CN111614590A - 一种基于扩展加权分数傅里叶变换的抗检测传输方法 - Google Patents

Abstract

一种基于扩展加权分数傅里叶变换的抗检测传输方法，它属于通信技术领域。本发明解决了现有的通信方法对抗窃听端截获的性能差的问题。本发明将M项扩展加权分数傅里叶变换引入信号处理的过程中，来实现信号变换域抗截获性能的增强。对于合作方，由于酉变换性，可根据与发送端共享的参数密匙，由正确的反变换恢复出发送数据；而对于窃听端，由于扩展加权变换具有多个变换参数且相互独立，破译全部变换参数的计算复杂度将被大幅度的提升。这有效提高了系统的抗截获性能，降低了通信信息被非法暴力破解的可能性，提升了通信系统的物理层安全性能。本发明适用于保密通信技术领域。

Description

一种基于扩展加权分数傅里叶变换的抗检测传输方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于扩展加权分数傅里叶变换的抗检测传输方法。

背景技术

近年来，无线通信网络的发展正逐步走向成熟，数字化的信息交流方式成为人们生活中不可或缺的一部分。随着无线网络所容纳的用户数目的快速增加和其应用领域的不断扩大，信息的安全传输成为被重点关注的问题之一。在通信安全领域，以密码学为核心的安全保障机制发展十分成熟有效，物理层安全方法则由于其可以对基于密码学的传统加密体制在面对无线通信场景所显露出的缺陷进行良好的应对与补充，而得到了广泛的关注和快速的发展。

加权分数傅里叶变换这种信号处理手段逐渐在通信系统中得到了研究和应用，也开始被引入了物理层安全技术的研究范畴。然而，随着窃听端计算能力的增加，传统加权分数傅里叶变换所固有的特性使其在对抗非合作方穷举攻击的能力上稍显逊色，而现有的改进形式如：多项加权分数傅里叶变换和多参数加权分数傅里叶变换等方式对其安全性能的提升也十分有限，因此，现有基于加权分数傅里叶变换的安全通信系统对抗窃听端周期扫描的性能仍然较差，导致现有的通信方法在对抗窃听端截获方面的性能仍然比较差，因此，对其抗窃听端截获性能的缺陷进行补充和优化、进一步提升系统的保密性成为一个值得关注的研究方向。

发明内容

本发明的目的是为解决现有的通信方法对抗窃听端截获的性能差的问题，而提出了一种基于扩展加权分数傅里叶变换的抗检测传输方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种基于扩展加权分数傅里叶变换的抗检测传输方法，所述方法具体包括以下步骤：

步骤一、将信源产生的0、1比特数据进行基带的星座映射，获得星座映射后的调制信号X；

步骤二、将步骤一获得的调制信号X进行M项扩展加权分数傅里叶变换，获得一路串行数字信号X_T；

所述M项扩展加权分数傅里叶变换的具体形式为：

式中，

表示对X进行M项扩展加权分数傅里叶正变换，M为加权项数，且M≥4，θ_k为正变换的第k个变换参数，X_l为调制信号X基于周期性基础算子T构造的第l个基函数，l＝0,1,2,...,M-1，ω_l(θ_k)为M项扩展加权分数傅里叶正变换的第l个基函数对应的加权系数；

步骤三、将步骤二获得的数字信号X_T通过数/模转换器，获得模拟调制信号X_T0；

步骤四、对步骤三获得的模拟调制信号X_T0进行上变频处理，获得上变频处理后的信号，并将上变频处理后的信号发射至信道；

步骤五、信号通过信道的传输到达接收端，接收端对接收到的信号进行下变频处理，获得下变频处理后的信号；

步骤六、将步骤五获得的下变频处理后的信号通过模/数转换器，获得一路串行数字信号X′；

步骤七、将步骤六获得的一路串行数字信号X′进行M项扩展加权分数傅里叶反变换，获得反变换后的数据信号；

所述M项扩展加权分数傅里叶反变换的具体形式为：

其中，

表示对X′进行M项扩展加权分数傅里叶反变换，θ′_k为反变换的第k个变换参数，θ′_k与θ_k互为相反数，X′_l为信号X′基于周期性基础算子T构造的第l个基函数，l＝0,1,2,...,M-1，ω′_l(θ′_k)为M项扩展加权分数傅里叶反变换的第l个基函数对应的加权系数；

步骤八、将步骤七获得的数据信号进行星座解映射，恢复出0、1比特数据。

一种基于扩展加权分数傅里叶变换的抗检测传输方法，所述方法在发送端的工作流程为：

步骤1、将信源产生的0、1比特数据进行基带的星座映射，获得星座映射后的调制信号X；

步骤2、将步骤1获得的调制信号X进行M项扩展加权分数傅里叶变换，获得一路串行数字信号X_T；

所述M项扩展加权分数傅里叶变换的具体形式为：

式中，

表示对X进行M项扩展加权分数傅里叶正变换，M为加权项数，且M≥4，θ_k为正变换的第k个变换参数，X_l为调制信号X基于周期性基础算子T构造的第l个基函数，l＝0,1,2,...,M-1，ω_l(θ_k)为M项扩展加权分数傅里叶正变换的第l个基函数对应的加权系数；

步骤3、将步骤2获得的数字信号X_T通过数/模转换器，获得模拟调制信号X_T0；

步骤4、对步骤3获得的模拟调制信号X_T0进行上变频处理，获得上变频处理后的信号，并将上变频处理后的信号发射至信道。

一种基于扩展加权分数傅里叶变换的抗检测传输方法，所述方法在接收端的工作流程为：

步骤a、接收端对接收到的信号进行下变频处理，获得下变频处理后的信号；

步骤b、将步骤a获得的下变频处理后的信号通过模/数转换器，获得一路串行数字信号X′；

步骤c、将步骤b获得的一路串行数字信号X′进行M项扩展加权分数傅里叶反变换，获得反变换后的数据信号；

所述M项扩展加权分数傅里叶反变换的具体形式为：

其中，

表示对X′进行M项扩展加权分数傅里叶反变换，θ′_k为反变换的第k个变换参数，θ′_k与θ_k互为相反数，X′_l为信号X′基于周期性基础算子T构造的第l个基函数，l＝0,1,2,...,M-1，ω′_l(θ′_k)为M项扩展加权分数傅里叶反变换的第l个基函数对应的加权系数；

步骤d、将步骤c获得的数据信号进行星座解映射，恢复出0、1比特数据。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种基于扩展加权分数傅里叶变换的抗检测传输方法，本发明对原有的加权分数傅里叶变换信号进行了扩展，在保留原有加权变换形式的前提下，对加权系数的形式进行设计，在加权系数中引入多个相互独立的变换参数，实现了抗扫描能力的提升。在有窃听者存在的网络中，窃听端将无法通过原本单参数四周期固定次数扫描的方式对变换阶数进行破解来正确恢复数据。同时，变换域扩展加权信号具有较好的参数敏感性，这也为窃听节点截获制造了困难，大幅度提升了其计算复杂度。

本发明采用M项扩展加权分数傅里叶变换及反变换技术，通过有效提升参数维度，可以实现无线通信系统物理层安全性能的提升，提升了对抗窃听端截获的性能。

附图说明

图1是本发明的一种基于扩展加权分数傅里叶变换的抗检测传输方法的系统框图；

图2是本发明的一种基于扩展加权分数傅里叶变换的抗检测传输方法，在合作方接收端、窃听端未知所采用的传输模式、窃听端已知所采用的传输模式但单个解调参数有误差和多个解调参数有误差情况下的误码率性能曲线对比图；

Δθ₀＝0.1pi代表窃听端已知所采用的传输模式但单个解调参数有误差的情况，Δθ_k＝0.1pi代表窃听端已知所采用的传输模式但多个解调参数有误差的情况。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式。本实施方式所述的一种基于扩展加权分数傅里叶变换的抗检测传输方法，所述方法具体包括以下步骤：

步骤一、将信源产生的0、1比特数据进行基带的星座映射，获得星座映射后的调制信号X；

步骤二、将步骤一获得的调制信号X进行M项扩展加权分数傅里叶变换，获得一路串行数字信号X_T；

所述M项扩展加权分数傅里叶变换的具体形式为：

式中，

表示对X进行M项扩展加权分数傅里叶正变换，M为加权项数，且M≥4，θ_k为正变换的第k个变换参数，X_l为调制信号X基于周期性基础算子T构造的第l个基函数，l＝0,1,2,...,M-1，ω_l(θ_k)为M项扩展加权分数傅里叶正变换的第l个基函数对应的加权系数；

周期性基础算子T满足T⁰＝I,T¹＝T,...,T^M＝I，周期性基础算子T可以是傅里叶算子等形式，基函数X_l满足条件X_l＝T^l[X],l＝0,1,2,...,M-1，当T是傅里叶算子时，T^l[X]代表对X进行l次傅里叶变换；

步骤三、将步骤二获得的数字信号X_T通过数/模转换器，获得模拟调制信号X_T0；

步骤四、对步骤三获得的模拟调制信号X_T0进行上变频处理，获得上变频处理后的信号，并将上变频处理后的信号发射至信道；

步骤五、信号通过信道的传输到达接收端，接收端对接收到的信号进行下变频处理，获得下变频处理后的信号；

步骤六、将步骤五获得的下变频处理后的信号通过模/数转换器，获得一路串行数字信号X′；

步骤七、将步骤六获得的一路串行数字信号X′进行M项扩展加权分数傅里叶反变换，获得反变换后的数据信号；

所述M项扩展加权分数傅里叶反变换的具体形式为：

其中，

表示对X′进行M项扩展加权分数傅里叶反变换，θ′_k为反变换的第k个变换参数，θ′_k与θ_k互为相反数，X′_l为信号X′基于周期性基础算子T构造的第l个基函数，l＝0,1,2,...,M-1，ω′_l(θ′_k)为M项扩展加权分数傅里叶反变换的第l个基函数对应的加权系数；

步骤八、将步骤七获得的数据信号进行星座解映射，恢复出0、1比特数据。

步骤一采用的调制方式为相移键控BPSK方式，所得结果为一路串行信号，本发明对于各种调制方式均兼容，本实施方式以相移键控BPSK方式为例。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤四中，对步骤三获得的模拟调制信号X_T0进行上变频处理，获得上变频处理后的信号，所述上变频处理后的信号的具体形式为：

其中，X_T1为上变频处理后的信号，f_c为载波调制中心频率，t为时序标志，i是虚数单位，Re[·]代表取实部，e是自然对数。

本实施方式中，对信号X_T0进行上变频处理是指：将模拟调制信号X_T0调制到相应载波频率上，得到相应载波频率上的数据X_T1。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：所述步骤五中，接收端对接收到的信号进行下变频处理，接收端接收到的信号的形式为：

Y_R1＝HX_T1+N_T

其中，Y_R1为接收端接收到的信号，H为信道状态信息矩阵，N_T为随机噪声。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：所述M项扩展加权分数傅里叶正变换的第l个基函数对应的加权系数ω_l(θ_k)满足如下关系：

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：所述M项扩展加权分数傅里叶反变换的第l个基函数对应的加权系数ω′_l(θ′_k)满足如下关系：

具体实施方式六：本实施方式所述的一种基于扩展加权分数傅里叶变换的抗检测传输方法，所述方法在发送端的工作流程为：

步骤1、将信源产生的0、1比特数据进行基带的星座映射，获得星座映射后的调制信号X；

步骤2、将步骤1获得的调制信号X进行M项扩展加权分数傅里叶变换，获得一路串行数字信号X_T；

所述M项扩展加权分数傅里叶变换的具体形式为：

式中，

表示对X进行M项扩展加权分数傅里叶正变换，M为加权项数，且M≥4，θ_k为正变换的第k个变换参数，X_l为调制信号X基于周期性基础算子T构造的第l个基函数，l＝0,1,2,...,M-1，ω_l(θ_k)为M项扩展加权分数傅里叶正变换的第l个基函数对应的加权系数；

周期性基础算子T满足T⁰＝I,T¹＝T,...,T^M＝I，周期性基础算子T可以是傅里叶算子等，基函数X_l满足条件X_l＝T^l[X],l＝0,1,2,...,M-1，当T是傅里叶算子时，T^l[X]代表对X进行l次傅里叶变换；

步骤3、将步骤2获得的数字信号X_T通过数/模转换器，获得模拟调制信号X_T0；

步骤4、对步骤3获得的模拟调制信号X_T0进行上变频处理，获得上变频处理后的信号，并将上变频处理后的信号发射至信道。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：所述步骤4中，对步骤3获得的模拟调制信号X_T0进行上变频处理，获得上变频处理后的信号，所述上变频处理后的信号的具体形式为：

其中，X_T1为上变频处理后的信号，f_c为载波调制中心频率，t为时序标志，i是虚数单位，Re[·]代表取实部，e是自然对数。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是：所述M项扩展加权分数傅里叶正变换的第l个基函数对应的加权系数ω_l(θ_k)满足如下关系：

具体实施方式九：本实施方式所述的一种基于扩展加权分数傅里叶变换的抗检测传输方法，所述方法在接收端的工作流程为：

步骤a、接收端对接收到的信号进行下变频处理，获得下变频处理后的信号；

步骤b、将步骤a获得的下变频处理后的信号通过模/数转换器，获得一路串行数字信号X′；

步骤c、将步骤b获得的一路串行数字信号X′进行M项扩展加权分数傅里叶反变换，获得反变换后的数据信号；

所述M项扩展加权分数傅里叶反变换的具体形式为：

其中，

表示对X′进行M项扩展加权分数傅里叶反变换，θ′_k为反变换的第k个变换参数，θ′_k与θ_k互为相反数，X′_l为信号X′基于周期性基础算子T构造的第l个基函数，l＝0,1,2,...,M-1，ω′_l(θ′_k)为M项扩展加权分数傅里叶反变换的第l个基函数对应的加权系数；

周期性基础算子T满足T⁰＝I,T¹＝T,...,T^M＝I，周期性基础算子T可以是傅里叶算子等，基函数X′_l满足条件：X′_l＝T^l[X′],l＝0,1,2,...,M-1，当T是傅里叶算子时，T^l[X′]代表对X′进行l次傅里叶变换；

步骤d、将步骤c获得的数据信号进行星座解映射，恢复出0、1比特数据。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同的是：所述步骤a中，接收端对接收到的信号进行下变频处理，接收端接收到的信号的形式为：

Y_R1＝HX_T1+N_T

其中，X_T1为发送端发送至信道的信号，Y_R1为接收端接收到的信号，H为信道状态信息矩阵，N_T为随机噪声。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式十不同的是：所述M项扩展加权分数傅里叶反变换的第l个基函数对应的加权系数ω′_l(θ′_k)满足如下关系：

如图2所示，对合作方接收端、窃听端未知所采用的传输模式、窃听端已知所采用的传输模式但单个解调参数有误差和多个解调参数有误差情况下的误码率性能进行了对比，通过实验对比证明了本发明方法的有效性。

本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，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，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (11)

1.一种基于扩展加权分数傅里叶变换的抗检测传输方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

步骤一、将信源产生的0、1比特数据进行基带的星座映射，获得星座映射后的调制信号X；

步骤二、将步骤一获得的调制信号X进行M项扩展加权分数傅里叶变换，获得一路串行数字信号X_T；

所述M项扩展加权分数傅里叶变换的具体形式为：

式中，

表示对X进行M项扩展加权分数傅里叶正变换，M为加权项数，且M≥4，θ_k为正变换的第k个变换参数，X_l为调制信号X基于周期性基础算子T构造的第l个基函数，l＝0,1,2,...,M-1，ω_l(θ_k)为M项扩展加权分数傅里叶正变换的第l个基函数对应的加权系数；

步骤三、将步骤二获得的数字信号X_T通过数/模转换器，获得模拟调制信号X_T0；

步骤四、对步骤三获得的模拟调制信号X_T0进行上变频处理，获得上变频处理后的信号，并将上变频处理后的信号发射至信道；

步骤五、信号通过信道的传输到达接收端，接收端对接收到的信号进行下变频处理，获得下变频处理后的信号；

步骤六、将步骤五获得的下变频处理后的信号通过模/数转换器，获得一路串行数字信号X′；

步骤七、将步骤六获得的一路串行数字信号X′进行M项扩展加权分数傅里叶反变换，获得反变换后的数据信号；

所述M项扩展加权分数傅里叶反变换的具体形式为：

其中，表示对X′进行M项扩展加权分数傅里叶反变换，θ′_k为反变换的第k个变换参数，θ′_k与θ_k互为相反数，X′_l为信号X′基于周期性基础算子T构造的第l个基函数，l＝0,1,2,...,M-1，ω′_l(θ′_k)为M项扩展加权分数傅里叶反变换的第l个基函数对应的加权系数；

步骤八、将步骤七获得的数据信号进行星座解映射，恢复出0、1比特数据。

2.根据权利要求1所述的一种基于扩展加权分数傅里叶变换的抗检测传输方法，其特征在于，所述步骤四中，对步骤三获得的模拟调制信号X_T0进行上变频处理，获得上变频处理后的信号，所述上变频处理后的信号的具体形式为：

其中，X_T1为上变频处理后的信号，f_c为载波调制中心频率，t为时序标志，i是虚数单位，Re[·]代表取实部，e是自然对数。

3.根据权利要求2所述的一种基于扩展加权分数傅里叶变换的抗检测传输方法，其特征在于，所述步骤五中，接收端对接收到的信号进行下变频处理，接收端接收到的信号的形式为：

Y_R1＝HX_T1+N_T

其中，Y_R1为接收端接收到的信号，H为信道状态信息矩阵，N_T为随机噪声。

4.根据权利要求3所述的一种基于扩展加权分数傅里叶变换的抗检测传输方法，其特征在于，所述M项扩展加权分数傅里叶正变换的第l个基函数对应的加权系数ω_l(θ_k)满足如下关系：

5.根据权利要求4所述的一种基于扩展加权分数傅里叶变换的抗检测传输方法，其特征在于，所述M项扩展加权分数傅里叶反变换的第l个基函数对应的加权系数ω′_l(θ′_k)满足如下关系：

6.一种基于扩展加权分数傅里叶变换的抗检测传输方法，其特征在于，所述方法在发送端的工作流程为：

步骤1、将信源产生的0、1比特数据进行基带的星座映射，获得星座映射后的调制信号X；

步骤2、将步骤1获得的调制信号X进行M项扩展加权分数傅里叶变换，获得一路串行数字信号X_T；

所述M项扩展加权分数傅里叶变换的具体形式为：

式中，

表示对X进行M项扩展加权分数傅里叶正变换，M为加权项数，且M≥4，θ_k为正变换的第k个变换参数，X_l为调制信号X基于周期性基础算子T构造的第l个基函数，l＝0,1,2,...,M-1，ω_l(θ_k)为M项扩展加权分数傅里叶正变换的第l个基函数对应的加权系数；

步骤3、将步骤2获得的数字信号X_T通过数/模转换器，获得模拟调制信号X_T0；

步骤4、对步骤3获得的模拟调制信号X_T0进行上变频处理，获得上变频处理后的信号，并将上变频处理后的信号发射至信道。

7.根据权利要求6所述的一种基于扩展加权分数傅里叶变换的抗检测传输方法，其特征在于，所述步骤4中，对步骤3获得的模拟调制信号X_T0进行上变频处理，获得上变频处理后的信号，所述上变频处理后的信号的具体形式为：

其中，X_T1为上变频处理后的信号，f_c为载波调制中心频率，t为时序标志，i是虚数单位，Re[·]代表取实部，e是自然对数。

8.根据权利要求7所述的一种基于扩展加权分数傅里叶变换的抗检测传输方法，其特征在于，所述M项扩展加权分数傅里叶正变换的第l个基函数对应的加权系数ω_l(θ_k)满足如下关系：

9.一种基于扩展加权分数傅里叶变换的抗检测传输方法，其特征在于，所述方法在接收端的工作流程为：

步骤a、接收端对接收到的信号进行下变频处理，获得下变频处理后的信号；

步骤b、将步骤a获得的下变频处理后的信号通过模/数转换器，获得一路串行数字信号X′；

步骤c、将步骤b获得的一路串行数字信号X′进行M项扩展加权分数傅里叶反变换，获得反变换后的数据信号；

所述M项扩展加权分数傅里叶反变换的具体形式为：

其中，

表示对X′进行M项扩展加权分数傅里叶反变换，θ′_k为反变换的第k个变换参数，θ′_k与θ_k互为相反数，X′_l为信号X′基于周期性基础算子T构造的第l个基函数，l＝0,1,2,...,M-1，ω′_l(θ′_k)为M项扩展加权分数傅里叶反变换的第l个基函数对应的加权系数；

步骤d、将步骤c获得的数据信号进行星座解映射，恢复出0、1比特数据。

10.根据权利要求9所述的一种基于扩展加权分数傅里叶变换的抗检测传输方法，其特征在于，所述步骤a中，接收端对接收到的信号进行下变频处理，接收端接收到的信号的形式为：

Y_R1＝HX_T1+N_T

其中，X_T1为发送端发送至信道的信号，Y_R1为接收端接收到的信号，H为信道状态信息矩阵，N_T为随机噪声。

11.根据权利要求10所述的一种基于扩展加权分数傅里叶变换的抗检测传输方法，其特征在于，所述M项扩展加权分数傅里叶反变换的第l个基函数对应的加权系数ω′_l(θ′_k)满足如下关系：

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