CN111193682A - 一种极化状态-幅相联合调制星座旋转优化方法 - Google Patents

一种极化状态-幅相联合调制星座旋转优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种极化状态‑幅相联合调制星座旋转优化方法，属于卫星网络双极化卫星通信信息安全领域，卫星通信是全球通信的重要组成部分，其通信覆盖区域大，传输环境较为开放，信号容易被窃听，信息传输安全一直是卫星通信的基本问题。传统的信息安全主要依靠于上层(链路层，网络层)加密技术对信息加密，窃听者为了破解信息需要庞大的计算量。然而，随着计算机技术的飞速发展，依赖于计算量的加密技术受到越来越大的威胁。为克服上述问题，增强卫星通信安全性，安全传输技术已经从上层加密技术延伸到更低层。考虑传输信道存在衰落、多径、干扰以及噪声等因素，科研人员开始探索利用底层链路固有特性在实现信息安全传输方面的优势。

Description

一种极化状态-幅相联合调制星座旋转优化方法
技术领域
本发明涉及双极化卫星通信信息安全领域，具体讲是极化状态-幅相联合调制信号的优化旋转方法。
背景技术
卫星通信是全球通信的重要组成部分，其通信覆盖区域大，传输环境较为开放，信号容易被窃听，信息传输安全一直是卫星通信的基本问题。传统的信息安全主要依靠于上层(链路层，网络层)加密技术对信息加密，窃听者为了破解信息需要庞大的计算量。然而，随着计算机技术的飞速发展，依赖于计算量的加密技术受到越来越大的威胁。为克服上述问题，增强卫星通信安全性，安全传输技术已经从上层加密技术延伸到更低层。考虑传输信道存在衰落、多径、干扰以及噪声等因素，科研人员开始探索利用底层链路固有特性在实现信息安全传输方面的优势。物理层安全以信息论为指导，考虑无线信道特性，并综合了调制解调、信道编解码、多载波、多信道、多天线以及协同通信等技术特点，从传输方案设计角度研究安全通信。在满足合法用户通信性能要求的前提下，使非授权用户无法从传输信号中提取有效信息。近年来，无线通信技术迅猛发展，物理层可利用资源越来越丰富，物理层安全技术也受到广泛关注。
卫星通信中物理层安全传输技术已经取得了一定的研究成果[1-5]，公开文献中关于卫星物理层安全的研究集中在多波束卫星通信，所采用的技术包括波束形成、人工加噪以及缓存中继等方法。一方面卫星通信中，收发端距离较远，通过接收端反馈信息估计信道的方法无法及时更新信道信息，当卫星发射端接收到信道反馈信息时，信道可能已经改变，波束形成技术有一定的局限性；其次，虽然现代卫星通信技术发展在一定程度上缓解了星上功率资源受限问题，然而功率资源仍然宝贵，当未知窃听者信道信息时，为提高安全性，需要耗费功率用于发送人工噪声。与此同时，伴随着卫星通信的飞速发展，卫星频谱资源越发紧张，利用正交双极化提高频谱效率的极化信号处理技术应运而生并迅速发展。值得注意的是，基于双极化天线的双极化卫星通信系统只有正交极化两路独立信道，当用来承载极化域信息时，并无自由度进行波束形成以及设计人工噪声，如何增强双极化卫星物理层安全是亟待解决的问题，相关研究相对滞后。同时，双极化卫星MIMO通信是未来卫星通信发展重要方向之一，探索利用极化增强卫星信息传输安全性能具有重要意义和价值。
与此同时，随着多媒体技术的发展，对卫星通信系统容量提出了更高的要求。为提高卫星通信传输效率，在双极化天线基础上，我们利用载波信号的幅频域参数和极化域参数承载信息，采用极化状态-幅相联合调制信号(Polarization Amplitude-PhaseModulation，PAPM)传输信息。那么，在这种情况下，如何利用一组随机相位序列，达到最优的星座旋转效果，是我们研究的重点。
发明内容
本发明的目的是为了在双极化卫星通信场景下，采用极化状态-幅相联合调制信号传输信息，如何利用一组随机相位序列，达到最优的星座旋转效果。为了解决该问题，我们首先将待传输信息分为两部分，分别利用极化状态调制技术和幅相调制技术映射为数目相同的极化状态调制符号和幅相调制符号；同时，将幅相调制信号分为相同两部分分别乘以极化状态调制信号两分量；进一步利用一组随机相位序列处理水平极化分量，实现同时旋转极化状态调制星座和幅相调制星座，达到优化旋转的目的；最后，利用补偿矩阵处理发送信号后，通过正交双极化天线分别发送联合调制信号两分量。
本发明是通过以下技术方案实现的：
极化状态-幅相联合调制星座旋转优化方法，包括以下步骤：
步骤1.将信息序列Ix通过串并转换控制(S/P)分解成两路信息：IP和IQ。IQ通过幅相调制(Amplitude-Phased Modulation，APM)映射为K个幅相调制符号
Figure RE-GDA0002358953330000021
k＝1,2,…,K。其中，Ak和
Figure RE-GDA0002358953330000022
分别表示第k个符号的幅度和相位。IP经过极化状态调制单元映射为K个极化状态调制符号
Figure RE-GDA0002358953330000023
ηk∈[0，2π]。
步骤2.然后幅相调制信号分为相同的两路，并分别乘以极化状态调制符号两个分量，得到PAPM信号，其中，第k个符号可以表示为，
Figure RE-GDA0002358953330000024
步骤3.采用一组伪随机序列产生一组随机相位，θ＝[θ1,θ2,…,θK]，其中θk是在[0,2π]之间随机分布的。那么，第k个符号的旋转量可以表示为
Figure RE-GDA0002358953330000025
利用旋转量处理信号xk的x1k分量，得到旋转后的符号为
Figure RE-GDA0002358953330000031
步骤4根据发送端与合法用户之间的信道信息矩阵H，构建去极化效应补偿矩阵，补偿矩阵可以表示为
Figure RE-GDA0002358953330000032
其中，U和V是信道矩阵特征值分解得到的单位矩阵；
Figure RE-GDA0002358953330000033
为矩阵H的特征值，补偿后的发送信号，可以表示为
Figure RE-GDA0002358953330000034
步骤5.将补偿后符号的两正交极化分量乘以载波
Figure RE-GDA0002358953330000035
后，通过正交极化天线分别发射。正交极化天线可以采用水平极化和垂直极化天线或左旋圆极化和右旋圆极化天线。那么，第 k个发送信号可以表示为
Figure RE-GDA0002358953330000036
本发明相对于现有技术具有以下的优点：
传统调制技术星座旋转方法通过利用一组随机相位改变信号相位，使相位参数随机化，达到星座旋转的目的。在同样采用一组随机相位情况下，通过上述五个步骤，可以同时使幅相调制星座和极化状态调制星座同时旋转，达到最优旋转效果。假设理想信道并忽略噪声，接收信号
Figure RE-GDA0002358953330000037
极化状态参数可以解调为
Figure RE-GDA0002358953330000038
ηRk＝Ξ(y2k)-Ξ(y1k)＝ηk-θk
可见，极化状态调制信号幅度比不变，而相位差随机变化，极化状态调制星座产生旋转。通过极化状态匹配，幅相调制信号可以通过极化状态匹配得到，可以计算为
Figure RE-GDA0002358953330000039
根据上式可知，幅相调制信号的相位也受到随机相位影响而随机变化。这种情况下，一组随机相位可以使两个星座同时旋转。
此外，通过采用补偿矩阵对发送信号进行处理，可以消除信道不理想引起的去极化效应，保证发送信号的极化状态不会受到信道影响而发生改变。以第k个符号为例，补偿后的信号经过信道传输，合法接收端接收的信号可以表示为
Figure RE-GDA0002358953330000041
可见，信号的幅度发生一定的变化，而信号的极化状态没有改变，避免了信道去极化效应对解调性能的恶化。
附图说明
图1为优化旋转方法信号处理流程图
图2为星座旋转示意图
图3为极化状态调制误符号率性能曲线
图4为QPSK误符号率性能曲线
实施例：随机产生1024个8PM和QPSK组合的极化状态-幅相联合调制符号，用一组随机相位序列处理信号。图2给出了原始星座图和旋转后的星座图，可见，处理后的极化状态调制星座和幅相调制星座均发生了旋转，仿真验证了本节提出的旋转方法的有效性。
根据文献[6]中参数模拟窄带双极化MIMO卫星移动信道，仿真中随机产生105个4阶极化状态调制符号(4PM)和105个QPSK符号组合成PAPM信号，信道更新时间为200个符号时间，设置XPDant＝15dB，XPCenv＝15dB，K＝10，ρt＝1，ρr＝0.2，
Figure RE-GDA0002358953330000042
利用2.3 节介绍的方法对PAPM信号进行旋转，假设窃听者无法破解随机相位。仿真中比较了Bob和 Eve的误符号率性能曲线，图3和图4中可见对4PM信号和QPSK信号，Eve误符号率较高，且不随信噪比改变，这是因为Eve无法破解随机序列情况下，接收到的信号为随机复数，无法破解信号。对于合法接收者Bob，比较了两种解调方法：直接解调(Direction Demodulation， DD)的方法和预补偿方法(Pre-compensation，PC)，DD方法对接收到的信号利用随机相位逆旋转后直接解调，PC方法在DD方法基础上利用补偿矩阵消除信道去极化效应后再进行信号解调。对于4PM信号，PC方法相比于直接解调方法误符号率性能要好，这是因为PC方法消除去极化效应导致的星座畸变。同时PC误符号率性能比理论值差，这是PC方法造成信号功率下降所致。
图3中可见，对于QPSK信号解调性能，PC方法和DD方法误符号率性能均比理论值差，这是因为幅相调制信号误符号率受到极化状态失配影响而下降。PC矩阵处理后的QPSK信号误符号率性能要比直接解调好，这是因为PC矩阵处理后的极化状态解调正确概率比直接解调正确概率要高，极化状态匹配过程中对QPSK解调性能影响较小。
[1]J.Lei，H.Zhu，M.A.Vaazquez-Castro，et al.Multibeam SATCOM systemsdesign with physical layer security[C]//IEEE International Conference onUltra-Wideband(ICUWB).IEEE，2011：555-559.
[2]Z.Gan，P.Arapoglou，B.Ottersten.Physical Layer Security in MultibeamSatellite Systems[J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2012，11(2)：852-863.
[3]A.Knopp，R.T.Schwarz，B.Lankl.Secure MIMO SATCOM Transmission[C]//2013IEEE Military Communications Conference.IEEE，2013：284-288.
[4]J.Lei，H.Zhu，M.A.Vazquez-Castro，et al.Secure SatelliteCommunication Systems Design With Individual Secrecy Rate Constraints[J].IEEETransactions on Information Forensics and Security，2011，6 (3)：661-671.
[5]P.Arapoglou，K.Liolis，M.Bertinelli，et al.MIMO over Satellite:AReview[J].IEEE Communications Surveys and Tutorials，2011，13(1)：27-51.
[6]B.Shankar，P.D.Arapoglou，B.Ottersten.Space-Frequency Coding forDual Polarized Hybrid Mobile Satellite Systems[J].IEEE Transactions onWireless Communications，2012，11(8)：2806-2814.

Claims (1)

1.本发明的目的是为了在双极化卫星通信场景下，采用极化状态-幅相联合调制信号传输信息，如何利用一组随机相位序列，达到最优的星座旋转效果。为了解决该问题，我们首先将待传输信息分为两部分，分别利用极化状态调制技术和幅相调制技术映射为数目相同的极化状态调制符号和幅相调制符号；同时，将幅相调制信号分为相同两部分分别乘以极化状态调制信号两分量；进一步利用一组随机相位序列处理水平极化分量，实现同时旋转极化状态调制星座和幅相调制星座，达到优化旋转的目的；最后，利用补偿矩阵处理发送信号后，通过正交双极化天线分别发送联合调制信号两分量。
本发明是通过以下技术方案实现的：
步骤1.将信息序列Ix通过串并转换控制(S/P)分解成两路信息：IP和IQ。IQ通过幅相调制(Amplitude-Phased Modulation，APM)映射为K个幅相调制符号
Figure FDA0002312625670000011
Figure FDA0002312625670000012
其中，Ak和
Figure FDA0002312625670000013
分别表示第k个符号的幅度和相位。IP经过极化状态调制单元映射为K个极化状态调制符号
Figure FDA0002312625670000014
步骤2.然后幅相调制信号分为相同的两路，并分别乘以极化状态调制符号两个分量，得到PAPM信号，其中，第k个符号可以表示为，
Figure FDA0002312625670000015
步骤3.采用一组伪随机序列产生一组随机相位，θ＝[θ1,θ2,…,θK]，其中θk是在[0,2π]之间随机分布的。那么，第k个符号的旋转量可以表示为
Figure FDA0002312625670000016
利用旋转量处理信号xk的x1k分量，得到旋转后的符号为
Figure FDA0002312625670000017
步骤4根据发送端与合法用户之间的信道信息矩阵H，构建去极化效应补偿矩阵，补偿矩阵可以表示为
Figure FDA0002312625670000021
其中，U和V是信道矩阵特征值分解得到的单位矩阵；
Figure FDA0002312625670000022
为矩阵H的特征值，补偿后的发送信号，可以表示为
Figure FDA0002312625670000023
步骤5.将补偿后符号的两正交极化分量乘以载波
Figure FDA0002312625670000024
后，通过正交极化天线分别发射。正交极化天线可以采用水平极化和垂直极化天线或左旋圆极化和右旋圆极化天线。那么，第k个发送信号可以表示为
Figure FDA0002312625670000025
本发明相对于现有技术具有以下的优点：
传统调制技术星座旋转方法通过利用一组随机相位改变信号相位，使相位参数随机化，达到星座旋转的目的。在同样采用一组随机相位情况下，通过上述五个步骤，可以同时使幅相调制星座和极化状态调制星座同时旋转，达到最优旋转效果。假设理想信道并忽略噪声，接收信号
Figure FDA0002312625670000026
极化状态参数可以解调为
Figure FDA0002312625670000027
ηRk＝Ξ(y2k)-Ξ(y1k)＝ηk-θk
可见，极化状态调制信号幅度比不变，而相位差随机变化，极化状态调制星座产生旋转。通过极化状态匹配，幅相调制信号可以通过极化状态匹配得到，可以计算为
Figure FDA0002312625670000028
根据上式可知，幅相调制信号的相位也受到随机相位影响而随机变化。这种情况下，一组随机相位可以使两个星座同时旋转。
此外，通过采用补偿矩阵对发送信号进行处理，可以消除信道不理想引起的去极化效应，保证发送信号的极化状态不会受到信道影响而发生改变。以第k个符号为例，补偿后的信号经过信道传输，合法接收端接收的信号可以表示为
Figure FDA0002312625670000031
可见，信号的幅度发生一定的变化，而信号的极化状态没有改变，避免了信道去极化效应对解调性能的恶化。
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