一種提高CAPS導(dǎo)航通信融合系統(tǒng)保密性的新方法*

何瑞珠，胡正群，崔君霞，裴 軍

(1. 中國科學(xué)院國家天文臺(tái)，北京 100012；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

一種提高CAPS導(dǎo)航通信融合系統(tǒng)保密性的新方法*

何瑞珠1,2，胡正群1，崔君霞1，裴 軍1

(1. 中國科學(xué)院國家天文臺(tái)，北京 100012；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

根據(jù)導(dǎo)航通信融合系統(tǒng)的特點(diǎn)，通過偽隨機(jī)序列碼與混沌序列碼的復(fù)合得到GC(Gold-Chebyshev)序列碼，新序列碼克服了混沌序列平衡性差的缺點(diǎn)，滿足了系統(tǒng)短碼的要求，得到的GC序列具有碼組數(shù)量幾乎無限多和序列線性復(fù)雜度好的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)以偽隨機(jī)跳變的方式更換碼序列集合，極大地提升了系統(tǒng)的安全性。對換碼模式和系統(tǒng)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表明復(fù)合新碼GC序列采用換碼模式易于實(shí)現(xiàn)可靠通信，還可以有效提高系統(tǒng)的保密性能。

導(dǎo)航通信；保密通信；換碼；導(dǎo)航通信融合系統(tǒng)

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)迅速發(fā)展的今天，將兩者結(jié)合在一起建立導(dǎo)航通信融合系統(tǒng)已成為一種發(fā)展趨勢[1-2]。2002年11月，中國科學(xué)院國家天文臺(tái)等相關(guān)單位的專家，利用在天文學(xué)研究中長期積累的信號(hào)被動(dòng)接收和微弱信號(hào)檢測、衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)研究和衛(wèi)星測軌定軌、時(shí)間溯源比對等方面的優(yōu)勢，組成衛(wèi)星導(dǎo)航科研項(xiàng)目組，發(fā)明了主要基于商用通信衛(wèi)星的能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)航通信一體化的中國區(qū)域定位系統(tǒng)(Chinese Area Positioning System, CAPS)。導(dǎo)航通信系統(tǒng)不僅能滿足人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活的民用需求，還廣泛應(yīng)用于國家安全領(lǐng)域，因此對系統(tǒng)的保密性要求越來越高。隨著技術(shù)的發(fā)展，依靠傳統(tǒng)PN碼對信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻的傳統(tǒng)保密方式已經(jīng)不能滿足高保密性的要求[3-4]，而且現(xiàn)有的絕大部分提高系統(tǒng)保密性的方法，幾乎都是單獨(dú)針對導(dǎo)航定位系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的[5-7]，對于在信號(hào)結(jié)構(gòu)上將兩者一體化的導(dǎo)航通信融合系統(tǒng)來說，這些方法并不完全適用。針對系統(tǒng)特殊信號(hào)結(jié)構(gòu)和大用戶容量的需求，需要對保密性進(jìn)行深入研究，并對擴(kuò)頻碼進(jìn)行新穎設(shè)計(jì)。本文提出了提高導(dǎo)航通信融合系統(tǒng)保密性的一種新方法，根據(jù)導(dǎo)航通信信號(hào)融合系統(tǒng)信號(hào)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，以及目前傳統(tǒng)偽隨機(jī)碼和典型混沌序列應(yīng)用于這類系統(tǒng)時(shí)可能存在的不足，構(gòu)造復(fù)合序列，優(yōu)選提供數(shù)量眾多性能優(yōu)良的碼序列集合，使系統(tǒng)能夠以偽隨機(jī)跳變的方式更換使用的碼組集合。同時(shí)新序列良好的線性復(fù)雜度為系統(tǒng)的保密性提供了第二重保障。

1 導(dǎo)航通信融合系統(tǒng)保密性能要求

為了提高接收機(jī)捕獲性能，在導(dǎo)航通信融合系統(tǒng)中通常采用I/Q正交調(diào)制的通信體制，在信號(hào)結(jié)構(gòu)上將導(dǎo)航電文和通信電文融合成一體，使其既滿足通信系統(tǒng)對信號(hào)的要求，同時(shí)也滿足導(dǎo)航系統(tǒng)對信號(hào)的要求。信號(hào)結(jié)構(gòu)原理如圖1。

在現(xiàn)有的導(dǎo)航定位系統(tǒng)中，大都使用傳統(tǒng)的偽隨機(jī)序列。以廣泛使用的Gold碼為例進(jìn)行分析，這類偽隨機(jī)碼在抗干擾等方面性能優(yōu)良，但是碼組數(shù)量有限，不能滿足導(dǎo)航通信系統(tǒng)對用戶容量需求的增多[7-8]，而且傳統(tǒng)的PN序列的線性復(fù)雜度決定其保密性能差，該類碼也不能適用換碼系統(tǒng)。

混沌序列的碼組數(shù)量多，但是平衡性不好，當(dāng)序列長度較短時(shí)，平衡度大于0.02，此時(shí)混沌序列的平衡性不能滿足通信系統(tǒng)的要求[9-11]。在導(dǎo)航通信融合系統(tǒng)中，為了能快速捕獲，經(jīng)常需要短碼

進(jìn)行引導(dǎo)，這樣混沌序列并不能使用。

系統(tǒng)的保密性與擴(kuò)頻碼的性能具有直接關(guān)系。如果系統(tǒng)使用的擴(kuò)頻碼自身的保密性能好，同時(shí)有充足的碼組數(shù)量可以滿足系統(tǒng)不斷更換碼組集合的要求，那么系統(tǒng)的保密性將大大提高。

為了實(shí)現(xiàn)使用換碼功能提高導(dǎo)航通信融合系統(tǒng)的保密性，需要構(gòu)造碼組充足、平衡性和保密性優(yōu)良，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)可靠通信的新碼組。

2 換碼方法實(shí)現(xiàn)

2.1 構(gòu)造新型Gold-Chebyshev序列

傳統(tǒng)的偽隨機(jī)碼序列和混沌序列各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中任何一種都不能滿足導(dǎo)航通信融合系統(tǒng)對高保密性的要求。Chebyshev混沌序列是一種一維混沌映射，其迭代方程如(1)式，易于實(shí)現(xiàn)。ω階Chebyshev映射的定義為

圖1 導(dǎo)航通信融合的信號(hào)結(jié)構(gòu)

Fig.1 Illustration of the structures of signal strings of an integrated system of navigation and communication

(1)

(1)式中，當(dāng)ω≥2時(shí)，系統(tǒng)處于混沌狀態(tài)，并且具有各態(tài)歷經(jīng)性和正交性，不同的初始值經(jīng)多次迭代后的序列一定互不相關(guān)。一般取ω=2n，n表示任意整數(shù)。

Gold序列是典型的常用的傳統(tǒng)擴(kuò)頻序列，具有優(yōu)良的平衡性，但是保密性不好。 Chebyshev序列與Gold序列復(fù)合得到Gold-Chebyshev(GC)序列，不僅具有傳統(tǒng)擴(kuò)頻序列良好平衡性的優(yōu)點(diǎn)，而且在保密性上具有優(yōu)于傳統(tǒng)擴(kuò)頻序列的特點(diǎn)，GC復(fù)合序列的復(fù)合形成原理如圖2。

圖2 GC序列復(fù)合方式原理框圖
Fig.2 A block diagram showing the construction of a GC sequence

利用混沌模型產(chǎn)生Chebyshev序列，由混沌系統(tǒng)迭代產(chǎn)生的混沌信號(hào)是狀態(tài)連續(xù)的模擬信號(hào)，要將其應(yīng)用于數(shù)字?jǐn)U頻通信系統(tǒng)中，必須首先將實(shí)值模擬混沌信號(hào)二值量化，得到二值(0, 1)或(1, -1)數(shù)字序列。該方法中Chebyshev序列和Gold序列均為(1, -1)序列，從中可以優(yōu)選自相關(guān)和互相關(guān)性能好的新復(fù)合序列。

2.2 GC碼的保密性能驗(yàn)證

2.2.1 GC碼的碼組數(shù)量

由Gold-Chebyshev序列復(fù)合原理可知復(fù)合后產(chǎn)生的新序列——GC序列隨著引入的混沌初始值和分形參數(shù)的改變可以產(chǎn)生無限多的碼序列，圖3是迭代軌跡和量化后的二值序列隨迭代次數(shù)的變化，當(dāng)初始值為0.65和0.650 01時(shí)，只有0.000 01的變化，但是迭代結(jié)果明顯不同，產(chǎn)生完全不一樣的序列。這樣的特性使得系統(tǒng)的通信容量不再受到擴(kuò)頻碼數(shù)量的限制，保證了系統(tǒng)以隨機(jī)跳變的方式更換碼組集合的可行性。

2.2.2 GC碼的平衡性分析

充足的碼組數(shù)量是換碼系統(tǒng)的必要條件，但是碼組本身的其他性質(zhì)對提高保密性也至關(guān)重要。序列的平衡性直接影響系統(tǒng)的保密性能，平衡性與載波抑制度有著密切的關(guān)系，不平衡碼會(huì)使擴(kuò)頻系統(tǒng)載波泄漏增大，破壞擴(kuò)頻系統(tǒng)的保密性、抗干擾能力和抗偵破能力，并且會(huì)增加接收機(jī)內(nèi)部干擾，影響接收質(zhì)量。采用平衡度來衡量平衡性，平衡度為0表示序列的平衡性非常好。

圖3 迭代軌跡和序列隨迭代次數(shù)的變化
Fig.3 The changes of trajectories and sequences along with the number of iterations

導(dǎo)航通信融合系統(tǒng)是一個(gè)需要大量短碼調(diào)制導(dǎo)航信息以實(shí)現(xiàn)快速捕獲的系統(tǒng)，幾種常用的混沌序列平衡度如圖4，在序列長度較短的范圍內(nèi)，大量的序列平衡度E大于0.02，不能滿足通信系統(tǒng)的要求。GC序列的平衡度如圖5。

圖4 幾種常用混沌序列的平衡性

Fig.4 The levels of balance of several commonly used types of chaotic sequence

圖5 GC序列的平衡性

Fig.5 The levels of balance of representative Gold-Chebyshev sequences

由圖4和圖5可知，GC序列克服了混沌序列平衡性不如傳統(tǒng)PN序列的缺點(diǎn)，即使是在序列長度較短時(shí)都有良好的平衡性能，GC序列可以給導(dǎo)航通信融合系統(tǒng)提供性能優(yōu)良、數(shù)量眾多的短碼調(diào)制導(dǎo)航電文，實(shí)現(xiàn)快速捕獲。

2.2.3 Gold-Chebyshev碼的線性復(fù)雜度

線性復(fù)雜度是序列安全的重要指標(biāo)，如果系統(tǒng)對抗干擾、抗截獲性能要求比較高，那么擴(kuò)頻序列就必須要求較高的線性復(fù)雜度，因?yàn)榫€性復(fù)雜度的大小直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)保密性的好壞。

對于m序列，其線性復(fù)雜度就是產(chǎn)生該序列的移位寄存器的階數(shù)n，同樣長度的Gold序列的線性復(fù)雜度為2n。假設(shè)n=100階移位寄存器m序列長度為N=2100-1，約1030長，但是僅用2×100-1=199個(gè)碼元就可以破譯此m序列。m序列之所以這么容易破譯就是因?yàn)樗木€性復(fù)雜度太小。序列的線性復(fù)雜度直接決定了擴(kuò)頻系統(tǒng)的保密性能，是擴(kuò)頻序列的主要指標(biāo)之一。

對于長度為N序列，當(dāng)線性復(fù)雜度為N/2時(shí)最好，過大或過小都不安全。Berlekamp-Massey算法是一種計(jì)算任意長有限序列的線性復(fù)雜度的有效方法，圖6是使用Berlekamp-Massey算法得到的GC序列的線性復(fù)雜度與序列長度的關(guān)系圖。

圖6 Gold-Chebyshev序列短碼線性復(fù)雜度
Fig.6 The linear complexity of Gold-Chebyshev sequences

由圖6可知，新序列的線性復(fù)雜度是序列長度的一半，從而在安全性和保密性方面得到很大程度的提高。

3 系統(tǒng)性能驗(yàn)證

本實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證主要通過構(gòu)建基于相關(guān)接收的多用戶通信系統(tǒng)，研究GC碼在系統(tǒng)中的應(yīng)用性能以及驗(yàn)證換碼系統(tǒng)在有多址干擾和噪聲干擾環(huán)境下的通信能力。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖如圖7，主要包括擴(kuò)頻、調(diào)制、解擴(kuò)、相關(guān)運(yùn)算和判決等環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)通過MATLAB/Simulink搭建實(shí)現(xiàn)，如圖8。

圖7 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖
Fig.7 A block diagram of our experimental system

在圖8中，user2到user10發(fā)送系統(tǒng)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和user1類似， receiver2到receiver10分別對應(yīng)用戶的接收端。換碼碼集合的生成方式如圖9。

擴(kuò)頻碼長取1 024，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，添加用戶數(shù)至50，分別使用Gold碼和換碼系統(tǒng)在有多址干擾和噪聲干擾環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，信噪比Es/E0取-30至-10 dB，多址干擾和噪聲干擾環(huán)境下的誤碼率曲線如圖10。

圖8 多用戶碼分多址通信系統(tǒng)仿真模型
Fig.8 A block diagram illustrating our simulated multiple-user communication system using signal split

圖9 換碼備選碼集合生成框圖
Fig.9 A block diagram illustrating the generation of a pool of code sets for use in code switching

由圖10可知，在各種信噪比的條件下，使用GC碼的換碼系統(tǒng)的性能跟抗干擾性能非常突出的Gold碼一樣優(yōu)良。其信號(hào)的截獲概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通系統(tǒng)，非常適合導(dǎo)航通信融合系統(tǒng)。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種提高導(dǎo)航通信融合系統(tǒng)保密性的新方法，構(gòu)造新型的復(fù)合GC序列，在保證序列的性能滿足系統(tǒng)正常進(jìn)行導(dǎo)航通信要求的同時(shí)，可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的保密性。這種保密性能的改善一方面體現(xiàn)在序列自身線性復(fù)雜度的最優(yōu)化上，另一方面體現(xiàn)在充足的碼組數(shù)量可以給系統(tǒng)提供多套備選碼組以實(shí)現(xiàn)換碼。方法易于實(shí)現(xiàn)，為保密通信和導(dǎo)航通信融合系統(tǒng)等對保密性要求較高的系統(tǒng)提供了一種有效的保密方式，在相關(guān)領(lǐng)域具有重要的參考價(jià)值。

圖10 多址干擾和噪聲干擾環(huán)境下的誤碼率曲線

Fig.10 The relation between the bit-error rate and the signal-to-noise ratio for our system

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CN 53-1189/P ISSN 1672-7673

A Novel Method to Enhance Communication Security in the CAPS Integrated System of Navigation and Communication

He Ruizhu1,2, Hu Zhengqun1, Cui Junxia1, Pei Jun1

(1. National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100012, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China, Email: heruizhu11@mails.ucas.ac.cn)

In this paper we propose a novel method based on highly randomly switching code sets to enhance communication security of an integrated system of navigation and communication. A Gold-Chebyshev (GC) sequence constructed in our novel approach can overcome the shortcoming of poor balance performance of a conventional chaotic sequence, by preserving the main advantages of the latter, which are the large code number and high confidentiality. Our proposed secure system can randomly select a code set from a pool of GC code sets. This greatly improves the system security performance. We have also carried out simulations of operations of the system using the MATLAB/Simulink. Our simulations verify the feasibility of applying the novel method in an integrated system of navigation and communication.

Navigation and communication; Secure communication; Switching code sets; Integrated system of navigation and communication

國家自然科學(xué)基金 (61001109) 資助.

2014-03-04；修定日期：2014-03-18

何瑞珠，女，碩士. 研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航與通信. Email: heruizhu11@mails.ucas.ac.cn

TN927

A

1672-7673(2015)01-0030-06