CN112953877B - 一种基于循环前缀的隐蔽通信同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于循环前缀的隐蔽通信同步方法，采用OTFS的调制方式，同时充分利用OTFS的帧结构特点，采用循环前缀进行帧同步和寻找最佳采样点，同时利用OTFS系统中插入的与OFDM系统中类似的导频，进行相位同步，从而实现一种隐蔽的同步方式。本发明将信号从通常的时间‑频率域变换到时延‑多普勒域，能够有效降低通信信号特征被提取及通信信息被窃听的概率，同时OTFS能够兼容OFDM系统，有很好的移植性；在同步方式上采用了基于循环前缀的同步，避免了固定训练序列导频容易被检测的缺点，进一步提高了信号的隐蔽性。

Description

一种基于循环前缀的隐蔽通信同步方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，涉及一种通信同步方法，尤其涉及OTFS系统中，采用循环前缀和导频进行隐蔽通信的帧同步、位同步和相位同步的同步方法。

背景技术

正交频分复用技术(OFDM)是一种多载波调制技术，它的思路是将高速信号分成多个并行低速信号，并调制到多个相互正交的子载波上。OFDM具有很强的抗衰落能力，并且对窄带噪声和窄带干扰不敏感，目前OFDM技术在4G和5G中得到了广泛使用。正交时频拓展(OTFS)可以看作是一种在OFDM上的改进技术，两者的帧结构相似，并且能够兼容当前的OFDM系统。两者的区别在于OFDM将信息在时间-频率域上进行调制，而OTFS将信息在时延-多普勒域上进行调制。

通常OFDM通过一组固定的序列进行同步，即在帧结构中加入一串固定训练序列，接收信号时与接收机的这串固定序列进行相关操作，为了使相关峰更加尖锐，通常采用m序列。

正是由于OFDM应用太过于广泛，已经有许多针对OFDM系统的信号检测与捕获的研究，导致OFDM系统传输的信息易被检测和破解，安全性不高。另外采用固定序列也使得信号更容易被检测，不适用于安全通信。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于循环前缀的隐蔽通信同步方法。为了实现更加隐蔽的通信方法，本发明采用了OTFS的调制方式，同时充分利用OTFS的帧结构特点，采用循环前缀进行帧同步和寻找最佳采样点，这种方式具备帧头时刻变化不易被侦察的优点。同时利用OTFS系统中插入的与OFDM系统中类似的导频，进行相位同步，从而实现一种隐蔽的同步方式。

本发明为了满足接收端对同步的需求，对发送端的帧格式也做出了定义，上述调制方式和帧格式同时能满足隐蔽通信的要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

发送端处理包括以下步骤：

步骤1：每块数据包发送的比特信息为a[k]，k＝0,1,2,…,K-1；

步骤2：对比特信息进行M-PSK调制，得到调制离散符号x[r]，r＝0，1,2,…,R-1，其中R表示的是调制符号数；

步骤3：将x[r]构造为N×L的矩阵x[n,l]，N表示矩阵的行数，L表示矩阵的列数；

步骤4：x中第D列位置插入三列导频，D为插入导频的位置，构造为如下形式：

x＝(x₀,x₁,...,x_D-1,0,x_dp,0,x_D,...,x_L-1)

其中0为N×1的0向量，x_dp＝[x_dp,0,...,0]^T维度为N×1；

步骤5：对x做离散傅里叶反变换得到X，X为N×(L+3)的矩阵，表示为：

步骤6：在X的第2到N行前插入长度为p的短CP，在第一行前插入长度为q的长CP，构造为如下形式：

其中

表示

的第一行，

表示

的第二行到第N行；

步骤7：对矩阵

进行并串转换得到X，X为1×[(L+p+3)×(N-1)+(L+q+3)]向量，转换方式表示为：

步骤8：对X进行I倍插值滤波和加载波后，通过DA输出中频信号给射频模块，再由射频模块进行发送；

接收端同步处理包括以下步骤：

步骤9：对接收信号去载波，得到离散信号，此时存在相位偏差；

步骤10：进行q点的相关运算，相关运算的抽头间隔为I，即每隔I个数抽取一次用于进行相关运算，统计[(L+p+3)×(N-1)+(L+q+3)]次相关值，找出一个相关值的最大点，即为最佳采样点，此时同时完成了最佳采样点搜索与粗略的帧同步；

步骤11：找到最佳采样点和粗略的帧开始位置后，首先下采样，然后去掉前(q-p)个CP，得到长度为[(L+p+3)×N]的数据Y，再进行串并转换，变为N×(L+p+3)的矩阵Y，变换后为：

Y₀表示Y的第1列，Y₁表示Y的第2列，以此类推；

步骤12：对Y中每一列做离散傅里叶变换得到y，表示为：

y₀表示y的第1列，y₁表示y的第2列，以此类推。

步骤13：寻找矩阵y第一行中的最大值y_dp和最大值的所在的列数Df；

步骤14：去掉y的短CP和导频，并进行更精确的帧同步；

步骤15：得到去掉CP和导频的矩阵y后，对其中每一项乘上y_dp的共轭转置得到完成相位同步的矩阵y；

步骤16：将y拉直，得到y：

y＝[y[0,0],...,y[N-1,0],...,y[0,L-1],...,y[N-1,L-1]]

步骤17：对y做M-PSK解调，即得到发送比特信息a[k]，k＝0,1,2,…,K-1。

所述步骤2中，存在关系R＝K/log2(M)。

所述步骤3中，N要求为2的次幂，构造方式表示为：

其中x_l表示x的第l+1列，l＝0,1,2,…,L-1。

所述步骤4中，D取值为L/2。

所述步骤4中，x_dp为一个实数，大小为N×M/2。

所述步骤14中，帧同步，分为3种情况：

(a)如果D+2≤D_f≤D+p+2，取y的第D_f-D-1列至D_f-2列和D_f+2列至D_f+L-D+1列得到去CP和导频的矩阵y，即

(b)如果D+p+2＜D_f≤D+2p+2，取y的第D_f-D-1列至D_f-2列、D_f+2列至L+p+3列和p+1至D_f-D-2列得到去CP和导频的矩阵y，即

(c)若D_f为其它值，则无法正确取出数据。

本发明的有益效果体现在两个方面，第一方面在调制方式上采用了OTFS的方法，将信号从通常的时间-频率域变换到时延-多普勒域，能够有效降低通信信号特征被提取及通信信息被窃听的概率，同时OTFS能够兼容OFDM系统，有很好的移植性；第二方面在同步方式上采用了基于循环前缀的同步，避免了固定训练序列导频容易被检测的缺点，进一步提高了信号的隐蔽性。

附图说明

图1是本发明相关计算示意图。

图2是本发明循环前缀相关峰示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

根据本发明所属基于循环前缀的隐蔽通信同步方法，以一个每块数据包发送128bit二进制码为例，即K＝128。调制方式为QPSK，即M＝4，调制后每个串行数据包含64个调制符号。本发明提供了一种基于循环前缀的隐蔽通信同步方法，具体实施方式如下：

在发送端具体包括以下步骤：

步骤一：产生128bit需要发送的非归零码a[k]，k＝0,1,…,127。

步骤二：对比特信息进行QPSK调制，得到调制离散符号x[r]，r＝0,1,…,63。

步骤三：将x[r]构造为8×8的矩阵x[n,l]：

其中x_l表示x的第l列。

步骤四：x中第4列位置插入三列导频，构造为如下形式：

x＝(x₀,x₁,x₂,x₃,0,x_dp,0,x₄,x₅，x₆,x₇)

其中0为N×1的0向量，x_dp＝[x_dp,0,...,0]^T维度为N×1，x_dp为一个实数，大小为16。

步骤五：对x做离散傅里叶反变换得到X，X为8×11的矩阵，可以表示为：

步骤六：在X的第2到8行前插入长度为3的短CP，在第一行前插入长度为8的长CP，构造为如下形式：

其中

表示

的第1行，

表示

的第2行到第7行。

步骤七：对矩阵

进行并串转换得到X，转换方式可以表示为：

X为1×117向量。

步骤八：对X进行4倍插值滤波和加载波后，通过DA输出中频信号给射频模块，再由射频模块进行发送。

在接收端具体包括以下步骤：

步骤九：对接收信号去载波，得到离散信号，此时存在相位偏差，在后续会进行处理。

步骤十：进行8点的相关运算，相关运算的抽头间隔为4，即每隔4个数抽取一次用于进行相关运算。统计117次相关值，找出一个最大点，即为最佳采样点，此时同时完成了最佳采样点搜索与粗略的帧同步。相关运算如图1所示，得到的相关峰如图2所示。

步骤十一：找到最佳采样点和粗略的帧开始位置后，首先下采样，然后去掉前5个CP，得到长度为112的数据Y，再进行串并转换，变为8×14的矩阵Y，变换方式为

Y₀表示Y的第1列，Y₁表示Y的第2列，以此类推。

步骤十二：对Y中每一列做离散傅里叶变换得到y，表示为：

y₀表示y的第1列，y₁表示y的第2列，以此类推。

步骤十三：寻找矩阵y第一行中的最大值y_dp和最大值的所在的列数Df。

步骤十四：通过图2可以看出来该同步方式对采样点敏感而对符号不敏感，去掉y的短CP和导频，并进行更精确的帧同步，假设Df＝9，那么取y的第4列至7列和11列至14列得到去CP和导频的矩阵y，即y＝(y₃,..,y₆,y₁₀,...,y₁₃)。

步骤十五：得到去掉CP和导频的矩阵y后，对其中每一项乘上y_dp的共轭转置得到完成相位同步的矩阵y。

步骤十六：y拉直，得到y，y＝[y[0,0],...,y[7,0],...,y[0,7],...,y[7,7]]。

步骤十七：对y做QPSK解调即得到发送比特信息a[k]，k＝0,1,2,…,127。

Claims (5)

1.一种基于循环前缀的隐蔽通信同步方法，其特征在于包括下述步骤：

发送端处理包括以下步骤：

步骤1：每块数据包发送的比特信息为a[k]，k＝0,1,2,…,K-1；

步骤2：对比特信息进行M-PSK调制，得到调制离散符号x[r]，r＝0，1,2,…,R-1，其中R表示的是调制符号数；

步骤3：将x[r]构造为N×L的矩阵x[n,l]，N表示矩阵的行数，L表示矩阵的列数；

N要求为2的次幂，构造方式表示为：

其中x_l表示x的第l+1列，l＝0,1,2,…,L-1；

步骤4：x中第D列位置插入三列导频，D为插入导频的位置，构造为如下形式：

x＝(x₀，x₁，...，x_D-1，0，x_dp，0，x_D，...，x_L-1)

其中0为N×1的0向量，x_dp＝[x_dp,0,...,0]^T维度为N×1；

步骤5：对x做离散傅里叶反变换得到X，X为N×(L+3)的矩阵，表示为：

步骤6：在X的第2到N行前插入长度为p的短CP，在第一行前插入长度为q的长CP，构造为如下形式：

其中

表示

的第一行，

表示

的第二行到第N行；

步骤7：对矩阵

进行并串转换得到X，X为1×[(L+p+3)×(N-1)+(L+q+3)]向量，转换方式表示为：

步骤8：对X进行I倍插值滤波和加载波后，通过DA输出中频信号给射频模块，再由射频模块进行发送；

接收端同步处理包括以下步骤：

步骤9：对接收信号去载波，得到离散信号，此时存在相位偏差；

步骤10：进行q点的相关运算，相关运算的抽头间隔为I，即每隔I个数抽取一次用于进行相关运算，统计[(L+p+3)×(N-1)+(L+q+3)]次相关值，找出一个相关值的最大点，即为最佳采样点，此时同时完成了最佳采样点搜索与粗略的帧同步；

步骤11：找到最佳采样点和粗略的帧开始位置后，首先下采样，然后去掉前(q-p)个CP，得到长度为[(L+p+3)×N]的数据Y，再进行串并转换，变为N×(L+p+3)的矩阵Y，变换后为：

Y₀表示Y的第1列，Y₁表示Y的第2列，以此类推；

步骤12：对Y中每一列做离散傅里叶变换得到y，表示为：

y₀表示y的第1列，y₁表示y的第2列，以此类推；

步骤13：寻找矩阵y第一行中的最大值y_dp和最大值的所在的列数Df；

步骤14：去掉y的短CP和导频，并进行更精确的帧同步；

步骤15：得到去掉CP和导频的矩阵y后，对其中每一项乘上y_dp的共轭转置得到完成相位同步的矩阵y；

步骤16：将y拉直，得到y：

y＝[y[0,0],...,y[N-1,0],...,y[0,L-1],...,y[N-1,L-1]]

步骤17：对y做M-PSK解调，即得到发送比特信息a[k]，k＝0,1,2,…,K-1。

2.根据权利要求1所述的一种基于循环前缀的隐蔽通信同步方法，其特征在于：所述步骤2中，存在关系R＝K/log2(M)。

3.根据权利要求1所述的一种基于循环前缀的隐蔽通信同步方法，其特征在于：所述步骤4中，D取值为L/2。

4.根据权利要求1所述的一种基于循环前缀的隐蔽通信同步方法，其特征在于：所述步骤4中，x_dp为一个实数，大小为N×M/2。

5.根据权利要求1所述的一种基于循环前缀的隐蔽通信同步方法，其特征在于：所述步骤14中，帧同步，分为3种情况：

(a)如果D+2≤D_f≤D+p+2，取y的第D_f-D-1列至D_f-2列和D_f+2列至D_f+L-D+1列得到去CP和导频的矩阵y，即

(b)如果D+p+2<D_f≤D+2p+2，取y的第D_f-D-1列至D_f-2列、D_f+2列至L+p+3列和p+1至D_f-D-2列得到去CP和导频的矩阵y，即

(c)若D_f为其它值，则无法正确取出数据。

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