CN102546513B

CN102546513B - 一种正交频分复用系统中时域人造噪声的设计方法和系统

Info

Publication number: CN102546513B
Application number: CN201210018988.5A
Authority: CN
Inventors: 陈翔; 秦浩浩; 赵熠飞; 张焱; 赵明; 王京
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2012-01-20
Filing date: 2012-01-20
Publication date: 2014-09-24
Anticipated expiration: 2032-01-20
Also published as: CN102546513A

Abstract

本申请提供了一种正交频分复用系统中时域人造噪声的设计方法和系统，其中所述方法包括：获取系统的子载波个数N和循环前缀的长度N_CP，其中，N和N_CP为自然数；依据所述子载波个数N和循环前缀的长度N_CP生成发送端的发送信息；确定加入发送信息中的噪声；将所述发送信息与所述噪声相加，生成混合信号；对所述混合信号进行串并变换，将变换后的信号发送出去。

Description

一种正交频分复用系统中时域人造噪声的设计方法和系统

技术领域

本申请涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种正交频分复用系统中时域人造噪声的设计方法和系统。

背景技术

新一代无线通信系统要求网络能够为移动用户提供高速、可靠的传输条件的同时还要求无线传输具有安全性。通信安全的目的是保证发送方的信息能够安全到达接收方而不被非法第三方窃听。

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输，这样，尽管总的信道是非平坦的，即具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，并且在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。OFDM技术的最大优点是能对抗频率选择性衰落或窄带干扰。在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，于是他们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。

在OFDM等技术保证系统的有效性的同时，如何提高系统的安全性能是一个很现实而有意义的问题。无线信道的开放性也使得信息安全问题变得越来越突出。传统的有线通信通常使用数据加密等方法来保障通信安全，尽管这些方法在无线通信中仍然可行，但它们都没有完全弥补由无线信道的开放性所造成的安全漏洞。

为了提高物理层安全通信的安全容量，Goel在2008年提出可以在发送端同时发送信息和噪声，也就是在发送信息的同时发送人造噪声来干扰非法的接收者。这种方法能够有效地抑制窃听者接收到的信噪比，使得系统的安全容量大大增强。

但是，目前此方法大都用在多天线系统中，利用发送端具有多个空间自由度的特征，可以达到同时发送信息和噪声的目的。随着OFDM系统的广泛使用，需要在没有多天线的情况下依然加入人造噪声来提高系统安全性，而目前还没有提出一种在没有多天线的情况下有效加入人造噪声的方法。

总之，本领域技术人员需要迫切解决的一个技术问题就是：如何能够在没有多天线的情况下有效地加入人造噪声，以提高OFDM系统的安全性。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提供一种正交频分复用系统中时域人造噪声的设计方法和系统，能够在没有多天线的情况下有效地加入人造噪声，提高OFDM系统的安全性。

为了解决上述问题，本申请公开了一种正交频分复用系统中时域人造噪声的设计方法，包括：

获取系统的子载波个数N和循环前缀的长度N_CP，其中，N和N_CP为自然数；

依据所述子载波个数N和循环前缀的长度N_CP生成发送端的发送信息；

确定加入发送信息中的噪声；

将所述发送信息与所述噪声相加，生成混合信号；

对所述混合信号进行串并变换，将变换后的信号发送出去。

优选的，所述依据子载波个数N和循环前缀的长度N_CP生成发送端的发送信息，包括以下子步骤：

将发送端产生的信息流中每N个符号确定为一个信息块；

对每个信息块进行傅里叶反变换；

将变换后的信息块加入长度为N_CP的循环前缀，生成发送端的发送信息。

优选的，所述确定加入发送信息中的噪声，包括以下子步骤：

依据合法接收端的无线信道矩阵和去循环前缀矩阵获取等价信道；

将所述等价信道进行奇异值分解，确定其右零空间矩阵；

依据高斯随机分布计算长度为N_CP的随机数；

将所述右零空间矩阵和所述随机数相乘，确定加入发送信息中的噪声。

优选的，所述高斯随机分布的均值为0，自相关矩阵为其中，Q_d为共轭对称矩阵。

优选的，所述等价信道的大小为N×(N+N_cp)，所述右零空间矩阵的大小为(N+N_cp)×N_cp。

另一方面，本申请还公开了一种正交频分复用系统中时域人造噪声的设计系统，包括：

获取模块，用于获取系统的子载波个数N和循环前缀的长度N_CP，其中，N和N_CP为自然数；

生成模块，用于依据所述子载波个数N和循环前缀的长度N_CP生成发送端的发送信息；

确定模块，用于确定加入发送信息中的噪声；

相加模块，用于将所述发送信息与所述噪声相加，生成混合信号；

发送模块，用于对所述混合信号进行串并变换，将变换后的信号发送出去。

优选的，所述生成模块包括以下子模块：

确定子模块，用于将发送端产生的信息流中每N个符号确定为一个信息块；

变换子模块，用于对每个信息块进行傅里叶反变换；

生成子模块，用于将变换后的信息块加入长度为N_CP的循环前缀，生成发送端的发送信息。

优选的，所述确定模块包括以下子模块：

获取子模块，用于依据合法接收端的无线信道矩阵和去循环前缀矩阵获取等价信道；

分解子模块，用于将所述等价信道进行奇异值分解，确定其右零空间矩阵；

计算子模块，用于依据高斯随机分布计算长度为N_CP的随机数；

相乘子模块，用于将所述右零空间矩阵和所述随机数相乘，确定加入发送信息中的噪声。

与现有技术相比，本申请包括以下优点：

本申请提出的正交频分复用系统中时域人造噪声的设计方法在OFDM发射端的时域部分插入高斯分布的人造噪声，此人造噪声与某包含合法接收者信道的空间垂直，人造噪声在不干扰合法接收者的情况下，能够有效地降低其他不合法接收者的接收信噪比，提高系统的安全性。本申请的人造噪声加在OFDM系统的时域，时间自由度高，能够产生良好的干扰效果。

附图说明

图1是本申请一种正交频分复用系统中时域人造噪声的设计方法实施例的流程图；

图2是本申请一种正交频分复用系统中时域人造噪声的设计方法中信息发送部分示意图；

图3是本申请一种正交频分复用系统中时域人造噪声的设计方法中人造噪声发送部分示意图；

图4是本申请一种正交频分复用系统中时域人造噪声的设计方法中接收端示意图；

图5是本申请一种正交频分复用系统中时域人造噪声的设计系统实施例的流程图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

本申请的核心构思之一在于，在OFDM发射端的时域部分插入高斯分布的人造噪声，此人造噪声与某包含合法接收者信道的空间垂直，人造噪声在不干扰合法接收者的情况下，能够有效地降低其他不合法接收者的接收信噪比，提高系统的安全性。本申请的人造噪声加在OFDM系统的时域，时间自由度高，能够产生良好的干扰效果。

参照图1，示出了本申请一种正交频分复用系统中时域人造噪声的设计方法实施例的流程图，该方法包括：

步骤S101，获取系统的子载波个数N和循环前缀的长度N_CP，其中，N和N_CP为自然数；

步骤S102，依据所述子载波个数N和循环前缀的长度N_CP生成发送端的发送信息；

所述依据子载波个数N和循环前缀的长度N_CP生成发送端的发送信息，包括以下子步骤：

步骤S1021，将发送端产生的信息流中每N个符号确定为一个信息块，其中，N为子载波个数；

步骤S1022，对每个信息块进行傅里叶反变换(IFFT)；

步骤S1023，将变换后的信息块加入长度为N_CP的循环前缀，生成发送端的发送信息；

具体的，将进行傅里叶反变换后得到的信息块中最后N_CP个符号复制到此信息块之前，形成含有N+N_cp个符号的信息块。

参照图2，示出了本申请一种正交频分复用系统中时域人造噪声的设计方法中信息发送部分示意图。

图中x₁、x₂、...、x_N即为一个包含N个符号的信息块，将其进行傅里叶反变换后得到包含符号u₁、u₂、...、u_N的信息块，将该信息块中最后N_CP个符号(即u_N-NCP+1...u_N)复制到此信息块之前，如图2所示，得到包含图中N+N_cp个符号的信息块，此信息块即为发送端的发送信息。

步骤S103，确定加入发送信息中的噪声；

所述确定加入发送信息中的噪声，包括以下子步骤：

步骤S1031，依据合法接收端的无线信道矩阵和去循环前缀矩阵获取等价信道；

具体的，依照合法接收端大小为(N+N_cp)×(N+N_cp)的无线信道矩阵H和大小为N×(N+N_cp)的去循环前缀矩阵R^cp得到大小为N×(N+N_cp)的等价信道R^cpH，其中，

R^{cp} = [\begin{matrix} 0_{N \times N_{cp}} & I_{N} \end{matrix}]

H = [\begin{matrix} h (0) & 0 & 0 & \cdot \cdot \cdot & 0 \\ \cdot \cdot \cdot & h (0) & 0 & \cdot \cdot \cdot & 0 \\ h (L) & \cdot \cdot \cdot & h (0) & 0 & \cdot \cdot \cdot \\ \cdot \cdot \cdot & h (L) & \cdot \cdot \cdot & \cdot \cdot \cdot & 0 \\ 0 & \cdot \cdot \cdot & h (L) & \cdot \cdot \cdot & h (0) \end{matrix}] &Element; C^{(N + N_{cp}) \times (N + N_{cp})}

h(L)h(L-1)...h(0)是从发送端到合法接收端的无线信道的时域冲击响应。

步骤S1032，将所述等价信道R^cpH进行奇异值分解(SVD分解)，确定其右零空间矩阵U^⊥，所述右零空间矩阵U^⊥的大小为(N+N_cp)×N_cp。

步骤S1033，依据高斯随机分布计算长度为N_CP的随机数d；

所述高斯随机分布的均值为0，自相关矩阵为其中，Q_d为共轭对称矩阵，例如单位矩阵I。

步骤S1034，将所述右零空间矩阵U^⊥和所述随机数d相乘，得到长度为N_cp+N的人造噪声U^⊥d，即为加入发送信息中的噪声。

参照图3，示出了本申请一种正交频分复用系统中时域人造噪声的设计方法中人造噪声发送部分示意图。

图中a₁、a₂、...、a_N+NCP为加入发送信息中的噪声，其长度和发送信息的长度相同。

步骤S104，将所述步骤S102中生成的发送信息与所述噪声U^⊥d相加，生成混合信号；

步骤S105，对所述混合信号进行串并变换，将变换后的信号发送出去。

如图2和图3所示，将发送信息与所述噪声a₁、a₂、...、a_N+NCP相加，经过串并变换(P/S变换)发送出去。由于图中发送信息和噪声分别表示，因此在两个图中均包含串并变换。图中h表示信道，h(L)h(L-1)...h(0)是从发送端到合法接收端的无线信道的时域冲击响应。

参照图4，示出了本申请一种正交频分复用系统中时域人造噪声的设计方法中接收端示意图。

首先将接收到的信息经过并串变换(S/P变换)；然后将变换后的信息移除循环前缀，这里的循环前缀即为发送端加入的循环前缀；最后将移除循环前缀的信息进行傅里叶变换(FFT变换)，即得到接收信息。

在接收端，由于合法接收者不会接受到噪声，因此其接收过程与正常通信系统中的接收过程相同，本申请在此不再详细论述。

下面以某一具体OFDM系统实例说明本发明提出的增强OFDM系统安全性与定时鲁棒性的时域人造噪声设计方法。系统OFDM有N＝64个子载波，循环前缀长度为N_cp＝16，无线信道的有限冲击响应记为h(L)h(L-1)...h(0)，L≤16。

本实施例包括以下具体步骤：

(1)初始化系统：OFDM系统的子载波个数为N＝64，循环前缀的长度为N_cp＝16。系统的发送端配置OFDM发送的三个模块：反傅里叶变换(IFFT)，插入循环前缀(CP)，并串变换(P/S)；系统的接收端配置OFDM接收的三个模块：串并变换(S/P)，去掉循环前缀，傅里叶变换。

(2)产生发送端的信息：发送端将产生的信息流中每N＝64个符号定义为一个信息块，每个信息块经过反傅里叶变换后，再将此得到的信息块最后N_cp＝16个符号复制到此信息块之前，形成含有80个符号的信息块，即为发送端的信息。

(3)产生发送端的噪声：依照合法接收者大小为80×80的无线信道矩阵H和大小为64×80的去循环前缀矩阵R^cp得到大小为64×80的等价信道R^cpH，其中，

R^cp＝[0_64×16 I₆₄]

H = [\begin{matrix} h (0) & 0 & 0 & \cdot \cdot \cdot & 0 \\ \cdot \cdot \cdot & h (0) & 0 & \cdot \cdot \cdot & 0 \\ h (L) & \cdot \cdot \cdot & h (0) & 0 & \cdot \cdot \cdot \\ \cdot \cdot \cdot & h (L) & \cdot \cdot \cdot & \cdot \cdot \cdot & 0 \\ 0 & \cdot \cdot \cdot & h (L) & \cdot \cdot \cdot & h (0) \end{matrix}] &Element; C^{80 \times 80}

h(L)h(L-1)...h(0)是从发送端到合法接收端之间的无线信道的时域冲击响应；

通过SVD分解得到等价信道R^cpH的右零空间矩阵U^⊥，大小为80×16；

依照均值为0，自相关矩阵为Q_d∈C^16×16的高斯随机分布产生长度为16的随机数d，其中Q_d为共轭对称矩阵，例如单位阵I；将U^⊥与d相乘得到长度为80的人造噪声U^⊥d。

(4)将第2步中产生的长度为80的信息块与第3步产生的长度为80的人造噪声序列U^⊥d相加。

(5)将第4步产生的长为80的混合信号通过并串变换发送出去。

通过在发送端的信息中加入人造噪声，此噪声在不干扰合法接收者的情况下，能够有效地降低其他不合法接收者的接收信噪比，提高系统的安全性。

参照图5，示出了本申请一种正交频分复用系统中时域人造噪声的设计系统实施例的流程图，该系统包括：

所述生成模块包括以下子模块：

变换子模块，用于对每个信息块进行傅里叶反变换；

生成子模块，用于将变换后的信息块加入长度为N_CP的循环前缀，生成发送端的发送信息；

确定模块，用于确定加入发送信息中的噪声；

所述确定模块包括以下子模块：

获取子模块，用于依据合法接收端的无线信道矩阵和去循环前缀矩阵获取等价信道，所述等价信道的大小为N×(N+N_cp)；

分解子模块，用于将所述等价信道进行奇异值分解，确定其右零空间矩阵，所述右零空间矩阵的大小为(N+N_cp)×N_cp；

其中，所述高斯随机分布的均值为0，自相关矩阵为其中，Q_d为共轭对称矩阵；

相乘子模块，用于将所述右零空间矩阵和所述随机数相乘，确定加入发送信息中的噪声；

对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上对本申请所提供的一种正交频分复用系统中时域人造噪声的设计方法和系统，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims

1.一种正交频分复用系统中时域人造噪声的设计方法，其特征在于，包括：

确定加入发送信息中的噪声；

将所述发送信息与所述噪声相加，生成混合信号；

对所述混合信号进行串并变换，将变换后的信号发送出去;

其中，所述依据子载波个数N和循环前缀的长度N_CP生成发送端的发送信息，包括以下子步骤：

将发送端产生的信息流中每N个符号确定为一个信息块；

对每个信息块进行傅里叶反变换；

将变换后的信息块加入长度为N_CP的循环前缀，生成发送端的发送信息;

其中，所述确定加入发送信息中的噪声，包括以下子步骤：

将所述等价信道进行奇异值分解，确定其右零空间矩阵；

依据高斯随机分布计算长度为N_CP的随机数；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述等价信道的大小为N×(N+N_cp)，所述右零空间矩阵的大小为(N+N_cp)×N_cp。

3.一种正交频分复用系统中时域人造噪声的设计系统，其特征在于，包括：

确定模块，用于确定加入发送信息中的噪声；

发送模块，用于对所述混合信号进行串并变换，将变换后的信号发送出去;

其中，所述生成模块包括以下子模块：

变换子模块，用于对每个信息块进行傅里叶反变换；

生成子模块，用于将变换后的信息块加入长度为N_CP的循环前缀，生成发送端的发送信息;

其中，所述确定模块包括以下子模块：

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述等价信道的大小为N×(N+N_cp)，所述右零空间矩阵的大小为(N+N_cp)×N_cp。