短波物理層安全傳輸技術(shù)*

周 軍 ，周 琦 ，王 新

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041；2.軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院，北京100039）

0 引 言

由于具有通信距離遠(yuǎn)、抗毀能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，短波通信在軍事通信中占有十分重要的地位[1-2］。相對(duì)于超短波、微波通信方式，短波通信距離遠(yuǎn)，覆蓋范圍大，通信信號(hào)更容易被非授權(quán)用戶接收，信號(hào)承載信息也更容易被截獲和破譯，因此，短波通信信息安全需求也更加迫切。對(duì)于傳統(tǒng)短波通信，其安全性主要依賴于信息加密機(jī)制，在鏈路層及以上層對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。隨著無線通信和傳統(tǒng)密碼攻擊、破譯手段和技術(shù)的進(jìn)步，短波通信尤其是短波軍事通信在安全傳輸方面也需要有相應(yīng)的應(yīng)對(duì)手段保證其低截獲和抗破譯的需求。以密鑰管理、完整性檢測技術(shù)、身份認(rèn)證數(shù)字簽名等技術(shù)為主的現(xiàn)代密碼學(xué)體制是目前無線通信網(wǎng)絡(luò)中保障信息安全的主要手段。傳統(tǒng)上，短波通信的安全機(jī)制建立在計(jì)算密碼學(xué)方法的基礎(chǔ)上，通過上層協(xié)議保證安全性破解密鑰所需的極高計(jì)算復(fù)雜度保證了加密算法的有效性。隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力與運(yùn)算速度的提升，傳統(tǒng)的基于計(jì)算復(fù)雜度的密鑰體制安全性正日益受到挑戰(zhàn)，物理層安全技術(shù)為保障短波通信信息安全提供了新的途徑[3］。

物理層安全技術(shù)綜合了調(diào)制解調(diào)、信道編解碼、多載波、多信道、多天線以及協(xié)同通信等技術(shù)特點(diǎn)，從傳輸技術(shù)方案研究通信的保密性，最終目的是在滿足合法用戶通信的性能要求的前提下，使非授權(quán)用戶無法從傳輸信號(hào)中提取有效信息，實(shí)現(xiàn)絕對(duì)意義的安全[4］。

調(diào)制解調(diào)是物理層傳輸?shù)囊粋€(gè)關(guān)鍵步驟，也是實(shí)現(xiàn)物理層安全的關(guān)鍵點(diǎn)之一。本文突破傳統(tǒng)信息加密思想，將加密技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用于短波物理層空口信號(hào)保護(hù)，對(duì)調(diào)制信號(hào)星座圖進(jìn)行加密，可以有效提高短波通信安全防御能力，達(dá)到物理層空口信號(hào)“難截獲、截獲難破譯”的目的。

1 系統(tǒng)模型

1.1 短波物理層安全技術(shù)系統(tǒng)模型

短波物理層安全傳輸技術(shù)原理框圖如圖1所示。發(fā)端信源信息經(jīng)過糾錯(cuò)編碼和交織后通過符號(hào)映射成PSK、QAM等調(diào)制符號(hào)，然后再經(jīng)過密碼序列生成的隨機(jī)相位對(duì)調(diào)制符號(hào)的相位進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，再通過信號(hào)組幀以及載波調(diào)制將信號(hào)發(fā)射出去。接收端首先經(jīng)過載波解調(diào)以及信號(hào)同步，然后進(jìn)行信道估計(jì)與均衡得到均衡后的信號(hào)，通過解密序列生成的隨機(jī)相位再對(duì)其進(jìn)行解旋轉(zhuǎn)，去除加密相位信號(hào)，再進(jìn)行符號(hào)解調(diào)以及解交織和譯碼，最后將譯碼信息送到信宿。

圖1 短波物理層安全傳輸技術(shù)原理框

1.2 物理層安全傳輸技術(shù)原理

傳統(tǒng)星座映射后的調(diào)制符號(hào)用公式可以表示為：

式中，xi表示第i個(gè)調(diào)制符號(hào)，Ii和Qi分別表示第i個(gè)調(diào)制符號(hào)的實(shí)部和虛部，Ami和θi分別表示幅度和相位。

加密后的調(diào)制符號(hào)可以表示為：

式中，Δθi是加密序列隨機(jī)生成的相位，用于對(duì)傳統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行相位旋轉(zhuǎn)，達(dá)到物理層調(diào)制信號(hào)加密目的。加密原理圖如圖2所示。

圖2 調(diào)制信號(hào)加密框

圖3 是傳統(tǒng)QPSK調(diào)制信號(hào)的星座圖和加密后的安全波形星座圖，從圖3中可以看出，傳統(tǒng)QPSK調(diào)制信號(hào)星座圖為4個(gè)正交的星座點(diǎn)，加密后的信號(hào)星座圖為一個(gè)圓，即加密后的信號(hào)相位隨機(jī)覆蓋在單位圓內(nèi)。對(duì)于傳統(tǒng)的QPSK調(diào)制信號(hào)，費(fèi)合作方可以通過二階、四階、八階統(tǒng)計(jì)量等方式分析出發(fā)送方的調(diào)制方式，而對(duì)于加密后的調(diào)制信號(hào)非合作方無法采用同樣的方式分析出發(fā)送方的調(diào)制方式，同樣也無法截獲傳輸信息。

圖3 傳統(tǒng)QPSK調(diào)制星座圖和安全波形星座圖

2 仿真性能

星座加密方式可以為系統(tǒng)帶來抗截獲安全防御能力，但是該技術(shù)是否會(huì)對(duì)傳輸信號(hào)的峰均比、信號(hào)的頻譜以及傳輸性能帶來影響是我們比較關(guān)心的問題。本文以美軍MIL-STD-188-141A標(biāo)準(zhǔn)[5］中的傳統(tǒng)波形為基礎(chǔ)，通過增加星座加密功能形成安全波形，并評(píng)估了傳統(tǒng)波形和安全波形的峰均比、信號(hào)頻譜和傳輸性能。

圖4是傳統(tǒng)波形和安全波形的峰均比對(duì)比圖，從圖4中可以看出，星座加密技術(shù)對(duì)于信號(hào)的峰均比沒有影響，因此該技術(shù)與信號(hào)的發(fā)射功率沒有影響。

圖4 短波傳統(tǒng)波形和安全波形的峰均比

圖5 是傳統(tǒng)波形和安全波形的信號(hào)頻譜對(duì)比圖，從圖5中可以看出，星座加密技術(shù)對(duì)于信號(hào)的頻譜沒有影響，不會(huì)改變信號(hào)的頻譜效率。

圖5 傳統(tǒng)波形和安全波形頻譜

傳統(tǒng)波形和安全波形在高斯信道下的性能如圖6所示，從仿真結(jié)果可以看出，安全波形和傳統(tǒng)波形的性能基本相當(dāng)。

圖6 傳統(tǒng)波形和安全波形在高斯信道下的性能

傳統(tǒng)波形和安全波形在多徑衰落信道下的性能如圖7所示，其中多徑時(shí)延為2 ms，衰落帶寬1 Hz，從仿真結(jié)果可以看出，安全波形和傳統(tǒng)波形的性能相當(dāng)，基本無損失。

圖7 傳統(tǒng)波形和安全波形在多徑衰落信道下的性能

3 結(jié) 語

本文提出了一種調(diào)制信號(hào)星座加密的物理層安全傳輸技術(shù)，采用密碼序列對(duì)調(diào)制信號(hào)的相位進(jìn)行隨機(jī)化，使非法接收方無法獲取正確的調(diào)制方式，從而無法正確破譯傳輸信息。通過對(duì)比傳統(tǒng)波形和文中提出的安全波形的峰均比、信號(hào)頻譜、在高斯信道和多徑衰落信道下的傳輸性能，可以得出：基于調(diào)制信號(hào)加密的物理層安全傳輸技術(shù)對(duì)信號(hào)的峰均比、信號(hào)頻譜無影響，對(duì)系統(tǒng)的傳輸性能也不會(huì)產(chǎn)生影響。因此該技術(shù)在不損失傳輸性能的前提下提高了系統(tǒng)的抗截獲安全防御能力。星座加密技術(shù)支持PSK、QAM、APSK、DPSK等線性調(diào)制方式，應(yīng)用廣泛，不僅可以應(yīng)用于短波通信中，也可以應(yīng)用于超短波、微波、衛(wèi)星等通信。