卫星通信中极化信号安全传输技术研究

卫星通信中极化信号安全传输技术研究

李楚鹏

中海油信息科技有限公司湛江分公司

摘要：卫星通信在现代通信中扮演着重要角色，具有覆盖范围广、信道条件好、对通信距离不敏感等优点。由于信号的极化特性具有不受器件非线性影响、独立于空时频域等特点，在卫星通信中被广泛关注。但是，由于卫星的位置相对暴露且卫星通信具有广域性和广播特性，信息在传播过程中存在易被干扰和窃听的安全性问题。针对此问题，介绍卫星通信中传统的安全传输技术，并从信号的极化特性出发，阐述最新的研究成果，指出了未来的研究方向。

关键词：卫星通信；极化调制；卡尔曼滤波；改进型快速双极化跳变；方向极化调制

引言

卫星通信作为现代通信的重要组成部分，具有覆盖范围广、信道条件好、对通信距离不敏感等优点，在军事和商业中承担着重要任务。

极化作为电磁波的固有性质，是电磁波除了幅度、频率、相位外的另一维度资源。极化调制利用一对正交的极化状态来承载信息，打开了调制技术的又一扇大门。极化技术的应用在缓解频谱资源紧张、应对器件非线性等问题的同时，也能为抗干扰、防窃听等安全传输问题提供新的思路。

一、传统的卫星通信安全传输技术

近年来，信息安全传输问题被广泛关注。Shannon首先建立了物理层安全的基本理论，之后Wyne介绍了著名的窃听信道模型，并进一步定义了信道保密能力。在卫星通信中，抗干扰和防窃听技术是研究信息安全传输的两个方面[1]。

卫星通信中存在的干扰包括日凌、电离层闪烁、临星干扰和临道干扰等无意干扰和干扰者故意而为的有意干扰。一般而言，卫星通信中的抗干扰技术主要有跳频技术和多波束天线技术。两种技术分别是基于频域和空域的，分别具有所需频段较宽和性能受限于干扰源位置的缺点。极化滤波则可用于解决时间、频率和空间域难以处理的干扰抑制问题。传统的极化抗干扰主要基于干扰信号极化参数识别技术和极化滤波器[2]。

针对卫星通信系统中存在窃听者的信息防泄漏问题，目前主要通过高级加密标准[13]等加密手段在上层实现。然而，随着包括云计算在内的数据处理能力的增强，以高计算复杂度为保证的加密技术的可靠性越来越低，恶意节点成功破解加密、访问敏感卫星数据的风险也越来越大。不同于上层加密技术，物理层安全技术不依赖于窃听者的计算能力，在更底层实现信息的安全传输[3]。由于信号极化特性在卫星中应用的优势，卫星通信中极化信号安全传输的成果也越来越多。

二、基于信号极化特性的卫星通信安全传输技术

（一）基于卡尔曼滤波的极化抗干扰技术

利用卡尔曼滤波技术进行极化参数识别，结合斜投算子实现干扰信号滤除。系统首先利用极化模型解释干扰极化状态估计的方法，其次建立卡尔曼递推方程二者可以应用于极化滤波器的设计），然后结合斜投影滤波算子的原理及其运算性质实现抗干扰。

极化抗干扰系统总体的设计方案如下图1所示。合法用户中配备正交双极化天线来接收极化信号EV和EH，EV和EH分别经过I/Q支路分解后形成四路信号QV、IV、QH和IV。这四路信号利用卡尔曼滤波算法实现干扰信号的极化参数识别，识别结果与斜投影滤波算子运算，利用斜投影算子的性质，可以在滤除干扰信号的同时，完整地保留目标信号。

图1极化抗干扰系统设计方案

在卫星通信中，利用卡尔曼滤波动态跟踪识别干扰信号极化参数，结合斜投影滤波算子最终实现抗干扰是可行的；与传统的LMS算法相比，该算法具有更好的鲁棒性和收敛性，且算法耗时短，更适合应用于卫星通信的抗干扰系统。

（二）改进型快速双极化跳变技术

传统的快速双极化跳变系统对PSK的调制方式无法有效防窃听，而新的快速双极化跳变算法可以解决此问题。该算法采用一对新的快速跳变的极化状态来承载幅相调制信号，首先建立基于卫星信道的系统模型，介绍信号极化状态盲识别方案，其次设计新的双极化状态信号，最后设计信号的收发信机，并利用伪随机序列生成跳变图样。

信号极化盲识别的具体方案，如下图2所示。首先，接收端利用双极化天线接收极化信号，通过载波下变频和信号采样得到正交双极化信号EV和EH。对于窃听用户Eve，对EV和EH分别进行I/Q分解可以得到四路信号。利用卡尔曼滤波对这四路信号处理，可以得到其极化状态δR和γR。利用极化匹配可以得到基于幅相调制的信号。因为此方案极化状态是为了增强信息传输的安全性并不携带信息，所以得到幅相调制信号后仍需要对幅相信号进行幅相解调，最终获取调制信息。

图2信号极化状态盲识别方案流程

（三）方向极化调制技术

方向极化调制是将方向调制和极化调制结合，使极化调制代替方向调制中传统的调制方式。方向极化调制发射机的设计是在极化调制发射机的基础上进行的改进，秉承了使硬件改动最小和成本最低的原则。数据信号通过功分和相移单元实现极化状态的映射，利用载波上变频为射频信号，再经过幅相校准。此部分为传统的极化调制模块，极化信号的垂直和水平分量分别用方向调制发射机来发送信号，人工噪声添加在理想方向信道的零空间上，由此构成方向极化调制发射机。显然，方向极化调制发射机是将传统的极化调制发射机和方向调制结合，利用方向调制发射机的天线阵代替传统极化调制发射机的单一天线，同时通过在期望方向信道的零空间上添加人工噪声，使期望方向上合法接收机接收到的信号为不含人工噪声的未畸变的极化信号，而非期望方向上的窃听接收机接收到的信号为具有人工噪声的畸变了的极化信号。

三、结语

本文主要介绍了卫星通信中极化信号安全传输的相关技术，包括基于卡尔曼滤波的极化抗干扰技术、基于改进型快速双极化跳变的安全传输技术和基于方向极化调制的安全传输技术。但是，基于极化的调制和解调在实际通信过程中由于存在交叉极化鉴别度、极化模式色散和极化相关损耗等去极化效应，会使通信双方的质量大打折扣。针对此种情况，一般利用信道预补偿技术尽量消除去极化效应。因此，需进一步研究性能更好的信道预补偿技术。

参考文献：

[1]郭道省，张晓凯，张邦宁等.极化特性在卫星通信系统中的应用研究[J].无线电通信技术，2018，44（03）：211-216.

[2]章坚武，李杰，何赛灵.卫星多波束天线对干扰源的抗干扰性能分析[J].浙江大学学报（工学版），2015，39（04）：483-486.

[3]陈修继，万继响.通信卫星多波束天线的发展现状及建议[J].空间电子技术，2016，13（02）：54-60.