CN111756470B - 一种基于伪随机序列的噪声调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于伪随机序列的噪声调制方法，用于对抗现有的通信侦察手段。实现步骤为：源节点S和目的节点D依据同步信息确定噪声调制参数，生成同步伪随机序列；源节点S和目的节点D依据同步伪随机序列生成噪声码字序列；源节点S依据噪声码字序列进行噪声调制；源节点S把噪声调制信号上变频到载波频率并发送给目的节点D；目的节点D把接收到的噪声调制信号下变频到零中频，得到采样点序列；目的节点D依据噪声码字序列进行解调制，得到解调制码元序列。本发明通过把码元序列调制为伪噪声信号，能够极大降低被侦听的概率，进而降低被跟踪干扰的风险，同时也提高了信号破解难度，增强了安全通信能力。

Description

一种基于伪随机序列的噪声调制方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种物理层调制方法，具体涉及一种基于伪随机序列的噪声调制方法，适用于采用数字调制技术的安全通信系统。

背景技术

电子信息技术的飞速发展在改变人们生活方式、工作方式、学习方式的同时，也逐渐改变着现代战争的规则，电子信息技术水平逐渐成为决定战争胜负的关键因素，催生了以破坏、削弱敌方电子设备(系统)，保护己方电子设备(系统)正常发挥效能为目标的新战争手段——电子战，电子战分为雷达对抗、通信对抗、光电对抗和水生对抗等，其中通信对抗在电子战中具有举足轻重的地位。通信对抗包含通信侦察、通信干扰和通信防护等，通信防护是保证己方通信系统安全可靠的必要措施，主要包括保密通信(通信防窃听)、通信抗干扰、频谱管理与电磁兼容等。

战场环境复杂多变，为了便于移动、布设和撤离，无线通信系统是必然选择。然而，无线信道的开放性、终端设备的移动性和网络结构的不稳定性、无线电磁环境的复杂性等制约着无线信息传输的可靠性和安全性，尤其是无线信道的广播特性给予了敌方窃听设备、干扰设备极大的便利，为提高通信防护能力，许多防窃听、抗干扰的通信技术应运而生，主要分为链路层及以上层安全通信技术和物理层安全通信技术两类，链路层及以上层安全通信技术采用经典密码体制，通过加密算法对信息流进行加解密；物理层安全通信技术包括直接序列扩频通信技术、跳频通信技术、跳时通信技术、猝发通信技术、自适应天线技术、交织编码和交错编码技术、分集技术、软件无线电技术、自适应频率技术、自适应功率技术、调制方式加扰技术等，这些技术在特定环境下都有很好的安全通信能力。然而，随着超级计算机/量子计算机的问世，以及认知无线电技术的快速发展，传统保密方法的安全性和可靠性都受到了严峻挑战，一方面，仅依靠链路层及以上层的加扰技术已无法保证无线移动通信系统的信息安全传输，另一方面，尽管物理层安全通信技术多种多样，很大程度上可以保证安全通信的需求，但这些基于传统保密通信理论提出的技术，并没有改变通信信号的调制特征，通信信号仍具有明显的人工信号特征，极易被侦听和干扰。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出了一种基于伪随机序列的噪声调制方法，用于解决现有技术不能很好的隐藏通信波形的人工信号特征并且极易被窃听端侦听和干扰的技术问题。

本发明的技术思路是：通过把不同时刻不同符号的码元映射为不同的噪声码字(噪声码字由特定分布的伪随机序列转化而来)，可以使产生的噪声调制信号在时域、频域、统计域等方面呈现带限白噪声特性，现有的通信侦听手段几乎无法有效识别前述噪声调制信号，能够极大降低通信信号被窃听端侦听和跟踪干扰的概率，提高了信号破解难度，增强了安全通信能力。

根据上述技术思路，本发明采取的技术方案包括如下步骤：

(1)源节点S和目的节点D通过双方交互的同步信息确定噪声调制参数，噪声调制参数包括调制幅值范围、调制阶数、码元速率、噪声码字速率、调制映射规则、密钥信息；源节点S和目的节点D依据密钥信息生成同步伪随机序列；

(2)源节点S和目的节点D依据同步伪随机序列和噪声调制参数生成同步噪声码字序列；

(3)源节点S依据同步噪声码字序列和噪声调制参数对I路(即同相分路)和Q路(即正交分路)码元序列进行噪声调制，得到噪声调制信号，该噪声调制信号为I路和Q路组成的复信号；

(4)源节点S把噪声调制信号上变频到载波频率，并发送给目的节点D；

(5)目的节点D把接收到的噪声调制信号下变频到零中频，得到I路和Q路采样点序列；

(6)目的节点D对同步噪声码字序列和采样点序列进行采样速率匹配，然后依据重采样后的同步噪声码字序列和噪声调制参数对采样点序列进行解调制，得到I路和Q路解调制码元序列。

本发明是一种数字调制技术，可以对I路或Q路的码元序列进行噪声调制。本发明通过把不同时刻不同符号的码元映射为不同的噪声码字(噪声码字由特定分布的伪随机序列转化而来)，可以使产生的噪声调制信号在时域、频域、统计域等方面呈现带限白噪声特性，现有的通信侦听技术几乎无法有效识别前述噪声调制信号。仿真结果表明，本发明提出的噪声调制方法能够极大降低通信信号被窃听端侦听的概率，进而降低被跟踪干扰的风险，同时提高了信号破解难度，增强了安全通信能力。

附图说明

图1是本发明适用的单源单目的单窃听节点的无线通信窃听模型示意图。

图2是本发明的基于伪随机序列的噪声调制方法的实现流程框图。

图3是本发明的噪声调制过程示意图。

图4是依据本发明产生的噪声调制信号与带限高斯白噪声信号的时域波形仿真对比图。

图5是依据本发明产生的噪声调制信号与带限高斯白噪声信号的频谱仿真对比图。

图6是依据本发明产生的噪声调制信号与带限高斯白噪声信号的幅值分布仿真对比图。

图7是本发明与直接序列扩频通信的误码率仿真对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明适用于无线通信窃听模型，这里以单源单目的单窃听节点的无线通信窃听模型为例，参见图1，包括一个源节点S，一个目的节点D和一个窃听节点M。源节点S到目的节点D的信道，称之为合法信道；源节点S到窃听节点M的信道，称之为窃听信道，两种信道均为加性高斯白噪声信道。假设目的节点D能够准确估计信道参数，且源节点S和目的节点D双方同步已完成。同时假设窃听节点M拥有与目的节点D相同的接收能力，能够分析传统调制方式和加密方式。

参照图2，一种基于伪随机序列的噪声调制方法，包括如下步骤：

(1)源节点S和目的节点D依据同步信息确定噪声调制参数，产生同步伪随机序列：

源节点S向目的节点D发送同步信息(或目的节点D向源节点S发送同步信息)，源节点S和目的节点D依据同步信息确定噪声调制参数，噪声调制参数包括调制幅值范围、调制阶数、码元速率、噪声码字速率、调制映射规则、密钥信息；源节点S和目的节点D依据密钥信息生成同步伪随机序列；

(1.1)源节点S和目的节点D依据同步信息确定调制幅值范围和调制阶数：

源节点S和目的节点D在通信前需依据同步信息确定I路和Q路的调制幅值范围Γ_I＝[-K_I～K_I]和Γ_Q＝[-K_Q～K_Q]，以及I路和Q路的调制阶数k_I和k_Q；实际通信系统中的信号幅值都是受限的，K_I和K_Q必须为有限值，调制阶数k_I和k_Q可以为任意整数，k_I和k_Q可以相同也可以不同。

(1.2)源节点S和目的节点D依据同步信息确定码元速率和噪声码字速率：

源节点S和目的节点D在通信前需依据同步信息确定I路和Q路的码元速率v_I和v_Q，以及I路和Q路的噪声码字速率V_I和V_Q；码元序列通过I路和Q路两路分别进行调制，I路和Q路的码元速率v_I和v_Q相同，噪声码字速率V_I和V_Q也相同；

(1.3)源节点S和目的节点D依据同步信息确定调制映射规则：

假设I路(或Q路)码元序列有k种有限状态，I路(或Q路)瞬时噪声码字有z种有限状态，把k种码元映射为z种噪声码字的映射规则可以有z！/(z-k)！种，映射规则不会影响噪声调制效果。源节点S和目的节点D需依据同步信息确定I路和Q路调制映射规则和/>

(1.4)源节点S和目的节点D依据同步信息产生同步伪随机序列：

源节点S和目的节点D从同步信息中提取密钥信息，然后依据提前协商的伪随机序列产生规则产生同步伪随机序列R＝{(r₁,...,r_e,...,r_p)_I,(r_p+1,...,r_p+i,...,r_p+q)_Q}，其中I路同步伪随机序列R_I＝{r₁,...,r_e,...,r_p}，Q路同步伪随机序列R_Q＝{r_p+1,...,r_p+i,...,r_p+q}，同步伪随机序列的幅值分布决定了噪声调制信号的幅值分布，假设I路和Q路的瞬时噪声码字共有z_I和z_Q种有限状态，I路和Q路噪声调制信号的序列长度均为L，则I路和Q路同步伪随机序列的长度应满足p≥z_I×L,q≥z_Q×L；

(2)源节点S和目的节点D依据同步伪随机序列和噪声调制参数生成同步噪声码字序列：

I路和Q路产生同步噪声码字序列的步骤相同，以I路产生同步噪声码字序列为例：假设I路同步伪随机序列R_I中的元素r_e满足0≤r_e≤s，s为正整数，调制幅值范围为Γ_I＝[-K_I～K_I]，则I路噪声调制的幅值步进Δ＝2K_I/s；假设I路输入码元序列有k种有限状态，瞬时噪声码字有z种有限状态，噪声码字速率V与码元速率v满足V＝l×v，l≥1，在时刻t，I路输入码元对应的I路瞬时同步伪随机序列为R_t＝{(r₁,...,r_|l|),(r_|l+1|,...,r_|2×l|),...,(r_|(z-1)×l+1|,...,r_|z×l|)}_t，z≥k，|·|表示零方向取整，则I路瞬时噪声码字序列可表示为/>其中，c_h＝Δ×r_h-K_I，1≤h≤|z×l|，/>r_h∈R_t，|·|表示零方向取整，因此，I路噪声码字序列可表示为/>源节点S和目的节点D依据上述步骤产生I路和Q路同步噪声码字序列；

(3)源节点S依据同步噪声码字序列和噪声调制参数对I路和Q路码元序列进行噪声调制，得到噪声调制信号，该噪声调制信号为I路和Q路组成的复信号：

I路和Q路噪声调制的步骤相同，以I路噪声调制为例：假设I路码元集合为M＝{m₁,...,m_a,...,m_k}，I路输入码元序列为x＝{x₁,...,x_t,...},I路同步噪声码字序列为/>I路噪声调制信号为y＝{y₁,...,y_t,...},/>则噪声调制过程就是把I路输入码元序列通过I路同步噪声码字序列映射为唯一的I路噪声调制信号。假设源节点S采用的I路调制映射规则为/>时刻t的码元x_t＝m_a，映射的噪声码字编号/>则时刻t的I路噪声调制信号为/>噪声调制过程示意图如图3所示；

(4)源节点S把噪声调制信号上变频到载波频率并发送给目的节点D：

源节点S把噪声调制信号(I路和Q路组成的复信号)上变频到载波频率，并发送给目的节点D；

(5)目的节点D把接收到的噪声调制信号下变频到零中频，得到I路和Q路采样点序列：

目的节点D接收到噪声调制信号Y后，把信号下变频到零中频，并进行I路和Q路双通道采样，得到I路和Q路采样点序列Q_I和Q_Q；

(6)目的节点D依据同步噪声码字序列对I路和Q路采样点序列进行解调制，得到I路和Q路解调制码元序列：

目的节点D首先对同步噪声码字序列和采样点序列进行采样速率匹配，然后依据重采样后的同步噪声码字序列和噪声调制参数对采样点序列Q_I和Q_Q进行解调制，得到I路和Q路解调制码元序列；

(6.1)目的节点D匹配采样速率：

I路和Q路对同步噪声码字序列和采样点序列进行采样速率匹配的步骤相同，以I路采样速率匹配为例：假设源节点S的I路码元速率为v，I路噪声码字速率为l×v，l≥1，目的节点D的I路采样速率为r×l×v，r≥1。当目的节点D的I路采样速率与源节点S的I路噪声码字速率不匹配，即r≠1时，需要对I路噪声码字序列进行重采样，重采样后的I路噪声码字序列可表示为其中，/>其中|·|表示零方向取整；

(6.2)目的节点D解噪声调制：

I路和Q路解噪声调制的步骤相同，以I路解噪声调制为例：目的节点D以码元为单位进行解调制，假设目的节点D在时刻t的I路码元采样点序列为Q(t)＝{q₁,...,q_p,...,q_|l×r|}，|·|表示零方向取整，把Q(t)与时刻t的I路瞬时噪声码字序列中的z组码字分别做相关运算，得相关系数集合C(t)＝{c₁,...,c_j,...,c_z}_t，相关系数最大值为c_g＝max[C(t)]，即噪声码字/>与采样点序列Q(t)的相关系数最大；假设源节点S和目的节点D采用的I路调制映射规则为/>逆映射规则为/>I路码元集合为M＝{m₁,...,m_a,...,m_k}，判决码元编号/>则时刻t的I路最佳判决码元为m_a。目的节点D也允许以多码元为单位进行解调制，其解调制流程与单码元解调制并没有本质区别，这里不做赘述。

以下结合仿真实验，对本发明的技术效果进行说明：

1.仿真条件和内容：

本发明的仿真实验是在Windows操作系统的硬件平台进行，采用MATLAB软件进行仿真。仿真模型采用图1所示的无线通信窃听模型，包括一个源节点S，一个目的节点D和一个窃听节点M。假设源节点S和目的节点D收发双方同步已完成，信道参数能够准确估计，源节点I路和Q路噪声码字速率均为500KHz，信道带宽为650KHz，目的节点I路和Q路采样速率均为2MHz，载波频率为70MHz，仿真中的所有信道均为AWGN信道。I路和Q路的噪声调制参数相同，I路和Q路的幅值范围Γ_I＝Γ_Q＝[-3～3]，I路和Q路均为2阶码元序列，即k_I＝k_Q＝2，每路码元速率均为10Kbps，码元数量均为2048，瞬时噪声码字均为2种状态，即z_I＝z_Q＝2，噪声码字幅值步进Δ＝2×3/10000，即同步伪随机序列元素取值范围为[0～10000]，同步伪随机序列幅值分布服从限幅的正态分布。

仿真内容包括：1)应用本发明产生的噪声调制信号与带限高斯白噪声信号在时域、频域和统计域三个方面进行仿真对比，结果如图4、图5、图6所示，2)应用本发明与直接序列扩频信号的误码率进行仿真对比，结果如图7所示。

2.仿真结果分析

参见图4，该图是依据本发明产生的噪声调制信号与带限高斯白噪声信号的时域波形仿真对比图，其横坐标表示时间，纵坐标表示幅度。从图4中可以看出，噪声调制信号一定程度上抹除了人工信号痕迹，其时域特征没有明显规律性，当带限高斯白噪声信号的带宽不大于噪声码字速率时，从时域上无法区分噪声调制信号与带限高斯白噪声信号。

参见图5，该图是依据本发明产生的噪声调制信号与带限高斯白噪声信号的频谱仿真对比图，其横坐标表示频率，纵坐标表示幅度。从图5中可以看出，噪声调制信号的功率谱密度均为常数，这表明在调制带宽内采样点之间不相关，当带限高斯白噪声信号的带宽不大于噪声码字速率时，其频域特性与带限高斯白噪声信号并没有明显区别。

参见图6，该图是依据本发明产生的噪声调制信号与带限高斯白噪声信号的幅值分布仿真对比图，其横坐标表示幅度，纵坐标表示出现次数。从图6中可以看出，噪声调制信号的幅值分布服从限幅的高斯分布，在[-3,3]幅值范围内与带限高斯白噪声信号并没有明显区别，无法通过幅值分布区分两种信号。

噪声调制技术与直接序列扩频技术相似，直接序列扩频技术通过独立的码序列把基带低速码元序列扩展为高速码元序列，噪声调制技术通过独立的噪声码字集把基带低速码元序列映射为高速噪声码字序列，因此扩频信号和噪声调制信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽，功率频谱密度可以比噪声还低，使得信号在一定程度上能隐蔽在噪声之中，不容易被检测出来。但是，直接序列扩频并不是一种调制技术，其信号特征仍然由采用的调制方式决定，其信号仍具有明显的人工信号特征，被侦察干扰的风险仍然很大。而噪声调制信号具有带限白噪声信号的特性，在复杂电磁环境下更不容易被检测出来，因此具有更强的防侦察和抗干扰性能。

参见图7，该图是本发明与直接序列扩频通信的误码率仿真对比图，其横坐标表示信噪比，纵坐标表示误码率，噪声调制通信采用相关信号检测的方法，直接序列扩频通信采用QPSK调制和相干解调的方法。从图7中可以看出，噪声调制信号和直接序列扩频信号通过信号扩频都可以在负信噪比条件下通信，由于噪声调制信号采用相关信号检测的方法，因此噪声调制信号的误码率性能比直接序列扩频信号更好一些。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

以上所述仅为本发明的一个具体实例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于伪随机序列的噪声调制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)源节点S和目的节点D通过双方交互的同步信息确定I路和Q路的噪声调制参数，噪声调制参数包括调制幅值范围、调制阶数、码元速率、噪声码字速率、调制映射规则、密钥信息；源节点S和目的节点D依据密钥信息生成同步伪随机序列；

(2)源节点S和目的节点D依据同步伪随机序列和噪声调制参数生成同步噪声码字序列；

(3)源节点S依据同步噪声码字序列和噪声调制参数对I路和Q路码元序列进行噪声调制，得到噪声调制信号，该噪声调制信号为I路和Q路组成的复信号；

(4)源节点S把噪声调制信号上变频到载波频率，并发送给目的节点D；

(5)目的节点D把接收到的噪声调制信号下变频到零中频，得到I路和Q路采样点序列；

(6)目的节点D对同步噪声码字序列和采样点序列进行采样速率匹配，然后依据重采样后的同步噪声码字序列和噪声调制参数对采样点序列进行解调制，得到I路和Q路解调制码元序列；

步骤(1)中源节点S和目的节点D依据密钥信息生成同步伪随机序列的具体过程为：源节点S和目的节点D从同步信息中提取密钥信息，然后依据提前协商的伪随机序列产生规则产生同步伪随机序列R＝{(r₁,...,r_e,...,r_p)_I,(r_p+1,...,r_p+i,...,r_p+q)_Q}，其中I路同步伪随机序列R_I＝{r₁,...,r_e,...,r_p}，Q路同步伪随机序列R_Q＝{r_p+1,...,r_p+i,...,r_p+q}，同步伪随机序列的幅值分布决定了噪声调制信号的幅值分布，假设I路和Q路的瞬时噪声码字共有z_I和z_Q种有限状态，I路和Q路噪声调制信号的序列长度均为L，则I路和Q路同步伪随机序列的长度应满足p≥z_I×L,q≥z_Q×L；

步骤(2)中对I路和Q路生成同步噪声码字序列的步骤相同；

对I路生成同步噪声码字序列的步骤为：假设I路同步伪随机序列R_I中的元素r_e满足0≤r_e≤s、s为正整数，调制幅值范围为Γ_I＝[-K_I～K_I]，则I路噪声调制的幅值步进Δ＝2K_I/s；假设I路输入码元序列有k种有限状态，瞬时噪声码字有z种有限状态，噪声码字速率V与码元速率v满足V＝l×v、l≥1，在时刻t，I路输入码元对应的I路瞬时同步伪随机序列为R_t＝{(r₁,...,r_|l|),(r_|l+1|,...,r_|2×l|),...,(r_|(z-1)×l+1|,...,r_|z×l|)}_t，z≥k，|·|表示零方向取整，则I路瞬时噪声码字序列可表示为/>其中，c_h＝Δ×r_h-K_I，/>r_h∈R_t，|·|表示零方向取整，因此，I路噪声码字序列表示为

步骤(3)中对I路和Q路码元序列进行噪声调制的步骤相同；

对I路码元序列进行噪声调制的步骤为：假设I路码元集合为M＝{m₁,...,m_a,...,m_k}，I路输入码元序列为I路同步噪声码字序列为/>I路噪声调制信号为y＝{y₁,...,y_t,...},/>则噪声调制过程就是把I路输入码元序列通过I路同步噪声码字序列映射为唯一的I路噪声调制信号；假设源节点S采用的I路调制映射规则为/>时刻t的码元x_t＝m_a，映射的噪声码字编号/>则时刻t的I路噪声调制信号为/>

步骤(6)包括以下子步骤：

(6.1)目的节点D匹配采样速率：

I路和Q路对同步噪声码字序列和采样点序列进行采样速率匹配的步骤相同；

I路采样速率匹配的步骤为：假设源节点S的I路码元速率为v，I路噪声码字速率为l×v、l≥1，目的节点D的I路采样速率为r×l×v、r≥1，当目的节点D的I路采样速率与源节点S的I路噪声码字速率不匹配，即r≠1时，需要对I路噪声码字序列进行重采样，重采样后的I路噪声码字序列表示为其中，/>，|·|表示零方向取整；

(6.2)目的节点D解噪声调制：

I路和Q路解噪声调制的步骤相同；

I路解噪声调制的步骤为：目的节点D以码元为单位进行解调制，假设目的节点D在时刻t的I路码元采样点序列为Q(t)＝{q₁,...,q_p,...,q_|l×r|},|·|表示零方向取整，把Q(t)与时刻t的I路瞬时噪声码字序列中的z组码字分别做相关运算，得相关系数集合C(t)＝{c₁,...,c_j,...,c_z}_t，相关系数最大值为c_g＝max[C(t)]，即噪声码字/>与采样点序列Q(t)的相关系数最大；假设源节点S和目的节点D采用的I路调制映射规则为/>逆映射规则为/>I路码元集合为M＝{m₁,...,m_a,...,m_k}，判决码元编号/>则时刻t的I路最佳判决码元为m_a。