的截获破译方式。此外，由于生成的类高斯噪声功率大小可控，故在硬件实现中可通过参数修订来满足设备对隐蔽信号幅度的具体约束13。2.2 极化状态调制k极化状态调制(Polarization Modulation,PM)利用信号极化域的幅度比和相位差来承载信息，并且能够同幅频域调制方式相结合，设计出更高传输效率的多维联合调制方式，从而极大提高系统通信容量和传输能效14。基于Jones和Stokes矢量参数定义，经过极化状态调制单元映射的第 个PM符号可以表示为sk=skHskV=cosksink