CN108768443B - 基于随机信号的扩谱参数捷变方法 - Google Patents

基于随机信号的扩谱参数捷变方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于随机信号的扩谱参数捷变方法。该方法包括：合法发送方获取信道信息并向合法接收方发送本地生成的初始随机信号；合法发送方根据信道信息和初始随机信号生成第一随机信号；合法接收方将接收信号作为第二随机信号，接收信号包含初始随机信号和信道信息；合法发送方和合法接收方采用相同量化方式分别对第一随机信号和第二随机信号进行量化，生成第一随机序列和第二随机序列；合法通信双方根据第一随机序列和第二随机序列进行一致性协商，各自在本地生成一致序列；合法通信双方根据所述一致序列各自在本地生成扩谱码。本发明通过利用接收信号的随机性生成时变扩谱码，达到扩谱参数捷变的目的，提高了扩谱通信的隐秘性和安全性。

Description

基于随机信号的扩谱参数捷变方法
技术领域
本发明涉及扩谱通信技术领域，尤其涉及基于随机信号的扩谱参数捷变方法。
背景技术
扩谱包括直接序列扩频、跳频、超宽带等扩展频谱技术。所谓扩展频谱通信是一种信息传输方式，其所传输信号占用的频带宽度远大于所传输信号必需的最小带宽。虽然谱资源(如频谱资源)十分珍贵，但是通过谱扩展能够满足特定条件下的通信需求。例如，扩频通信将信息在远大于信号带宽的频带上进行频率扩展，将扩频信号的功率谱密度压缩到噪声门限之下，合法通信双方通过预分配的扩谱码可以实现信息恢复，而对于第三方攻击者而言则十分困难，因此具有良好的隐蔽性能。除此之外，扩谱通信还可以对抗码间串扰、窄带干扰、抗多径衰落、频谱共享等性能。作为扩谱通信的关键技术，扩谱码对于扩谱通信性能至关重要。
现有扩谱码通常采用具有周期性的伪随机序列，而周期性的存在使得扩谱信号具备一定规律，为攻击者提供了便利。为了实现高安全等级的扩谱通信，要求私密信息传输过程中采用时变的扩谱码。而且当前扩谱码的预分配和更新过程通常采用公钥方式实现。但是在许多场景(如存在海量低储能、低计算性能、临近节点频繁切换的物联网)中，扩谱码的预分配、存储和更新面临前所未有的挑战，进而限制了扩谱通信的应用。
发明内容
针对扩谱码的短周期性以及扩谱码更新的需求，本发明提供一种基于随机信号的扩谱参数捷变方法，使合法通信双方利用接收信号的共享随机性生成时变扩谱码。
本发明提供一种基于随机信号的扩谱参数捷变方法，该方法包括：
步骤1、合法发送方获取信道信息并向合法接收方发送本地生成的初始随机信号；
步骤2、合法发送方根据所述信道信息和所述初始随机信号生成第一随机信号；
步骤3、合法接收方将接收信号作为第二随机信号，所述接收信号包含初始随机信号和所述信道信息；
步骤4、合法发送方和合法接收方采用相同量化方式分别对第一随机信号和第二随机信号进行量化，生成第一随机序列和第二随机序列；
步骤5、合法通信双方根据所述第一随机序列和所述第二随机序列进行一致性协商，生成一致序列；
步骤6、合法通信双方根据所述一致序列生成扩谱码。
进一步地，所述步骤1中的合法发送方获取信道信息具体为：
合法发送方根据合法通信双方所在系统的系统通信体制设计信道信息获取方式，所述系统通信体制包括TDD通信和FDD通信。
进一步地，所述初始随机信号服从高斯分布或服从均匀分布。
进一步地，在步骤1之前还包括：合法发送方根据待发送保密信息的数据量和/或合法通信双方所在系统的安全需求，确定初始随机信号的信号分布方式。
进一步地，所述步骤2具体为：合法发送方将所述初始随机信号和所述信道信息进行卷积运算生成第一随机信号。
进一步地，所述步骤6具体包括：
步骤61：合法通信双方将所述一致序列进行私密放大，得到种子序列；
步骤62：合法通信双方根据所述种子序列，生成扩谱码。
本发明的有益效果：
本发明提供了基于随机信号的扩谱参数捷变方法，合法通信双方可以利用接收信号的共享随机性生成一致的随机序列，用于生成时变扩谱码，实现合法通信双方之间变扩谱码的扩谱通信。通过调整合法发送方在本地生成的随机信号的分布，可以控制接收信号的分布，实现随机性可控、多安全等级的扩谱通信。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于随机信号的扩谱参数捷变方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的在TDD系统中单发送节点和单接收节点场景下的基于随机信号的扩谱参数捷变方法的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的在TDD系统中单发送节点和多接收节点场景下的基于随机信号的扩谱参数捷变方法的流程示意图；
图4为本发明实施例提供的在FDD系统中单发送节点和单接收节点场景下的基于随机信号的扩谱参数捷变方法的流程示意图；
图5为本发明实施例提供的在FDD系统中单发送节点和多接收节点场景下的基于随机信号的扩谱参数捷变方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的基于随机信号的扩谱参数捷变方法的流程示意图。如图1所示，该方法包括以下步骤：
S101、合法发送方获取信道信息并向合法接收方发送本地生成的初始随机信号；
具体地，本发明实施例中的合法通信双方所在系统可以是TDD通信系统，也可以是FDD通信系统；所述信道信息可以是下行信道信息，可以是上行信道信息或者上下行信道信息的某种组合；所述初始随机信号具有一定的分布方式，例如服从高斯分布、均匀分布；合法发送方可以根据合法通信双方之间的信道信息在本地生成具有合适分布方式的初始随机信号；合法发送方也可以不参考信道信息，自行选取初始随机信号的分布方式。
S102、合法发送方根据所述信道信息和所述初始随机信号生成第一随机信号；
S103、合法接收方将接收信号作为第二随机信号，所述接收信号包含初始随机信号和所述信道信息；
在信道相关时间内，步骤S101中合法发送方获取的信道信息与其向合法接收方发送本地生成的初始随机信号时的信道信息相同，则合法接收方的接收信号与第一随机信号具有很强的相关性，因此合法接收方将接收信号作为第二随机信号。
S104、合法发送方和合法接收方采用相同量化方式分别对第一随机信号和第二随机信号进行量化，生成第一随机序列和第二随机序列；
具体地，合法通信双方采用相同的量化方式，例如均匀量化方式、非均匀量化方式或阈值量化方式对上述两个随机信号进行量化：合法发送方对第一随机信号进行量化，在本地生成第一随机序列；合法发送方对第二随机信号进行量化，在本地生成第二随机序列。
S105、合法通信双方根据所述第一随机序列和所述第二随机序列进行一致性协商，各自在本地生成一致序列；
具体地，在步骤S104之后，合法通信双方各自就本地的第一随机序列和第二随机序列进行协商，分别在本地生成一个相同的随机序列，即一致序列；本步骤中的一致性协商方式包括但不限于物理层安全密钥一致性协商过程中采用的方式，例如差错控制编码。
S106、合法通信双方根据所述一致序列各自在本地生成扩谱码。
具体地，合法发送方根据本地的一致序列生成扩谱码，合法接收方根据本地的一致序列生成扩谱码。本步骤中，合法通信双方可以采用包括但不限于将一致序列映射为本元多项式进而生成扩谱码以及将一致序列作为扰动项按照混沌映射(如Logistic法、耦合映射格子法、Chebyshev法)生成扩谱码的方式。由于步骤S104中产生随机序列(第一随机序列和第二随机序列)的随机性，所以本步骤中产生的扩谱码具有时变性质。
本发明实施例提供的基于随机信号的扩谱参数捷变方法，将随机信号以及合法通信双方之间的信道作为生成随机序列的共享随机源，由于二者均具有随机性，从而进一步增加了随机序列的随机性，而采用该随机序列生成的扩谱码进行扩谱通信，大大增强了合法通信双方间的隐秘性和安全性。
在上述实施例的基础上，该方法所述步骤S101中的合法发送方获取信道信息具体为：
合法发送方根据合法通信双方所在系统的系统通信体制设计信道信息获取方式，所述系统通信体制包括TDD通信和FDD通信。
具体而言，对于TDD系统，由于无线信道的互易性，可以通过合法接收方向合法发送方发送导频序列的方式获取，详见图2和图3所示的实施例；对于FDD系统，可以通过多次交互的方式获取信道信息，详见图4和图5所示的实施例。
在上述实施例的基础上，在步骤S101之前还包括：
合法发送方根据待发送保密信息的数据量和/或合法通信双方所在系统的安全需求，确定初始随机信号的信号分布方式。
具体地，合法发送方在本地生成的随机信号的分布可以根据信道的信道信息的分布进行联合设计，也可以独立设计。由于合法接收方的接收信号是该初始随机信号与信道的卷积，因此通过设计初始随机信号的分布，可以控制接收信号的分布。即通过调整随机信号的分布，可以使得卷积后得到的复合随机源的熵的大小不同。扩谱码生成的快慢由共享随机源的熵的大小决定，熵越大扩谱码生成越快。由于不同安全通信场景中对于扩谱码数量和更新的需求不同，因此通过调整步骤S101中合法发送方在本地生成的初始随机信号的分布，可以控制用于生成扩谱码的共享随机源的熵，进而实现多安全等级的扩谱码生成。
在上述各实施例的基础上，该方法中的所述步骤S102具体为：
合法发送方将所述初始随机信号和所述信道信息进行卷积运算生成第一随机信号。
在上述各实施例的基础上，所述步骤S106具体包括：
步骤1061：合法通信双方将所述一致序列进行私密放大，得到种子序列；
具体地，本步骤中，合法通信双方用于私密放大的方法包括但不限于HASH算法。
步骤1062：合法通信双方根据所述种子序列，生成扩谱码。
下面通过合法通信双方在4种不同应用场景中生成时变扩谱码的方式来进一步解释本发明的原理。
图2为本发明实施例提供的在TDD系统中单发送节点和单接收节点场景下的基于随机信号的扩谱参数捷变方法的流程示意图，如图2所示，该方法包括下列步骤：
步骤100：合法接收方发送导频序列，合法发送方利用接收的导频序列估计合法接收方到合法发送方之间的信道信息h；
此步骤中，合法发送方可以采用但不限于LS，MMSE信道估计方法获取信道信息。
步骤200：合法发送方按照某种分布(如高斯分布、均匀分布)发送初始随机信号s，合法接收方收到包含噪声项n的具有随机性的接收信号hs+n；
此步骤中，初始随机信号s的分布可以根据无线信道分布生成也可以独立生成。
步骤300：合法通信双方利用相同的量化方案，合法发送方量化hs，合法接收方量化hs+n，得到具有相关性的私密随机序列对；
此步骤中，合法通信双方可以采用包括但不限于均匀量化、非均匀量化、阈值量化方法。
步骤400：合法通信双方对具有相关性的私密随机序列对进行一致性协商；
此步骤中，合法通信双方可采用包括但不限于物理层安全密钥一致性协商过程中采用的方法，如差错控制编码。
步骤500：合法通信双方对协商一致之后的一致序列进行私密放大，得到种子序列；
该步骤中，合法通信双方用于私密放大的方法包括但不限于HASH算法。
步骤600：合法通信双方根据步骤500中生成的种子序列，生成扩谱码；
此步骤中，合法通信双方可以采用包括但是不限于将步骤500中生成的种子序列映射为本元多项式进而生成扩谱码或者将种子序列作为扰动项按照混沌映射(如Logistic法、耦合映射格子法、Chebyshev法)生成扩谱码的方式。由于步骤300中产生随机序列的随机性，所以此步骤中产生的扩谱码具有时变的性质。
步骤700：合法发送方根据需要发送的保密信息的数据量以及系统的安全需求判断是否需要增加或者更新扩谱码，若需要则从步骤100重新开始。
图3为本发明实施例提供的在TDD系统中单发送节点和多接收节点场景下的基于随机信号的扩谱参数捷变方法的流程示意图，如图3所示，此时系统中存在N个需要时变扩谱码的接收节点，该方法包括下列步骤：
步骤100：合法接收方发送导频序列，合法发送方利用接收的导频序列估计合法接收方到合法发送方之间的信道信息hi,i＝1,2,...,N；
此步骤中，为了使合法发送方能够准确估计N个合法接收方与自身的信道信息，可以采用包括但不限于多个合法接收方发送相互正交导频序列的方式、合法接收方逐个发送导频序列的方案进行信道估计；合法发送方可以采用包括但不限于LS，MMSE信道估计方法获取信道信息。
步骤200：合法发送方按照某种分布(如高斯分布、均匀分布)发送随机信号s，合法接收方收到包含噪声项ni的具有随机性的接收信号his+ni；
步骤300：合法通信双方利用相同的量化方案，合法发送方量化his，合法接收方量化his+ni，得到具有相关性的私密随机序列对；
此步骤中，合法通信双方可以采用包括但不限于均匀量化、非均匀量化、阈值量化方法。
步骤400：合法通信双方对具有相关性的私密随机序列对进行一致性协商；
此步骤中，合法发送方与多个合法接收方协商一致序列时，可以采用包括但是不限于逐个与合法接收方进行协商、在多路并行信道上与多个合法接收方进行协商；协商过程中可采用包括但不限于物理层安全密钥一致性协商的方法，如差错控制编码。
步骤500：合法通信双方对协商一致之后的一致序列进行私密放大，得到种子序列；
该步骤中，合法通信双方用于私密放大的方法包括但不限于HASH算法。
步骤600：合法通信双方根据步骤500中生成的种子序列，生成扩谱码；
此步骤中，合法通信双方可以采用包括但是不限于将步骤500中生成的种子序列映射为本元多项式进而生成扩谱码或者将种子序列作为扰动项按照混沌映射(如Logistic法、耦合映射格子法、Chebyshev法)生成扩谱码的方式。由于步骤300中产生随机序列的随机性，所以此步骤中产生的扩谱码具有时变的性质。
步骤700：合法发送方根据需要发送的保密信息的数据量以及系统的安全需求判断是否需要增加或者更新扩谱码，若需要则从步骤100重新开始。
图4为本发明实施例提供的在FDD系统中单发送节点和单接收节点场景下的基于随机信号的扩谱参数捷变方法的流程示意图，如图4所示，该方法包括下列步骤：
步骤100：合法发送方发送公开导频p，合法接收方接收到habp并估计出信道信息hab；
此步骤中，合法发送方可以采用但不限于LS，MMSE信道估计方法获取信道信息。
步骤200：合法接收方按照某种分布发送随机信号s，并发送s/hab，合法发送方收到hbas/hab；
步骤300：合法发送方转发hbas/hab，合法接收方接收到hbas；
步骤400：合法接收方发送步骤200中产生的随机信号s，合法发送方收到hbas；
步骤500：合法通信双方利用相同的量化方案，合法发送方和合法接收方量化hbas，得到具有相关性的私密随机序列对；
此步骤中，合法通信双方可以采用包括但不限于均匀量化、非均匀量化、阈值量化方法。
步骤600：合法通信双方对具有相关性的私密随机序列进行一致性协商；
此步骤中，合法通信双方可采用包括但不限于物理层安全密钥一致性协商过程中采用的方法，如差错控制编码。
步骤700：合法通信双方对协商一致之后的一致序列进行私密放大，得到种子序列；
该步骤中，合法通信双方用于私密放大的方法包括但不限于HASH算法。
步骤800：合法通信双方根据步骤700中生成的种子序列，生成扩谱码；
此步骤中，合法通信双方可以采用包括但是不限于将步骤700中生成的种子序列映射为本元多项式进而生成扩谱码或将种子序列作为扰动项按照混沌映射(如Logistic法、耦合映射格子法、Chebyshev法)生成扩谱码的方式。由于步骤500中产生随机序列的随机性，所以此步骤中产生的扩谱码具有时变的性质。
步骤900：合法发送方根据需要发送的保密信息的数据量以及系统的安全需求判断是否需要增加或者更新扩谱码，若需要则从步骤100重新开始。
图5为本发明实施例提供的在FDD系统中单发送节点和多接收节点场景下的基于随机信号的扩谱参数捷变方法的流程示意图，如图5所示，此时系统中存在N个需要时变扩谱码的接收节点。一种可行的方案是N个节点依次按照图4中所述步骤生成时变扩谱码。
按照上述流程，合法通信双方利用接收信号(包含无线信道和随机信号随机性)生成时变扩谱码，达到扩谱参数捷变的目的。
由上述内容可知，本发明所提供的基于随机信号的扩谱参数捷变方法可适用于以下场景：(1)可用于军事通信、商密通信、敌境内(如使领馆)通信、远洋通信等高保密通信场景；(2)可以适用于TDD和FDD系统；(3)可用于点对点通信场景；(4)可用于点对多点通信，即以发方为中心节点或基站，具有多个接收方节点或用户的星形结构无线通信系统，包括但不限于物联网、无线传感器网络等无线通信场景。
本发明提供的基于随机信号的扩谱参数捷变方法，相对于传统的扩谱参数捷变方案具有以下优点：
1.该扩谱参数捷变方法利用无线信道或接收信号(包含无线信道信息和随机发送信号)的熵，生成时变的扩谱码；
2.该扩谱参数捷变方法可以根据系统对于扩谱码需求的不同，通过在合法发送方调整初始随机信号的分布方式控制接收信号的随机性，从而控制共享随机源的熵，进而生成多安全等级的扩谱码。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.基于随机信号的扩谱参数捷变方法，其特征在于，包括：
步骤1、合法发送方根据待发送保密信息的数据量和/或合法通信双方所在系统的安全需求，确定初始随机信号的信号分布方式；合法发送方获取信道信息并向合法接收方发送本地生成的初始随机信号；
步骤2、合法发送方根据所述信道信息和所述初始随机信号生成第一随机信号；
步骤3、合法接收方将接收信号作为第二随机信号，所述接收信号包含所述初始随机信号和所述信道信息；
步骤4、合法发送方和合法接收方采用相同量化方式分别对第一随机信号和第二随机信号进行量化，生成第一随机序列和第二随机序列；量化方式包括：均匀量化、非均匀量化和阈值量化；
步骤5、合法通信双方根据所述第一随机序列和所述第二随机序列进行一致性协商，各自在本地生成一致序列；
步骤6、合法通信双方根据所述一致序列各自在本地生成扩谱码，包括：步骤61：合法通信双方将所述一致序列进行私密放大，得到种子序列；步骤62：合法通信双方根据所述种子序列，生成扩谱码。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中的合法发送方获取信道信息具体为：
合法发送方根据合法通信双方所在系统的系统通信体制设计信道信息获取方式，所述系统通信体制包括TDD通信和FDD通信。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述初始随机信号服从高斯分布或服从均匀分布。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
合法发送方将所述初始随机信号和所述信道信息进行卷积运算生成第一随机信号。
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