陳 昊，喬 凱，楊 歡

寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的安全防護(hù)架構(gòu)研究

陳 昊，喬 凱，楊 歡

（北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094）

針對寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)安全防護(hù)的需求，提出了一種寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的安全防護(hù)總體架構(gòu)，采用三級防護(hù)層級模式切換，通過對電磁環(huán)境感知、寬帶動態(tài)頻譜管理、綜合分析與決策和資源分配輔助實(shí)現(xiàn)，保證系統(tǒng)可通性的同時，提升系統(tǒng)頻譜利用效率和抗干擾防護(hù)能力。

衛(wèi)星通信；安全防護(hù)；架構(gòu)

0 引言

衛(wèi)星通信系統(tǒng)與其他信息傳輸手段相比有著無法比擬的獨(dú)特優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)大覆蓋區(qū)下的通信鏈路快速建立和高速率。然而，由于衛(wèi)星公開地暴露在空間軌道上，且生存于紛繁復(fù)雜的電磁環(huán)境中，衛(wèi)星通信面臨的威脅日益嚴(yán)重，極易遭受到竊聽和干擾。當(dāng)前，我國衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)入了快速發(fā)展階段，但是，現(xiàn)有寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)防護(hù)能力比較弱，一旦受到某些干擾，易造成網(wǎng)絡(luò)中的某些節(jié)點(diǎn)失效，嚴(yán)重時致使整個通信系統(tǒng)癱瘓。因此，亟需增強(qiáng)通信系統(tǒng)抗干擾能力。

為保障衛(wèi)星通信系統(tǒng)的安全可靠性以及獲取的信息能及時有效地傳遞給各級用戶，各國都在不斷改進(jìn)自己的通信衛(wèi)星技術(shù)，特別是抗干擾技術(shù)。目前，國內(nèi)外抗干擾技術(shù)主要集中在以下幾個方面：

1）數(shù)字信道化器處理。數(shù)字信道化器提供較大的連接靈活性和一定的系統(tǒng)抗毀能力，美國寬帶全球衛(wèi)星通信（Wideband Global Satcom，WGS）衛(wèi)星上的數(shù)字信道化器是實(shí)現(xiàn)有效載荷高度靈活的關(guān)鍵，它把上行鏈路的頻寬分為1872個子信道，每個子信道帶寬為2.6 MHz，各個子信道都能單獨(dú)切換并進(jìn)行路由交換，實(shí)現(xiàn)一個覆蓋區(qū)域內(nèi)的任何一個上行信道都可以與一個或全部下行覆蓋區(qū)內(nèi)的任何信道連接，大大提高了帶寬的利用率、應(yīng)用的靈活性、鏈路的連通性以及整個系統(tǒng)的抗毀性；

2）星載天線增強(qiáng)了可移動點(diǎn)波束能力和空域抗干擾能力。通過采用相控陣天線、波束成形等先進(jìn)技術(shù)，提高衛(wèi)星通信傳輸能力、運(yùn)用靈活性，實(shí)現(xiàn)了空域抗干擾；

3）增強(qiáng)波形、信息、信令及控制的保護(hù)和反接入、反盜控能力。一是通過特定的波形和終端上的調(diào)制解調(diào)器實(shí)現(xiàn)對特定網(wǎng)絡(luò)和通信業(yè)務(wù)的抗干擾和抗信號截收保護(hù)；二是在終端上采用密碼設(shè)備，提供信息安全；三是對衛(wèi)星信道格式和協(xié)議進(jìn)行特別的保護(hù)，確保發(fā)送和接收是唯一“有效”的。

本文針對各種干擾技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，從系統(tǒng)角度設(shè)計(jì)了寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的安全防護(hù)體系架構(gòu)。根據(jù)寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的需求，結(jié)合其系統(tǒng)載荷配置和波束配置情況，提升系統(tǒng)的抗干擾能力，通過基于復(fù)雜電磁環(huán)境感知、態(tài)勢信息融合及智能決策，聯(lián)合空域、頻域、時域、功率域等多維抗干擾技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)綜合抗干擾，形成最佳的抗干擾能力，具體抗干擾架構(gòu)如圖1所示。

圖1 寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)抗干擾技術(shù)體系架構(gòu)

空域抗干擾措施主要有自適應(yīng)天線調(diào)零、低旁瓣技術(shù)和相控陣波束技術(shù)等；通道抗干擾措施主要有硬限幅和AGC等；多維域智能抗干擾是從信號處理上采取的抗干擾手段，主要有時域抗干擾、頻域抗干擾、功率域抗干擾、調(diào)制編碼域抗干擾等；態(tài)勢感知主要是為各類干擾抑制提供決策依據(jù)，包含時域感知、頻域感知和空域感知等；態(tài)勢感知信息融合及智能決策是融合時頻空態(tài)勢感知信息、各類先驗(yàn)信息庫、QoS 等做出綜合抗干擾決策，為各種抗干擾措施提供依據(jù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)綜合抗干擾，提升系統(tǒng)綜合抗干擾能力。

1 寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)不同載荷配置形式的抗干擾方案設(shè)計(jì)

當(dāng)前寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的載荷配置，主要有透明傳輸、柔性處理和再生處理三種。依據(jù)寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)載荷配置形式的不同，本文設(shè)計(jì)了以下抗干擾總體方案實(shí)現(xiàn)的方式：

1）透明載荷配置模式

所有感知、管理及抗干擾決策依據(jù)都由地面站完成，星上載荷只執(zhí)行地面策略，主要是空域抑制和頻譜搬移，具體如圖2所示。

該載荷配置模式下，衛(wèi)星不需增加設(shè)備只需適應(yīng)性修改，系統(tǒng)抗干擾手段主要在地面開展，地面站通過綜合分析與決策為衛(wèi)星和地面終端提供抗干擾方式選擇依據(jù)，比如地面站通過干擾定位之后，發(fā)送控制指令給衛(wèi)星載荷，控制天線實(shí)現(xiàn)空域抑制，或者干擾頻譜檢測之后，發(fā)送控制指令給衛(wèi)星載荷，控制變頻通道實(shí)現(xiàn)頻譜搬移。

2）載荷柔性處理配置模式

星上除了空域抑制和頻譜搬移措施外，還可以采用頻域抑制、電磁環(huán)境感知以及信道鏈路測量完成，具體如圖3所示。

在該載荷配置模式下，衛(wèi)星需要增加相應(yīng)的電磁環(huán)境感知功能模塊，可以根據(jù)系統(tǒng)能力配置其復(fù)雜度，星上除了空域抑制和頻譜搬移外還采取簡單的頻域抑制和功率域抑制抗干擾技術(shù)，重要的抗干擾手段還是由地面進(jìn)行，地面站通過綜合分析與決策為衛(wèi)星和地面終端提供抗干擾方式的選擇依據(jù)。

3）再生處理配置模式

星上基本能實(shí)現(xiàn)所有的抗干擾技術(shù)手段，執(zhí)行在進(jìn)行模式切換時由星地共同完成，如圖4所示。

圖2 寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)透明轉(zhuǎn)發(fā)抗干擾方案

圖3 寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)柔性載荷抗干擾方案

圖4 寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)再生處理抗干擾方案

在該載荷配置模式下，所有的抗干擾策略衛(wèi)星都能實(shí)施，相對于原載荷配置還需增加電磁環(huán)境感知模塊，衛(wèi)星通過綜合分析與決策為載荷和終端提供抗干擾方式選擇依據(jù)。

2 寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)防護(hù)方案設(shè)計(jì)

以上三種載荷配置模式的抗干擾方式選擇都是伴隨著電磁環(huán)境的變化而進(jìn)行調(diào)整，依據(jù)上述三種載荷配置模式，本文設(shè)計(jì)了三級抗干擾防護(hù)的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)抗干擾技術(shù)方案。

三級防護(hù)的定義具體如下：

1）強(qiáng)防護(hù)通信模式

針對強(qiáng)干擾環(huán)境下，導(dǎo)致寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)無法在寬帶通信體制下進(jìn)行通信，需要采取防護(hù)抗干擾波形來保障通信，抗干擾技術(shù)除了根據(jù)頻譜檢測、干擾檢測和頻譜管理及資源分配采取時域、頻域和空域干擾避讓技術(shù)外，還采用跳頻、擴(kuò)頻、分集等多重抗干擾技術(shù)。

2）弱防護(hù)通信模式

針對自然干擾和非惡意干擾環(huán)境下，干擾強(qiáng)度相對較小，只需采用寬帶抗干擾波形來保障通信，抗干擾技術(shù)除了根據(jù)頻譜檢測、干擾檢測和頻譜管理及資源分配采取時域、頻域和空域干擾避讓技術(shù)外，還可以采取自適應(yīng)編碼調(diào)制、自適應(yīng)速率等抗干擾技術(shù)。

3）保容量通信模式

針對電磁環(huán)境較好情況下用戶對通信質(zhì)量要求較高，需保障用戶的通信速率和通信帶寬，但有時傳輸環(huán)境可能會受到非惡意的干擾，因此，為了不影響用戶通信，需要根據(jù)頻譜檢測、干擾檢測和頻譜管理采用頻域和空域干擾避讓。

三種防護(hù)層級會根據(jù)電磁環(huán)境的變化而相互轉(zhuǎn)換，具體的轉(zhuǎn)換流程如圖5所示。

圖5 寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的抗干擾流程示意圖

三種防護(hù)模式的轉(zhuǎn)換流程如下：

1）無干擾環(huán)境下，寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)工作在保容量模式即正常工作模式。此時，系統(tǒng)工作可以保證最大容量。但是由于衛(wèi)星信道是開放式的，因此，某些頻段、某些位置上可能受到偶然的非惡意干擾，為了保證系統(tǒng)的容量不受到影響，可以通過頻域切換或者波束區(qū)域重構(gòu)以及適當(dāng)?shù)卦黾影l(fā)射功率，提高通信接收端的信噪比；當(dāng)這些措施都無效之后，只能切換到其他防護(hù)模式，其中弱干擾切換到弱防護(hù)通信模式，強(qiáng)干擾切換到強(qiáng)防護(hù)通信模式；

2）弱干擾環(huán)境下，寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)工作無法保證最大容量通信，在時域、空域和頻域上均不能滿足最大通信容量，但是通過時頻空域的調(diào)整與切換以及其他措施，還能夠?yàn)橛脩籼峁┩ㄐ拧．?dāng)信道環(huán)境變好之后，系統(tǒng)可以切換到保容量通信模式；若信道環(huán)境進(jìn)一步惡化，導(dǎo)致在寬帶系統(tǒng)下無法通信，此時，系統(tǒng)需要重構(gòu)防護(hù)抗干擾波形，進(jìn)入強(qiáng)防護(hù)通信模式；

3）強(qiáng)干擾環(huán)境下，寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)在采取各種抗干擾措施之后，依然無法在寬帶通信體制下工作，此時，為了不浪費(fèi)系統(tǒng)資源，可以通過波形重構(gòu)的方式，讓系統(tǒng)工作在防護(hù)抗干擾模式，有效補(bǔ)充防護(hù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的容量。當(dāng)對抗環(huán)境好轉(zhuǎn)之后，系統(tǒng)切回到寬帶通信體制。

3 寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)抗干擾方案設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析，寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)抗干擾技術(shù)方案采用三級防護(hù)實(shí)現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)三級防護(hù)的切換，需要通過電磁環(huán)境感知、寬帶動態(tài)頻譜管理、綜合分析與決策和資源分配輔助實(shí)現(xiàn)，具體方案實(shí)施如下：

1）電磁環(huán)境感知及信道鏈路測量

電磁環(huán)境的感知內(nèi)容包含頻譜檢測和干擾檢測。頻譜檢測是對整個通信頻段進(jìn)行采樣處理分析，標(biāo)定出每一段檢測頻譜的功率以及信號占用帶寬的大小，作為頻譜管理的輸入依據(jù)。干擾檢測是對整個通信頻段進(jìn)行處理分析，提取出干擾信號，并識別干擾信號類別和干擾位置定位，作為頻譜管理與干擾態(tài)勢管理的依據(jù)。

體現(xiàn)信道鏈路質(zhì)量狀態(tài)好壞是通過誤碼率、誤幀率、接收信號強(qiáng)度、信噪比、信干比等特征參數(shù)，其中誤碼率、誤幀率和接收信號強(qiáng)度都可以通過信噪比和干信比進(jìn)行表征，因此，信道鏈路測量主要是對信噪比和干信比測量，作為鏈路質(zhì)量管理的依據(jù)。

2）寬帶頻譜動態(tài)管理

為了保障系統(tǒng)的資源分配以及干擾抑制達(dá)到最佳狀態(tài)，需要對系統(tǒng)的通信頻譜、干擾和鏈路質(zhì)量進(jìn)行綜合管理，在本文中將這三者的管理統(tǒng)稱為寬帶頻譜動態(tài)管理。

頻譜資源管理主要根據(jù)頻譜檢測、干擾檢測和信道鏈路測量將通信頻譜進(jìn)行分級管理，標(biāo)定出最佳工作頻段、一般工作頻段、較差工作頻段和不可用頻段，為綜合分析與決策提供依據(jù)。

干擾態(tài)勢管理主要是根據(jù)干擾檢測將干擾進(jìn)行分類管理，標(biāo)定出干擾類別、干擾強(qiáng)度和干擾帶寬等為綜合分析與決策提供依據(jù)。

鏈路質(zhì)量管理主要根據(jù)信道鏈路測量將信道進(jìn)行分類管理，標(biāo)定出最優(yōu)信道數(shù)、一般可用信道數(shù)、較差信道數(shù)和不可用信道，為綜合分析與決策提供依據(jù)。

3）綜合分析與決策

綜合分析與決策作為寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的核心，對整個系統(tǒng)的電磁環(huán)境和資源狀態(tài)進(jìn)行評估，給出分析結(jié)果和處理措施如下：

（1）采取不同的干擾抑制方法對抗不同的干擾類型；

（2）采用不同傳輸波形對抗不同電磁環(huán)境；

（3）配置不同的資源提供給不同需求使用。

4）接入控制與波束切換

為了保證系統(tǒng)工作的靈活可靠，需要通過電磁環(huán)境感知分析和信道鏈路質(zhì)量測量分析，配置最佳資源保障用戶接入控制和波束切換，接入控制的有效性和波束自動切換可以保證系統(tǒng)工作；

5）智能資源分配

在寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)中涉及到資源包含時域、頻域和空域資源，在本文中將波形也歸為一類資源，主要是考慮到不同的波形應(yīng)用到不同的電磁環(huán)境下，滿足不同抗干擾需求。智能資源分配主要取決于電磁環(huán)境感知、寬帶頻譜動態(tài)管理和綜合分析與決策的結(jié)果與QoS的需求；

6）模式切換

根據(jù)電磁環(huán)境感知、寬帶頻譜管理、干擾綜合決策與分析和QoS需求下的資源分配智能控制三級防護(hù)模式的切換，實(shí)現(xiàn)最佳的抗干擾性能，具體抗干擾方案示意圖如圖6所示。

圖6 寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的抗干擾方案

4 結(jié)語

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星通信成為現(xiàn)代社會中不可缺少的通信手段，因其通信距離遠(yuǎn)、頻帶寬、容量大、便于多址聯(lián)結(jié)、不受地理?xiàng)l件限制且機(jī)動靈活等優(yōu)點(diǎn)，在通信領(lǐng)域中尤其受到廣泛應(yīng)用。目前，衛(wèi)星通信系統(tǒng)已經(jīng)成為各國通信系統(tǒng)的重要組成部分，尤其在軍事應(yīng)用領(lǐng)域，成為各大國全球作戰(zhàn)，大、縱、深精確打擊，信息主宰以及政治、文化、經(jīng)濟(jì)侵略的重要依托工具。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)的防護(hù)一直是個難點(diǎn)及熱點(diǎn)問題。針對未來衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)用需求，本文提出了衛(wèi)星通信系統(tǒng)抗干擾技術(shù)架構(gòu)、三級防護(hù)模式、應(yīng)用流程和抗干擾總體方案，為后續(xù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

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Research on Security Protection Architecture of Broadband Satellite Communication System

CHEN Hao, QIAO Kai, YANG Huan

According to the security protection requirement of broadband satellite communication system, an overall security protection architecture of broadband satellite communication system is proposed in the paper, which adopts three-level protection level model switching and assists in the realization of electromagnetic environment perception, broadband dynamic spectrum management, comprehensive analysis and decision-making and resource allocation, so as to ensure the system accessibility, improving the spectrum utilization efficiency and anti-interference protection capability of the system.

Satellite Communication; Security Protection; Architecture

TN927

A

1674-7976-(2022)-01-051-06

2021-11-18。

陳昊（1982.07—），安徽銅陵人，副研究員，博士，主要研究方向?yàn)樾盘柵c信息處理。

空間信息網(wǎng)絡(luò)綜合集成演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法研究（91438206）