一种高抗破译性能的方向调制方法与系统

1.本发明涉及数字通信技术领域，尤其涉及一种抗破译的信号处理方法与系统。


背景技术：

2.dm(directional modulation,方向调制)作为一种在空域中通过多天线技术实现的定向pls(physical layer security，物理层安全)传输技术，可以用于相控阵和频控阵。为了叙述方便，以相控阵为例，基于相控阵的dm方法为：假设均匀线性相控阵包括n个天线，在自由空间有一个发射机alice，一个合法接收方bob和一个窃听方eve，期望方向和窃听方向相对于发射机alice的第一个天线阵元分别是θb和θe,θb≠θe。在发射端，对输入比特流数据进行基带调制得到调制信号，然后将调制信号经过预编码指定发射方向后利用相控阵发射出去，在合法接收端(即指定发射方向)才能合成具有方向特性的数字调制信号，从而解决信息传输的安全问题。然而，上述现有的dm技术待改进的方面为：在合法接收端的接收信号误比特率波束较宽，安全速率低。
3.为了解决现有dm技术误比特率波束较宽的问题，在发射端采用添加人工噪声的dm方法，参见下面两个文献：[1]xie t,zhu j,li y.artificial-noise-aided zero-forcing synthesis approach for secure multi-beam directional modulation[j].ieee communications letters,2017,22(2):276-279.[2]cheng q,fusco v,zhu j,et al.svd-aided multi-beam directional modulation scheme based on frequency diverse array[j].ieee wireless communication letters,2019,9(3):420-423。添加人工噪声的dm方法(记作an-dm)的主要思路是发射端，对输入比特流数据进行基带调制得到调制信号，然后在调制信号中添加人工噪声，接着通过预编码以后通过天线发射出去，由于人工噪声只会对非期望方向的信号造成扰乱，因此增加了窃听者的破解难度，使误比特率波束更窄，但是由于添加了人工噪声，从而使系统的功率利用率大大降低。
[0004]
为了解决现有的dm技术功率利用率低问题，在发射端采用四项加权分数傅里叶变换来取代添加人工噪声，参见文献：[3]cheng q,fusco v,zhu j,et al.wfrft-aided power-efficient multi-beam directional modulation schemes based on frequency diverse array[j].ieee transactions on wireless communications,2019,18(11):5211-5226。4-wfrft(four weighted fractional fourier transform,四项加权分数傅里叶变换)辅助的dm(记作wpe-dm)方法是属于信号变换的一种dm方法，其可以很好地提高系统的功率效率。对于wpe-dm方法，主要思路是在发射端，对输入比特流数据进行基带调制得到调制信号，然后对调制信号进行四项加权分数傅立叶变换(4-wfrft)，接着经预编码以后通过天线发射出去；在接收端，采用发射端逆过程即可得到接收比特流数据。但是该方法有个很大的缺点：在发送信息的过程中，接收端变换阶数是随着保密信息一起发送的，由于接收端和发射端具有相同的通信架构，即均采用四项加权分数傅里叶变换，并对所有通信方开放，一旦在发送信息时变换阶数被窃听方eve截获，信息就可以很容易地被窃听方eve所破译。


技术实现要素：

[0005]
为了解决上述问题，本发明提出一种高抗破译性能的方向调制方法，其可以实现更强的抗破译能力。
[0006]
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种高抗破译性能的方向调制方法，其特征在于，包括下述五个步骤：
[0007]
(1)对输入比特流数据进行基带调制得到调制信号s；
[0008]
(2)对调制信号s进行m项加权变换操作，得到m项加权变换后的信号x；
[0009]
(3)将经过m项加权变换后的信号x通过预编码后由天线发射出去；
[0010]
(4)合法接收机由天线接收到信号yb，并把接收到的信号yb进行k项加权逆变换操作，从而得到经过k项加权逆变换后的调制信号y；
[0011]
(5)对经过k项加权逆变换后得到的调制信号y进行解调得到接收比特流数据。
[0012]
一种高抗破译性能的方向调制系统，其特征在于，采用上述方法进行方向调制。
[0013]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0014]
在发送信息的过程中，接收端逆变换阶数是随着保密信息一起发送的，在本发明方法中，由于发射端和接收端采用不同的通信架构，即采用不同项数的加权变换，对于窃听方eve来说，即使其可以通过分析接收信号的物理特征得到发射端所采用的变换项数和通过一定手段截获伴随着保密信息发送的逆变换阶数，但是由于窃听方eve不知道合法接收机采用的哪种加权变换，所以窃听方eve很难破译保密信息。因此，本发明方法的抗破译能力更强。另外，在本发明方法中，发送端和接收端使用不同的变换项数和变换阶数，即使用不同的通信架构，不仅不影响系统的通信功能，而且提供了通信灵活性和通信安全设计的更多自由，具有更广泛的应用前景。
附图说明
[0015]
图1是本发明所述技术方法的步骤流程示意图；
[0016]
图2是验证本发明所述技术方法的误码率性能曲线的实验结果图；
[0017]
图3是验证本发明所述技术方法的抗破译性能的实验结果图(体现为“误码率性能”)。
具体实施方式
[0018]
下面对本发明进行详细说明。参照图1(a)发射端和(b)接收端，包括下述五个步骤：
[0019]
(1)对输入比特流数据进行基带调制得到调制信号s；
[0020]
(2)对调制信号s进行m项加权变换操作，得到m项加权变换后的信号x；
[0021]
对调制信号s进行m项加权变换操作时，m是指进行加权变换操作的变换项数，m为大于等于4的正整数，对应的变换阶数为αm并且αm∈[a,b]，a和b均为实数。必须说明的是，αm在设定的范围内随机取值，并且只需b-a＝4。其m项加权变换计算表达式如公式(1)所示：
[0022][0023]
其中代表对调制信号s进行m项加权变换，代表对调制信号s进行4项加权变换。
[0024]
(3)将经过m项加权变换后的信号x通过预编码后由天线发射出去；
[0025]
(4)合法接收机由天线接收到信号yb，并把接收到的信号yb进行k项加权逆变换操作，从而得到经过k项加权逆变换后的调制信号y；
[0026]
对接收到的信号yb进行k项加权逆变换操作时，k是指进行加权逆变换操作的变换项数，对应的逆变换阶数为βk。k项加权逆变换计算表达式如公式(2)所示
[0027][0028]
其中表示对接收到的信号yb进行k项加权逆变换。特别声明的是，接收端的逆变换阶数和发射端的变换阶数满足以下关系：mβk＝-kαm。
[0029]
(5)对经过k项加权逆变换后得到的调制信号y进行解调得到接收比特流数据。
[0030]
图2和图3是该发明方法进行仿真实验的结果。
[0031]
仿真实验条件：基于matlab平台，天线阵元数n＝9，基带调制方式采用正交相移键控(quadrature phase shift keying,qpsk)，中心频率f0＝9ghz。
[0032]
图2是在信噪比为10db，期望方向θb＝50
°
的情况下，随着传播方向角度的变化，本发明方法与wpe-dm方法、添加人工噪声的dm方法的ber性能曲线对比图。在图2中，横坐标代表方向角度，纵坐标代表误码率；图例实线加右三角代表wpe-dm方法的误码率性能曲线，图例实线加空心圆代表添加人工噪声的dm方法的误码率性能曲线，图例虚线加“ ”代表当发射端采用4项加权变换、变换阶数为0.5和合法接收端采用4项加权逆变换、逆变换阶数为-0.5时本发明方法的误码率性能曲线，即m＝4，αm＝0.5，k＝4，βk＝-0.5。图例虚线加乘号形代表当发射端采用4项加权变换、变换阶数为0.5和合法接收端采用8项加权逆变换、逆变换阶数为-1时本发明方法的误码率性能曲线，即m＝4，αm＝0.5，k＝8，βk＝-1。图例虚线加正方形代表当发射端采用4项加权变换、变换阶数为0.5和合法接收端采用16项加权逆变换、逆变换阶数为-1.5时本发明方法的误码率性能曲线，即m＝4，αm＝0.5，k＝16，βk＝-2。从图2中，可以看出当三个方法的合法接收者bobs都在期望方向50
°
时，与添加人工噪声的dm方法，wpe-dm方法和本发明方法具有更好的误码率性能。
[0033]
图3是在期望方向θb＝50
°
，窃听方向θe＝50
°
的情况下，随着信噪比的变化，当发射端和接收端变换形式互异时，本发明方法的抗破译性能曲线图(体现为“误码率性能”)。横坐标代表信噪比，纵坐标代表误码率；图例实线加右三角代表采用wpe-dm方法时窃听方eve的误码率性能曲线，图例虚线加加号形代表当本发明方法的发射端m＝4、αm＝0.5，合法接收端k＝8、βk＝-1时窃听方eve采用k＝4、逆变换阶数为-1的加权逆变换的误码率性能曲线。图例虚线加乘号形代表当本发明方法的发射端m＝4、αm＝0.5，合法接收端k＝8、βk＝-1
时窃听方eve采用k＝8、逆变换阶数为-1的加权逆变换的误码率性能曲线。图例虚线加正方形代表当本发明方法的发射端m＝4、αm＝0.5，合法接收端k＝8、βk＝-1时窃听方eve采用k＝16、逆变换阶数为-1的加权逆变换的误码率性能曲线。实际上，在发送端向接收端发送信息的过程中，窃听方eve可以很容易地截取发射端发送给合法接收端的逆变换阶数，并且可以通过分析接收到的发射端信号的物理特性得到变换项数。对于wpe-dm方法，发送端和接收端使用相同的变换项数，一旦逆变换阶数被窃听方eve截获，系统的秘密就会被破解，造成信息泄露。从图3可以看出，对于wpe-dm方法，当窃听者eve截获到逆变换阶数参数时，其可以正确解调出有用信息；而对于本发明方法，相比于合法接收端正确变换项数k＝8时，当采用k＝4或者k＝16时，其误码率性能均很差，均在0.5左右，窃听方eve无法正确解调有用信息，从而提高了系统的抗破译性能。