CN111711951A - 一种加权分数傅里叶变换域多分量自干扰传输方法 - Google Patents
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Abstract
一种加权分数傅里叶变换域多分量自干扰传输方法，它属于无线通信技术领域。本发明解决了由于对抗窃听端参数扫描性能差，导致现有通信方法的安全传输性能差的问题。本发明对扩展加权分数傅里叶变换信号的自干扰特性进行了利用，在保证不影响合作方接收的前提下，通过对信号多个分量的传输方式的设计，实现了安全传输性能的提升。在有窃听者存在的网络中，由于窃听端接收到信号的多个分量间存在的相位差破坏了扩展加权分数傅里叶变换理想的反变换关系，可以达到即使窃听端知晓扩展加权分数傅里叶变换的相关知识和全部的变换参数也不能正确恢复出数据的效果，大幅度提升了无线通信系统的物理层安全性能。本发明可以应用于无线通信技术领域。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种加权分数傅里叶变换域多分量自干扰传输方法。
背景技术
随着无线通信网络的快速发展和成熟，其应用领域也在不断扩大，人们对通信安全的需求与日剧增，信息的安全传输成为被重点关注的问题之一。在保密通信领域，以密码学为核心的安全保障机制发展十分成熟有效，作为对其的补充，以扩大合法链路与窃听链路差别来降低非合作方接收信噪比的物理层安全方法也得到了广泛的关注和快速的发展。
近年来，加权分数傅里叶变换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，现有基于加权分数傅里叶变换的低检测通信方案多是以整体信号形式进行传输的，对于窃听端，在其掌握分数傅里叶变换相关知识的前提下可以通过对参数的周期扫描实现对信号的破解。因此，随着窃听端计算能力的增加，现有分数域低检测传输方法表现出一定的安全隐患，对其缺陷进行补充和优化、进一步提升系统的安全性能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由于对抗窃听端参数扫描性能差，导致现有通信方法的安全传输性能差的问题，而提出了一种加权分数傅里叶变换域多分量自干扰传输方法。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：一种加权分数傅里叶变换域多分量自干扰传输方法，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、利用步骤一获得的调制信号X进行扩展加权分数傅里叶变换多分量生成，获得四路串行数字信号
代表获得的第l路串行数字信号，l＝0,1,2,3；
式中，Xl为对信号X进行l次傅里叶变换的结果，ωl(θk)为扩展加权分数傅里叶变换的加权系数，θk为扩展加权分数傅里叶变换的变换参数，k＝0,1,2,3；
ωl(θk)满足如下关系：
其中：i是虚数的单位；
步骤三、分别将步骤二获得的四路串行数字信号
通过数/模转换器，获得各路串行数字信号
对应的模拟调制信号
步骤四、分别对步骤三获得的四路模拟调制信号
进行上变频处理，获得上变频处理后的四路信号，并将上变频处理后的四路信号通过四根天线发射至信道；
步骤五、信号通过信道的传输到达接收端，接收端通过单天线对信号进行接收，并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信号X′进行变换参数为-θk的扩展加权分数傅里叶反变换，获得反变换后的信号；
步骤八、将步骤七获得的反变换后的信号进行星座解映射，恢复出0、1比特数据。
一种加权分数傅里叶变换域多分量自干扰传输方法，所述方法在信号发送端的工作过程为：
步骤S1、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S2、利用步骤S1获得的调制信号X进行扩展加权分数傅里叶变换多分量生成，获得四路串行数字信号
代表获得的第l路串行数字信号，l＝0,1,2,3；
式中，Xl为对信号X进行l次傅里叶变换的结果，ωl(θk)为扩展加权分数傅里叶变换的加权系数，θk为扩展加权分数傅里叶变换的变换参数，k＝0,1,2,3；
ωl(θk)满足如下关系：
其中：i是虚数的单位；
步骤S3、分别将步骤S2获得的四路串行数字信号
通过数/模转换器，获得各路串行数字信号
对应的模拟调制信号
步骤S4、分别对步骤S3获得的四路模拟调制信号
进行上变频处理，获得上变频处理后的四路信号，并将上变频处理后的四路信号分别通过四根天线发射至信道。
本发明的有益效果是：本发明提出了一种加权分数傅里叶变换域多分量自干扰传输方法，本发明对扩展加权分数傅里叶变换信号的自干扰特性进行了利用，在保证不影响合作方接收的前提下，通过对信号多个分量的传输方式的设计，使接收信号的相位关系可由发送端控制，实现了安全传输性能的提升。在有窃听者存在的网络中，由于窃听端接收到信号的多个分量间存在的相位差破坏了扩展加权分数傅里叶变换理想的反变换关系，可以达到即使窃听端知晓扩展加权分数傅里叶变换的相关知识和全部的变换参数也不能正确恢复出数据的效果，大幅度提升了无线通信系统的物理层安全性能。
附图说明
图1是本发明的一种加权分数傅里叶变换域多分量自干扰传输方法的系统框图；
图2是本发明的一种加权分数傅里叶变换域多分量自干扰传输方法，在合作接收端、窃听端已知所采用的传输模式和全部变换参数但接收到的信号存在相位差β1情况下的误码率性能曲线；
图3是本发明的一种加权分数傅里叶变换域多分量自干扰传输方法的空间误码率分布图。
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加权分数傅里叶变换域多分量自干扰传输方法，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、利用步骤一获得的调制信号X进行扩展加权分数傅里叶变换多分量生成，获得四路串行数字信号
代表获得的第l路串行数字信号，l＝0,1,2,3；
式中，Xl为对信号X进行l次傅里叶变换的结果，ωl(θk)为扩展加权分数傅里叶变换的加权系数，θk为扩展加权分数傅里叶变换的变换参数，k＝0,1,2,3；
ωl(θk)满足如下关系：
其中：i是虚数的单位；
步骤三、分别将步骤二获得的四路串行数字信号
通过数/模转换器，获得各路串行数字信号
对应的模拟调制信号
步骤四、分别对步骤三获得的四路模拟调制信号
进行上变频处理，获得上变频处理后的四路信号，并将上变频处理后的四路信号分别通过四根天线发射至信道；
步骤五、信号通过信道的传输到达接收端，接收端通过单天线对信号进行接收，并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信号X′进行变换参数为-θk的扩展加权分数傅里叶反变换，获得反变换后的信号；
步骤八、将步骤七获得的反变换后的信号进行星座解映射，恢复出0、1比特数据。
本实施方式中，步骤二利用步骤一获得的调制信号X进行扩展加权分数傅里叶变换多分量生成，其具体为：分别对信号X进行0次、1次、2次和3次傅里叶变换，分别获得0次傅里叶变换结果、1次傅里叶变换结果、2次傅里叶变换结果和3次傅里叶变换结果，再将获得的傅里叶变换结果与对应的扩展加权分数傅里叶变换加权系数相乘。
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。
本发明采用扩展加权分数傅里叶变换多分量生成技术及扩展加权分数傅里叶变换反变换技术，通过对扩展加权分数傅里叶变换信号自干扰特性的利用，可以实现无线通信系统物理层安全性能的提升。同时，扩展加权分数傅里叶变换的变换参数具有较好的设计灵活性，这也有利于发送端对可通信区域的设计。
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，分别对步骤三获得的四路模拟调制信号
进行上变频处理，获得上变频处理后的四路信号，所述上变频处理后的四路信号的具体形式为：
式中，
代表上变频处理后的第l路信号，fc为载波调制中心频率，t为时序标志，Re[·]代表取实部，e代表自然对数的底数。
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，接收端通过单天线对信号进行接收，接收端接收到的信号的形式为：
式中，Hl为上变频处理后的第l路信号经过信道的信道状态信息矩阵，NT为随机噪声。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤七的具体过程为：
式中，-θk为反变换的变换参数，Xl′为对信号X′进行l次傅里叶变换的结果，l＝0,1,2,3，ωl(-θk)为扩展加权分数傅里叶反变换的加权系数，
代表反变换后的信号。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：所述扩展加权分数傅里叶反变换的加权系数ωl(-θk)满足如下关系：
具体实施方式六：本实施方式所述的一种加权分数傅里叶变换域多分量自干扰传输方法，所述方法在信号发送端的工作过程为：
步骤S1、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S2、利用步骤S1获得的调制信号X进行扩展加权分数傅里叶变换多分量生成，获得四路串行数字信号
代表获得的第l路串行数字信号，l＝0,1,2,3；
式中，Xl为对信号X进行l次傅里叶变换的结果，ωl(θk)为扩展加权分数傅里叶变换的加权系数，θk为扩展加权分数傅里叶变换的变换参数，k＝0,1,2,3；
ωl(θk)满足如下关系：
其中：i是虚数的单位；
步骤S3、分别将步骤S2获得的四路串行数字信号
通过数/模转换器，获得各路串行数字信号
对应的模拟调制信号
步骤S4、分别对步骤S3获得的四路模拟调制信号
进行上变频处理，获得上变频处理后的四路信号，并将上变频处理后的四路信号分别通过四根天线发射至信道。
本实施方式中，步骤S2利用步骤S1获得的调制信号X进行扩展加权分数傅里叶变换多分量生成，其具体为：分别对信号X进行0次、1次、2次和3次傅里叶变换，分别获得0次傅里叶变换结果、1次傅里叶变换结果、2次傅里叶变换结果和3次傅里叶变换结果，再将获得的傅里叶变换结果与对应的扩展加权分数傅里叶变换加权系数相乘。
步骤S1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。
本发明采用扩展加权分数傅里叶变换多分量生成技术及扩展加权分数傅里叶变换反变换技术，通过对扩展加权分数傅里叶变换信号自干扰特性的利用，可以实现无线通信系统物理层安全性能的提升。同时，扩展加权分数傅里叶变换的变换参数具有较好的设计灵活性，这也有利于发送端对可通信区域的设计。
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S4中，分别对步骤S3获得的四路模拟调制信号
进行上变频处理，获得上变频处理后的四路信号，所述上变频处理后的四路信号的具体形式为：
式中，
代表上变频处理后的第l路信号，fc为载波调制中心频率，t为时序标志，Re[·]代表取实部，e代表自然对数的底数。
从图2可以看出，在存在相位差(即相位差β1不为0)的情况下，恢复出的数据的误码率明显提升。从图3可以看出，由于多分量的自干扰特性对误码性能的影响，本发明方法大幅度缩小了空间中误码率较低的可通信区域，实现了较好的系统安全性能。
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 (7)
1.一种加权分数傅里叶变换域多分量自干扰传输方法，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、利用步骤一获得的调制信号X进行扩展加权分数傅里叶变换多分量生成，获得四路串行数字信号
代表获得的第l路串行数字信号，l＝0,1,2,3；
式中，Xl为对信号X进行l次傅里叶变换的结果，ωl(θk)为扩展加权分数傅里叶变换的加权系数，θk为扩展加权分数傅里叶变换的变换参数，k＝0,1,2,3；
ωl(θk)满足如下关系：
其中：i是虚数的单位；
步骤三、分别将步骤二获得的四路串行数字信号
通过数/模转换器，获得各路串行数字信号
对应的模拟调制信号
步骤四、分别对步骤三获得的四路模拟调制信号
进行上变频处理，获得上变频处理后的四路信号，并将上变频处理后的四路信号分别通过四根天线发射至信道；
步骤五、信号通过信道的传输到达接收端，接收端通过单天线对信号进行接收，并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信号X′进行变换参数为-θk的扩展加权分数傅里叶反变换，获得反变换后的信号；
步骤八、将步骤七获得的反变换后的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所述的一种加权分数傅里叶变换域多分量自干扰传输方法，其特征在于，所述步骤四中，分别对步骤三获得的四路模拟调制信号
进行上变频处理，获得上变频处理后的四路信号，所述上变频处理后的四路信号的具体形式为：
式中，
代表上变频处理后的第l路信号，fc为载波调制中心频率，t为时序标志，Re[·]代表取实部，e代表自然对数的底数。
3.根据权利要求2所述的一种加权分数傅里叶变换域多分量自干扰传输方法，其特征在于，所述步骤五中，接收端通过单天线对信号进行接收，接收端接收到的信号的形式为：
式中，Hl为上变频处理后的第l路信号经过信道的信道状态信息矩阵，NT为随机噪声。
4.根据权利要求1所述的一种加权分数傅里叶变换域多分量自干扰传输方法，其特征在于，所述步骤七的具体过程为：
式中，-θk为反变换的变换参数，Xl′为对信号X′进行l次傅里叶变换的结果，l＝0,1,2,3，ωl(-θk)为扩展加权分数傅里叶反变换的加权系数，
代表反变换后的信号。
5.根据权利要求4所述的一种加权分数傅里叶变换域多分量自干扰传输方法，其特征在于，所述扩展加权分数傅里叶反变换的加权系数ωl(-θk)满足如下关系：
6.一种加权分数傅里叶变换域多分量自干扰传输方法，其特征在于，所述方法在信号发送端的工作过程为：
步骤S1、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S2、利用步骤S1获得的调制信号X进行扩展加权分数傅里叶变换多分量生成，获得四路串行数字信号
代表获得的第l路串行数字信号，l＝0,1,2,3；
式中，Xl为对信号X进行l次傅里叶变换的结果，ωl(θk)为扩展加权分数傅里叶变换的加权系数，θk为扩展加权分数傅里叶变换的变换参数，k＝0,1,2,3；
ωl(θk)满足如下关系：
其中：i是虚数的单位；
步骤S3、分别将步骤S2获得的四路串行数字信号
通过数/模转换器，获得各路串行数字信号
对应的模拟调制信号
步骤S4、分别对步骤S3获得的四路模拟调制信号
进行上变频处理，获得上变频处理后的四路信号，并将上变频处理后的四路信号分别通过四根天线发射至信道。
7.根据权利要求6所述的一种加权分数傅里叶变换域多分量自干扰传输方法，其特征在于，所述步骤S4中，分别对步骤S3获得的四路模拟调制信号
进行上变频处理，获得上变频处理后的四路信号，所述上变频处理后的四路信号的具体形式为：
式中，
代表上变频处理后的第l路信号，fc为载波调制中心频率，t为时序标志，Re[·]代表取实部，e代表自然对数的底数。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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