CN101867552A - Ofdm系统信号发送方法、接收方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种OFDM系统信号发送方法、接收方法及装置，该方法包括步骤：对输入信号进行串/并转换后，进行星座调制；对星座调制后的信号进行加密操作，包括对星座调制后的信号实施伪随机星座图旋转，以及在经伪随机星座图转换后的信号中添加微弱人为噪声，每个星座点旋转一个随机的角度，旋转角度由系统发送端与合法接收端共同约定；然后进行OFDM调制后发射。本发明的方法及装置利用星座图旋转角度的随机性和微弱人为噪声的不可逆性，能够取得更高的安全性和保密性，同时能保证和现有通信系统的兼容性。

Description

OFDM系统信号发送方法、接收方法及装置

技术领域

本发明涉及数字信息传输技术领域，尤其涉及一种基于伪随机星座图旋转及添加微弱人为噪声的OFDM系统信号发送方法、接收方法及装置。

背景技术

随着各种无线通信系统的飞速发展和全面部署以及多种无线网络的广泛共存，用户除了对无线通信系统传输性能(有效性和可靠性)的需求越来越大之外，对通信的安全性能也提出了越来越高的要求，尤其是涉及国家安全、军事信息和商业机密的无线通信系统，对通信的安全性能与传输性能都有较高要求。同时，随着非法用户计算能力的显著增强，无线信道的开放性使得保密信息破解的可能性大为增加。为此，世界各国均将通信安全领域的技术创新视为增强其国际竞争力的重要手段。

在目前的无线通信网络中，其安全性大都是在链路层或者应用层通过采用经典的密码体系来实现的。密码体系假设加密机输出的密文和保密机接收的密文完全一致，即加密机与解密机之间的信道是传输无差错的完美信道，且接收者必须知道用于解密的密钥(secret key)。但是在无线通信中，由于无线信道的开放性、广播性和衰落性，建立用于密钥传输无差错传输的安全信道非常困难。随着非法用户接收机计算能力的显著增强，保密信息很可能被破解。此外，密码机制需要大量额外的系统信令开销，无疑会降低无线通信系统的有效性。

与经典的密码体系不同，物理层保密充分利用无线通信系统本身的物理信号和无线信道的特征，在信号传输层面保证无线通信的安全性。物理层保密并不是一个全新的课题，其原理概念在1949年就由香农(Shannon)在其发表的论文“Communication Theory of SecrecySystems”中提出，但在很长的一段时间里，由于复杂度和应用需求的原因，物理层加密并未受到人们的重视。最近，随着OFDM以及多天线技术在无线通信中的迅猛发展以及可用加密资源的丰富，将信息理论安全原理应用于无线衰落信道这一课题引起了学术界和产业界的极大关注。2002年Pappu发表在Science上的重要论文“PhysicalOne-Way Functions”中指出，物理不可逆函数用于加密算法时，比传统的数学单向函数更有效，而无线信道可以被看作是一个物理不可逆的信息。也有不少学者研究了衰落信道下的各态历经安全容量、多用户信道和MIMO系统的安全性等问题，并给出了相应的性能界限。另外一些学者进一步研究了无线系统中具体的物理层保密机制和算法。Koorapaty等人提出了基于发送者与合法接收者之间的信道状态信息(CSI)进行预编码实现物理层加密的方法。Hero提出了使用训练序列作为密钥的方法，并通过合理选择空时调制(space-time modulation)方式使得窃听者无法获得保密信息。

2006年6月，我国颁布了数字电视地面广播传输强制性标准DTMB，该标准的核心技术是清华大学提出的时域同步正交频分复用(TDS-OFDM)调制技术(参考中国发明专利01124144.6)，该多载波技术的帧体部分采用OFDM调制方式，并首次提出了保护间隔内填充PN序列，取代了传统OFDM系统中的循环前缀(CP)。由于PN序列在接收端已知，因而可用于系统同步和信道估计。与传统的基于循环前缀的OFDM技术(CP-OFDM)相比，TDS-OFDM无需在频域插入导频信号，从而提高了OFDM的频谱利用率，克服了多载波系统传输效率低的缺点。然而，目前我国地面数字电视标准没有保密通信的功能，从而限制了TDS-OFDM这一原创性技术在保密性要求较高特别是军事通信领域中的应用。

2009年欧洲颁布的下一代地面数字电视传输标准DVB-T2中采用了星座图旋转(rotated constellation)技术，即将OFDM系统中星座上的全部星座点统一旋转一个固定的角度，以对抗衰落信道并获得较高的分集性能增益，但这一技术并不能用于物理层加密。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：提高OFDM系统的保密性和可靠性。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供一种OFDM系统信号发送方法，该方法包括步骤：

S1.对输入信号进行串/并转换后，进行星座调制；

S2.对星座调制后的信号进行加密操作，包括对所述星座调制后的信号进行伪随机星座图旋转，每个星座点旋转一个随机的角度，旋转角度由系统发送端与合法接收端共同约定；

S3.对加密后的信号进行OFDM调制后发射。

其中，在步骤S2中，所述加密操作还包括：在经伪随机星座图旋转后的信号中添加设定噪声。

其中，所述旋转角度由伪随机序列发生器生成的序列经可逆线性或非线性变换得到，所述伪随机序列发生器的工作方式由发送端与合法接收端协商确定。

其中，所述加密操作包括：对所述星座调制后的信号的数据部分进行伪随机星座图旋转和/或添加设定噪声、和/或对所述星座调制后的信号的导频进行伪随机星座图旋转和/或添加设定噪声、和/或对所述星座调制后的训练序列进行伪随机星座图旋转和/或添加设定噪声。

其中，所述设定噪声的添加方式为：根据信道估计获得的当前信道状态信息或合法接收端反馈的当前信道状态信息中的信道相位、幅度、或信道相位和幅度的组合来添加所述设定噪声；或将系统发送端生成随机高斯噪声叠加到经所述伪随机星座图旋转的信号上。

其中，所述设定噪声的功率小于系统归一化的信号功率。

本发明还提供了一种按照上述信号发送方法发送的信号的接收方法，该方法包括步骤：

S4.对接收到的信号进行OFDM解调；

S5.对OFDM解调后的信号进行解密操作，包括对所述OFDM解调后的信号进行伪随机星座图逆旋转，每个星座点的旋转角度为由系统发送端与合法接收端所共同约定的角度；

S6.对解密后的信号进行星座解调后，进行并/串转换，得到发送端的输入信号。

本发明还提供了一种OFDM系统发送端信号发送装置，该装置包括：发送端前处理模块，用于对输入信号进行串/并转换后，进行星座调制；加密模块，用于对星座调制后的信号进行加密操作，包括星座旋转单元，用于对所述星座调制后的信号进行伪随机星座图旋转，每个星座点旋转一个随机的角度，旋转角度由系统发送端与合法接收端共同约定；发送端后处理模块，用于对加密后信号进行OFDM调制后发射。

其中，所述加密模块还包括：噪声添加单元，用于在经伪随机星座图旋转后的信号中添加设定噪声。

本发明还提供了一种OFDM系统接收端信号接收装置，该装置包括：接收端前处理模块，用于对接收到的信号进行OFDM解调；解密模块，用于对OFDM解调后的信号进行解密操作，包括星座逆旋转单元，用于对所述OFDM解调后的信号进行伪随机星座图逆旋转，每个星座点的旋转角度为由系统发送端与合法接收端所共同约定的角度；接收端后处理模块，用于对解密后的信号进行星座解调后，进行并/串转换，得到发送端的输入信号。

(三)有益效果

本发明的方法及装置借鉴DVB-T2中星座图旋转技术的基本想法并加以扩展，合理、充分的利用无线信道的特性，采用收发端相同的序列发生器产生的相位作为旋转密钥，能够取得更高的安全性和保密性。另外，利用收发端之间信道物理不可逆的特点，在经过伪随机旋转后的星座图上添加微弱人为噪声，从而急剧恶化非法接收方的解调性能，并消除非法接收方破译密钥的可能性。合理的利用本发明所提出的方法及装置，可以大大增强OFDM系统的安全性，为拓展其包括军事通信在内等领域的应用打下坚实的基础。

附图说明

图1为基于依照本发明一种实施方式的OFDM系统信号发送方法、接收方法及装置的OFDM系统结构框图；

图2(a)为16QAM星座图；

图2(b)为传统星座图旋转技术示意图(以16QAM为例)；

图2(c)为依照本发明一种实施方式的OFDM系统信号发送方法中伪随机星座图旋转示意图(以16QAM为例)；

图3为实施例1的CP-OFDM系统数据帧结构；

图4为实施例1的CP-OFDM系统结构框图；

图5为实施例1的CP-OFDM系统伪随机星座图旋转时随机相位的产生方式示意图；

图6(a)-图6(b)为实施例1的CP-OFDM系统各星座点随机旋转相位示意图；

图7为实施例2的TDS-OFDM系统数据帧结构；

图8为实施例2的TDS-OFDM系统结构框图；

图9(a)为QPSK星座图；

图9(b)为实施例3的经伪随机星座图旋转后的QPSK星座图；

图9(c)为实施例3的经伪随机星座图旋转又添加噪声后的QPSK星座图(信噪比为30dB)；

图9(d)为实施例3的经伪随机星座图旋转又添加噪声后的QPSK星座图(信噪比为20dB)；

图10(a)为16QAM星座图；

图10(b)为实施例3的经伪随机星座图旋转后的16QAM星座图；

图10(c)为实施例3的经伪随机星座图旋转又添加噪声后的16QAM星座图(信噪比为20dB)；

图10(d)为实施例3的经伪随机星座图旋转又添加噪声后的16QAM星座图(信噪比为15dB)；

图11(a)为64QAM星座图；

图11(b)为实施例3的经伪随机星座图旋转后的64QAM星座图；

图11(c)为实施例3的经伪随机星座图旋转又添加噪声后的64QAM星座图(信噪比为20dB)；

图11(d)为实施例3的经伪随机星座图旋转又添加噪声后的64QAM星座图(信噪比为15dB)。

具体实施方式

本发明提出的OFDM系统信号发送方法、接收方法及装置，结合附图和实施例详细说明如下。

如图1所示，依照本发明一种实施方式的OFDM系统信号发送方法包括步骤：

S1.对输入信号进行串/并转换后，进行星座调制；

S2.对星座调制后的信号进行加密操作，包括对星座调制后的信号进行伪随机星座图旋转，每个星座点旋转一个随机的角度，旋转角度由系统发送端与合法接收端共同约定；

S3.对加密后的信号进行OFDM调制后发射。

在步骤S2中，每个符号旋转一个随机的角度，旋转角度是OFDM物理层加密的密钥，这个特点有别于旋转角度保持不变的传统星座图旋转技术。伪随机星座图旋转的过程中，每个星座点不是旋转一个固定的角度，而是星座图上的每个星座点都要旋转一个随机的角度，而每一个星座点的随机角度就可以作为密钥实现合法通信的保密。伪随机星座图旋转目的不是对抗衰落信道，而是把旋转角度作为密钥用于保密通信。如图2(a)-2(c)所示，其以16QAM为例给出了本发明方法中的伪随机星座图旋转加密与传统星座图旋转技术的其别。

旋转角度(加密密钥)由伪随机序列发生器产生，通过其产生的序列经过可逆线性或非线性变换得到，且系统发送端与合法接收端的伪随机序列发生器工作方式由收发双方共同协商确定而保持一致。

在步骤S2中，加密操作还包括：在经伪随机星座图旋转后的信号中添加设定的微弱人为噪声。

该微弱人为噪声具有很强的随机性以及物理不可逆性。如果发送端可以获知当前信道状态信息，如通过信道估计获得的当前信道状态信息或合法接收端反馈的当前信道状态信息，该设定的微弱人为噪声的添加方式可以由具有很强的随机性和不可逆性的实时信道状态信息来确定，该信道状态信息包括(信道相位、幅度、或二者的任意组合)。

如果发送端不能获知当前信道的信息，如基于OFDM的数字广播系统，包括中国地面数字电视传输标准中的TDS-OFDM系统，微弱人为噪声的添加方式是发送端产生随机的高斯噪声叠加到经过伪随机星座图旋转的信号上。

此外，该微弱人为噪声的功率远小于系统归一化的信号功率，比如噪声功率时信号功率的十万分之一、或万分之一等不同的功率等级。该噪声对于已知随机星座图旋转角度的合法接收端的正确解调影响不大，而对于未知随机星座图旋转角度的非法接收端将会产生严重的误码，而且该人为噪声消除了非法接收端在信道噪声为零的极端最优条件下通过穷举等方式破译密钥的可能性。

本发明的方法中的伪随机星座图旋转以及添加设定噪声可以用于有效数据部分，也可以用于导频部分，还可以用于OFDM系统中的频域训练序列。即：在步骤S2中可包括对星座调制后的信号的数据部分进行伪随机星座图旋转和/或添加设定噪声、和/或对星座调制后的信号的导频进行伪随机星座图旋转和/或添加设定噪声、和/或对星座调制后的训练序列进行伪随机星座图旋转和/或添加设定噪声。

继续如图1所示，依照本发明一种实施方式的OFDM系统信号发送方法发送的信号在合法接收端的信号接收方法包括步骤：

S4.对接收到的信号进行OFDM解调；

S5.对OFDM解调后的信号进行解密操作，包括对OFDM解调后的信号进行伪随机星座图逆旋转，每个星座点的旋转角度为由系统发送端与合法接收端所共同约定的角度，非法接收端不知道该伪随机旋转角度是无法正确恢复信号的。

S6.对解密后的信号进行星座解调后，进行并/串转换，得到发送端的输入信号。

依照本发明一种实施方式的OFDM系统发送端信号发送装置包括：发送端前处理模块，用于对输入信号进行串/并转换后，进行星座调制；加密模块，用于对星座调制后的信号进行加密操作，包括星座旋转单元，用于对星座调制后的信号进行伪随机星座图旋转，每个星座点旋转一个随机的角度，旋转角度由系统发送端与合法接收端共同约定；发送端后处理模块，用于对加密后信号进行OFDM调制后发射。其中，加密模块还包括：噪声添加单元，用于在经伪随机星座图旋转后的信号中添加设定噪声。

依照本发明一种实施方式的OFDM系统接收端信号接收装置包括：接收端前处理模块，用于对接收到的信号进行OFDM解调；解密模块，用于对OFDM解调后的信号进行解密操作，包括星座逆旋转单元，用于对OFDM解调后的信号进行伪随机星座图逆旋转，每个星座点的旋转角度为由系统发送端与合法接收端所共同约定的随机角度；接收端后处理模块，用于对解密后的信号进行星座解调后，进行并/串转换，得到发送端的输入信号

实施例1

本实施例以CP-OFDM系统为例，说明本发明的方法及装置，本发明的方法及装置的应用，提高的该系统的加密型和可靠性。

CP-OFDM系统的数据帧结构如图3所示，数据帧由CP以及OFDM数据构成，具体实现时，帧体OFDM数据经过本发明方法中的伪随机星座图旋转以及微弱人为噪声的添加，而帧头CP前缀不经过这些过程。

如图4所示，为应用本发明方法的本实施例的CP-OFDM系统框图。该系统发送及接收信号的方法包括步骤：

S101.对输入信号进行串/并转换后进行星座调制；

S102.对星座调制后的信号进行伪随机星座图旋转，旋转角度就是OFDM物理层加密的密钥，而旋转角度(加密密钥)由收发端协商得到的伪随机序列发生器产生。信号波形集可以表示为：

$R_k=S_k\·e^{{\mathrm{j\θ}}_k}$ 0≤k≤N-1

式中，S_k表示第k个子载波上的原始频域符号，θ_k为第k个子载波上频域信号的随机相位旋转角度，R_k为旋转后的频域信号，N为子载波总数。

旋转的随机角度θ_k可根据伪随机序列发生器产生的序列经过可逆的线性或者非线性变换来得到。图5给出了旋转角度θ_k产生方式的实施例，其中θ_k由的K位线性反馈移位寄存器产生的伪随机序列中某m位所对应的十进制数n_k来决定：

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\θ}}_k=\frac{n_k}{2^m}\×2\mathrm{\π}& 0\≤k\≤N-1\end{array}$

对于所选取的位数m及其对应的选择方法，图6(a)和图6(b)分别给出了两种具体的实施例示意图；

S103.根据随机的实时的信道状态信息(包括信道估计的相位、幅度或者二者的组合)来添加微弱的干扰噪声；

信道状态信息可以由发送端进行信道估计来得到，也可以通过反馈链路得到接收端所获知的信道信息；假设获知的信道信息为：

0≤k≤N-1，

则叠加微弱人为噪声的过程可表示为：

$\begin{array}{cc}{N}_k=R_k+\frac{A\left(H_k\right)}{P}& 0\≤k\≤N-1\end{array}$

其中A(H_k)表示与信道信息H_k相关的函数，P表示所叠加的噪声功率大小，N_k表示叠加微弱人为噪声后的信号；具体而言，A(H_k)可以为A(H_k)＝H_k，或A(H_k)＝|H_k|，或

或其中a、b为任意复数；

噪声功率P可以为：P＝10²(相当于归一化信噪比为20dB)，或P＝10³(相当于归一化信噪比为30dB)；或P＝10⁴(相当于归一化信噪比为40dB)。

如发送端不能获知当前信道状态信息，则添加随机的高斯人为噪声；

S104.对加密并加噪后的频域信号进行IDFT(离散傅立叶逆变换)变换，转换为时域信号，实现OFDM调制；

S105.添加CP循环前缀并发射。

接收端接收上述信号的接收方法包括步骤：

S106.去除CP；

S107.对去除CP的接收信号进行DFT(离散傅立叶变换)变换，实现OFDM解调；

S108.根据伪随机序列发生器产生的相位，对接收到的星座调制图进行伪随机逆旋转；

S109.并/串转换进而解调恢复发送端的输入信号。

由以上实施例可以看出，本发明的实施例通过合理、充分的利用无线信道的特性，并采用伪随机发生器产生的相位作为OFDM吴立成加密密钥，实现了通信物理层的加密；同时，利用收发端之间信道物理不可逆的特点，在星座调制面上叠加人为噪声，使窃听者的信道估计性能急剧恶化，进而保证了系统的加密性能。

实施例2

本实施例以TDS-OFDM系统为例，如背景技术中所介绍到的，我国现行的地面数字电视标准没有加密功能，而本发明提出的OFDM系统的物理层加密方法也可用于TDS-OFDM系统，从而提高我国数字电视标准在军事应用等方面的安全性。

本实施例的TDS-OFDM系统的数据帧结构如图7所示，保护间隔填充的既可以是单载波的时域PN序列，也可以是多载波形式的频域PN序列(PN-MC，multi-carrier PN)，即将取值为-1、1的频域PN序列进行IDFT变换后得到时域序列，单载波时域PN序列或多载波PN-MC序列均可以作为OFDM帧体数据的保护间隔。

本实施例中对PN-MC也按照对帧体数据部分类似的伪随机星座图旋转以及微弱噪声添加的方式进行处理，具体处理方法类似于实施例1中的帧体数据。

图8为本实施例的TDS-OFDM系统框图，该系统收发信号方法如下：

S201.对输入信号进行串/并转换以及星座图映射；

S202.对帧体数据进行实施例1中的步骤S102-103的处理；

S203.对帧头数据(PN-MC序列)进行实施例1中的步骤S102-103的处理；

S204.对经上述处理后的信号进行IDFT变换并发射。

帧体数据、帧头数据的上述处理的具体参数(如星座图旋转角度的获取方式以及人为噪声功率的大小等)可以相同，也可以不同。

由于TDS-OFDM系统的发送端不能获取实时的信道状态信息，所以微弱的人为噪声的添加方式采用发送端产生的随机高斯噪声。

本实施例的TDS-OFDM系统的接收端接收信号时依次对接收信号进行PN序列伪随机星座图逆旋转、信道估计、DFT变换、伪随机星座图逆旋转、星座解映射、以及并/串转换，恢复发送端的输入信号。

实施例3

本实施例的方法可支持QPSK、16QAM、64QAM等星座调制方式。本实施例的方法中取2000个输入符号，假定发送端不能进行信道估计，而是采用随机添加微弱噪声的方式。伪随机星座图旋转及叠加人为弱噪声过程的示意图如图9(a)-9(d)、图10(a)-10(d)、图11(a)-11(d)所示，图中可以分别看出按照不同信噪比添加人为弱噪声的结果。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种OFDM系统信号发送方法，其特征在于，该方法包括步骤：

S1.对输入信号进行串/并转换后，进行星座调制；

S2.对星座调制后的信号进行加密操作，包括对所述星座调制后的信号进行伪随机星座图旋转，每个星座点旋转一个随机的角度，旋转角度由系统发送端与合法接收端共同约定；

S3.对加密后的信号进行OFDM调制后发射。

2.如权利要求1所述的OFDM系统信号发送方法，其特征在于，在步骤S2中，所述加密操作还包括：在经伪随机星座图旋转后的信号中添加设定噪声。

3.如权利要求1所述的OFDM系统信号发送方法，其特征在于，所述旋转角度由伪随机序列发生器生成的序列经可逆线性或非线性变换得到，所述伪随机序列发生器的工作方式由发送端与合法接收端协商确定。

4.如权利要求2中所述的OFDM系统信号发送方法，其特征在于，所述加密操作包括：对所述星座调制后的信号的数据部分进行伪随机星座图旋转和/或添加设定噪声、和/或对所述星座调制后的信号的导频进行伪随机星座图旋转和/或添加设定噪声、和/或对所述星座调制后的训练序列进行伪随机星座图旋转和/或添加设定噪声。

5.如权利要求2所述的OFDM系统信号发送方法，其特征在于，所述设定噪声的添加方式为：

根据信道估计获得的当前信道状态信息或合法接收端反馈的当前信道状态信息中的信道相位、幅度、或信道相位和幅度的组合来添加所述设定噪声；或

将系统发送端生成随机高斯噪声叠加到经所述伪随机星座图旋转的信号上。

6.如权利要求5所述的OFDM系统信号发送方法，其特征在于，所述设定噪声的功率小于系统归一化的信号功率。

7.一种按照如权利要求1-6任一项所述的OFDM系统信号发送方法发送的信号的接收方法，其特征在于，该方法包括步骤：

S4.对接收到的信号进行OFDM解调；

S5.对OFDM解调后的信号进行解密操作，包括对所述OFDM解调后的信号进行伪随机星座图逆旋转，每个星座点的旋转角度为由系统发送端与合法接收端所共同约定的角度；

S6.对解密后的信号进行星座解调后，进行并/串转换，得到发送端的输入信号。

8.一种OFDM系统发送端信号发送装置，其特征在于，该装置包括：

发送端前处理模块，用于对输入信号进行串/并转换后，进行星座调制；

加密模块，用于对星座调制后的信号进行加密操作，包括星座旋转单元，用于对所述星座调制后的信号进行伪随机星座图旋转，每个星座点旋转一个随机的角度，旋转角度由系统发送端与合法接收端共同约定；

发送端后处理模块，用于对加密后信号进行OFDM调制后发射。

9.如权利要求8所述的OFDM系统发送端信号发送装置，其特征在于，所述加密模块还包括：

噪声添加单元，用于在经伪随机星座图旋转后的信号中添加设定噪声。

10.一种OFDM系统接收端信号接收装置，其特征在于，该装置包括：

接收端前处理模块，用于对接收到的信号进行OFDM解调；

解密模块，用于对OFDM解调后的信号进行解密操作，包括星座逆旋转单元，用于对所述OFDM解调后的信号进行伪随机星座图逆旋转，每个星座点的旋转角度为由系统发送端与合法接收端所共同约定的角度；

接收端后处理模块，用于对解密后的信号进行星座解调后，进行并/串转换，得到发送端的输入信号。

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