CN103746804B - 基于多参数分数傅里叶变换和星座图加扰的保密通信方法 - Google Patents

Abstract

基于多参数分数傅里叶变换和星座图加扰的保密通信方法，涉及保密通信领域。它是为了提高现有方法在通信过程中的信息安全性能。它的信号发射方法为：将数据源信号进行数字基带映射，并依此进行串/并转换、N点多参数加权分数傅里叶变换、星座图加扰、添加循环前缀，并进行并/串转换、数/模转换和上变频处理后发射至信道；它的信号接收方法：将接收到的信号进行下变频、模/数转换、串/并转换、移除循环前缀、星座图解扰、N点多参数加权分数傅里叶变换、并/串转换和数字基带解映射后获得原始数据源信号。本发明适用于保密通信的过程中。

Description

基于多参数分数傅里叶变换和星座图加扰的保密通信方法

技术领域

本发明涉及保密通信领域。

背景技术

随着计算机技术和通信技术的飞速发展，信息的传输和交换在人们的日常生活中已经无处不在，而实际通信系统特别是在军事应用中不可避免的存在敌对方或干扰方。在这种环境中，通信双方需要考虑的一个问题是通信信息的保密性。

在传统的信号抗截获技术中技术最为成熟、应用最为广泛的就是直扩、跳频、跳时和混沌扩频等方式。其中直扩和混沌扩频的主要出发点都是将信号的发射功率放在更宽的频带上，降低信号的功率谱密度，使得信号能够淹没在噪声中，达到抗截获的目的；跳时和跳频则是通过一定的算法灵活分配信号占用的时隙或者频带，当非合作接收机不能获知信号占用时隙或者频带规律的时候，截获发生困难。然而近年来针对直接序列扩频技术的截获手段已经取得了较大的提高，这些传统保密方式已经远远不能满足实际需求。本发明申请人的一项申请号为“200810136939.5”，发明名称为“基于多参数四项加权分数傅立叶变换的通信加密和解密方法”的专利申请公开了一种基于多参数四项加权分数傅立叶变换的通信加密方法。在该方法中通过选取适当的变换参数QPSK经“星座分裂”后会表现出16QAM信号的形式。然而在实际使用中，当多参数四项加权分数傅立叶变换的变换参数选取保证QPSK可以分裂成为16QAM信号的形式时，此时的星座分裂是具有特定分裂规律的图1所示。图中以相同编号标识的星座点是由原始QPSK星座图的同一点分裂而得到的。因此当通信过程中的非合作接收机通过枚举等方式获知了多参数四项加权分数傅立叶变换的星座映射方式时，通信过程中的信息安全性同样要受到严重的影响。

申请号为200810136939.5、名称为：《基于多参数四项加权分数傅立叶变换的通信加密和解密方法》中提出了一种可以干扰非合作接收机，使非合作接收机对接收信号的调制方式产生混淆的保密方法（如将QPSK信号进行多参数四项加权分数傅立叶变换后会呈现出16QAM调制方式类似的星座图）。但是由于其变换的局限性，变换后的信号在星座图在结构上具有固定的映射关系，因此为了在保证继承“基于多参数四项加权分数傅立叶变换通信加密和解密方法”中提到的“星座分裂”造成的非接收机接收信号调制方式判决混淆的性质，并进一步加强信息的安全性能，提出本发明。

发明内容

本发明是为了提高现有方法在通信过程中的信息安全性能，从而提供一种基于多参数分数傅里叶变换和星座图加扰的保密通信方法。

基于多参数分数傅里叶变换和星座图加扰的保密通信方法，它由以下步骤实现：

它的信号发射方法：

步骤一、将数据源信号进行数字基带映射，获得调制后的长度为N的QPSK信号；N为正数；

步骤二、将步骤一获得的长度为N为QPSK信号进行串/并转换，获得并行数据；

步骤三、将步骤二获得的并行数据以变换参数NV，MV和α进行N点多参数加权分数傅里叶变换，获得N点变换后的数据；

步骤四、对步骤三获得的N点变换后的数据以随机扰动相位进行星座图加扰处理，获得加扰后序列；

步骤五、对步骤四获得的加扰后序列添加循环前缀，并进行并/串转换、数/模转换和上变频处理后发射至信道；

它的信号接收方法：

步骤六、接收端将接收到的信号进行下变频、模/数转换、串/并转换后，移除循环前缀，获得处理后的接收信号；

步骤七、将步骤六获得的处理后的接收信号以随机扰动相位进行星座图解扰处理，获得解扰后的序列；

步骤八、将步骤七获得的解扰后的序列以变换参数NV，MV和-α进行N点多参数加权分数傅里叶变换，获得N点变换后的数据；

步骤九、将步骤八获得的N点变换后的数据进行并/串转换，获得串行数据；

步骤十、将步骤九获得的串行数据进行数字基带解映射，获得原始数据源信号；

步骤七中随机扰动相位与步骤四中的随机扰动相位相反。

步骤三中的变换参数NV，MV和α采用变换参数产生模块产生。

步骤四中随机扰动相位采用随机扰动相位产生模块产生。

步骤七中随机扰动相位采用随机扰动相位产生模块产生。

步骤八中的变换参数NV，MV和-α采用变换参数产生模块产生。

步骤四和步骤七中所述随机扰动相位产生模块产生随机扰动相位的方法是：

采用P个扰动相位基产生模块产生P个随机扰动相位的基相位，P为大于1的整数，采用P个随机码产生模块产生P组二元伪随机序列，将所述P个随机扰动相位的基相位分别与P组二元伪随机序列相乘，然后合并为一路作为随机扰动相位后输出。

P个随机扰动相位的基相位满足条件：

P个随机扰动相位的基相位的取值为：

本发明提高了现有方法在通信过程中的信息安全性能，同比提高10%以上。同时，本发明保证了继承“基于多参数四项加权分数傅立叶变换通信加密和解密方法”中提到的“星座分裂”造成的非接收机接收信号调制方式判决混淆的性质。

附图说明

图1和图2是原始多参数加权分数傅里叶变换星座分裂示意图；

图3是基于多参数分数傅里叶变换和星座图加扰的保密通信系统框图；

图4是随机扰动相位模块的实现原理示意图；式中：曲线41为标准误码曲线；曲线42为星座加扰后，正常解扰的解调误码曲线；曲线43为按照星座映射关系进行解调的曲线（解调关系1）；曲线44为按照星座映射关系进行解调的曲线（解调关系2）；曲线45为星座加扰后，错误解扰的解调误码曲线；

图5是具体实施方式一中误码曲线对比图；

图6是原始QPSK信号星座图；

图7是原始QPSK信号只经过WFRFT变换后的星座改图星座图；

图8和图9是原始QPSK信号在进行加扰时的加扰相位选取不同时的星座图；

图10是原始QPSK信号为非合作接收机在解扰错误，但是加权分数傅里叶反变换阶数正确时的解码星座图；

图11是合作接收机的解码星座图。

具体实施方式

具体实施方式一、基于多参数分数傅里叶变换和星座图加扰的保密通信方法，它由以下步骤实现：

在数据发送端：

步骤A、数据源经过数字基带映射后调制成为通信系统常用的QPSK信号形式。

步骤B、经基带映射后的长度为N的串行信号经串并转换模块转为并行数据。

步骤C、长度为N的并行数据在利用变换参数产生模块产生的变换参数NV，MV，α在N点多参数加权分数傅里叶变换模块中进行变换，产生N点变换后的数据。

步骤D、随机扰动相位产生模块产生随机相位序列其中m决定了随机相位序列中一个相位元素θ_k与步骤3中N点变换后的数据的对应关系。当m=1时，与步骤3中N点变换后的数据是一一对应的，当m=L，L是大于1的正整数，那么中的每个元素是与步骤3中N点变换后的数据中L个相邻的元素对应的。

步骤E、将步骤3中产生的N点变换后的数据利用步骤4中产生的随机相位序列在星座图加扰模块中进行加扰处理，产生N点加扰后的序列。加扰过程根据进行处理，其中S(n)代表步骤3中的N点变换后的数据的第n个元素。为N点加扰后的序列的第n个元素；

步骤F、N点加扰后的序列在经过添加循环前缀以及并串转换后经数模转换以及上变频发射进入信道。

在数据接收端：

步骤G、将接收到的信号进行下变频处理得到下变频处理后的信号。

步骤H、将步骤G中得到的下变频处理后的信号进行滤波处理以及模数转换，获得变换后的数字信号。

步骤I、将步骤H中得到的变换后的数字信号串并转换以及移除循环前缀处理得到N点并行的接收数据；

步骤J、在接收端的随机扰动相位产生模块产生随机相位序列按照数据发送端步骤D的产生方式产生和数据发送端产生的随机相位序列相位相反的相位序列

步骤K、将步骤I中产生的并行的接收数据利用步骤D中产生的随机相位序列在星座图加扰模块中进行解扰处理，获得N点解扰后的接收数据。解扰过程与发送端步骤E中的加扰过程保持一致。

步骤L、长度为N的解扰后的接收数据利用变换参数产生模块产生的变换参数MV，NV，-α在N点多参数加权分数傅里叶变换模块中进行变换，产生N点变换后的接收数据。

步骤M、N点变换后的接收数据经并串转换后进行数字基带解映射处理得到数字解调后的结果。

随机扰动相位产生机理：

如图4所示，随机扰动相位产生模块主要由两部分组成，一个是扰动相位基产生模块，以及P个伪随机码产生模块。其中P为大于1的正整数。

扰动相位基产生模块的功能是产生P个用以产生随机扰动相位的基相位。该相位可以随意进行设置，且满足条件：典型的，该相位基的取值为

P个随机码产生模块的功能为随机产生P组二元伪随机序列，序列元素中选取。

随机扰动相位模块产生的扰动相位θ_k与扰动相位基以及C_p,k的关系满足：

以下以具体仿真实验验证本发明的效果：

图5中可以以看出在不进行星座图加扰的情况下，假设非合作接收机已知晓通信过程中的星座映射关系时，在高信噪比下非合作接收机还是可以勉强的对通信信号进行解调，表现在误码曲线上观察，相当于标准误码曲线向右进行平移的结果，即未进行星座图加扰的多参数加权分数傅里叶变换对非合作接收机的效果表现为等效信噪比的降低，这种降低在高信噪比环境下，为通信信息安全带来了极大的隐患。

但是经过星座图加扰之后，正常通信的接收方可以对接收信号正确解扰从而无失真的恢复原始信号，而对于非合作接收机而言由于加扰信号的随机性，从而导致其无法正确的对接收信号进行解扰。从而导致截获过程完全失效。

并且由于其加扰过程的安全性由P个伪随机码进行保证，这也就决定了即使非合作接收机知晓其接受信号是经过星座图加扰后的结果，从技术层面上也是无法通过穷举法对加扰相位序列进行强行破解，从而保证了非合作接收机难以检测和截获通信信号。

图6至11给出了经加权分数傅里叶变换以及星座加扰处理后的星座图。图6为原始QPSK信号星座；

图7为只经过WFRFT变换后的星座改图星座分布与图1的星座分布相同；图8和图9为经过WFRFT以及星座加扰后的星座图，该图中的星座分布已经没有了图1中所指出的相关关系。并且由于图8与图9在进行加扰时的加扰相位选取不同其结果星座图的表现形式也有很大的不同。

图10为非合作接收机在解扰错误，但是加权分数傅里叶反变换阶数正确时的解码星座；

图11为合作接收机的解码星座。

通过图10和图11对比可以看出通过星座加扰后，系统的加密性能进一步提高，只有在接收机在解扰正确并采用正确阶数的加权分数傅里叶反变换的情况下才能正确解调数据。

Claims (6)

1.基于多参数分数傅里叶变换和星座图加扰的保密通信方法，它由以下步骤实现：

它的信号发射方法：

步骤一、将数据源信号进行数字基带映射，获得调制后的长度为N的QPSK信号；N为正数；

步骤二、将步骤一获得的长度为N为QPSK信号进行串/并转换，获得并行数据；

步骤三、将步骤二获得的并行数据以变换参数NV，MV和α进行N点多参数加权分数傅里叶变换，获得N点变换后的数据；

步骤四、对步骤三获得的N点变换后的数据以随机扰动相位进行星座图加扰处理，获得加扰后序列；

步骤五、对步骤四获得的加扰后序列添加循环前缀，并进行并/串转换、数/模转换和上变频处理后发射至信道；

它的信号接收方法：

步骤六、接收端将接收到的信号进行下变频、模/数转换、串/并转换后，移除循环前缀，获得处理后的接收信号；

步骤七、将步骤六获得的处理后的接收信号以随机扰动相位进行星座图解扰处理，获得解扰后的序列；

步骤八、将步骤七获得的解扰后的序列以变换参数NV，MV和-α进行N点多参数加权分数傅里叶变换，获得N点变换后的数据；

步骤九、将步骤八获得的N点变换后的数据进行并/串转换，获得串行数据；

步骤十、将步骤九获得的串行数据进行数字基带解映射，获得原始数据源信号；

步骤七中随机扰动相位与步骤四中的随机扰动相位相反；

步骤八中的变换参数NV，MV和-α采用变换参数产生模块产生；

其特征是：

步骤四和步骤七中所述随机扰动相位产生模块产生随机扰动相位的方法是：

采用P个扰动相位基产生模块产生P个随机扰动相位的基相位，P为大于1的整数，采用P个随机码产生模块产生P组二元伪随机序列，将所述P个随机扰动相位的基相位分别与P组二元伪随机序列相乘，然后合并为一路作为随机扰动相位后输出。

2.根据权利要求1所述的基于多参数分数傅里叶变换和星座图加扰的保密通信方法，其特征在于步骤三中的变换参数NV，MV和α采用变换参数产生模块产生。

3.根据权利要求1所述的基于多参数分数傅里叶变换和星座图加扰的保密通信方法，其特征在于步骤四中随机扰动相位采用随机扰动相位产生模块产生。

4.根据权利要求3所述的基于多参数分数傅里叶变换和星座图加扰的保密通信方法，其特征在于步骤七中随机扰动相位采用随机扰动相位产生模块产生。

5.根据权利要求1所述的基于多参数分数傅里叶变换和星座图加扰的保密通信方法，其特征在于P个随机扰动相位的基相位满足条件：

6.根据权利要求5所述的基于多参数分数傅里叶变换和星座图加扰的保密通信方法，其特征在于P个随机扰动相位的基相位的取值为：