CN111935711B - 一种无线通信携数据an辅助安全传输方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于卫星安全通信技术领域，公开了一种无线通信携数据AN辅助安全传输方法及应用，使用混沌伪随机序列打乱原始离散傅里叶变换DFT矩阵中的列向量，改变WFRFT的固有周期；混沌扰码WFRFT矩阵的列与反变换矩阵的行具有正交性，利用混沌扰码WFRFT的不同列对不同信号进行处理，并将其作为携数据AN进行传输；同时，将一组额外的AN同样使用混沌扰码WFRFT的列进行处理后一并发送。本发明利用混沌系统产生伪随机序列来调整原始DFT乘子，实现子载波频率的跳变，有效对抗外界干扰或他方截获；构建的混沌扰码WFRFT组合信号的星座图产生随机分裂、旋转和扩散，规避基于谱特征识别手段的截获；规避基于能量和匹配滤波方法的检测。

Description

一种无线通信携数据AN辅助安全传输方法及应用

技术领域

本发明属于卫星安全通信技术领域，尤其涉及一种无线通信携数据AN辅助安全传输方法及应用。

背景技术

目前，卫星通信具有通信覆盖区域大、工作频带宽、传输距离远以及通信容量大等优势，因而在军事通信和民用通信中均得到广泛的应用。美军先后发展了宽带全球卫星系统(WGS)、舰队卫星通信系统(FLTSATCOM)和特高频后续星(UFO)等通信系统，同时还开发了用于部署军用大型卫星星座的“国防太空架构”(NDSA)和受保护的军事星(MilStar)系统以保证核战争下的三军保密通信。在民用领域，以美国ViaSat-2通信系统、俄罗斯Express系列卫星、英国Skynet-6卫星通信系统和我国“鸿雁”卫星通信系统为代表的高通量卫星通信系统正在迅速发展，并逐步开始向航班提供WiFi服务。此外，随着5G技术的部署和未来通信网络的发展，星地混合网络将成为卫星通信的一个重要演进方向，军民集成的统一卫星通信体系架构正在加快建成。然而，不论是传统的卫星通信系统还是新兴的天地一体化通信网络，由于无线信道的开放性和广播性，使得网路中传输的信号极易受到非法窃听或恶意攻击等威胁。因此，各国围绕卫星通信进行的窃听、破译、截获等方面的攻防对抗从未停止，而且有愈演愈烈的趋势，研究保护信息安全和抵抗恶意攻击的卫星抗截获通信技术对于保证国家、军事信息安全和个人隐私安全至关重要。

当前保证卫星通信信息安全的主流方法是以互联网安全联盟和密钥管理协议、IP安全协议以及验证、鉴权和记账协议等为代表的加密和认证技术等，主要依托网络层和应用层等实现。此外，在卫星通信信号的抗截获与抗干扰设计方面，一般以扩频体制为主，其它手段为辅，相互结合增强无线信号的安全性和保密性。近年来，为了进一步提高无线系统的安全性，一些新的抗截获通信技术也相继出现，如混沌通信、认知无线电、变换域通信、流星余迹通信等。

传统加密手段主要是通过不断增加密钥的长度和提高加解密算法的复杂度来增强通信的保密性，但这种安全仅仅是一种“相对意义”的安全。首先，算法复杂度的不断提高会增加接收方的接收负担，在一定程度上影响信号传输的可靠性；此外，此类方法保证信息安全的基础是窃听方需要花费高昂代价(时间资源、计算资源等)对加密信息进行破解。然而，随着终端的数据处理能力不断升级，尤其是近年出现的量子计算机，打破了传统意义上的运算实现方式，使得基于计算量的信息加密安全机制受到严峻挑战。另一方面，在卫星抗截获信号特征研究与保护以及对它方的抗干扰设计中，主要以传统直接序列扩频和跳频技术为主，而针对上述方法的侦听和捕获技术日新月异，使得传统卫星安全通信体制容易遭到破坏，其可靠性和有效性受到越来越大的威胁。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)传统加密手段算法复杂度的不断提高增加接收方的接收负担和额外开销影响信号传输的可靠性。

(2)在卫星抗截获信号特征研究与保护以及对它方的抗干扰设计中，随着侦听和捕获技术日新月异，使得传统卫星安全通信体制容易遭到破坏，其可靠性和有效性受到越来越大的威胁。

(3)目前关于扩频、数字水印以及变换域预处理等隐蔽手段的研究相对孤立，缺乏各技术之间的联合设计与考虑，无法兼顾安全性和可靠性。

解决以上问题及缺陷的难度为：克服传统加密方案的局限性，这就需要从物理层出发，基于信息安全理论设计出不依靠密钥实现保密通信的传输方案，并验证方案的正确性和可行性。

解决以上问题及缺陷的意义为：本发明提出一种基于混沌扰码WFRFT的携数据AN辅助安全传输方案，相关研究成果能够对卫星抗截获通信的进一步发展起到良好的促进作用，对未来高起点卫星安全通信系统设计提供技术支持。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种无线通信携数据AN辅助安全传输方法及应用。

本发明是这样实现的，一种无线通信携数据AN辅助安全传输方法，所述无线通信携数据AN辅助安全传输方法使用混沌伪随机序列打乱原始离散傅里叶变换DFT矩阵中的列向量，改变WFRFT的固有周期；混沌扰码WFRFT矩阵的列与反变换矩阵的行存在正交性，利用混沌扰码WFRFT的不同列对不同信号进行处理，并作为携数据的AN进行传输；同时，将一组额外的AN同样使用混沌扰码WFRFT的列进行处理后一并发送。

进一步，所述无线通信携数据AN辅助安全传输方法包括：

第一步，传输信号首先通过地面站ES₁发送给S，在星上经过解码和混沌扰码WFRFT再处理后转发，生成分数阶携数据AN，以恶化窃听方的信道条件，从而保证发送信号的安全；

第二步，在发送分数阶携数据AN的同时，将一组额外的AN同样使用混沌扰码WFRFT的列处理后一并发送；

第三步，经过混沌扰码WFRFT向量处理后的信号和AN使得Eve的SINR被恶化，而接收方则能接收到所有信号并能够将其中的干扰消除；

第四步，分配给第i个信号的发射功率对系统安全性能有重要影响，利用相关优化方法对发射功率的分配进行优化，使得系统安全容量最大化。

进一步，所述携数据AN辅助安全传输方法一个信号的WFRFT可由该信号不同阶傅里叶变换的加权和来表示，其中最基本形式是4-WFRFT，表达式为：

式中，

表示对X进行WFRFT变换；X为长度为n_s的原始信号；I为n_s×n_s的单位矩阵；α为变换阶数；F是归一化DFT矩阵，

为加权系数，其定义表达式为：

式中，j为虚数单位。F的形式为：

上式表明4阶DFT矩阵等同于一个单位矩阵，即F⁴＝I。

进一步，所述携数据AN辅助安全传输方法根据F的定义式，DFT矩阵中的元素表示为：

F_n,k＝exp((-j2πnk)/N_F),n,k＝0～N_F-1；

其中，N_F为DFT矩阵的维度；

经过伪随机序列调整后的不同阶DFT矩阵表示为：

其中，n,k＝0～N_F-1,

d是伪随机序列对应的十进制数。此时，WFRFT的加权系数也会相应地受到影响，表示为：

其中，N_d为受d影响下F矩阵的周期；将混沌扰码DFT矩阵记作F_d，则最终得到的变换矩阵表示为：

进一步，所述携数据AN辅助安全传输方法将混沌扰码WFRFT矩阵的列作为信号处理向量对信号进行处理，并在传输前对信号进行正交空时编码，以N_S＝2,N₂＝N_E＝1为例，令：

其中，

是给第i个信号分配的发射功率，N是传输信号的数量，x_i代表传输的第i个信号，n_a是额外加入的AN，其分布服从

前两个符号的OSTBC编码的结果为：

而后对信号进行传输，定义S与ES₁、ES₂以及Eve之间的信道增益矩阵分别为H₁、H₂和H_E，合法接收方和窃听方接收的信号分别为

和Y_E＝H_EX_O1+N_E，其中，N₂和N_E是相应信道的零均值加性高斯白噪声，其方差分别为

和

在接收端，首先对信号进行OSTBC解码，之后利用对应参数混沌扰码WFRFT矩阵的行对接收到的信号进行处理，实现目的信号的接收并消除其他干扰信号和AN的影响，经过OSTBC解码和干扰消除后的信号为：

其中，h₁₁和h₂₂是矩阵H₂中的元素，h_E1和h_E2是矩阵H_E中的元素，

为-α阶混沌扰码WFRFT矩阵的第i行，

是Eve生成的信号处理矩阵的第i行，α_e是Eve采取的逆变换阶数。

进一步，所述携数据AN辅助安全传输方法通过计算合法信道与窃听信道的信道容量，求出系统的安全容量，最大发射功率为p_s，表示为：

为更好地分析所提方法的性能，本发明中提出以总符号安全容量TSSC对WFDCAN的安全性能进行衡量，其定义为：

TSSC_si＝C_si×N×n_s。

其中，C_si为第i个信号的安全容量，n_s为每个信号中包含的符号数。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：使用混沌伪随机序列打乱原始离散傅里叶变换DFT矩阵中的列向量，改变WFRFT的固有周期；利用混沌扰码WFRFT的不同列对不同信号进行处理，并作为携数据的AN进行传输；同时，将一组额外的AN同样使用混沌扰码WFRFT的列进行处理后一并发送。

本发明的另一目的在于提供一种运行所述携数据AN辅助安全传输方法的携数据AN辅助安全传输系统，所述携数据AN辅助安全传输系统包括：

分数阶携数据生成模块，用于实现传输信号首先通过地面站ES₁发送给S，在星上经过解码和混沌扰码WFRFT再处理后转发，生成分数阶携数据AN；

混沌扰码列处理模块，用于在发送分数阶携数据AN的同时，将一组额外的AN同样使用混沌扰码WFRFT的列处理后一并发送；

干扰消除模块，用于经过混沌扰码WFRFT向量处理后的信号和AN使得Eve的SINR被恶化，而接收方则能接收到所有信号并能够将其中的干扰消除；

发射功率分配优化模块，用于实现分配给第i个信号的发射功率对系统安全性能有重要影响，利用相关优化方法对发射功率的分配进行优化，，使得安全容量最大化。

本发明的另一目的在于提供一种卫星通信终端，所述卫星通信终端搭载所述的携数据AN辅助安全传输系统。

本发明的另一目的在于提供一种5G移动通信终端，所述5G通信终端搭载所述的携数据AN辅助安全传输系统。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明根据传统的WFRFT特征，对其结构进行改进，利用混沌系统产生伪随机序列来调整原始DFT乘子，实现子载波频率的跳变，有效对抗外界干扰或他方截获。期望通过扩展系统参数池，使得构建的混沌扰码WFRFT组合信号的星座图产生随机分裂、旋转和扩散，规避基于谱特征识别手段的截获；期望混沌扰码WFRFT组合信号的时频谱图呈现时频能量对称和比特分布均匀，规避基于能量和匹配滤波方法的检测。

本发明在混沌扰码WFRFT的基础上，将物理层安全技术中的AN技术融入WFRFT设计中。以解码转发DF卫星通信系统为例，在星上对信号进行处理，生成分数阶携数据AN，从而恶化窃听方的信干噪比SINR，继而保证发送信号的安全。基于分数阶携数据AN技术可以同时发送多个互为AN的信号，并充分利用星上受限的功率资源。因此，星上有限的发射功率能够在安全性允许的前提下被用于发送尽可能多的信号。

本发明借鉴子载波跳频的思想，使用混沌伪随机序列打乱原始离散傅里叶变换DFT矩阵中的列向量，改变WFRFT的固有周期并使其受跳频机制的影响。混沌扰码WFRFT矩阵的列与其反变换矩阵的行存在正交性，可以利用混沌扰码WFRFT的不同列对不同信号进行处理，并将其作为携数据的AN进行传输；同时，为确保整体传输的安全性，将一组额外的AN同样使用混沌扰码WFRFT的列进行处理后一并发送。由于不需要依赖主信道实现AN的消除，因此信道状态信息CSI的估计误差将不会导致AN向主信道泄露。在获得的CSI不完美时，本发明的安全性能要优于传统的AN技术。此外，除了额外注入的AN外，其余携数据AN均包含有用信息，因此能够充分利用星上有限功率传输信息。与传统通信加密技术相比，利用本发明能在相同功率约束下安全发送更多的信息符号，抗干扰能力强，同时计算开销更小。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

1)现有的卫星抗截获通信采用传统的跳频、扩频等手段，相对应的截获技术发展已经非常成熟。本发明采用新型时频数学工具WFRFT对信号进行加密，并在此基础上提出抗截获性能更好的混沌扰码WFRFT。

2)分数阶携数据AN技术相比于传统AN技术，CSI的估计误差将不会导致AN向主信道泄露，当主信道CSI不完备或者卫星天线数量较少时，可以实现较好的安全性能，且计算复杂度更小。

3)所提安全传输方案能在窃听方已获取变换阶数相关信息时保证信号传输安全；此外，在传输参数变化时能够自适应调整功率分配。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的携数据AN辅助安全传输方法流程图。

图2是本发明实施例提供的携数据AN辅助安全传输系统的结构示意图；

图中：1、分数阶携数据生成模块；2、混沌扰码列处理模块；3、干扰消除模块；4、发射功率分配优化模块。

图3是本发明实施例提供的携数据AN辅助安全传输方法的实现流程图。

图4是本发明实施例提供的解码转发卫星通信系统示意图。

图5是本发明实施例提供的混沌扰码WFRFT结构原理图。

图6是本发明实施例提供的理想CSI条件下总符号安全容量仿真图。

图7是本发明实施例提供的非理想CSI条件下总符号安全容量仿真图。

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，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种携数据AN辅助安全传输方法、系统、存储介质、应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明提供的携数据AN辅助安全传输方法包括以下步骤：

S101：传输信号首先通过地面站ES₁发送给S，在星上经过解码和混沌扰码WFRFT再处理后转发，生成分数阶携数据AN，以恶化窃听方的信道条件，从而保证发送信号的安全；

S102：在发送分数阶携数据AN的同时，将一组额外的AN同样使用混沌扰码WFRFT的列处理后一并发送；

S103：经过混沌扰码WFRFT向量处理后的信号和AN使得Eve的SINR被恶化，而接收方则能接收到所有信号并能够将其中的干扰消除；

S104：分配给第i个信号的发射功率对系统安全性能有重要影响，利用相关优化方法对发射功率的分配进行优化，使得系统安全容量最大化。

如图2所示，本发明提供的携数据AN辅助安全传输系统包括：

分数阶携数据生成模块1，用于实现传输信号首先通过地面站ES₁发送给S，在星上经过解码和混沌扰码WFRFT再处理后转发，生成分数阶携数据AN。

混沌扰码列处理模块2，用于在发送分数阶携数据AN的同时，将一组额外的AN同样使用混沌扰码WFRFT的列处理后一并发送。

干扰消除模块3，用于经过混沌扰码WFRFT向量处理后的信号和AN使得Eve的SINR被恶化，而接收方则能接收到所有信号并能够将其中的干扰消除；

发射功率分配优化模块4，用于实现分配给第i个信号的发射功率对系统安全性能有重要影响，利用相关优化方法对发射功率的分配进行优化，使得TSSC最大化。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

本发明以DF卫星通信系统为例进行说明，如图4所示。该系统由一个具有N₁根天线的地面站ES₁、一个具有N_S根天线的DF卫星S和一个具有N₂根天线的地面站ES₂构成。假设存在一个具有N_E根天线的窃听者Eve，Eve试图窃听S发送给ES₂的信息。本发明所提方案步骤如下：

1)传输信号首先通过ES₁发送给S，在星上经过解码和混沌扰码WFRFT再处理后转发，生成分数阶携数据AN，以恶化窃听方的信道条件，从而保证发送信号的安全；

2)为确保整体传输的安全性，在发送分数阶携数据AN的同时，将一组额外的AN同样使用混沌扰码WFRFT的列处理后一并发送；

3)经过混沌扰码WFRFT向量处理后的信号和AN使得Eve的SINR被恶化，而接收方则能接收到所有信号并能够将其中的干扰消除；

4)另一方面，由于混沌序列的存在，即使窃听方知道WFRFT变换阶数，也无法获取正确的向量来消除干扰；

5)分配给第i个信号的发射功率对系统安全性能有重要影响，利用相关优化方法对发射功率的分配进行优化，使得系统安全容量最大化。

本发明作为一种新的物理层安全调制加密技术，WFRFT能够使得原始基带信号星座出现模糊、旋转、裂变等特点，同时星座模糊带来的类高斯分布特性及星座的图案伪装特性都使得WFRFT具有天然的隐蔽特性，进而为将WFRFT应用于卫星安全通信领域成为可能。

一个信号的WFRFT可由该信号不同阶傅里叶变换的加权和来表示，其中最基本形式是4-WFRFT，其数学表达式为：

式中，

表示对X进行WFRFT变换；X为长度为n_s的原始信号；I为n_s×n_s的单位矩阵；α为变换阶数；F是归一化DFT矩阵，

为加权系数，其定义表达式为：

式中，j为虚数单位。F的形式为：

上式表明4阶DFT矩阵等同于一个单位矩阵，即F⁴＝I。这一特性决定了WFRFT的周期性，也是实现WFRFT的关键；同时，系统参数对应的WFRFT矩阵的行和列之间存在正交性，整个过程中唯一可变的参数只有α。

基于上述分析，本发明借鉴子载波跳频的思想，即利用混沌系统生成的伪随机序列打乱原DFT矩阵各列的顺序，以提升卫星通信系统的安全性能。根据F的定义式，DFT矩阵中的元素可以表示为：

F_n,k＝exp((-j2πnk)/N_F),n,k＝0～N_F-1；

其中，N_F为DFT矩阵的维度。

经过伪随机序列调整后的不同阶DFT矩阵表示为：

其中，n,k＝0～N_F-1,

d是伪随机序列对应的十进制数。此时，WFRFT的加权系数也会相应地受到影响，表示为：

其中，N_d为受d影响下F矩阵的周期。这里将混沌扰码DFT矩阵记作F_d，则最终得到的变换矩阵可以表示为：

本发明发现，此时WFRFT的DFT矩阵的周期在d的影响下不再是4，其对应的系数也会随之变化，同时WFRFT及其反变换也会受到相应的影响。混沌扰码WFRFT的抗截获性能是通过混沌伪随机序列实现的，在矩阵维度足够大的情况下，其抗截获性能明显优于传统的WFRFT，如图5所示为混沌扰码WFRFT结构原理图。

可以证明，具有对应参数的混沌扰码WFRFT矩阵行和列之间存在的正交性，为利用这种正交性，将混沌扰码WFRFT矩阵的列作为信号处理向量对信号进行处理，并在传输前对信号进行正交空时编码(OSTBC)，以避免信道对混沌扰码WFRFT矩阵行列正交性的影响。以N_S＝2,N₂＝N_E＝1为例，这里令：

其中，

是给第i个信号分配的发射功率，N是传输信号的数量，x_i代表传输的第i个信号，n_a是额外加入的AN，其分布服从

以上式前两个符号为例，OSTBC编码的结果为：

而后对信号进行传输，定义S与ES₁、ES₂以及Eve之间的信道增益矩阵分别为H₁、H₂和H_E，合法接收方和窃听方接收的信号分别为

和Y_E＝H_EX_O1+N_E，其中，N₂和N_E是相应信道的零均值加性高斯白噪声，其方差分别为

和

在接收端，首先对信号进行OSTBC解码，之后利用对应参数混沌扰码WFRFT矩阵的行对接收到的信号进行处理，实现目的信号的接收并消除其他干扰信号和AN的影响，经过OSTBC解码和干扰消除后的信号为：

其中，h₁₁和h₂₂是矩阵H₂中的元素，h_E1和h_E2是矩阵H_E中的元素，

为-α阶混沌扰码WFRFT矩阵的第i行，

是Eve生成的信号处理矩阵的第i行，α_e是Eve采取的逆变换阶数。

值得注意的是，由于每个混沌扰码WFRFT矩阵存在

的加权项，因此只有经过这部分加权项处理的信息才有可能被窃听方获取。经过混沌扰码WFRFT处理后的信号和额外AN使得窃听方的SINR被恶化，而接收方则能接收到所有信号并能够将其中的干扰消除。由于混沌伪随机序列的存在，即使窃听方知道了变换阶数α，也无法获取正确的向量来消除干扰。为了衡量系统的安全性，本发明通过计算合法信道与窃听信道的信道容量，从而求出系统的安全容量。需要实现的目标是在发射功率等约束下，实现安全容量的最大化，设最大发射功率为p_s，则该问题可以表示为：

为更好地分析所提方法的性能，本发明中提出以总符号安全容量TSSC对WFDCAN的安全性能进行衡量，其定义为：

TSSC_si＝C_si×N×n_s。

其中，C_si为第i个信号的安全容量，n_s为每个信号中包含的符号数。

在上述优化问题中，分配给第i个信号的发射功率对安全容量会产生重要影响，然而不同分配方法的复杂程度也各有不同，因此在考虑发射功率的分配方法时，为便于分析，先采用将功率平均分给各信号的方法，之后再利用相关优化方法(如人工智能优化算法)对发射功率的分配进行优化，使得TSSC最大化。

如图6和图7所示为理想和非理想CSI下分数阶携数据AN方法与传统AN方法的TSSC仿真对比，分别记作WFDCAN和AN方法。信道设为重度衰落信道，传输的信号数量分别设为N＝3，N＝5和N＝7。由图6可知，WFDCAN的TSSC优于传统AN方法，随着传输信号数量的增加，WFDCAN的TSSC持续增加，而传统AN方法的TSSC并没有明显变化。图7展示了两种方法在非理想CSI下的TSSC，由图可知，由于传统AN方法的安全性能主要依赖于CSI，因此其TSSC特性相比于本发明方法而言相对较差，而WFDCAN的安全性能由于不受CSI影响，其TSSC特性较好。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种携数据AN辅助安全传输方法，其特征在于，所述携数据AN辅助安全传输方法使用混沌伪随机序列打乱原始离散傅里叶变换DFT矩阵中的列向量，改变WFRFT的固有周期；混沌扰码WFRFT矩阵的列与反变换矩阵的行利用混沌扰码WFRFT的不同列对不同信号进行处理，并作为携数据的AN进行传输；同时，将一组额外的AN同样使用混沌扰码WFRFT的列进行处理后一并发送；

所述携数据AN辅助安全传输方法包括：

第一步，传输信号首先通过地面站ES₁发送给S，在星上经过解码和混沌扰码WFRFT再处理后转发，生成分数阶携数据AN，以恶化窃听方的信道条件，从而保证发送信号的安全；

第二步，在发送分数阶携数据AN的同时，将一组额外的AN同样使用混沌扰码WFRFT的列处理后一并发送；

第三步，经过混沌扰码WFRFT向量处理后的信号和AN使得Eve的SINR被恶化，而接收方则能接收到所有信号并能够将其中的干扰消除；

第四步，分配给第i个信号的发射功率对系统安全性能有重要影响，利用相关优化方法对发射功率的分配进行优化，使得系统安全容量最大化；

所述携数据AN辅助安全传输方法将混沌扰码WFRFT矩阵的列作为信号处理向量对信号进行处理，并在传输前对信号进行正交空时编码，令N_S＝2,N₂＝N_E＝1得到：

其中，

是给第i个信号分配的发射功率，N是传输信号的数量，x_i代表传输的第i个信号，n_a是额外加入的AN，其分布服从

OSTBC编码的结果为：

而后对信号进行传输，定义S与ES₁、ES₂以及Eve之间的信道增益矩阵分别为H₁、H₂和H_E，合法接收方和窃听方接收的信号分别为

和Y_E＝H_EX_O1+N_E，其中，N₂和N_E是相应信道的零均值加性高斯白噪声，其方差分别为

和

在接收端，首先对信号进行OSTBC解码，之后利用对应参数混沌扰码WFRFT矩阵的行对接收到的信号进行处理，实现目的信号的接收并消除其他干扰信号和AN的影响，经过OSTBC解码和干扰消除后的信号为：

其中，h₁₁和h₂₂是矩阵H₂中的元素，h_E1和h_E2是矩阵H_E中的元素，

为-α阶混沌扰码WFRFT矩阵的第i行，

是Eve生成的信号处理矩阵的第i行，α_e是Eve采取的逆变换阶数。

2.如权利要求1所述的携数据AN辅助安全传输方法，其特征在于，所述携数据AN辅助安全传输方法一个信号的WFRFT可由该信号不同阶傅里叶变换的加权和来表示，其中最基本形式是4-WFRFT，表达式为：

式中，

表示对X进行WFRFT变换；X为长度为n_s的原始信号；I为n_s×n_s的单位矩阵；α为变换阶数；F是归一化DFT矩阵，

为加权系数，其定义表达式为：

式中，j为虚数单位，F的形式为：

上式表明4阶DFT矩阵等同于一个单位矩阵，即F⁴＝I。

3.如权利要求1所述的携数据AN辅助安全传输方法，其特征在于，所述携数据AN辅助安全传输方法根据F的定义式，DFT矩阵中的元素表示为：

F_n,k＝exp((-j2πnk)/N_F),n,k＝0～N_F-1；

其中，N_F为DFT矩阵的维度；

经过伪随机序列调整后的不同阶DFT矩阵表示为：

其中，n,k＝0～N_F-1,

d是伪随机序列对应的十进制数，此时，WFRFT的加权系数也会相应地受到影响，表示为：

其中，N_d为受d影响下F矩阵的周期；将混沌扰码DFT矩阵记作F_d，则最终得到的变换矩阵表示为：

4.如权利要求1所述的携数据AN辅助安全传输方法，其特征在于，所述携数据AN辅助安全传输方法通过计算合法信道与窃听信道的信道容量，求出系统的安全容量，最大发射功率为p_s，表示为：

max C_si

s.t.

5.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：使用混沌伪随机序列打乱原始离散傅里叶变换DFT矩阵中的列向量，改变WFRFT的固有周期；混沌扰码WFRFT矩阵的列与反变换矩阵的行利用混沌扰码WFRFT的不同列对不同信号进行处理，并作为携数据的AN进行传输；同时，将一组额外的AN同样使用混沌扰码WFRFT的列进行处理后一并发送；

所述携数据AN辅助安全传输方法将混沌扰码WFRFT矩阵的列作为信号处理向量对信号进行处理，并在传输前对信号进行正交空时编码，令N_S＝2,N₂＝N_E＝1得到：

其中，

是给第i个信号分配的发射功率，N是传输信号的数量，x_i代表传输的第i个信号，n_a是额外加入的AN，其分布服从

OSTBC编码的结果为：

而后对信号进行传输，定义S与ES₁、ES₂以及Eve之间的信道增益矩阵分别为H₁、H₂和H_E，合法接收方和窃听方接收的信号分别为

和Y_E＝H_EX_O1+N_E，其中，N₂和N_E是相应信道的零均值加性高斯白噪声，其方差分别为

和

在接收端，首先对信号进行OSTBC解码，之后利用对应参数混沌扰码WFRFT矩阵的行对接收到的信号进行处理，实现目的信号的接收并消除其他干扰信号和AN的影响，经过OSTBC解码和干扰消除后的信号为：

其中，h₁₁和h₂₂是矩阵H₂中的元素，h_E1和h_E2是矩阵H_E中的元素，

为-α阶混沌扰码WFRFT矩阵的第i行，

是Eve生成的信号处理矩阵的第i行，α_e是Eve采取的逆变换阶数。

6.一种运行权利要求1～4任意一项所述携数据AN辅助安全传输方法的携数据AN辅助安全传输系统，其特征在于，所述携数据AN辅助安全传输系统包括：

分数阶携数据生成模块，用于实现传输信号首先通过地面站ES₁发送给S，在星上经过解码和混沌扰码WFRFT再处理后转发，生成分数阶携数据AN；

混沌扰码列处理模块，用于在发送分数阶携数据AN的同时，将一组额外的AN同样使用混沌扰码WFRFT的列处理后一并发送；

干扰消除模块，用于经过混沌扰码WFRFT向量处理后的信号和AN使得Eve的SINR被恶化，而接收方则能接收到所有信号并能够将其中的干扰消除；

发射功率分配优化模块，用于实现分配给第i个信号的发射功率对系统安全性能有重要影响，利用相关优化方法对发射功率的分配进行优化；

将混沌扰码WFRFT矩阵的列作为信号处理向量对信号进行处理，并在传输前对信号进行正交空时编码，令N_S＝2,N₂＝N_E＝1得到：

其中，

是给第i个信号分配的发射功率，N是传输信号的数量，x_i代表传输的第i个信号，n_a是额外加入的AN，其分布服从

OSTBC编码的结果为：

而后对信号进行传输，定义S与ES₁、ES₂以及Eve之间的信道增益矩阵分别为H₁、H₂和H_E，合法接收方和窃听方接收的信号分别为

和Y_E＝H_EX_O1+N_E，其中，N₂和N_E是相应信道的零均值加性高斯白噪声，其方差分别为

和

在接收端，首先对信号进行OSTBC解码，之后利用对应参数混沌扰码WFRFT矩阵的行对接收到的信号进行处理，实现目的信号的接收并消除其他干扰信号和AN的影响，经过OSTBC解码和干扰消除后的信号为：

其中，h₁₁和h₂₂是矩阵H₂中的元素，h_E1和h_E2是矩阵H_E中的元素，

为-α阶混沌扰码WFRFT矩阵的第i行，

是Eve生成的信号处理矩阵的第i行，α_e是Eve采取的逆变换阶数。

7.一种卫星通信终端，其特征在于，所述卫星通信终端搭载权利要求6所述的携数据AN辅助安全传输系统。

8.一种5G通信终端，其特征在于，所述5G通信终端搭载权利要求6所述的携数据AN辅助安全传输系统。

Images