基于极化跳变的航运卫星通信系统物理层安全传输方法与流程

本发明涉及卫星通信领域，特别是涉及基于极化跳变的航运卫星通信系统物理层安全传输方法。

背景技术：

全球90％的贸易运输由海运承担，海运已成为国家的战略性产业。卫星通信由于不受地域限制，是海上通信的首选手段。海运业的发展变化对海上卫星通信提出了更高的要求。

由于航运卫星的广播特性以及无线电的无界性，随着计算机速度的不断提高以及量子计算的发展，以计算复杂度为保证的高层加密技术面临着巨大挑战。而航运卫星通信系统往往需要传输许多商业机密信息，若卫星信号被截获，将会带来巨大的经济损失，因此对航运卫星通信系统信息安全保密能力的提升具有重要意义。

航运卫星通信系统长时间在海上航行，而海洋与陆地情况有所不同，海洋上没有建筑、植被等的遮挡，其物理信道基本可以视为加性高斯白噪声信道。对于高斯信道，传统的实现物理层方法，例如零空间人工噪声、协作干扰等，无法实现安全传输。在固定卫星通信系统中要想实现物理层安全传输，可行的方案是让窃听者无法截获发射的信号。例如直接序列扩频技术、直接序列跳频技术、波束成型技术以及猝发通信技术等。在频谱资源严重紧张的背景下，直接序列扩频技术和直接序列跳频技术由于对频谱资源利用率不高，使得其使用价值需要重新衡量。波束成型技术实现安全传输需已知窃听者位置，但在实际卫星通信系统中，窃听者的位置很难发现。猝发通信技术虽然具有较好的安全传输特性，但由于其长时间传输间隔使得平均吞吐量不高，也限制了其广泛的应用。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提供一种基于极化跳变的航运卫星通信系统物理层安全传输方法，提高了对频谱资源的利用率和平均吞吐量，无需已知窃听者的位置。

技术方案：本发明所述的基于极化跳变的航运卫星通信系统物理层安全传输方法，包括卫星发射机发射信号的过程，卫星发射机发射信号的过程包括以下步骤：

s11：将待发射信号进行幅相调制；

s12：设计快速极化跳变图案，根据快速极化跳变图案将调制后的信号映射成对应的极化状态，得到两路极化信号；

s13：将步骤s12得到的两路极化信号上变频到射频，然后通过正交双极化天线发射出去。

进一步，所述步骤s13中，上变频之前，先根据反馈信道的信息对步骤s12得到的两路极化信号进行预补偿。这样能够消除酉矩阵对极化状态的刚性旋转以及对角矩阵的耦合效应。

进一步，所述预补偿为的线性补偿，为信道矩阵奇异值分解后右边酉矩阵的共轭转置，为信道矩阵奇异值分解对称矩阵的逆。

进一步，所述步骤s12中的快速极化跳变图案通过以下步骤设计：

s12.1：生成两个二进制独立的伪随机序列pn1和pn2；

s12.2：确定需要的极化跳变对的数目；

s12.3：从极化角范围内随机选取若干个极化角构成第一个集合，从极化辅角的范围内随机选取若干个极化辅角构成第二个集合；其中，极化角和极化辅角为极化信号相位描述子，极化角为卫星发射机中天线的极化角，极化辅角为卫星发射机中天线的极化辅角，极化角范围为[0,α1]，α1∈(0,π/4)，极化辅角范围为[0,2π]；

s12.4：通过伪随机序列pn1控制选取第一个集合中的元素，通过伪随机序列pn2控制选取第二个集合中的元素，生成快速极化跳变图案。

进一步，所述步骤s12.2中，极化跳变对根据式(1)得到：

式(1)中，e1为极化跳变对中的目的信号极化状态，e2为极化跳变对中的自干扰信号极化状态，γs为目的信号极化状态的极化角，δs为目的信号极化状态的极化辅角。

进一步，还包括合法接收机接收信号的过程，合法接收机接收信号的过程包括以下步骤：

s21：合法接收机采用odppa天线将两路信号接收，经过下变频之后，对两路信号分别进行采样滤波，得到两路中频信号；

s22：将所述步骤s12中设计的快速极化跳变图案通过uab进行预处理，得到新的快速极化跳变图案，利用新的快速极化跳变图案设计极化斜投影滤波器，然后将步骤s21得到的两路中频信号通过极化斜投影滤波器进行过滤；其中，uab为信道矩阵奇异值分解后的左边酉矩阵；

s23：对步骤s22得到的两路信号进行极化匹配，合成原始幅相调制信号，再经过幅相调制解调，得到目的信号。

进一步，所述步骤s22中，极化斜投影滤波器的等效函数为：

式(2)中，s为目的信号的极化状态，s＝[cosγs,sinγsexpjδs]^t，γs为目的信号极化状态的极化角，δs为目的信号极化状态的极化辅角，i为干扰信号的极化状态，i＝[cosγi,sinγiexpjδi]^t，γi设为π/2-γs，δi设为δs，表示矩阵的伪逆，h表示矩阵的hermitian变换，表示i在目的信号极化状态空间上的正投影，e为单位阵。

有益效果：本发明公开了一种基于极化跳变的航运卫星通信系统物理层安全传输方法，与现有技术相比，具有如下的有益效果：

1)相对于现有技术中的直接序列扩频技术和直接序列跳频技术，本发明提高了频谱资源的利用率；

2)相对于现有技术中的波束成型技术，本发明无需已知窃听者的位置；

3)相对于现有技术中的猝发通信技术，本发明提高了平均吞吐量；

4)本发明通过设计快速极化跳变图案用于承载调制信息，形成一种自干扰；使得合法接收机可以通过已知的快速极化跳变图案进行极化匹配，从而进行正常解调；窃听者由于无法获取快速极化跳变图案，无法进行解调，导致误码率很高；因此，本发明能够实现信号的安全传输。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中方法所涉及的系统；

图2为本发明具体实施方式中合法发射机的示意图；

图3为本发明具体实施方式中合法接收机的示意图；

图4为本发明具体实施方式中窃听接收机的示意图；

图5为本发明具体实施方式中极化跳变对的设计示意图；

图6为本发明具体实施方式中快速极化跳变图案的示意图；

图7为本发明具体实施方式中poincare球上的极化对状态表征示意图；

图7(a)为相位描述子的示意图；

图7(b)为几何描述子的示意图；

图8为本发明具体实施方式中合法接收机与窃听接收机的误码率对比图。

具体实施方式

本具体实施方式所涉及的系统如图1所示，假设在地面存在两类用户，分别为合法用户和窃听用户。假设卫星称作alice，合法用户称作bob，窃听用户称作eve。电磁波由天线辐射，所以天线的极化特性即为该天线辐射电磁波所具有的极化特性。

本具体实施方式公开了一种基于极化跳变的航运卫星通信系统物理层安全传输方法，包括卫星发射机发射信号的过程和合法接收机接收信号的过程。

如图2所示，卫星发射机发射信号的过程包括以下步骤：

s11：将待发射信号进行16qam幅相调制，得到调制后的信号s(t)为：

式(1)中，en(t)为调制后的幅度信息，φn(t)为调制后的相位信息，ω为中频信号的角频率，t为时间，以16qam为例，每4位二进制信息，映射到一个调制符号中。

s12：设计快速极化跳变图案，根据快速极化跳变图案将调制后的信号映射成对应的极化状态，得到两路极化信号。

s13：根据反馈信道的信息对步骤s12得到的两路极化信号进行预补偿，再上变频到射频，然后通过正交双极化天线发射出去。为保证信号在传输过程中减少损伤，需要对信号进行预补偿。在图1的模型中，假设alice和bob之间的信道矩阵为hab，由于采用双极化信号，所以hab为2×2的矩阵。其通过奇异值分解得到hab＝uabσabvab，其中uab为信道矩阵奇异值分解后的左边酉矩阵，vab为信道矩阵奇异值分解后右边酉矩阵，σab为信道矩阵奇异值分解后的对称矩阵。为了消除酉矩阵对极化状态的刚性旋转以及对角矩阵的耦合效应，可以在发送端采用的线性补偿或者在接收端采用进行补偿。本具体实施方式采用在发送端采用进行线性预补偿，因此合法接收机通过odppa天线接收的信号er为：

式(2)中，上角标h为共轭转置，et为发射信号，er为接收信号，n为加性噪声，上角标-¹矩阵的逆。

在接收端，将fdph图案对应的极化状态预先用uab进行处理，即在合法接收端完全实现信号的无耦合并且可以进行独立的检测与匹配。

步骤s12中的快速极化跳变图案通过以下步骤设计：

s12.1：生成两个二进制独立的伪随机序列pn1和pn2；

s12.2：确定需要的极化跳变对的数目；

s12.3：从极化角范围内随机选取若干个极化角构成第一个集合，从极化辅角的范围内随机选取若干个极化辅角构成第二个集合；其中，极化角和极化辅角为极化信号相位描述子，极化角为卫星发射机中天线的极化角，极化辅角为卫星发射机中天线的极化辅角，极化角范围为[0,α]，α∈(0,π/4)，极化辅角范围为[0,2π]；

s12.4：通过伪随机序列pn1控制选取第一个集合中的元素，通过伪随机序列pn2控制选取第二个集合中的元素，生成快速极化跳变图案，如图6所示。

步骤s12.2中，极化跳变对根据式(3)得到：

式(3)中，e1为极化跳变对中的目的信号极化状态，e2为极化跳变对中的自干扰信号极化状态，γs为目的信号极化状态的极化角，δs为目的信号极化状态的极化辅角。e2与e1在poincare球表面关于g2-o-g3平面对称，如图5所示，图5中ps1为e1，ps2为e2。假设存在足够多的跳变点，γs服从u(0,α1)的均匀分布，其中α1∈(0,π/4)，极化辅角也服从均匀分布。因此，所选取的一对双极化状态的主球面角ζ服从u(π/2-2α1,π/2)的均匀分布。如图7所示，poincare球是表征极化状态的最直观的工具，所有可能的极化状态和poincare球面点集逐个对应。图7(a)示出了poincare球的相位描述子，图7(b)示出了poincare球的几何描述子。本具体实施方式采用相位描述子，分别为极化角γ和极化辅角δ。

步骤s12得到的两路信号叠加之后为et(t)，如式(4)所示：

式(4)中，eht(t)为叠加后的水平极化信号，evt(t)为叠加后的垂直极化信号，eh1(t)为第一路水平极化信号，ev1(t)为第一路垂直极化信号，eh2(t)为第二路水平极化信号，ev2(t)为第二路垂直极化信号，γs为目的信号极化状态的极化角，δs为目的信号极化状态的极化辅角。

如图3所示，合法接收机接收信号的过程包括以下步骤：

s21：合法接收机采用odppa天线将两路信号接收，经过下变频之后，对两路信号分别进行采样滤波，得到两路中频信号，如式(5)所示。

式(5)中，nh(t)为水平极化的噪声，nv(t)为垂直极化的噪声。

s22：将所述步骤s12中设计的快速极化跳变图案通过酉矩阵uab进行预处理，得到新的快速极化跳变图案，利用新的快速极化跳变图案设计极化斜投影滤波器，然后将步骤s21得到的两路中频信号通过极化斜投影滤波器进行过滤。

s23：对步骤s22得到的两路信号进行极化匹配，合成原始幅相调制信号，再经过幅相调制解调，得到待发射信号。

步骤s22中，极化斜投影滤波器的等效函数为：

式(6)中，s为目的信号的极化状态，s＝[cosγs,sinγsexpjδs]^t；i为干扰信号的极化状态，i＝[cosγi,sinγiexpjδi]^t，γi为π/2-γs，δi为δs；表示矩阵的伪逆，h表示矩阵的hermitian变换，表示i在目的信号极化状态空间上的正投影，e为单位阵。目的信号的已调信号为简写为α。干扰信号的已调信号为简写为β。根据斜投影算子性质有和经过上式的斜投影滤波器后，得到滤波器输出信号为

式(7)中，n(t)为二维独立分布高斯白噪声，服从二维高斯分布，假设其分布的方差为σ。

从式(7)中可以看出，其中一个极化状态信号已经被完全抑制，保留另外一个极化状态的信息。另外，噪声功率受到斜投影算子的影响，输出的噪声功率为

其中，ζ表示s,i在poincare球面的主球面角，范围为[0,π/2]。明显可以看出噪声通过斜投影滤波器后也会被放大，利用输出和输入snr的变化量来衡量oppf对信号影响的程度，则有

δsnr＝snroutput-snrinput＝20logsin(ζ)(9)

步骤s22中，过滤后的两路中频信号为

步骤s23中，匹配滤波后的信号为：

式(11)中，为原始待传输的幅相调制信号，n(t)表示高斯噪声，1/sin²(ζ)表示噪声的放大，φs为原始待传输的幅相调制信号的相位。

如式(11)所示，去除极化信息，得到幅相调制信号。然后再经过幅相解调，恢复出保密传输信息。

oppf会将系统的噪声放大，且设计的fdph图案，每对信号极化状态的主球面角ζ服从u(π/2-2α,π/2)的均匀分布。因此，对于合法用户来说，其理论误码率公式为

其中pemod为具体采用调制方式在awgn信道下的理论误码率公式。sin²(ζ)为斜投影算子对噪声放大的倍数与极化相似度之间的关系。由于α∈(0,π/4)，为了保证系统信噪比不受到太大的影响，设计系统时选取α＝π/8。为了增强系统的安全特性，假设每个符号极化跳变一次。

为验证本方法的有效性，为了验证基于信号极化跳变的卫星通信物理层安全方法的有效性，设计一个具有极化接收功能的窃听接收机，如图4所示，并分析窃听接收机的窃听性能。

步骤1、窃听接收机采用odppa天线将信号接收，经过下变频之后，对两路信号分别进行采样滤波，得到两路中频极化信号；

步骤2、由于窃听接收机不知道fdph图案，所以必须将其中一部分信号进行极化状态识别；

步骤3、根据步骤2中识别出的极化信息对另外一部分极化信息进行极化匹配接收，得到去除极化信息的幅相调制；

步骤4、将步骤3中得到的幅相调制信号进行解调，得到截获的信息。

步骤2中，由于窃听方无法获取fdph图案，只能通过极化参数识别技术。由于虚拟极化技术利用一对双正交极化通道，对两个通道进行幅度和相位加权来形成虚拟的极化信号，因此，通过计算步骤1中接收信号的幅度比和相位差，得到极化角和极化辅角

式(13)中，evr(t)为垂直极化天线接收信号，ehr(t)为水平极化天线接收信号，eht(t)和evt(t)如公式(4)中，γr为窃听接收机的识别出的极化角，δr为窃听接收机的识别出的极化辅角。

步骤3中，根据步骤2中无法有效的识别出极化角，因此进行匹配接收后的信号eeve(t)为

式(14)中，为目标幅相调制信号，γ为窃听用户接收到极化角，δ为窃听用户接收到的极化辅角，但从式(14)中可以看出，窃听用户受无法识别的极化角γs影响，并且在传输过程中极化角γs是在不断变化之中，因此匹配滤波之后，接收信号幅度为随机值，无法对幅相调制的信号进行解调，因此具有良好的安全性能。

下面给出一个实施例，对卫星发射机、合法接收机和窃听接收机进行进一步分析。

卫星发射机发射信号的过程包括以下步骤：

11)matlab中的randi函数，随机生成100000个{0,1}的信号作为待发射信号，将待发射信号每4比特数据流进行16qam调制。

12)根据设定在极化角γ∈(0,π/8)，极化辅角δ∈[0,2π]范围内利用gold码，分别随机均匀选取128对生成fdph图案，根据快速极化跳变图案将调制后的信号映射成对应的极化状态，得到两路信号。fdph为快速极化跳变的英文缩写。

13)将两路信号上变频到射频，然后通过正交双极化天线发射出去。

合法接收机接收信号的过程包括以下步骤：

21)合法接收机采用odppa天线将两路信号接收，经过下变频之后，对两路信号分别进行采样滤波，得到两路中频信号。假设信道为纯高斯白噪声信道，无需设置预补偿，使用randn函数产生随机噪声叠加在信号上。

22)利用步骤12)中的fdph图案设计斜投影滤波器，进行滤波。

23)对步骤22)得到的滤波后的信号进行极化匹配，恢复成16qam调制信号，再经过幅相调制解调，得到待发射信号。通过解调后的待发射信号与原始待发射信号的比较，计算出误码率。

窃听接收机接收信号的过程包括以下步骤：

31)窃听接收机采用odppa天线将信号接收，经过下变频之后，对两路信号分别进行采样滤波，得到两路中频极化信号；

32)由于窃听接收机不知道fdph图案，所以必须将其中一部分信号进行极化状态识别；

33)根据步骤32)中识别出的极化信息对另外一部分极化信息进行极化匹配接收，得到去除极化信息的幅相调制；

34)将步骤33)中得到的幅相调制信号进行解调，得到截获的信息。将解调后的信号与原始待发射信号进行比较，得出窃听接收机的误码率。蒙特卡洛仿真结果和理论值的结果如图8所示，图中系统信噪比设置为从0到20db。可以看到合法用户信号虽然受到斜投影滤波器的影响，但是仍然可以正常解调，但是窃听用户的误码率非常高。因此，该案例证明了本发明方法的有效性。