張 杰,馬東堂

(國防科技大學電子科學與工程學院,湖南長沙410073)

基于干擾消除和跟蹤同步的靈巧干擾技術研究*

張 杰,馬東堂

(國防科技大學電子科學與工程學院,湖南長沙410073)

根據(jù)數(shù)字通信中靈巧干擾的基本思想,針對衛(wèi)星通信系統(tǒng)周期同步序列的靈巧干擾進行了研究。提出了一種基于干擾消除及跟蹤同步序列的靈巧干擾方案,干擾方發(fā)送干擾序列對原始信號中的同步序列進行跟蹤并干擾。同時為了確保干擾方對原始信號中的同步序列的準確跟蹤,干擾方需要對混合信號進行干擾信號恢復和消除操作。仿真結果表明,相比于傳統(tǒng)壓制式干擾,提出的靈巧干擾方案能夠以更小的代價獲得更好的干擾效果。

衛(wèi)星通信 同步序列 靈巧干擾 干擾消除

0 引 言

目前針對衛(wèi)星通信系統(tǒng)的干擾手段,仍停留在傳統(tǒng)的通信干擾方法上,主要是以大功率壓制來破壞其通信[1]。一般來說,傳統(tǒng)的最佳干擾方案是發(fā)送一個與有用信號同頻率的干擾信號,干擾強度必須等于或高于有用信號的強度,雖然實現(xiàn)簡單但是效率低下,已無法滿足通信對抗發(fā)展的需要。基于衛(wèi)星通信干擾的發(fā)展趨勢和現(xiàn)實需求,開展能夠擾亂和破壞衛(wèi)星通信的靈巧干擾技術研究已成為當前的發(fā)展趨勢。

傳統(tǒng)最佳干擾[2]的基本原則是干擾信號在時域、頻域、空域等多維空間上覆蓋壓制通信信號。傳統(tǒng)最佳干擾針對的是整個通信系統(tǒng),而忽略了通信的過程性特征,即通信的時變性特征,以及通信中的關鍵過程,比如導頻信號、同步引導、幀同步、訓練序列等過程,這些過程對通信起到了至關重要的作用,針對他們進行干擾,能起到事半功倍的效果。考慮通信過程的干擾是對傳統(tǒng)最佳干擾的擴展,靈巧干擾就是這樣一種引入了過程空間的新型干擾策略[3]。

本文針對上行發(fā)送信號具有周期同步幀結構的衛(wèi)星通信系統(tǒng),利用其信號結構特性采用針對同步序列進行的靈巧干擾方案,提出了一種基于干擾消除及跟蹤同步序列的靈巧干擾方案,仿真結果表明相比于傳統(tǒng)壓制式干擾方案,該靈巧干擾方案能以更小的代價獲得更好的干擾性能。

1 同步序列干擾原理

在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中,為了快速有效地恢復原始信號,發(fā)送端通常在發(fā)送信號特定的位置插入一段特殊的同步序列。在周期同步序列的幫助下,接收端能夠使信號同步并估計信道參數(shù)。這樣可以使得整個通信系統(tǒng)抵抗外界不利因素,從而獲得更好的系統(tǒng)性能。其幀結構如圖1所示。

圖1 具有周期同步序列的幀結構Fig.1 Frame structure with periodic synchronization sequence

數(shù)據(jù)幀的同步頭序列一般采用自相關性較好的序列,比如巴克碼、PN序列等。接收端利用同步序列的相關性,通過滑動相關法[4]搜索碼相位,確定數(shù)據(jù)幀的起始位置。同步搜索原理圖如圖2所示。

圖2 同步模塊原理Fig.2 Schematic diagram of synchronization model

接收信號表達式為:

式中,s(t)是帶有同步頭的發(fā)送信號,nnoise(t)為零均值的加性高斯白噪聲。將r(t)進行解調得到碼元序列r(n),然后與本地偽隨機序列c(n)進行相關運算,假設同步序列的長度為N,則運算結果表示為

式中,m表示同步序列與本地序列之間的碼相位差,而發(fā)送信號s(n)中的前N個碼元為幀同步頭,即同步序列c(n),則當m=0時,

由于nnoise(n)是零均值高斯白噪聲序列,與本地偽隨機序列c(n)相乘后均值為0。而同步序列與本地序列相位同步時,相關函數(shù)出現(xiàn)峰值,通過門限判決后,認為同步序列捕獲成功。

當系統(tǒng)中存在人為干擾時,接收信號表達式變?yōu)?/p>

式中njam(t)表示干擾信號。經(jīng)過解調,且當同步序列和本地序列相位同步時,即m=0時,接收序列與本地序列的相關函數(shù)表示為

同式(3),噪聲nnoise(n)與本地偽隨機序列c(n)相乘后均值為0。但是干擾信號njam(n)與c(n)相乘項為非零值,njam(n)的存在影響了接收端對相關峰值的正確判斷,從而干擾了同步系統(tǒng)的正常工作。

2 靈巧干擾的設計

針對衛(wèi)星通信系統(tǒng)上行鏈路信號進行靈巧干擾設計,衛(wèi)星通信系統(tǒng)上行鏈路干擾示意圖如圖3所示。采用地基干擾方式(地面固定、車載或艦載等地面干擾站),干擾方首先要截獲地面站發(fā)出的上行通信信號進行分析,而后對衛(wèi)星實施干擾,以破壞其正常通信。但是由于在地面直接偵收衛(wèi)星上行信號是相當困難的,通常是當衛(wèi)星通信接收到上行信號進行轉發(fā)時,干擾方通過偵收下行信號來確定上行信號的參數(shù)。在存在干擾時,衛(wèi)星將接收到由有用信號和干擾站發(fā)送的干擾信號組成的混合信號。該混合信號被衛(wèi)星進行轉發(fā),干擾站和地面接收站都將接收到該混合信號,并用于后續(xù)的信號處理。

圖3 衛(wèi)星上行鏈路干擾示意Fig.3 Sketch map of jamming in the uplink of satellite

2.1 針對同步序列的靈巧干擾方案

在圖3中的上行鏈路干擾中考慮針對同步序列的靈巧干擾的基本思路[5-6]為:首先地面干擾站接收到下行信號并完成同步后,找到上行發(fā)送信號中的同步序列位置;然后通過反饋調整發(fā)送干擾脈沖。同步序列和干擾脈沖在時域上相互重疊,使得地面接收端不能從下行混合信號中分離出目標信號。該靈巧干擾過程如圖4所示。

圖4 針對上行信號同步序列的靈巧干擾Fig.4 Smart jamming aiming at the synchronization sequence of uplink signal

在上述干擾過程中,一旦干擾站發(fā)送出干擾脈沖,使得上行信號中的同步序列被有效干擾后,在往后的通信中,干擾站同樣無法找到并恢復出同步序列,從而不能產(chǎn)生正常的反饋信號來調整干擾脈沖的發(fā)送時間。因此,一般利用連續(xù)幀結構的周期特性來決定干擾上行信號的恰當時刻。但是由于估計誤差的存在,如果幀周期估計值不準確,便會導致干擾方在某一次成功干擾之后,將失去同步,不得不從頭開始搜索幀結構中的同步序列。

為了進一步分析幀周期估計誤差的影響,我們假設上行站和干擾站之間的時鐘偏差為δppm,同步序列的長度為LenSyn,干擾脈沖的長度為L,原信號的符號速率為RMbps。通過定義,每δ×106個采樣中將有一個采樣偏差。不失一般性,我們忽略其他信號過程,比如前向數(shù)據(jù)糾錯(FEC)。假設L＞Len-Syn,即同步序列可以被干擾脈沖完全覆蓋。如圖5所示,在該干擾方案中,一旦累積偏差達到L-Len-Syn個符號,干擾站將失去對同步序列的同步,即不能完全覆蓋同步序列。則在干擾失同步之前最大持續(xù)時間為

圖5 干擾站失同步示意Fig.5 Sketch map of jamming-station desynchronization

圖6 干擾失同步前最大持續(xù)時間理論值Fig.6 Theoretical value of maximum duration before jamming desynchronization

圖6表示在不同符號速率和不同數(shù)據(jù)時鐘偏差下,干擾失同步前最大持續(xù)時間的理論上限值。從圖中可以看出,即使數(shù)據(jù)時鐘偏差低于15 ppm時,干擾者也只能保持少于2 s的同步時間。很容易使得干擾站與上行信號中的同步序列失去同步。因此,下面進一步提出一種基于跟蹤的靈巧干擾方案來解決這個失同步問題。

2.2 基于跟蹤的靈巧干擾方案

根據(jù)對上述靈巧干擾方案的分析,干擾者只是在初始階段與上行信號中的同步序列同步,一旦干擾信號被發(fā)送并與同步序列達到精確同步,干擾站將會失去同步,只能利用上行信號的幀結構周期特性來完成下一步干擾操作。這表明整個系統(tǒng)并不是一個閉環(huán)系統(tǒng),而且是不穩(wěn)定的,這將導致不完全和不準確的干擾,從而使得用戶端有可能正確解調并恢復出原始信號。

為了避免這種可能性的出現(xiàn),我們必須保證干擾站總是與上行站處于同步狀態(tài),這樣才能準確估計所有參數(shù)以制造正確地干擾時機,確保用戶端不能準確捕捉同步序列。

因此,我們對上面設計的靈巧干擾方案進行改進。在改進方案中,干擾站不再利用幀周期的估計值來決定干擾脈沖的發(fā)送時刻,而是從下行混合信號中恢復并消除已知的干擾序列,進而有效地恢復具有同步序列的上行原始信號進行跟蹤以時刻與上行信號保持同步[5]。改進的干擾方案結構框圖如圖7所示。

圖7 基于跟蹤的靈巧干擾方案Fig.7 Track-based smart jamming scheme

如圖7所示,與之前的干擾方案相比,改進后的靈巧干擾方案在干擾方增加了一個恢復并消除干擾序列的步驟:首先,干擾站根據(jù)匹配濾波器,估計出衛(wèi)星到干擾站之間的信道響應參數(shù),包括幅度、相位和信道的傳送時延;然后通過估計到的信道參數(shù)來恢復出干擾信號;之后從混合信號中移除干擾信號,從而使干擾站能夠保持對上行原始信號的同步跟蹤。

根據(jù)改進方案中干擾站對干擾信號進行消除,可以將干擾站對上行原始信號的同步概率提高到100%,從而使得干擾站精確計算出原始信號中同步序列的位置。因此,干擾信號處理環(huán)路是收斂的,能夠使得干擾站與上行站始終處于同步狀態(tài),進而使得用戶端被干擾序列完全干擾,避免了用戶端完成同步過程。

3 仿真結果與分析

首先,我們仿真干擾站進行的干擾消除對同步跟蹤的影響。假設上行發(fā)送信號為S,針對同步序列的靈巧干擾信號為I,高斯白噪聲為N,則干擾站接收到的混合信號為

干擾站估計并恢復出的干擾信號為αejθ·I,其中α和θ分別是干擾信號幅度和相位的估計值。因此,干擾站移除估計到的干擾信號后,實際用來進行跟蹤的信號為

仿真中,我們只考慮幅度α估計誤差的影響而不考慮相位θ的估計誤差,干擾信號采用15位的m序列,信干比SIR設為-6 dB。仿真結果如圖8所示。結果表明,顯然地,干擾信號估計的越準確(即α的值越大),對同步跟蹤的性能就越好。從圖中還可以看出干擾信號對其他接收者的影響,當α=0時,即在干擾信號完全沒有消除掉的情況下,在信噪比SNR大于4 dB之后,出現(xiàn)了誤碼平層的現(xiàn)象,說明該干擾對其他接收者的干擾效果顯著。

圖8 干擾消除的影響Fig.8 Influence of interference cancellation

然后,我們仿真比較所提出的靈巧干擾方案與幾種常見的傳統(tǒng)壓制式干擾方案的干擾效果。在仿真中,我們采用11位的巴克碼作為幀同步序列,而干擾序列采用15位m序列,信噪比SNR設為6 dB。仿真結果如圖9所示。由圖可得,與傳統(tǒng)壓制式干擾相比,本文設計的針對同步序列的靈巧干擾的干擾效果最好。即使與最有效的傳統(tǒng)的全頻段噪聲干擾相比,在干擾效果相同的情況下,提出的靈巧干擾的干擾功率損耗要低于全頻段噪聲干擾的6～8 dB。

圖9 不同干擾方案誤碼率曲線Fig.9 BER curve of different interference scheme

4 結 語

本文根據(jù)數(shù)字通信中靈巧干擾設計的基本思想,針對衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的周期同步序列提出了一種基于干擾消除及跟蹤同步的靈巧干擾方案。在干擾方,對已知的干擾信號進行參數(shù)估計,并進行恢復和消除,因此,干擾方能夠始終對幾乎未受干擾的原始信號中的同步序列進行跟蹤并干擾。仿真結果表明,由于同步序列的長度要比數(shù)據(jù)長度小的多,因此干擾信號發(fā)送功率也會大大減小,且同步過程在整個通信中起到至關重要的作用,從而相比于傳統(tǒng)壓制式干擾,采用文中提出的跟蹤同步序列的靈巧干擾方案,能夠以更低的功率消耗獲得更好的干擾效果。

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ZHANG Jie(1990-),female,graduate student,mainly engaged in satellite communication and physical layer security.

馬東堂(1969—),男,博士,教授,主要研究方向為寬帶通信與網(wǎng)絡、物理層安全與量子光通信。

MA Dong-tang(1969-),male,Ph.D.,professor,mainly engaged in broadband communication and network,physical layer security and quantum optical communication.

Smart Jamming Technology based on Jamming Cancellation and Tracking Synchronization Sequence

ZHANG Jie,MA Dong-tang
(School of Electronic Science&Engineering,National University of Defense Technology,Changsha Hunan 410073,China)

In accordance with the basic idea of smart jamming in digital communication,the smart jamming aiming at the periodic synchronization sequence in satellite communication system is discussed,and a smart jamming scheme based on jamming cancellation and tracking synchronization sequence proposed.The interference sequence transmitted by the jammer,is used to track and interfere with the synchronization sequence in the original signal.Meanwhile,in order to guarantee the exact tracking of synchronization sequence in the original signal,the jammer needs to implement recovery and cancellation of the interference sequence and in the mixed signal.Simulation results show that as compared with the traditional blanket jamming,the proposed smart jamming scheme can achieve much better interferential effect at a fairly low cost.

satellite communication,synchronization sequence,smart jamming,jamming cancellation

TN92

A

1002-0802(2014)10-1139-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.10.007

張 杰(1990—),女,碩士研究生,主要研究方向為衛(wèi)星通信、物理層安全;

2014-08-15;

2014-09-15 Received date：2014-08-15;Revised date：2014-09-15