CN110011760B - 一种基于声波的全双工多载波近场通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于声波的全双工多载波近场通信方法，所述方法包括以下步骤：在近场通信的发送端对原始数据加密后进行信源编码，信道编码，OFDM调制、升频，并将升频后的OFDM调制信号嵌入到载体音频中通过扬声装置发送，在传输数据的同时，达到掩盖噪声的；在接收端通过收音装置接收声波信号，通过降频，带通滤波器，OFDM解调后得到数据基带信号，最后通过信道译码、信源译码获得原始数据。本发明通过多载波调制和频分全双工技术提高近场通信的实时性，通过采用AES加解密算法，利用硬件设备固有的特性和信道瞬时状态信息联合的方法确保了秘钥生成的唯一性，提高了近场通信的安全性。

Description

一种基于声波的全双工多载波近场通信方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域，更具体地，涉及一种基于声波的全双工多载波近场通信方法。
背景技术
随着近年来智能终端的迅猛发展，基于RFID及互连技术的近场通信(Near FieldCommunication，NFC)芯片逐渐成为标配，并在移动支付等领域发挥重要作用。
近年来基于声波近场通信的研究与应用开发日益增多，其优势在于可以突破传统NFC芯片的约束，利用智能终端强大的处理器和麦克风扬声器，以软件无线电的方式实现近场通信功能，从而降低了硬件成本，并克服了厂商间不同NFC标准的约束。
当前基于声波NFC的技术，主要的调制方式是频移键控(Frequency-ShiftKeying，FSK)，并在声波的悦耳层面上加以优化，并未考虑到数据传输中的安全问题。然而在实际应用中，由于声波NFC信道的频率选择性衰落特性，以及支付、设备握手等情况下对于数据安全性、实时性的需求，需要一种高速、安全、双向的数据通信方式。
发明内容
本发明为克服上述现有技术中近场通信方法安全性和实时性不高的缺陷，提供一种基于声波的全双工多载波近场通信方法。
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：
一种基于声波的全双工多载波近场通信方法，所述方法包括以下步骤：
S1:近场通信发送端将待发送数据加密后进行信源编码、信道编码、数字调制得到待发送数据流，待发送数据流进行串并转换得到若干路并行信号；
从载体音频中提取频谱包络利用带通滤波器截取近场通信频段的包络用于对每一路并行信号进行OFDM子载波调制得到每一路并行信号的频域信号，
将频域信号进行逆向快速傅里叶变换得到时域调制信号同时加入循环前缀得到OFDM调制信号，将OFDM调制信号升频；
S2:将升频后的OFDM调制信号嵌入到截取包络频段后的载体音频中得到合成声波信号并通过发送端的扬声装置发送出去；
S3:近场通信的接收端在工作区域内通过收音装置接收合成声波信号，将合成声波信号经过降频后进行带通滤波得到基带OFDM信号；将基带OFDM信号去除循环前缀后进行快速傅里叶变换解调得到并行数据信号流，将并行数据信号流进行并串转换后得到数字基带信号，将数字基带信号进行数字解调、信道解码、信源译码后得到发加密的发送数据，将加密的解密得到原始的发送数据。
本发明中通过加入循环前缀用来抵抗OFDM符号间干扰；近场通信中OFDM波形通过扬声装置发出的是一段窄带噪音，对周围环境造成不必要的影响，采用功率控制的方式从载体音频中利用线性预测或傅里叶变换的截取用于近场通信频段的载体音频频谱包络，与OFDM的子载波点对点相乘来调制OFDM的功率谱之后再嵌入到音频信号里一起通过扬声器装置发送出去。
进一步地，所述加密和解密采用的AES加解密算法，所述AES加解密算法的密钥生产过程如下：
在发送端通过Chirp信号获取近场通信信道瞬时频率响应，从瞬时频率响应中提取8个字节，分别从发送端扬声装置的固有频率响应和接收端收音装置的固有频率响应中各提取4个字节，组成16字节的秘钥。
本发明基于近场通信的带宽限制，选取128位的AES算法，利用扬声装置和收音装置的硬件设备的固定的静态频率特征和信道瞬时状态信息来联合生成密钥，因此产生的密钥具有唯一性、实时性，不规律性，所生成的密钥通过移动通信网络或者WiFi局域网发送给接收端进行解密。
进一步地，所述近场通信信道为时变信道，在不同时刻利用Chirp序列对近场通信信道进行测量，所述近场通信信道频率响应具有不同的特性，提取近场通信信道频率响应中8个字节作为密钥的组成部分；所述Chirp序列为：
Figure GDA0002513748100000021
Figure GDA0002513748100000031
其中N的取值由信道的最大时延扩展和多普勒频移确定，取N＝1024；B为信号的带宽，取22050Hz；fs为系统采样率，取44100Hz；w n为时间窗函数，用于减少测试信号自相关函数的旁瓣；αN＝α*N，α为升余弦函数的滚降系数，α＝0.05；
在近场通信的接收端对Chirp序列取自相关再进行傅里叶变换得到近场通信信道的频率响应，所述频率响应为固定长度的双字节型序列数组，将双字节型序列数组分解为8段数组，每段数组取中心值，然后对8个中心值取整、求模运算得到8个字节的特征值。
进一步地，所述信源编码为RS编码，所述信源译码为RS译码，所述信道编码和信道译码采用为DBPSK调制解调，所述数字调制采用OFDM调制。
进一步地，OFDM调制中采用1024个点的IFFT运算，循环前缀长度为600个采样点，带宽为1.6khz，OFDM调制信号通过乘以一个中心频率为7.2kHz的正弦波升频。
进一步地，所述近场通信方法中的一个发送端和一个接收端为一个单向通信组，两个单项通信组构成一个全双工通信组。
进一步地，所述全双工通信组内的两个单向通信链路采用不同的中心频率点作为全双工通信两个带宽的中心频点，两个全双工通信频带之间留有1.2Khz的频带作为防止信号功率带外泄露的保护间隔。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明通过多载波调制和频分全双工技术提高近场通信的实时性，通过采用AES加解密算法，利用硬件设备固有的特性和信道瞬时状态信息来联合生成密钥提高了近场通信的安全性。
附图说明
图1为带有功率控制的基于OFDM的声波近场通信基带系统框图。
图2为声波NFC归一化信道频率响应图。
图3为本发明在物理层加入安全机制后的系统架构示意图。
图4为中心频率是10Khz的信号波形图。
图5为中心频率是7.2Khz的信号波形图。
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所示为带有功率控制的基于OFDM的声波近场通信基带系统框图，本实施例中发送端采用扬声器作为扬声装置，接收端采用麦克风作为收音装置，如图2所示，声波NFC归一化信道频率响应图，由于声波近场通信信道特性为频率选择性衰落采用多载波调制能够在频域内将起伏的衰落信道划分为许多个正交子信道，在每个子信道内衰落近似平坦。因此本发明采用OFDM调制，在OFDM调制中采用1024个点的逆向快速傅里叶变换(IFFT)运算，循环前缀长度为600个采样点，带宽为1.6khz，OFDM调制信号通过乘以一个中心频率为7.2kHz的正弦波升频。
一种基于声波的全双工多载波近场通信方法，所述方法包括以下步骤：
S1:近场通信发送端将待发送数据加密后进行RS编码、DBPSK调制进行信道编码得到待发送数据流，待发送数据流进行串并转换得到若干路并行信号；
从载体音频中利用线性预测或傅里叶变换提取频谱包络利用带通滤波器截取近场通信频段的包络用于对每一路并行信号进行OFDM子载波调制得到每一路并行信号的频域信号，
将频域信号进行逆向快速傅里叶变换得到时域调制信号同时加入循环前缀得到OFDM调制信号，将OFDM调制信号升频；
S2:将升频后的OFDM调制信号嵌入到截取包络频段后的载体音频中得到合成声波信号并通过发送端的扬声装置发送出去；
S3:近场通信的接收端在工作区域内通过收音装置接收合成声波信号，将合成声波信号经过降频后进行带通滤波得到基带OFDM信号；将基带OFDM信号去除循环前缀后进行快速傅里叶变换解调得到并行数据信号流，将并行数据信号流进行并串转换后得到数字基带信号，将数字基带信号进行数字解调、信道解码、信源译码后得到发加密的发送数据，将加密的解密得到原始的发送数据。
本发明中通过加入循环前缀用来抵抗OFDM符号间干扰；近场通信中OFDM波形通过扬声装置发出的是一段窄带噪音，对周围环境造成不必要的影响，采用功率控制的方式从载体音频中利用线性预测或傅里叶变换的截取用于近场通信频段的载体音频频谱包络，与OFDM的子载波点对点相乘来调制OFDM的功率谱之后再嵌入到音频信号里一起通过扬声器装置发送出去。
图3为本发明在物理层加入安全机制后的系统架构示意图，本实施例中物理层采用的AES加解密算法对原数据进行加解密，所述AES加解密算法的密钥生产过程如下：
在发送端通过Chirp信号获取近场通信信道瞬时频率响应，从瞬时频率响应中提取8个字节，分别从发送端扬声装置的固有频率响应和接收端收音装置的固有频率响应中各提取4个字节，组成16字节的秘钥。
本发明基于近场通信的带宽限制，选取128位的AES算法，本发明利用扬声装置和收音装置的硬件设备的固定的静态频率特征和信道瞬时状态信息来联合生成密钥，因此产生的密钥具有唯一性、实时性，不规律性，所生成的密钥通过移动通信网络或者WiFi局域网发送给接收端进行解密。
进一步地，所述近场通信信道为时变信道，在不同时刻利用Chirp序列对近场通信信道进行测量，所述近场通信信道频率响应具有不同的特性，提取近场通信信道频率响应中8个字节作为密钥的组成部分；所述Chirp序列为：
Figure GDA0002513748100000051
Figure GDA0002513748100000052
其中N的取值由信道的最大时延扩展和多普勒频移确定，取N＝1024；B为信号的带宽，取22050Hz；fs为系统采样率，取44100Hz；w n为时间窗函数，用于减少测试信号自相关函数的旁瓣；αN＝α*N，α为升余弦函数的滚降系数，α＝0.05；
在近场通信的接收端对Chirp序列取自相关再进行傅里叶变换得到近场通信信道的频率响应，所述频率响应为固定长度的双字节型序列数组，将双字节型序列数组分解为8段数组，每段数组取中心值，然后对8个中心值取整、求模运算得到8个字节的特征值。
本实施例中，所述近场通信方法中的一个发送端和一个接收端为一个单向通信组，两个单项通信组构成一个全双工通信组。
本实施例中，所述全双工通信组内的两个单向通信链路采用不同的中心频率点作为全双工通信两个带宽的中心频点，两个全双工通信频带之间留有1.2Khz的频带作为防止信号功率带外泄露的保护间隔。
本发明采用的是基于频分的全双工通信方式。由于声波近场通信信道受到周围环境背景噪声的影响和麦克风扬声器等物理硬件频率响应的限制，在通信频带的选择上需要有如下考虑：
第一，在极其嘈杂的室外环境下，经过测试后背景噪声频谱中能量主要集中在6KHz以下，为避免噪声干扰，通信的最低频率需要选择在6kHz以上；
第二，普通智能终端设备上的扬声装置频率响应在13KHz以上就开始产生严重的衰减，因此选择13Khz以下的频段进行传输能够使得通信具有较好的鲁棒性。本发明信号带宽接近1.6Khz，采用中心频率为7.2Khz和10Khz两个频点作为全双工通信的两个链路的中心频点，中间留有1.2Khz的频带作为防止信号功率带外泄露的保护间隔。其频域波形图如图5所示。
本发明通过多载波调制和频分全双工技术提高近场通信的实时性，通过采用AES加解密算法，利用硬件设备固有的特性和信道瞬时状态信息来联合生成密钥提高了近场通信的安全性。
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 (5)

1.一种基于声波的全双工多载波近场通信方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1:近场通信发送端将待发送数据加密后进行信源编码、信道编码、数字调制得到待发送数据流，待发送数据流进行串并转换得到若干路并行信号；
从载体音频中提取频谱包络利用带通滤波器截取近场通信频段的包络用于对每一路并行信号进行子载波调制得到每一路并行信号的频域信号，
将频域信号进行逆向快速傅里叶变换得到时域调制信号同时加入循环前缀得到OFDM调制信号，将OFDM调制信号升频；
S2:将升频后的OFDM调制信号嵌入到截取包络频段后的载体音频中得到合成声波信号并通过发送端的扬声装置发送出去；
S3:近场通信的接收端在工作区域内通过收音装置接收合成声波信号，将合成声波信号经过降频后进行带通滤波得到基带OFDM信号；将基带OFDM信号去除循环前缀后进行快速傅里叶变换解调得到并行数据信号流，将并行数据信号流进行并串转换后得到数字基带信号，将数字基带信号进行数字解调、信道解码、信源译码后得到发加密的发送数据，将加密的解密得到原始的发送数据；
所述加密和解密采用的AES加解密算法，所述AES加解密算法的密钥生产过程如下：
在发送端通过Chirp信号获取近场通信信道瞬时频率响应，从瞬时频率响应中提取8个字节，分别从发送端扬声装置的固有频率响应和接收端收音装置的固有频率响应中各提取4个字节，组成16字节的秘钥；
所述近场通信信道为时变信道，在不同时刻利用Chirp序列对近场通信信道进行测量，所述近场通信信道频率响应具有不同的特性，提取近场通信信道频率响应中8个字节作为密钥的组成部分；所述Chirp序列为：
Figure FDA0002470715610000011
Figure FDA0002470715610000021
其中N的取值由信道的最大时延扩展和多普勒频移确定，B为信号的带宽，fs为系统采样率，w n为时间窗函数，αN＝α*N，α为升余弦函数的滚降系数；
在近场通信的接收端对Chirp序列取自相关再进行傅里叶变换得到近场通信信道的频率响应，所述频率响应为固定长度的双字节型序列数组，将双字节型序列数组分解为8段数组，每段数组取中心值，然后对8个中心值取整、求模运算得到8个字节的特征值。
2.根据权利要求1所述的一种基于声波的全双工多载波近场通信方法，其特征在于，所述信源编码为RS编码，所述信源译码为RS译码，所述信道编码和信道译码采用为DBPSK调制解调，所述数字调制采用OFDM调制。
3.根据权利要求2所述的一种基于声波的全双工多载波近场通信方法，其特征在于，OFDM调制中采用1024个点的IFFT运算，循环前缀长度为600个采样点，带宽为1.6khz，OFDM调制信号通过乘以一个中心频率为7.2kHz的正弦波升频。
4.根据权利要求1所述的一种基于声波的全双工多载波近场通信方法，其特征在于，所述近场通信方法中的一个发送端和一个接收端为一个单向通信组，两个单项通信组构成一个全双工通信组。
5.根据权利要求4所述的一种基于声波的全双工多载波近场通信方法，其特征在于，所述全双工通信组内的两个单向通信链路采用不同的中心频率点作为全双工通信两个带宽的中心频点，两个全双工通信频带之间留有1.2Khz的频带作为防止信号功率带外泄露的保护间隔。
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