CN110011749B - 一种在多载波调制中基于声波相消干涉的物理层安全通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在多载波调制中基于声波相消干涉的物理层安全通信方法，包括：构建由两个固定声源在平面内产生的等相位差的点构成的轨迹方程，并化成双曲线的标准方程，确定声波相消干涉双曲线的个数；利用波程差∈定义通信安全区域；固定波程差∈，确认子载波的频率分配；固定子载波间隔分析波程差∈的分布；利用子载波的频率和波程差分布特点分析相消干涉区域内信号泄露的功率，通过在接收端加入人工噪声掩盖发送端经过相消干涉后在安全区域内泄露的信号功率，接收端从接收信号中去除人工噪声后解调出信号，窃听者对人工噪声未知，无法去除噪声获取信号。本发明基于多载波调制，根据声波相消的干涉原理构造通信安全区域，提高数据传输安全性。

Description

一种在多载波调制中基于声波相消干涉的物理层安全通信 方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，更具体地，涉及一种在多载波调制中基于声波相消干涉的物理层安全通信方法。

背景技术

近年来随着声波近场通信技术(Acoustic Near Field Communication，A-NFC)的发展，在移动支付、设备连接、智能家居等领域得到了迅速的普及和应用。声波近场通信技术可以进行小数据量的数据通信，例如传输支付用户ID、设备握手连接等，可以取代部分二维码的应用。声波近场通信技术无需像二维码那样要进行打开App扫码、摄像头对焦等繁琐操作，也客服了二维码在被人为损坏之后无法进行扫码的致命缺点。

目前市场上应用的声波NFC技术并没有数据传输安全方面的考虑，所传输的数据都是不需要加密的信息，如链接、用户ID等。这极大地限制了声波NFC 的应用场景。

受到麦克风和扬声器硬件特性的限制，声波近场通信可用的带宽很小，实时性要求高，因此基于传统秘钥加密的方法并不适用。随着近几年智能终端越来越多的使用双扬声器，本发明提出一种基于声波相消干涉的物理层安全通信方法：它基于多载波调制，利用两个扬声器同时发送相同的信号，根据声波的相消干涉原理，通过设计子载波的频率间隔，使得相消干涉区域在空间内无缝拼接，从而使得窃听者在自由空间中的任意一点总是有一些子载波收不到，进而无法获取有效信息，实现了数据的安全传输。

发明内容

本发明为克服上述现有的声波近场通信中数据传输安全性不足的缺陷，提供一种方法。

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。

本发明的首要目的是为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种在多载波调制中基于声波相消干涉的物理层安全通信方法，所述方法包括：

S1：构建由两个固定声源在平面内产生的等相位差的点构成的轨迹方程，根据声波相消干涉的定义将轨迹方程化成双曲线的标准方程，同时确定声波相消干涉双曲线的个数；

S2：在相消干涉双曲线中利用设定的波程差∈定义通信安全区域；

S3：固定波程差∈，确认相消干涉双曲线中子载波的频率分配；

S4：固定相消干涉双曲线中子载波间隔分析波程差∈的分布；

S5：利用步骤S3和步骤S4的子载波分布的频率分布特点和波程差分布特点分析相消干涉区域内信号泄露的功率，通过在发送信号中加入人工噪声掩盖泄露的信号功率，接收端从接收信号中去除已知的人工噪声后解调出信号。

进一步地，所述两个固定声源在平面内产生的等相位差的点构成的轨迹方程如下：

其中，c为两个固定声源在X轴上的坐标，λ为波长，v₀为声波在空气中传播的速度340m/s，f为当前载波的频率，k为实数，表示波程差因子，k取奇数的时候为干涉相消，k取偶数的时候为干涉相涨；

所述双曲线的标准方程如下：

其中，

进一步地，在声波近场通信中，f的最高值为22050，设定c＝1，则k的上限为259.411，此时相消干涉双曲线的个数N为k/2＝129个，基于快速傅里叶变换的多载波调制要求，子载波个数应为2的n次方，则N取128。

进一步地，当波程差为∈，通信安全区域为

k为波程差因子，k取奇数，λ为波长。在本发明中通信安全区域内载波频率信号的功率较小，若通信信道存在噪声，且噪声功率高于通信安全区域的信号功率，则此时信噪比小于 0dB，此时窃听者无法解调出信号。在多载波通信中，通过改变N个载波的频率，将N个通信安全区域无缝拼接起来在全空间内构成一个很大的通信安全区域。

进一步地，固定波程差∈，相消干涉双曲线中子载波的频率分配具体如下：

将Y轴同一侧的相消干涉双曲线第一条和第二条之间的区域按照波程差均匀分成n份，设定第1个子载波频率为f₁，第i个子载波的频率f_i有如下关系：

其中1≤i≤n

其中，λ_i表示第i个子载波的波长，整理得

相消干涉的双曲线数目设为N个，则其中第j条相消干涉双曲线和第j+1条相消干涉双曲线之间的第i个子载波频率记为f_ji，则其表达式为：

其中，i取值范围是1到n之间的整数；在通信频段内共有N条干涉相消双曲线，j取值范围是1到N-1之间的整数；f_(j-1)8为上一个相消干涉双曲线的最后一个通信安全区域的频率。

进一步地，设定子载波间隔为固定值Δf，子载波个数N，N＝2ⁿ，相消干涉双曲线与X轴相交的点为

其中k为奇数，k为波程差因子，v₀为声波在空气中传播的速度340m/s，f为当前载波的频率，根据相消干涉区域拼接的原理，第i个子载波的相消干涉线经过∈_i的波程差后刚好是第i+1个子载波的相消干涉线，因此有：

其中，λ_i为第i个子载波的波长，化简得波程差∈_i的表示如下：

其中，i＝1，2，3..N-1。基于快速傅里叶变换的多载波调制子载波的间隔均为固定的因此需要确认在固定子载波间隔时波程差的分布。

进一步地，由于波程差∈的存在，导致不能完全干涉相消，相消干涉区域存在信号功率泄露，设定P点为相消干涉的一处，两个固定声源发出正弦波的振幅分别为S₁和S₂，

和

分别为各自的出相，在P点处的合信号为S，振幅为P，相位差为

r₁和r₂和分别表示两个固定声源到P点处的距离，r₂-r₁就是两个固定声源到P点处的波程差：

若两个固定声源发送的是单位振幅和初始相位相同的正弦波，则

将

带入

得到：

因此P点处信号的平均功率为：

在发送端发送信号中加入人工噪声，所述人工噪声为高斯白噪声，所述高斯白噪声的平均功率大于信号的平均功率P_avg。

进一步地，在声波近场通信中，发送端的发射功率为P₀，接收端的自干扰噪声e_j为高斯白噪声，所述自干扰噪声的平均功率为

周围环境的背景噪声e_n为高斯白噪声，所述背景噪声的平均功率为

设定发送者到接收者的信道增益为 h_t，发送者到窃听者的信道增益为g_t，接收者到窃听者的信道增益为h_be，接收者的自干扰信道增益为h_bb，接收者的信道输出为Y，窃听者的信道输出为Z，则在t时刻，对于发射信号x_t，Y和Z有如下关系：

在平均功率P₀的约束下，声波近场通信传输系统的保密容量C_s为：

固定波程差∈时声波近场通信传输系统的保密容量分析如下：

设定∈为1/8波长时，当窃听者处于保密区域内的任意位置P处并且发送端双扬声器每个发射功率都为单位功率时，一个波程差之内的8个子载波平均功率P₁为：

整数个波程差在P处的平均功率均为P₁，令接收者处于发送者的双麦克风的中间位置，一直处于干涉的幅度叠加区域，此时接收者接收端的信号功率为2，系统保密容量接收者端自干扰噪声e_j的关系为：

固定子载波间隔时声波近场通信传输系统的保密容量分析如下：

当最高子载波频率为20000Hz，并且子载波间距相等时，20-20kHz之间共有N个子载波，则通信安全区域内任意一点上所有子载波的平均功率为：

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明基于多载波调制在近场通信的发送端通过两个固定声源发送相同的信号，根据声波相消的干涉原理，设计子载波的频率间隔，使得相消干涉区域在空间内无缝拼接，使得窃听者在自由空间中的任意一点总是有子载波收不到，进而无法解调出有效信息，确保数据传输的安全性。

附图说明

图1为声波干涉的示意图。

图2为声波相消干涉区域拼接示意图。

图3为波程差∈为1/8个波长时子载波的频率分布图。

图4为波程差∈为1/8个波长时空间内通信安全区域分布图。

图5为当子载波个数N＝128时各个子载波间波程差∈的分布图。

图6为空间任意一点处信号泄露功率随∈的变化规律图。

图7为基于声波相消干涉和人工噪声联合的物理层安全方法原理图。

图8为系统保密容量随Bob端自干扰功率变化关系图。

图9为不同子载波个数条件下系统保密容量和自干扰噪声功率的关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1所示，一种在多载波调制中基于声波相消干涉的物理层安全通信方法，所述方法包括：

S1：构建由两个固定声源在平面内产生的等相位差的点构成的轨迹方程，根据声波相消干涉的定义将轨迹方程化成双曲线的标准方程，同时确定声波相消干涉双曲线的个数；

本实施例中，如图1所示为声波干涉的示意图，所述两个固定声源在平面内产生的等相位差的点构成的轨迹方程如下：

其中，c为两个固定声源在X轴上的坐标，λ为波长，v₀为声波在空气中传播的速度340m/s，f为当前载波的频率，k为实数，表示波程差因子，k取奇数的时候为干涉相消，k取偶数的时候为干涉相涨；

所述双曲线的标准方程如下：

其中，

在声波近场通信中，f的最高值为22050，设定c＝1，则k的上限为259.411，此时相消干涉双曲线的个数N为k/2＝129个，基于快速傅里叶变换的多载波调制要求，子载波个数应为2的n次方，则N取128。

S2：在相消干涉双曲线中利用设定的波程差∈定义通信安全区域；

当波程差为∈，通信安全区域为

k为波程差因子，k取奇数，λ为波长。在本发明中通信安全区域内载波频率信号的功率较小，若通信信道存在噪声，且噪声功率高于通信安全区域的信号功率，则此时信噪比小于0dB，此时窃听者无法解调出信号。在多载波通信中，通过改变N个载波的频率，将这N个通信安全区域无缝拼接起来在全空间内构成一个很大的通信安全区域。如图2声波相消干涉区域拼接示意图。

S3：固定波程差∈，确认相消干涉双曲线中子载波的频率分配；

本实施例中，固定波程差∈，相消干涉双曲线中子载波的频率分配具体如下：

将Y轴同一侧的相消干涉双曲线第一条和第二条之间的区域按照波程差均匀分成n份，设定第1个子载波频率为f₁，第i个子载波的频率f_i有如下关系：

其中1≤i≤n

其中，λ_i表示第i个子载波的波长，整理得

相消干涉的双曲线数目设为N个，则其中第j条相消干涉双曲线和第j+1条相消干涉双曲线之间的第i个子载波频率记为f_ji，则其表达式为：

其中，i取值范围是1到n之间的整数；在通信频段内共有N条干涉相消双曲线， j取值范围是1到N-1之间的整数；f_(j-1)8为上一个相消干涉双曲线的最后一个通信安全区域的频率。

在声波近场通信场景中，频率范围在20-20000Hz的音频频段内，波程差∈为 1/8波长(即n＝8)时，各个子载波频率分布如图3所示，工作的频段在20-20000Hz 之间，将这一频段分成7组相消干涉双曲线，每组之间由8个相消干涉区域拼接而成。由于第50个子载波的频率为20.6146Hz，而第51个子载波的频率为 17.2840<20Hz，因此，只需要50个子载波就能在平面内无缝拼接成通信安全区域。如图4所示，当波程差∈为1/8个波长时空间内通信安全区域分布图。

S4：固定相消干涉双曲线中子载波间隔分析波程差∈的分布；

设定子载波间隔为固定值Δf，子载波个数N，N＝2ⁿ，相消干涉双曲线与X 轴相交的点为

其中k为奇数，k为波程差因子，v₀为声波在空气中传播的速度340m/s，f为当前载波的频率，根据相消干涉区域拼接的原理，第i个子载波的相消干涉线经过∈_i的波程差后刚好是第i+1个子载波的相消干涉线，因此有：

其中，λ_i为第i个子载波的波长，化简得波程差∈_i的表示如下：

其中，其中i＝1，2，3..N-1。基于FFT的多载波调制子载波的间隔均为固定的因此需要确认在固定子载波间隔时波程差的分布。当N＝128时，各个子载波之间的波程差∈_i的分布如图5所示。

以声波进场通信20-20000Hz的音频频带为例，将次频带均匀分成N份，每个子载波频率间隔相同。假设∈_i小于1/8个波长的时候是合理的。则当N的总数大于8时，总是有最低频的8个子载波达不到要求。因此在这种情况下，在通信的过程中应当舍弃频率最低的8个子载波，利用其他的子载波来传输信息。

S5：利用步骤S3和步骤S4的子载波分布的频率分布特点和波程差分布特点分析相消干涉区域内信号泄露的功率，通过在发送信号中加入人工噪声掩盖泄露的信号功率，接收端从接收信号中去除已知的人工噪声后解调出信号。

本实施例中，由于波程差∈的存在，导致不能完全干涉相消，相消干涉区域存在信号功率泄露，设定P点为干涉相消的一处，两个固定声源发出正弦波的振幅分别为S₁和S₂，

和

分别为各自的出相，在P点处的合信号为S，振幅为 P，相位差为

r₁和r₂和分别表示两个固定声源到P点处的距离，r₂-r₁就是两个固定声源到P点处的波程差：

若两个固定声源发送的是单位振幅和初始相位相同的正弦波，则

将

带入

得到：

因此P点处信号的平均功率为：

在发送端发送信号中加入人工噪声，所述人工噪声为高斯白噪声，所述高斯白噪声的平均功率大于信号的平均功率P_avg，使得安全区域内的信噪比小于0dB，从而使得窃听者无法有效解调出信号。如图6所示为空间任意一点处信号泄露功率随∈的变化规律图。如图7所示基于声波相消干涉和人工噪声联合的物理层安全方法原理图。

本实施例中，在声波近场通信场景下，发送端的发射功率为P₀受限，接收端的自干扰噪声e_j为高斯白噪声，所述自干扰噪声的平均功率为

周围环境的背景噪声e_n为高斯白噪声，所述背景噪声的平均功率为

设定发送者到接收者的信道增益为h_t，发送者到窃听者的信道增益为h_t，接收者到窃听者的信道增益为h_be，接收者的自干扰信道增益为h_bb，接收者的信道输出为Y，窃听者的信道输出为Z，则在t时刻，对于发射信号x_t，Y和Z有如下关系：

在平均功率P₀的约束下，声波近场通信传输系统的保密容量C_s为：

固定波程差∈时声波近场通信传输系统的保密容量分析如下：

设定∈为1/8波长时，当窃听者处于保密区域内的任意位置P处并且发送端双扬声器每个发射功率都为单位功率时，一个波程差之内的8个子载波平均功率P₁为：

整数个波程差在P处的平均功率均为P₁，令接收者处于发送者的双麦克风的中间位置，一直处于干涉的幅度叠加区域，此时接收者的接收端信号功率为2，声波近场通信传输系统保密容量与接收者的接收端自干扰噪声e_j的关系为：

令周围环境背景高斯白噪声e_j的功率

进行数值仿真计算后，如图8 所示。当发送者总发射功率为1时，在相同的干扰噪声功率下，基于相消干涉方法具有更高的系统安全容量，或者在达到相同的保密容量前提下，相消干涉方法所需要发送者发射的人工噪声功率更低。当发送者发射总功率为2时，基于相消干涉方法具有更高的系统安全容量；此外在相同的干扰噪声功率下，发送者发射功率为1时，基于相消干涉的方法能取得和发送者发射功率为2时相同的安全容量。

固定子载波间隔时传输系统的保密容量分析如下：

当最高子载波频率为20000Hz，并且子载波间距相等时，20-20kHz之间共有N个子载波，则通信安全区域内任意一点上所有子载波的平均功率为：

由图9可知，在声波近场通信带宽的限制下，随着子载波数N值的增加，声波近场通信传输系统的保密容量会较快地增长到接近极限，但是不论N增大到多少，系统保密容量都不会超过上限。当发射功率相同，并且子载波间隔固定的情况下，本发明方法会比传统自干扰消除方法在相同保密容量下，需要更低的 Bob端自干扰噪声功率；在相同的自干扰噪声功率时，本发明方法会比传统自干扰消除方法在具有更高的保密容量。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种在多载波调制中基于声波相消干涉的物理层安全通信方法，其特征在于，所述方法包括：

S1：构建由两个固定声源在平面内产生的等相位差的点构成的轨迹方程，根据声波相消干涉的定义将所述轨迹方程化成双曲线的标准方程，同时确定声波相消干涉双曲线的个数；

S2：在相消干涉双曲线中利用设定的波程差∈定义通信安全区域，当波程差为∈，通信安全区域为

k为波程差因子，k取奇数，λ为波长；

S3：固定波程差∈，确认相消干涉双曲线中子载波的频率分配；

固定波程差∈，相消干涉双曲线中子载波的频率分配具体如下：

将Y轴同一侧的相消干涉双曲线第一条和第二条之间的区域按照波程差均匀分成n份，设定第1个子载波频率为f₁，第i个子载波的频率f_i有如下关系：

其中1≤i≤n

其中，λ_i表示第i个子载波的波长，整理得

相消干涉的双曲线数目设为N个，则其中第j条相消干涉双曲线和第j+1条相消干涉双曲线之间的第i个子载波频率记为f_ji，则其表达式为：

其中，i取值范围是1到n之间的整数；在通信频段内共有N条干涉相消双曲线，j取值范围是1到N-1之间的整数；f_(j-1)8为上一个相消干涉双曲线的最后一个通信安全区域的频率；

S4：固定相消干涉双曲线中子载波间隔分析波程差∈的分布；

设定子载波间隔为固定值Δf，子载波个数N，N＝2ⁿ，相消干涉双曲线与X轴相交的点为

其中k为奇数，k为波程差因子，v₀为声波在空气中传播的速度340m/s，f为当前载波的频率，λ为波长，根据相消干涉区域拼接的原理，第i个子载波的相消干涉线经过∈_i的波程差后刚好是第i+1个子载波的相消干涉线，因此有：

其中，λ_i为第i个子载波的波长，化简得波程差∈_i的表示如下：

其中，i＝1，2，3..N-1；

S5：利用步骤S3和步骤S4的子载波分布的频率分布特点和波程差分布特点分析相消干涉区域内信号泄露的功率，通过在发送信号中加入人工噪声掩盖泄露的信号功率，接收端从接收信号中去除已知的人工噪声后解调出信号；

相消干涉区域存在信号功率泄露，设定P点为相消干涉的一处，两个固定声源发出正弦波的振幅分别为S₁和S₂，

和

分别为各自的出相，在P点处的合信号为S，振幅为P，相位差为

r₁和r₂和分别表示两个固定声源到P点处的距离，r₂-r₁就是两个固定声源到P点处的波程差：

若两个固定声源发送的是单位振幅和初始相位相同的正弦波，则

将

带入

得到：

因此P点处信号的平均功率为：

在发送端发送信号中加入人工噪声，所述人工噪声为高斯白噪声，所述高斯白噪声的平均功率大于发送信号的平均功率P_avg。

2.根据权利要求1所述的一种在多载波调制中基于声波相消干涉的物理层安全通信方法，其特征在于，所述两个固定声源在平面内产生的等相位差的点构成的轨迹方程如下：

其中，c为两个固定声源在X轴上的坐标，λ为波长，v₀为声波在空气中传播的速度340m/s，f为当前载波的频率，k为实数，表示波程差因子，k取奇数的时候为干涉相消，k取偶数的时候为干涉相涨；

所述双曲线的标准方程如下：

其中，

3.根据权利要求2所述的一种在多载波调制中基于声波相消干涉的物理层安全通信方法，其特征在于，在声波近场通信中，f的最高值为22050，设定c＝1，则k的上限为259.411，此时相消干涉双曲线的个数N为k/2＝129个，基于快速傅里叶变换的多载波调制要求，子载波个数应为2的n次方，则N取128。

4.根据权利要求1所述的一种在多载波调制中基于声波相消干涉的物理层安全通信方法，其特征在于，在声波近场通信中，发送端的发射功率为P₀，接收端的自干扰噪声e_j为高斯白噪声，所述自干扰噪声的平均功率为

周围环境的背景噪声e_n为高斯白噪声，所述背景噪声的平均功率为

设定发送者到接收者的信道增益为h_t，发送者到窃听者的信道增益为g_t，接收者到窃听者的信道增益为h_be，接收者的自干扰信道增益为h_bb，接收者的信道输出为Y，窃听者的信道输出为Z，则在t时刻，对于发射信号x_t，Y和Z有如下关系：

在平均功率P₀的约束下，声波近场通信传输系统的保密容量C_s为：

固定波程差∈时声波近场通信传输系统的保密容量分析如下：

设定∈为1/8波长时，当窃听者处于保密区域内的任意位置P处并且发送端双扬声器每个发射功率都为单位功率时，一个波程差之内的8个子载波平均功率P₁为：

整数个波程差在P处的平均功率均为P₁，令接收者处于发送者的双麦克风的中间位置，一直处于干涉的幅度叠加区域，此时接收者的接收端的信号功率为2，声波近场通信传输系统保密容量与接收者的接收端自干扰噪声e_j的关系为：

固定子载波间隔时声波近场通信传输系统的保密容量分析如下：

当最高子载波频率为20000Hz，并且子载波间距相等时，20-20kHz之间共有N个子载波，则通信安全区域内任意一点上所有子载波的平均功率为：

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