基于衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)器的隱蔽通信設(shè)計(jì)與應(yīng)用

吉志海

摘 要：本文基于衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)器設(shè)計(jì)一種DS/FH相結(jié)合的波形體制，對(duì)幀結(jié)構(gòu)、同步檢測(cè)等進(jìn)行分析研究和仿真實(shí)現(xiàn)，可在極低信噪比條件下滿足檢測(cè)需要，仿真結(jié)果驗(yàn)證幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效性。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星通信；透明轉(zhuǎn)發(fā)；隱蔽通信；

1引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的快速增長(zhǎng)，在“一帶一路”及軍事力量“走出去”的戰(zhàn)略背景下，亞丁灣護(hù)航、海外維和任務(wù)、海外應(yīng)急撤僑、海洋科考以及遠(yuǎn)洋演習(xí)等任務(wù)日趨頻繁，受限于通信衛(wèi)星覆蓋范圍和通信容量大小限制，在某些熱點(diǎn)區(qū)域，尤其突發(fā)情況下，需要采用特定的技術(shù)手段，避免被第三方發(fā)現(xiàn)和截獲的前提下，使用民用衛(wèi)星或其他衛(wèi)星進(jìn)行的一種非常規(guī)應(yīng)急通信手段，為國(guó)家戰(zhàn)略投送、反恐處突、搶險(xiǎn)救災(zāi)、應(yīng)急保障等任務(wù)提供可靠超視距遠(yuǎn)程組網(wǎng)通信保障，滿足話音、低速數(shù)據(jù)和格式化報(bào)文業(yè)務(wù)等特定應(yīng)用需求。

2通信原理框架

通信衛(wèi)星公開地暴露在空間軌道上，很容易受到敵方的竊聽、干擾甚至摧毀，而目前衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器主要分為透明轉(zhuǎn)發(fā)、星上處理等方式，星上處理因?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜，一般需要星地一體化設(shè)計(jì)，大多用于軍用通信領(lǐng)域；大量民商用轉(zhuǎn)發(fā)器多為透明轉(zhuǎn)發(fā)器，該方式轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)量多、覆蓋范圍廣、使用靈活?？紤]到一般轉(zhuǎn)發(fā)器常用帶寬一般為36MHz、54MHz、72MHz，本項(xiàng)目的信號(hào)帶寬最高限定在36MHz范圍內(nèi)，通過采用高性能集成芯片、優(yōu)化寬帶信號(hào)處理等方式將，提高波形通用性和可移植性。波形工作原理如圖1所示。

本項(xiàng)目采用DS/FH相結(jié)合的方式，在36MHz寬帶信道上，將擴(kuò)頻信號(hào)與轉(zhuǎn)發(fā)器底噪聲重疊，使其隱蔽于底噪聲中，達(dá)到低截獲的目的。發(fā)送端通過基帶信號(hào)處理完成編碼、調(diào)制、擴(kuò)頻和成型濾波，在I/Q直接上變頻至C中頻，最后通過射頻器件實(shí)現(xiàn)頻率搬移至C/Ku/Ka頻段進(jìn)行信號(hào)發(fā)射；接收端將射頻信號(hào)搬移至低中頻，再通過匹配濾波、解擴(kuò)、解調(diào)、譯碼等步驟完成信號(hào)恢復(fù)。

通過直擴(kuò)獲得21dB的擴(kuò)頻處理增益，同時(shí)降低位定時(shí)的難度和提高波形可實(shí)現(xiàn)性。本信號(hào)帶寬小于1MHz，在轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬允許的情況下，可采用DS/FH混合擴(kuò)頻技術(shù)，提高了波形的抗干擾、抗截獲能力，同時(shí)可獲得約15dB的跳頻增益。通過集中跳頻系統(tǒng)和直擴(kuò)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，降低波形設(shè)計(jì)復(fù)雜度，克服了單一擴(kuò)頻方式的不足。通過采用寬帶數(shù)字中頻技術(shù)，接收時(shí)在中頻模塊將信號(hào)濾波采樣，再通過高速總線將采樣后的數(shù)據(jù)傳送到基帶處理模塊，由其完成解調(diào)、解擴(kuò)、譯碼等工作；發(fā)送時(shí)，直接將基帶IQ信號(hào)上變頻至C中頻，再通過功放變頻至Ka/Ku頻段發(fā)送出去。

3時(shí)隙及幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1時(shí)隙類型

時(shí)隙是TDMA網(wǎng)內(nèi)時(shí)間資源分配的最小單位，本文設(shè)定時(shí)隙長(zhǎng)度為32ms。根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，可采用多個(gè)時(shí)隙級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)的方式減少報(bào)頭的開銷，提高衛(wèi)星信道資源的利用效率。按照時(shí)隙中承載的幀類型，可分為參考時(shí)隙、申請(qǐng)時(shí)隙、控制時(shí)隙、業(yè)務(wù)時(shí)隙等。按照時(shí)隙的分配和使用方式可分為獨(dú)占時(shí)隙和競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙。

本波形設(shè)計(jì)12s為一個(gè)時(shí)幀周期。在12s時(shí)間內(nèi)，TDMA網(wǎng)內(nèi)各站使用各自分配的時(shí)隙資源完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。本波形的時(shí)隙、頻率資源由部署在主站后端的網(wǎng)管統(tǒng)一管理分配，參考時(shí)隙、申請(qǐng)時(shí)隙等在每個(gè)幀中的位置是固定的，其余時(shí)隙由網(wǎng)管根據(jù)網(wǎng)內(nèi)用戶數(shù)及業(yè)務(wù)流量情況進(jìn)行分配和回收。

3.2幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

時(shí)幀周期為12s，由多個(gè)幀組成，每個(gè)幀由一個(gè)或多個(gè)連續(xù)的時(shí)隙組成，每個(gè)時(shí)隙由一個(gè)或多個(gè)連續(xù)的跳組成。

按照傳輸內(nèi)容可將幀結(jié)構(gòu)分為參考幀、申請(qǐng)幀、控制幀、業(yè)務(wù)幀。

1）參考幀僅由主站發(fā)送，為TDMA網(wǎng)內(nèi)其他終端提供同步參考信號(hào)以及TOD數(shù)值，用于終端的入網(wǎng)和同步保持；

2）申請(qǐng)幀由TDMA網(wǎng)內(nèi)各終端使用競(jìng)爭(zhēng)方式發(fā)送，被主站接收。用于終端發(fā)送入/退網(wǎng)請(qǐng)求，時(shí)隙分配請(qǐng)求；

3）業(yè)務(wù)幀由TDMA網(wǎng)內(nèi)各站在自己的業(yè)務(wù)時(shí)隙內(nèi)發(fā)送。實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)突發(fā)的發(fā)送。各終端通過接收自己的業(yè)務(wù)幀可實(shí)現(xiàn)測(cè)距功能；

4）控制幀用于主站向全網(wǎng)廣播TDMA網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、時(shí)隙分配計(jì)劃等參數(shù)。

主站以外的各個(gè)終端站通過接收自己發(fā)送的業(yè)務(wù)幀實(shí)現(xiàn)測(cè)距功能。

本波形考慮了跳頻頻點(diǎn)的切換過程在數(shù)字域中使用DDS完成，它能以連續(xù)相位的方式切換到新的頻點(diǎn)。因此，跳頻頻率的切換過程為實(shí)時(shí)切換，在設(shè)計(jì)幀結(jié)構(gòu)時(shí)無需預(yù)留跳頻切換保護(hù)時(shí)間。根據(jù)接收能力的不同，本波形設(shè)計(jì)了64kbps、32kbps、16kbps、2.4kbps四種速率的幀結(jié)構(gòu)，分別對(duì)應(yīng)-7dB、-10dB、-13dB、-21dB的接收門限。幀結(jié)構(gòu)分別如圖3所示：

四種幀結(jié)構(gòu)的擴(kuò)頻倍數(shù)N分別為8、16、32、128，占用時(shí)間M為32ms（擴(kuò)頻倍數(shù)為128倍時(shí)為32ms）。它們的主要傳輸性能如下表所述：

幀結(jié)構(gòu)由幀頭，獨(dú)特碼，數(shù)據(jù)部分組成。幀頭裝載幀同步碼，用于接收機(jī)實(shí)現(xiàn)幀同步和符號(hào)同步。獨(dú)特碼包含幀數(shù)據(jù)類型、幀長(zhǎng)等信息。數(shù)據(jù)部分為用戶的有效載荷，根據(jù)不同情況，需要在數(shù)據(jù)部分填入源和目的終端的ID。

幀數(shù)據(jù)類型包括申請(qǐng)幀、控制幀、業(yè)務(wù)幀等，其中業(yè)務(wù)類型包括格式報(bào)文、分組數(shù)據(jù)（IP、網(wǎng)管、話音、視頻）等。

4仿真實(shí)現(xiàn)

長(zhǎng)度為256到5120的同步序列的檢測(cè)概率，仿真結(jié)果如圖3所示。從圖中可見，當(dāng)選擇長(zhǎng)度為256、512、1024、5120的同步序列時(shí)，在門限信噪比為-7dB、-10dB、-13dB、-21dB的情況下，檢測(cè)概率均超過90%，能夠滿足系統(tǒng)極低限情況下的信號(hào)檢測(cè)要求，該模塊已在在Xilinx的XQ7Z045-2FFG900I芯片上實(shí)現(xiàn)。

5小結(jié)

本文基于衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)器設(shè)計(jì)通信波形，可通過增加擴(kuò)頻倍數(shù)、降低通信速率、DS/FH相結(jié)合的方式，將信號(hào)隱藏在衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)器底噪聲下，同時(shí)不對(duì)原業(yè)務(wù)信號(hào)形成明顯干擾，降低第三方檢測(cè)和截獲概率，滿足特定應(yīng)用需求。本文研究的隱蔽通信波形已完成模擬環(huán)測(cè)試，后續(xù)將擇機(jī)上星驗(yàn)證。

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（作者身份證號(hào)碼：320102197905081218）