CN112039626A - 一种依赖于通信距离的随机相位调制方法 - Google Patents

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Abstract

该发明公开了一种依赖于通信距离的随机相位调制方法，属于通信技术领域。本发明所提供的方法通过发射机和接收机进行时间同步，并产生本地随机信号，依据传输时延和所产生本地随机信号对待发送的原始信号进行预编码，实现依赖于通信距离的随机相位调制，充分利用了发射机和接收机的位置所带来的潜在安全性，实现在预期距离位置处的接收机能够收到相位正确的信号，而在其他距离位置处的接收机则收到相位置乱的信号，在空间的维度上提升无线通信系统的安全通信能力。

Description

一种依赖于通信距离的随机相位调制方法
技术领域
该发明属于通信技术领域，具体涉及依赖于通信距离的随机相位调制方法。
背景技术
传统的抗截获安全通信方法依赖于上层的加密和认证技术，然而随着计算能力的提升，上层的加密和认证技术面临着前所未有的挑战。例如，2019年9月，谷歌公司宣告在全球首次实现“量子霸权”：其量子计算机仅用200秒就完成了世界第一超算Summit用1万年的时间才能完成的计算，计算能力提升了15亿倍。在另一方面，随着无线接入的增加，高层加密认证技术的秘钥分配管理更加困难。基于此背景，物理层加密认证技术得到了广泛而深入的研究。物理层加密认证技术通过基于物理层的特征属性来实现加密认证，充分利用了底层信号特征属性，并且还具备较高的协议架构兼容性、高灵活性和低时延特征。
现有的物理层加密认证方法包括物理层水印、物理层挑战响应、跨层认证、物理层秘钥交换、射频指纹和无线信道指纹等。现有物理层加密认证技术大多基于信息论基础，对信道的随机性加以利用，而一些其他自然因素，例如发射机和接收机的位置，所带来的潜在安全性能没有得到充分挖掘。
发明内容
为了解决该问题，本发明提供一种物理层加密算法，通过依赖于通信距离的随机相位调制，实现在预期距离位置处的接收机能够收到相位正确的信号，而在其他距离位置处的接收机则收到相位置乱的信号，在空间的维度上提升无线通信系统的安全通信能力。
为了实现上述目的，本发明提供一种依赖于通信距离的随机相位调制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：将发射机和接收机进行时间同步，发射机用于对原始信号进行处理和发射，接收机用于对接收信号进行恢复；
步骤2：发射机和接收机依据事先约定的采样率T s，得到第k次采样时刻：
t k = t 0 +kT s
其中，t 0 表示采样初始时刻；
步骤3：发射机在采样初始时刻t 0 产生初始采样时刻的本地随机信号θ(t 0 )，其中θ(t 0 )服从区间[0,2π)上的均匀分布；在第k次采样时刻，发射机依据上一次采样时刻的本地随机信号θ(t k-1 )，产生在第k次采样时刻的本地随机信号θ(t k )，产生方法为：
Figure 447231DEST_PATH_IMAGE001
其中ρ为区间[0,1]上的常数，
Figure 302055DEST_PATH_IMAGE002
为在第k次采样时刻发射机产生的本地随机信号 增量，并且
Figure 19475DEST_PATH_IMAGE002
服从区间[0,2π)上的均匀分布；
步骤4：发射机依据到接收机的传输时延△t，计算发射机与接收机之间的采样点偏移
Figure 414685DEST_PATH_IMAGE003
，其中
Figure 163810DEST_PATH_IMAGE004
表示向上取整操作；发射机依据第k+△t次采样时刻的本地随机 信号θ(t k+△τ )产生第k次采样时刻的预编码信号
Figure 986273DEST_PATH_IMAGE005
；
步骤5：发射机将第k次采样时刻的原始信号S k ，与第k次采样时刻的预编码信号α k 相乘，得到第k次采样时刻的发送信号x k = S k α k ，并发送至接收机，其中原始信号S k 表示待发送的数据信号；
步骤6：接收机对第k次采样时刻的发送信号进行估计，得到第k次采样时刻的接收信号r k ；接收机依据第k次采样时刻的本地随机信号θ(t k ) ，产生第k次采样时刻的本地匹配信号
Figure 190989DEST_PATH_IMAGE006
；接收机将第k次采样时刻的接收信号r k 与第k次采样时刻的本地匹配信号β k 相乘，得到对所述第k次采样时刻的原始信号的估计
Figure 327572DEST_PATH_IMAGE007
。
本发明所提供的方法通过发射机和接收机进行时间同步，并产生本地随机信号，依据传输时延和所产生本地随机信号对待发送的原始信号进行预编码，实现依赖于通信距离的随机相位调制，充分利用了发射机和接收机的位置所带来的潜在安全性，实现在预期距离位置处的接收机能够收到相位正确的信号，而在其他距离位置处的接收机则收到相位置乱的信号，在空间的维度上提升无线通信系统的安全通信能力。
附图说明
图1给出了本发明发射机信号处理框图。
图2给出了本发明接收机信号处理框图。
图3给出了实施方式1所描述系统的EVM性能。
具体实施方式
下面结合附图，详细说明本发明的实施方式。
发射机采用如图1所示架构，假设所述发射机和所述接收机依据事先约定的采样率:
T s=0.025μs，初始采样时刻为t 0 =0，假设发射机到接收机的距离间隔为3 km。
(1) 所述发射机和所述接收机进行时间同步；
(2) 所述发射机和所述接收机依据事先约定的采样T s，得到第k次采样时刻：
t k =kT s=0.025k μs；
(3) 所述发射机在所述采样初始时刻t 0 产生初始采样时刻的本地随机信号θ(t 0 )，其中θ(t 0 )服从区间[0,2π)上的均匀分布；在所述第k次采样时刻，其中k =1,2,3…，所述发射机依据上一次采样时刻的本地随机信号θ(t k - 1 )，产生在所述第k次采样时刻的本地随机信号θ(t k )，产生方法为：
Figure 996451DEST_PATH_IMAGE008
其中ρ=0.99，
Figure 927498DEST_PATH_IMAGE002
服从区间[0,2π)上的均匀分布。
(4) 所述发射机依据到所述接收机的传输时延△t =(3km)/c=10μs ，其中c为电 磁波在空间中的传播速度，计算发射机与接收机之间的采样点偏移
Figure 681827DEST_PATH_IMAGE009
，产生第k次采样时刻的预编码信号
Figure 356522DEST_PATH_IMAGE010
，其中θ(t k+400)表示第k+400次采样时 刻的本地随机信号。
(5) 所述发射机将第k次采样时刻的原始信号S k 与所述第k次采样时刻的预编码信号α k 相乘，得到第k次采样时刻的发送信号 x k =s k α k ，发送至接收机。
接收机采用图2所示的架构，接收机对第k次采样时刻的发送信号进行估计，得到 第k次采样时刻的接收信号r k ；所述接收机依据所述第k次采样时刻的本地随机信号θ(t k )， 产生第k次采样时刻的本地匹配信号
Figure 879908DEST_PATH_IMAGE011
，所述接收机将所述第k次采样时刻的 接收信号r k 与所述第k次采样时刻的本地匹配信号β k 相乘，得到对所述第k次采样时刻的原 始信号的估计
Figure 247435DEST_PATH_IMAGE012
。
图3给出了该实施方式所描述系统的EVM性能随传输距离的关系，可以看到，只有在预期距离位置3 km附近的接收机能够收到相位正确的信号，误差向量幅度EVM = 0%,在其他位置处的接收机接收到的都是相位置乱的信号，EVM值非0且大于100%。

Claims (1)

1.一种依赖于通信距离的随机相位调制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：将发射机和接收机进行时间同步，发射机用于对原始信号进行处理和发射，接收机用于对接收信号进行恢复；
步骤2：发射机和接收机依据事先约定的采样率T s，得到第k次采样时刻：
t k = t 0 +kT s
其中，t 0 表示采样初始时刻；
步骤3：发射机在采样初始时刻t 0 产生初始采样时刻的本地随机信号θ(t 0 )，其中θ(t 0 )服从区间[0,2π)上的均匀分布；在第k次采样时刻，发射机依据上一次采样时刻的本地随机信号θ(t k-1 )，产生在第k次采样时刻的本地随机信号θ(t k )，产生方法为：
Figure 773484DEST_PATH_IMAGE001
其中ρ为区间[0,1]上的常数，
Figure 986291DEST_PATH_IMAGE002
为在第k次采样时刻发射机产生的本地随机信号增 量，并且
Figure 629762DEST_PATH_IMAGE002
服从区间[0,2π)上的均匀分布；
步骤4：发射机依据到接收机的传输时延△t，计算发射机与接收机之间的采样点偏移
Figure 902611DEST_PATH_IMAGE003
，其中
Figure 569216DEST_PATH_IMAGE004
表示向上取整操作；发射机依据第k+△t次采样时刻的本地随机 信号θ(t k+△τ )产生第k次采样时刻的预编码信号
Figure 648031DEST_PATH_IMAGE005
；
步骤5：发射机将第k次采样时刻的原始信号S k ，与第k次采样时刻的预编码信号α k 相乘，得到第k次采样时刻的发送信号x k = S k α k ，并发送至接收机，其中原始信号S k 表示待发送的数据信号；
步骤6：接收机对第k次采样时刻的发送信号进行估计，得到第k次采样时刻的接收信号r k ；接收机依据第k次采样时刻的本地随机信号θ(t k ) ，产生第k次采样时刻的本地匹配信号
Figure 83691DEST_PATH_IMAGE006
；接收机将第k次采样时刻的接收信号r k 与第k次采样时刻的本地匹配信号β k 相乘，得到对所述第k次采样时刻的原始信号的估计
Figure 855338DEST_PATH_IMAGE007
。
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