CN110300449B

CN110300449B - 一种基于伪多径的安全通信方法及装置

Info

Publication number: CN110300449B
Application number: CN201910680405.7A
Authority: CN
Inventors: 刘轶伦; 谭琪; 王杨; 朱立东
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China; CETC 54 Research Institute
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China; CETC 54 Research Institute
Priority date: 2019-07-26
Filing date: 2019-07-26
Publication date: 2022-01-11
Anticipated expiration: 2039-07-26
Also published as: CN110300449A

Abstract

本发明提出了一种全新的利用伪多径的安全通信方法及装置，属于无线通信领域。该方法在发射端时输入要发送的信息序列进行串并转换，得到子信息序列；接着对所述子信息序列进行多径编码；然后设定功率传输矩阵的参数，并将编码后的信息序列通过所述功率传输矩阵进行功率复用处理；最后将所述处理之后的信息序列进行传输。在接收端接收到处理过的信号后，进行去噪、解调处理，再根据设定的功率复用矩阵参数来解出发送的信息序列，完成整个通信过程。在这个过程中，我们人为地引入并利用了多径效应，改变了信号的瞬时功率和幅度，使窃听方的误码率增加，从物理层面上达到了保密通信的效果。综上所述，我方通信的安全性得以保障。

Description

一种基于伪多径的安全通信方法及装置

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种利用人为的多径效应即伪多径效应来掩盖我方信号、实现安全通信的方法及装置。

背景技术

当前主流的通信方式是扩频通信，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列(一般是伪随机码)来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据。

但现在扩频通信技术，尤其是直接序列扩频技术已经不再具备安全性，容易被敌方利用扩频码的设计漏洞截获并破译。为了提高安全性，根据敌方现有的截获技术都利用扩频码平稳特性，设计非平稳的扩频码是一种可行的方案，但是非平稳信号的同步问题难以解决。为了实现同步，之前已有人已经提出了基于大信号遮蔽的隐蔽通信技术，该技术通过降低隐蔽信号的SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)，诱导敌方截获我方的大信号，从而达到“隐蔽”的效果。大信号遮蔽技术的优势在于便于我方设计非平稳的扩频码，并利用大信号实现信号检测和同步。

然而，基于大信号掩盖的隐蔽通信技术有两个问题：第一，大信号已经暴露了我方，“诱导”敌方截获能不能成功还是未知数。第二，扩频码的设计存在问题，即使扩频码是非平稳的，也不能保证扩频码就具备不被截获的特性，即敌方的截获技术如果不再依赖平稳性，我方就需要设计新的扩频码。因此，扩频只是实现通信安全一种途径，不可迷信于依靠扩频码的设计便能实现安全通信。

综上所述，本发明提出一种利用伪多径效应来进行安全通信的方法及装置，在该种信号传输模式下，安全性不再依靠扩频技术，而是依赖于特定的功率复用方式，这种复用方式可以看作是对“多径效应”的一种利用，大大提高了信号传输的安全性。

发明内容

本发明的目的在于提出一种全新的安全通信方法及装置，来避免被敌方利用扩频码的设计漏洞截获并破译。该方法是在同一时刻、同一频率传输两个或者更多信号，在接收端接收到的信号则会对应含有两种信号及更多成分，其中后接收到的一种是先接受到的一种的多径形式，也可以说后者是前者的伪多径。引入的伪多径信号可以对有用信号进行遮盖，敌方若想截获我方信号，则必须首先获知我方的信号传输模式以及功率复用矩阵参数；然而对敌方来说，这两种信息的获取都十分困难，因此，我方通信的安全性得以保障。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供一种基于伪多径的安全通信发射方法，其所述方法包括：

步骤一：输入要发送的信息序列进行串并转换，得到子信息序列；

步骤二：对步骤一所述子信息序列进行多径编码；

步骤三：设定功率传输矩阵的参数，并将所述步骤二多径编码后的信息序列通过所述功率传输矩阵进行功率复用处理；

步骤四：将步骤三所述处理之后的信息序列进行传输。

优选的，所述步骤一,输入要发送的信息序列,长度为K,以N比特为一组进行串并转换,得到K/N个长度为N的子信息序列，其中N以及K/N为正整数。

优选的，所述步骤二,对所述子信息序列均按每个比特被重复两次，最后一个比特重复一次的方式进行编码,即将子信息序列

编码为信息序列

其中

优选的，所述步骤三,所述功率传输矩阵为：

其中a_i+b_i＝1,a_i＞0,b_i＞0,i∈N⁺，P的每一行对应为每个时隙传输的功率复用参数；所述处理信息序列是将信息序列

处理为信息序列

优选的，所述步骤四,在每个时隙依次进行传输是按照第一个时隙传输

第二个时隙以功率复用的方式传输

第三个时隙以功率复用的方式传输

以此类推，直至将整个信息序列传输完毕。

本发明提供一种基于伪多径的安全通信接收方法，所述方法包括：

S1：根据接收到的传输信号，去噪解调出功率传输矩阵处理过后的信息序列；

S2：根据步骤三所述功率传输矩阵解出信息序列；

本发明还提供一种基于伪多径的安全通信发射装置，所述装置包括：串并转换模块，多径编码模块，功率复用模块，传输模块；

所述串并转换模块对要输入要发送的信息序列进行串并转换，得到子信息序列；

所述多径编码模块对所述子信息序列进行多径编码；

所述功率复用模块对功率传输矩阵的参数进行设定，并将编码后的信息序列通过所述功率传输矩阵进行功率复用处理；

所述传输模块对所述处理之后的信息序列进行传输发送。

本发明还提供一种基于伪多径的安全通信接收装置，所述装置包括：信号接收模块，去噪解调模块，运算模块；

所述信号接收模块对传输的信号进行接收；

所述去噪解调模块对接收信号进行去噪解调处理；

所述运算模块对所述处理过的信号根据功率传输矩阵解出信息序列。

本发明还提供一种电子设备，包括至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述任一项所述的方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

采用本发明的方法及装置，可以在不使用扩频码的条件下，仅通过利用人为多径效应进行功率复用的方式，改变了信号的瞬时功率和幅度，使得敌方在不知道我方功率复用矩阵的情况下，无法破译我方传输的信息，达到保密通信的要求。本发明方法及装置可以克服扩频保密通信易被破解的缺点，同时本发明对功率的控制更加灵活。

附图说明：

附图1是本发明安全通信方法的完整流程图；

附图2是本发明的信号传输流程图；

附图3是本发明的信号接收流程图；

附图4是本发明的基于伪多径效应的信号传输模型图；

附图5是本发明提供的一种基于伪多径的安全通信发射装置结构示意图；

附图6是本发明提供的一种基于伪多径的安全通信接收装置结构示意图；

附图7是本发明提供的电子设备的结构示意图；

具体实施方式

下面将结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

本发明提出的一种基于伪多径效应的安全通信方法是一种无需扩频码便能进行安全通信的方法，是一种同时同频的通信技术，属于功率复用技术的衍生品，并且，与扩频技术是兼容的，在该种信号传输模式下，安全性不再依靠扩频技术，而是依赖于特定的功率复用方式，这种复用方式可以看作是对“多径效应”的一种利用，大大提高了信号传输的安全性。同时从多径的角度看，我们人为地引入并利用了多径效应，改变了信号的瞬时功率和幅度，从物理层面上达到了保密通信的效果。值得注意的是，这里的后续处理流程不再包括扩频码处理，但同时本发明能够与扩频码兼容，即通过我们对发送方传输方式的设计，不再依赖扩频的方法进行保密通信，而本发明的安全通信方法的完整流程图如附图1所示。

设我方待传输的信息序列为{I_k},k＝0,1,…,K-1，发射端将按照如下步骤对信息序列进行处理：

步骤一：对信息序列{I_k},k＝0,1,…,K-1，以N比特为一组，进行串并转换，得到K/N个长度为N的子信息序列，设为

其中

为正整数。其中，所述串并转换长度N在实际运用中的选择要在考虑系统对保密程度的要求(即被敌方截获的概率)、我方恢复信息的难易程度、以及对系统复杂性和有效性、可靠性的要求等方面之后进行确定。

步骤二：对步骤一中得到的每个子信息序列

均按如下方式编码。设

对

进行特定的多径编码，得到编码后的序列为

即每个比特被重复两次，最后一个比特重复一次。

步骤三：根据我方对本次通信的要求，确定功率传输矩阵：

其中a_i+b_i＝1,a_i＞0,b_i＞0,i∈N⁺，P的每一行对应为每个时隙传输的功率复用参数。然后将所述信息序列

处理为信息序列

步骤四：在每个时隙依次进行传输是按照第一个时隙传输

第二个时隙以功率复用的方式传输

第三个时隙以功率复用的方式传输

以此类推，直至将所有比特传输完毕；整个信息序列的处理流程如附图2所示。

在发射端发出信息序列，接收端将按照如下步骤对信息序列进行处理：

步骤一：接收端接收到处理过的信号后，进行去噪、解调、译码处理。

步骤二：根据发送时设定的信号传输模式以及功率复用矩阵参数来将处理之后的信号进行解密，从而得到发送的信息序列{I_k},k＝0,1,…,K-1，完成整个通信过程，其具体流程如附图3所示。

具体实施实例1：假设串并转换的长度为4，即每个

的长度为4，以传输

为例。假设

进行多径编码后得到

类比无线通信中多径的定义，我们可以把符号序列x₂,x₃,x₄称为是符号序列x₁,x₂,x₃的“伪多径”。

设功率传输矩阵为：

其对应的信号传输模型如附图4所示。

则在4个时隙上传输的信号分别为：

接着再对y₁,y₂,y₃,y₄进行编码、调制等基本的通信流程处理后依次发送。

接收方的情况分为我方、敌方的两种情况分别讨论。

对我方来说，对接收到的信号进行基本的通信接收流程，包括去噪、解调、译码等，得到

接下来解线性方程组便可得到

在整个接收过程中，只增加了解线性方程组的步骤。

对敌方来说，在不知道我方传输方式的情况下，仅能得到

不能得到我们真实的信号，难以破解出真实的信息，对我方通信的安全性不会构成威胁。即使敌方知道了我方的利用伪多径效应的传输方式，也很难获得功率传输矩阵，这是因为功率传输矩阵的取值是无限的，难以通过穷举的方式得到，使得我方通信的安全性仍然能够得到可靠保证。

相应于上述安全通信方法，本发明实施例还提供了一种信号处理的装置。下面对本发明实施例所提供的一种信号处理装置进行介绍。

如附图5，一种基于伪多径的安全通信发射装置，所述装置包括：串并转换模块，多径编码模块，功率复用模块，传输模块；

所述多径编码模块对所述子信息序列进行多径编码；

所述传输模块对所述处理之后的信息序列进行传输发送。

如附图6，一种基于伪多径的安全通信接收装置，所述装置包括：信号接收模块，去噪解调模块，运算模块；

所述信号接收模块对传输的信号进行接收；

所述去噪解调模块对接收信号进行去噪解调处理；

如附图7，一种电子设备，包括至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行前述任一实施例所述的方法。所述输入输出接口可以包括显示器、键盘、鼠标、以及USB接口，用于输入输出数据；电源用于为电子设备提供电能。

本领域技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(Read Only Memory，ROM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

当本发明上述集成的单元以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、ROM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

需要说明的是，对于装置及电子设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，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。

以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。