一种基于共享字典的物理层扩频伪装模块的制作方法

本发明涉及深海隐蔽通信与物理层安全，尤其涉及一种基于共享字典的物理层扩频伪装模块。

背景技术：

1、现有水下隐蔽通信系统为提升低截获概率，通常采用直接序列扩频或跳频技术，通过伪随机码将信号功率谱密度降低至背景噪声以下。但直接序列扩频信号固有的周期性和二值性等循环平稳特征，在长时观测或高阶谱分析下仍可被窃听者识别和利用。

2、2025年发表于《通信学报》的综述系统分析了混沌lpi通信的现状、挑战与应对。经典lpi通信手段如直接序列扩频和跳频面临被截获风险。多载波dcsk、索引调制dcsk等改进方案仍难以解决因引入参考序列导致的抗截获能力和安全性下降问题。混沌通信波形在安全性、传输效率、可靠性上存在差距，且工程实现存在困难。

3、在能量和算力受限的深海通信节点中，现有物理层安全技术面临挑战。需要一种从物理层消除循环平稳特征、无需复杂同步即可实现负信噪比可靠通信的伪装方案。

4、本模块是母发明专利《基于深海静水压力驱动的全链路低物理特征通信一体化系统》的子模块，为深海通信节点提供物理层安全通信保障。

5、本发明提供一种从物理层解决信号可检测性问题的扩频伪装方案，通过共享字典和伪随机选择使发射波形与深海背景噪声不可区分。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种基于共享字典的物理层扩频伪装模块，通过伪随机选择具有不同码片速率的扩频序列，抑制传统扩频信号的循环平稳特征，实现信号与深海背景磁噪声的统计不可区分，为深海通信节点提供物理层安全通信保障。

2、为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种基于共享字典的物理层扩频伪装模块，其创新点在于：包括：

3、共享波形字典，预置于发射端与合法接收端，包含不少于216个互不相同的扩频序列，每个序列具有互不相同的码片速率；

4、随机映射编码器，将加密后的信息比特流按固定长度分组，利用密钥驱动的伪随机数生成器从字典中随机选择扩频序列来映射每组信息；

5、功率谱整形滤波器，使输出信号的功率谱密度与深海磁噪声谱的拟合误差小于10%；

6、自适应功率控制器，根据信道质量调整发射功率。

7、进一步的，共享波形字典采用级联混沌映射生成，主映射为logistic映射且参数r=4，辅映射为chebyshev映射，通过非线性耦合生成统计特性均匀的混沌序列；所述字典中不同扩频序列之间的峰值互相关系数小于0.01；所述发射信号与深海背景磁噪声的kl散度小于0.1；所述随机映射编码器支持m序列叠加模式，同时选择m个扩频序列并按等功率权重求和后输出合成波形。

8、进一步的，所述共享波形字典构建与预置方法如下：

9、第一步：混沌序列生成：采用级联式混沌映射生成初始序列；主映射为logistic映射，辅映射为chebyshev映射；通过将二者输出进行非线性耦合，生成统计特性更均匀的混沌序列，增强波形的不可预测性；

10、第二步，波形生成：以256种不同的初始种子运行混沌映射，初始种子由主密钥派生，每次输出nc=1024个混沌值；将这些值映射到双极性bpsk符号上，正值为+1，负值为-1，得到长度为1024的扩频序列；经过滚降系数0.5的升余弦滤波器进行脉冲成型，生成基带扩频波形；为每个波形随机分配码片速率rc，rc为1khz至50khz区间内均匀分布的伪随机值，每个波形的时域长度tw=nc/rc随之变化；

11、第三步，互相干优化：计算波形库中所有波形之间的峰值互相关系数，对互相关系数大于0.01的波形对进行替换或相位旋转，优化波形间的正交性；

12、第四步，安全分发：将生成的波形库、波形索引映射表以及波形的码片速率参数打包，使用aes-256加密，通过安全信道写入各节点的非易失存储器。

13、进一步的，所述发射端处理流程如下：

14、步骤a：待传输的数据帧长度为128比特，经aes-128加密后记为信息向量b；

15、步骤b：使用当前密钥（kenc）派生随机数种子rseed，结合b的前64比特确定调制的波形索引；

16、步骤c：从字典中提取索引i对应的波形；若需增强鲁棒性，同时选择m个波形，按等功率权重求和：，其中归一化系数；

17、步骤d：将s(t)输入10阶iir数字滤波器，滤波器系数基于目标功率谱曲线设计，目标功率谱曲线根据当前水温和盐度估计的环境噪声谱参数确定；

18、步骤e：通过自适应功率控制器调整功放，将信号放大至目标发射功率后通过三轴正交环形线圈辐射。

19、进一步的，所述接收端解调流程如下：

20、步骤a：接收信号经低噪声放大和采样后，同时对字典中所有波形进行并行滑动相关匹配滤波；设接收信号为，匹配滤波器输出为；

21、步骤b：峰值检测器找出绝对值最大的峰值ymax及其对应波形索引imax；

22、步骤c：利用峰值位置提取时间同步信息，修正接收端时钟漂移；

23、步骤d：通过波形索引imax逆映射得到信息比特best；若采用m序列叠加模式，需使用正交匹配追踪算法估计每个波形的贡献系数后再决策。

24、一种深海通信信标，其创新点在于，包括扩频伪装模块；还包括还包括双谐振磁耦合通信单元和psic发电单元；在发送常规数据时，信息流经aes-128加密后输入共享字典编码器；成型后的扩频波形经功率谱整形滤波器处理后，由自适应功率控制器驱动三轴正交环形线圈组辐射；在接收端，信号从三轴环形线圈组采集并馈送到匹配滤波解调器；解密后的数据供信标主控使用，或再经过中继转发逻辑重新编码转发。

25、本发明的优点在于：

26、1）第一，抑制循环平稳特征；通过使用不同码片速率的序列随机映射信息，从根本上抑制传统扩频信号的循环平稳特征，窃听者无法通过循环谱分析检测信号存在；

27、第二，统计不可区分性；发射信号通过wenz谱整形和随机化调制，其kl散度小于0.1，与深海背景磁噪声在统计上不可区分；

28、第三，极低被截获概率；字典数量不少于216个，窃听者无法穷举匹配；各波形间互相关系数小于0.01，信号功率可控制在环境磁噪声水平以下，实现深度信噪比隐藏。

29、第四，能量效率；无需复杂的混沌同步或信道估计，合法接收端仅需匹配滤波即可解调。

30、第五，密钥驱动的安全性。映射规则随密钥变化，密钥空间不少于2128，物理层安全性不依赖于算法保密。

1.一种基于共享字典的物理层扩频伪装模块，其特征在于：包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于共享字典的物理层扩频伪装模块，其特征在于：共享波形字典采用级联混沌映射生成，主映射为logistic映射且参数r=4，辅映射为chebyshev映射，通过非线性耦合生成统计特性均匀的混沌序列；所述字典中不同扩频序列之间的峰值互相关系数小于0.01；所述发射信号与深海背景磁噪声的kl散度小于0.1；所述随机映射编码器支持m序列叠加模式，同时选择m个扩频序列并按等功率权重求和后输出合成波形。

3.根据权利要求2所述的一种基于共享字典的物理层扩频伪装模块，其特征在于：所述共享波形字典构建与预置方法如下：

4.根据权利要求1所述的一种基于共享字典的物理层扩频伪装模块，其特征在于：所述发射端处理流程如下：

5.根据权利要求1所述的一种基于共享字典的物理层扩频伪装模块，其特征在于：所述接收端解调流程如下：

6.一种深海通信信标，其特征在于，包括权利要求1至5中任一项所述的扩频伪装模块；还包括双谐振磁耦合通信单元和psic发电单元；在发送常规数据时，信息流经aes-128加密后输入共享字典编码器；成型后的扩频波形经功率谱整形滤波器处理后，由自适应功率控制器驱动三轴正交环形线圈组辐射；在接收端，信号从三轴环形线圈组采集并馈送到匹配滤波解调器；解密后的数据供信标主控使用，或再经过中继转发逻辑重新编码转发。