CN110662219B - 基于da-aph调制保密通信方法及系统 - Google Patents

基于da-aph调制保密通信方法及系统 Download PDF

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Abstract

一种基于DA‑APH调制保密通信方法及系统，采用极化脉冲波形作为基带信号，将太赫兹频段划分为若干个带宽为Bg的子频带的集合F并从中选择用于跳频的跳频频率集Fc；根据子频带的中心频率fc以及保密通信对最大数据传输速率的约束计算得到最小脉冲组合增益Nfmin以及最小保密通信距离。本发明通过具有脉冲极化波形保证传输的可靠性和隐蔽性的同时，将跳跃频带选择在THz频带的分子吸收峰值处，利用距离和频率选择的频谱窗以及跳频机制实现THz保密通信。

Description

基于DA-APH调制保密通信方法及系统
技术领域
本发明涉及的是一种无线通信领域的技术，具体是一种基于0.03-3毫米频段太赫兹(THz)的距离自适应吸收峰跳频(Distance adaptive absorption peak hopping，DA-APH)调制保密通信方法及系统。
背景技术
随着对更高速无线链路需求的增加，太赫兹频谱因为具有非常高的传播损耗和高方向性，有望适用于物理层保密通信。然而当窃听者位于波束扇区内部时，通信隐蔽性仍然受到挑战。现有技术往往采用扩频的方式进行改进，即利用一个独特的扩频码(spreadingcode)在信号发送端在频谱上扩展信号功率，并在接收机侧对其进行解扩以恢复信息信号。但该方法以牺牲数据速率或消耗更多的频谱资源来实现隐蔽性。另有技术采用扩大两个信道之间的容量差距，即合法信道(legitimate channel)和窃听渠道(wiretap channel)之间的容量差异以获得更快速可靠的无限通信，其采用节点辅助技术(node-aided)以增加合法的信道容量，例如中继通信，或降低窃听信道容量，如人工噪声生成技术(artificialnoise generation)；但是对于友好节点的要求也会带来一些限制，因为友好节点在某些应用场景中会变得不可用。
发明内容
本发明针对窃听器位于波束区时的隐蔽性问题，提出一种基于DA-APH调制保密通信方法及系统，通过具有脉冲极化波形保证传输的可靠性和隐蔽性的同时，将跳跃频带选择在THz频带的分子吸收峰值处，利用距离和频率选择的频谱窗以及跳频机制实现THz保密通信。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于DA-APH调制保密通信的实现方法，采用极化脉冲波形作为基带信号，将太赫兹频段划分为若干个带宽为Bg的子频带的集合F并从中选择用于跳频的跳频频率集Fc；根据子频带的中心频率fc以及保密通信对最大数据传输速率的约束计算得到最小脉冲组合增益Nfmin以及最小保密通信距离。
优选地，当载波频率跳到另一个位置时，基带波形的幅度和符号持续时间也随之变化。即实现根据距离选择子频段Fc及其对应的fc，并进一步确定与跳频同步的基带波形。
优选地，本发明根据太赫兹LOS频道的信道模型的冲激响应，通过可靠性约束、传输功率限制约束和覆盖度约束计算得到的最小脉冲组合增益以设置分子吸收损失波峰处的载波频段设置。
本发明涉及一种实现上述方法的系统，包括：总控制模块、基带信号发生模块、扩频码生成模块、上转换器模块、信号发射机、信号接收机下转换器模块和相关接收机，其中：总控制模块分别与基带发生模块相连并传输功率信息、与扩频码生成模块相连并传输跳频频率集信息、与基带信号发生模块相连并传输脉冲组合增益信息，扩频码生成模块与上转换器相连并传输跳跃频率信息，基带信号发生模块与上转换器模块相连并传输基带信号信息，上转换器模块与信号发射机相连并传输待发射的无线信号信息，信号接收机从无线信道中接收到无线信号，信号接收机与下转换机相连并传输原始高频信号信息，下转换器与相关接收机相连并传输基带信号信息，相关接收机将接收到的基带信号解码从而获得传输的比特。
技术效果
与现有技术相比，本发明能够提供更高的信号隐蔽性，隐蔽性用保密通信距离来加以衡量，更短的保密通信距离表示信号的隐蔽性更强。数值结果表明，当发射功率为10dBm且传输距离超过5m时，使用DA-APH调制的保密通信距离可以减小到10m，即窃听者需要距离发射机10m或更小才能检测到传输成功。与使用随机跳频相比，这隐秘距离减少了60％。
附图说明
图1为实施例保密通信示意图；
图2为THz频段的距离变化路径损耗峰值示意图；
图3为带或不带脉冲极性的基带信号的功率谱密度示意图；
图4为吸收峰一侧的频率选择示意图；
图5为实施例候选脉冲波形示意图；
图6为实施例中不同距离下的最大数据传输速度示意图；
图7为实施例最小最小保密通信距离示意图；
图8为Rth＝0.1Gbps时的候选脉冲波形及随机跳频得到的最小安全通信距离；
图9为不同传输距离下的载波频率。
具体实施方式
如图1所示，本实施例中发送端Alice通过接收端Bob的预定频道与Bob发起无线连接。虽然在THz频段有定向传输，但传输的光束会随着移动距离的增加而增加宽度，从而形成一个光束扇区。即便具有很高的路径损耗和很强的方向性，但如果窃听端Willie位于波束区，则其也可以检测到发送至Bob的信号，从而降低信号的隐蔽性。一方面，对于Bob的可靠通信，接收到的信号强度需要超过一个阈值，例如10db。另一方面，对于隐蔽性，窃听器接收到的信号强度需要小于一个极限值，即信噪比阈值。信噪比取决于接收到的信号强度。随着传输距离的增加，接收信号强度降低，信噪比降低。
本实施例中定义dc为保密通信距离，willie的信噪比值为信噪比阈值。当Alice和Willie之间的距离超过dc时，Willie的信噪比低于信噪比阈值，即具有隐蔽性。由于保密通信可通过保密通信距离表征。因此本实施例通过DA-APH调制，以最小化保密通信距离dc，并等效地最大化图1中给定信噪比阈值的覆盖区域。
R.Tandra和A.Sahai在“用于信号检测的信噪比阈值(Snr walls for signaldetection)”(IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing,vol.2,no.1,pp.4–17,Feb 2008)中提出关于噪声功率不确定性的信噪比阈值的计算方法，由于本实施例中Willie不知道确切的噪声功率，因此通过不确定度范围估计噪声功率，具体为：
Figure BDA0002216690870000031
其中：ρ∈(1,+∞)表示不确定性，信噪比阈值则表示为γw,th＝ρ-1/ρ。由于发射端Alice采用高定向天线，因此本实施例将主要视线(LOS)光纳入Bob和Willies信道模型中(L.F.Akyildiz,j.M.Jornet,and C.Han,“太赫兹波段：无线通信的下一个前沿领域，(Terahertz band:Next frontier for wireless communications)”(PhysicalCommunication,voL 12,pp.16014))。进一步地，当视线(LOS)路径被遮挡时，在主要的传播路径的情况下进一步考察反射光线。
所述的太赫兹LOS频道的信道模型的冲激响应为h(t,d)＝αL(d)δ(t-τL)，其中：延时τL＝d/c，d为信号传输距离，c为光速，αL为频率相关衰减；在频域中αL(d)＝(c/4πfd)αAbs(f,d)e-j2πfτL，其中：c/4πfd为自由空间扩散损失，αAbs(d)为分子吸收损失，αAbs(d)＝e-1/2k(f)d，其中：分子吸收系数k是一个高度依赖于频率的参数，其取决于传播路径中准确的介质分子成分。如图2所示，为与频率相关的分子吸收衰减在THz光谱中产生的一系列路径损耗峰。
本实施例涉及的距离自适应吸收峰跳频调制DA-APH方法中发射信号的载波频率集Fc在多个离散载波频段之间跳变，作为跳频系统的扩展，本实施例设置跳频频率集Fc由距离确定：将太赫兹频段(0.06THz-2.5THz)划分为若干个带宽为Bg的子频带，例如10GHz。所有子频带组成一个集合F，从中选择用于跳频的跳频频率集Fc。所有子频带的中心频率为fc。此外，通过控制器实现基带波形与距离匹配的跳频同步。当载波频率跳到另一个位置时，基带波形的幅度和符号持续时间也随之变化。即实现根据距离选择子频段Fc及其对应的fc，并进一步确定与跳频同步的基带波形。
本实施例涉及的极化的保密基带信号，具体通过以下方式实现：由于分子吸收衰减，太赫兹频道中的频率选择性衰减会引起时间展宽效应，从而增加发射信号的每个符号的时间长度。当两个连续符号在时间域中被加宽和重叠时，就会发生码间串扰(ISI)。为了避免ISI，脉冲持续时间应该短于两个连续脉冲之间的时间间隔，例如时间间隔的1/5。此外，由于目前太赫兹器件的功率限制，优选采用纳秒脉冲的低能耗通信方案。
出于上述考虑，本实施例的保密基带信号，即传输极短脉冲的基带信号为：
Figure BDA0002216690870000041
其中：P为信号功率，g(t)为持续时间Tp且具有归一化功率的脉冲，Tf为两个连续脉冲之间的时间间隔，即帧时，Nf为单个比特位的脉冲数，即脉冲组合增益。该基带信号的占用带宽为Bg≈1/Tp，其数据速率为R＝1/TfNf，并且二进制调制信息位ai∈{1,0}，用于调整发射信号的功率谱密度(PSD)的基于伪随机脉冲的极性码pi,m∈{1,-1}。
太赫兹保密通信要求传输信号PSD具有平滑度，因为Alice不知道Willie监听和窃听的实际频段。因此，Willie接收到的信号必须保证任意频段f∈[fl,fh]的信噪比低于信噪比阈值，即：
Figure BDA0002216690870000042
其中：Sw(f)和Nw分别为在Willie处的Alice的信号及白噪声的PSD。
在太赫兹频段，基于距离相关路径损耗峰值，具有不同载波频率的无线传输会经历不同的信道衰减。当Alice通过子频段传输信号[fc-Bg/2，fc+Bg/2]∈F，最大数据速率受保密通信产生的以下三个限制：
i可靠性：Bob处信噪比需要超过可靠通信的阈值：γr≥γr,th
ii传输功率限制：传输极短脉冲的基带信号的传输功率需要低于阈值P≤Prx
iii覆盖度：Willie处的信噪比对于任何频段下均必须低于信噪比阈值γw≥γw,th，
Figure BDA0002216690870000045
由于R＝1/TfNf，最大数据速率对应于最小脉冲组合增益Nfmin。因此，本实施例以Nfmin作为评价指标表征带载波频率fc的子频带性能，即更低的Nfmin的载波频率下传输会产生更高的数据速率。
通过考虑上述约束，本实施例通过以下方式计算确定fc的最小脉冲组合增益Nfmin，即先根据约束条件i和ii推导出第一个最小组合增益，用Nfmin (1)表示。然后基于约束i和iii得出第二个最小组合增益，由Nfmin (2)表示，最后，将Nfmin (1)和Nfmin (2)结合，得到同时满足三个约束条件的最小脉冲组合增益Nfmin，具体步骤包括：
步骤1)在约束条件i中，根据传输距离dt下Alice到Bob的THz LOS信道的频率响应，Bob处的信号信噪比为：
Figure BDA0002216690870000043
其中：Nr为接收端Bob处的噪声功率谱密度，Gt和Gr分别为发射天线和接收天线的增益，通过满足约束条件i和ii，得到最小脉冲组合增益
Figure BDA0002216690870000044
步骤2)在约束条件iii中，根据窃听距离dw下的Alice到Willie的频率响应，Willie处的信噪比为：
Figure BDA0002216690870000051
其中Nw表示Willie的噪声PSD，St(f)＝PS0(f-fc)表示带载波频率的发射信号的PSD，其中S0(f)归一化基带功率谱密度函数S0(f)＝|G(f)|2了进一步将信噪比表示为：
Figure BDA0002216690870000052
由于:
Figure BDA0002216690870000053
满足约束iii的最大功率分配为：
Figure BDA0002216690870000054
因此有：
Figure BDA0002216690870000055
步骤3)最终的最小脉冲组合增益
Figure BDA0002216690870000056
吸收峰处的载波选择：
保密通信的主要挑战在于，传输可靠性和传输覆盖度应同时得到保证，即在dt处信噪比较高，而在波束区dw处信噪比较低。因此，dt和dw之间的路径损耗差△pl需要尽可能大。
在THz信道中，除了自由空间扩展损耗差20log10(dw/dt)外，还存在吸收损耗引起的附加路径损耗差。例如，在dt＝5m，dw＝10m时，扩展损耗差为6db。相比之下，在1.602THz下，分子吸收引起的衰减差为130db。吸收峰的选择偏好通过Nfmin (2)反映。
但吸收峰处的传输会带来很高的路径损耗，这需要很大的传输功率。由于发射功率的限制，不可能在吸收峰中心发射，在吸收峰的Nfmin (1)则可实现该效果。
综上，本实施例在考虑路径损耗差异和功率限制的基础上，提出了吸收峰侧的传输方案：靠近吸收区峰值为1.41Thz时，基于DA-APH算法,对于dt＝5m选择的跳频分别为[1.394THz-1.404THz]、[1.417THz-1.427THz]，而对于dt＝10m时则为[1.383THz-1.393THz]、[1.430THz-1.440THz]。
保密通信距离最小化
由于跳频的数据速率是每个子带的平均速率。因此，选择具有最小Nfmin的U子频带作为最终跳频频率集Fc，即：
Figure BDA0002216690870000057
秘密通信调制的主要目的是在数据速率达到阈值Rth即R>Rth的情况下，将保密通信距离最小化。对于固定距离的dw，本实施例按照上述方式计算最大数据速率Rmax，然后通过迭代求解速率最大化问题，得到最小dw，当最大速率Rmax达到阈值Rth时，得到dw。因此，最小保密通信距离等于dw。
本实施例对在THz频段的DA-APH调制方案进行了数值评估，包括将DA-APH调制系统的最大速率和最小保密通信距离的计算与随机频率选择的跳频方法进行了比较。
表1为列出本实施例分析中使用的物理参数。
表1
Figure BDA0002216690870000061
如图5a和图5b所示，为三种用于比较的候选脉冲波形。g1为二阶导数高斯脉冲，
Figure BDA0002216690870000062
g2为滚动系数为0.5的升余弦脉冲，g3为正弦方波
Figure BDA0002216690870000063
通过遵循III-C中的三个步骤并应用(16)，用图8中的dt＝5m评估三种脉冲波形的最大数据率与dw的关系。
本实施例计算了不同参数选择下的最小保密通信距离。当带宽为bg＝10Gbps时，通过选择速率阈值Rth＝0.1Gbps，不同传输距离的最小保密通信距离如图7(a)所示，对于不同的传输功率，图7(b)所示，对于Bob的不同阈值信噪比，图7(c)所示，对于不同的信噪比阈值。分别是。最小保密通信距离随发射功率的增大、波波部信噪比阈值的减小和信噪比壁的增大而减小。具体来说，当发射功率PTx＝10dbm，Bob处的信噪比阈值γr,th＝10db，信噪比阈值γw,th＝40db，d＝5m时能够支持Rth＝0.1gbps的最小保密通信距离为10m，即传输距离的两倍。
综上，本方法通过在THz频段的DA-APH调制，能够解决窃听者身处波束区时的安全性问题，通过极化脉冲波形模型保证传输的可靠性及针对窃听行为的隐蔽性。进而利用FHSS的优点，在THz谱中通过频谱分割和在THz谱的分子吸收峰处针对性选择跳跃频带进一步增强了覆盖性。最小保密通信距离使得当发射功率增大时，Bob处的信噪比阈值的减小而信噪比壁增大。实验表明，当发射功率为10dBm，且发射距离大于5m时，采用DA-APH调制的保密通信距离可以减小到10m，即窃听器需要离发射机10米或更小的距离才能成功检测到发射。这表明与使用随机跳频相比减少了60％。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (5)

1.一种基于距离自适应吸收峰跳频调制保密通信的实现方法，其特征在于，采用极化脉冲波形作为基带信号，将太赫兹频段划分为若干个带宽为Bg的子频带的集合F并从中选择用于跳频的跳频频率集Fc；根据所有子频带的中心频率fc以及保密通信对最大数据传输速率的约束计算得到最小脉冲组合增益Nfmin以及最小保密通信距离，即根据太赫兹LOS频道的信道模型的冲激响应，通过可靠性约束、传输功率限制约束和覆盖度约束，计算得到的最小脉冲组合增益，以设置分子吸收损失波峰处的载波频段；
所述的最大数据传输速率的约束包括：
i可靠性：Bob处信噪比需要超过可靠通信的阈值：γr≥γr,th；
ii传输功率限制：传输极短脉冲的基带信号的传输功率需要低于阈值P≤Prx；
iii覆盖度：Willie处的信噪比对于任何频段下均必须低于信噪比阈值；
所述的最小脉冲组合增益Nfmin，具体通过以下步骤得到：
步骤1)在约束条件i中，根据传输距离dt下发送端到Bob的THz LOS信道的频率响应，Bob处的信号信噪比为：
Figure FDA0002668501600000011
其中：Nr为接收端Bob处的噪声功率谱密度，Gt和Gr分别为发射天线和接收天线的增益，通过满足约束条件i和ii，得到最小脉冲组合增益
Figure FDA0002668501600000012
步骤2)在约束条件iii中，根据窃听距离dw下的发送端到Willie的频率响应，Willie处的信噪比为：
Figure FDA0002668501600000013
其中Nw表示Willie的噪声功率谱密度，St(f)＝PS0(f-fc)表示带载波频率的发射信号的功率谱密度，其中S0(f)归一化基带功率谱密度函数S0(f)＝|G(f)|2了进一步将信噪比表示为：
Figure FDA0002668501600000014
由于
Figure FDA0002668501600000015
满足约束iii的最大功率分配为：
Figure FDA0002668501600000016
则
Figure FDA0002668501600000017
步骤3)最终的最小脉冲组合增益
Figure FDA0002668501600000021
所述的最小保密通信距离，通过选择具有最小Nfmin的U子频带作为最终跳频频率集Fc，即：
Figure FDA0002668501600000022
对于固定距离的dw，计算最大数据速率Rmax，然后通过迭代求解速率最大化问题，得到最小dw，当最大速率Rmax达到阈值Rth时，得到最小保密通信距离dw。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，当载波频率跳到另一个位置时，基带波形的幅度和符号持续时间也随之变化，即实现用于跳频的跳频频率集Fc及其对应的fc，并进一步确定与跳频同步的基带波形。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是，所述的极化脉冲波形为
Figure FDA0002668501600000023
其中：P为信号功率，g(t)为持续时间Tp且具有归一化功率的脉冲，Tf为两个连续脉冲之间的时间间隔，即帧时，Nf为单个比特位的脉冲数，即脉冲组合增益，该基带信号的占用带宽为Bg≈1/Tp，其数据速率为R＝1/TfNf，并且二进制调制信息位ai∈{1,0}，用于调整发射信号的功率谱密度的基于伪随机脉冲的极性码pi,m∈{1,-1}。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的分子吸收损失波峰处的载波频段是指：靠近吸收区峰值为1.41Thz时，基于DA-APH算法，对于dt＝5m选择的跳频分别为[1.394THz-1.404THz]、[1.417THz-1.427THz]，对于dt＝10m时则为[1.383THz-1.393THz]、[1.430THz-1.440THz]。
5.一种实现权利要求1～4中任一所述方法的系统，其特征在于，包括：总控制模块、基带信号发生模块、扩频码生成模块、上转换器、信号发射机、信号接收机、下转换器和相关接收机，其中：总控制模块分别与基带信号发生模块相连并传输功率信息、与扩频码生成模块相连并传输跳频频率集信息、与基带信号发生模块相连并传输脉冲组合增益信息，扩频码生成模块与上转换器相连并传输跳跃频率信息，基带信号发生模块与上转换器相连并传输基带信号信息，上转换器与信号发射机相连并传输待发射的无线信号信息，信号接收机从无线信道中接收到无线信号，信号接收机与下转换器相连并传输原始高频信号信息，下转换器与相关接收机相连并传输基带信号信息，相关接收机将接收到的基带信号解码从而获得传输的比特。
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