CN112994833A

CN112994833A - 基于wfrft的透明转发器用户协作物理层安全传输方法

Info

Publication number: CN112994833A
Application number: CN202110182943.0A
Authority: CN
Inventors: 沙学军; 张桐; 房宵杰; 吴玮; 李卓明
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2021-02-10
Filing date: 2021-02-10
Publication date: 2021-06-18
Anticipated expiration: 2041-02-10
Also published as: CN112994833B

Abstract

基于WFRFT的透明转发器用户协作物理层安全传输方法，涉及无线通信领域，是为了在透明转发器场景下通过用户间协作传输提升物理层通信的安全容量，本发明提出一种基于WFRFT的透明转发器用户协作物理层安全传输方法，通过将两用户信号进行变换域处理后的不同阶数信号叠加，在发射机进行发送数据缓存，在接收机解调前进行自干扰消除。

Description

基于WFRFT的透明转发器用户协作物理层安全传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及基于WFRFT的透明转发器用户协作物理层安全传输技术。

背景技术

现代信息社会，无线传输进行信息交换越来越广泛，随之带来的传输安全性问题越来越引起人们的关注。无线通信物理层安全是一个十分重要的研究内容。

传统的物理层安全方法主要以扩频和跳频为主，使用复杂的扩跳频码字使得非合作方无法得到正确的扩跳频图案，达到安全传输的目的。但是随着窃听技术的成熟，传统的扩跳频已经为人所熟知，并且针对扩跳频的破解算法也很成熟，单纯利用这种传统技术已经不能满足人们对于物理层安全的需求，因此需求新的物理层安全方法成为重中之重。

前期已经有学者提出了加权分数傅里叶变换(WFRFT)的概念，通过增加加权系数的参数，使得非合作方的破解复杂度提升，达到物理层安全的目的，但是这种技术会随着计算机能力的无限提升而存在被截获的可能，因此需要在技术上继续探究进一步提升系统性能的方法。

发明内容

本发明的目的主要是为了在透明转发器场景下通过用户间协作传输提升物理层通信的安全容量，从而提供一种基于WFRFT的透明转发器用户协作物理层安全传输方法。

基于WFRFT的透明转发器用户协作物理层安全传输方法，其特征是：在具有两个用户的透明转发器场景下，它的信号发射方法包括以下步骤：

步骤一、用户一将信源一产生的发送数据分组进行数字基带调制，获得调制后的数据分组；

步骤二、用户一将步骤一获得的调制后的数据分组按参数集1进行WFRFT变换，得到WFRFT变换后的数据分组；

步骤三、用户一将步骤二获得的WFRFT变换后的数据分组添加同步序列，同步序列为长度为M的PN序列1的循环移位，用作接收机时隙同步与能量估计，得到用户一待发射的数据分组；

步骤四、用户一将步骤三获得的待发射的数据分组存入发送数据缓存；

步骤五、用户一将步骤三获得的待发射的数据分组经过混频、功放、天线发射至无线信道；

步骤六、用户二将信源二产生的发送数据分组进行数字基带调制，得到调制后的数据分组；

步骤七、用户二将步骤六获得的调制后的数据分组按参数集2进行WFRFT变换，得到WFRFT变换后的数据分组；

步骤八、用户二将步骤七获得的WFRFT变换后的数据分组添加同步序列，同步序列为长度为M的PN序列2的循环移位，用作接收机时隙同步与能量估计，得到用户二待发射的数据分组；

步骤九、用户二将步骤八获得的待发射的数据分组存入发送数据缓存；

步骤十、用户二将步骤八获得的待发射的数据分组经过混频、功放、通过天线发射至无线信道，且发射频率与用户一相同；

步骤十一、发射的信号通过信道的传输到达透明转发器，透明转发器将接收到的用户一、二的信号直接在相同频率转发出去，使用户一、二能够同时接收到相应的信号。

它的信号接收方法包括以下步骤：

步骤十二、步骤十一中透明转发器转发的信号通过信道的传输到达接收端，用户一、二接收机将接收到的信号通过低噪声放大器(LNA)、混频器，获得接收数据；

步骤十三、用户一将步骤十二获得的接收数据存入接收数据缓存器；

步骤十四、用户一将步骤十三接收数据缓存器输出的一个接收数据分组与步骤四中用户一本地发送数据缓存的数据分组进行自干扰消除，消除接收数据中的用户一部分，得到接收的用户二的数据；

步骤十五、用户一对步骤十四得到的用户二数据进行消除同步序列，得到消除同步序列后的用户二信息数据分组；

步骤十六、用户一对步骤十五得到的用户二的信息数据分组按参数集2进行WFRFT反变换，得到用户二WFRFT反变换后的数据；

步骤十七、用户一对步骤十六得到的用户二WFRFT反变换后的数据进行数字基带解调，得到解调后的用户二比特数据；

步骤十八、用户二将步骤十二获得的接收数据存入接收数据缓存器；

步骤十九、用户二将步骤十八接收数据缓存器输出的一个接收数据分组与步骤九中用户二本地发送数据缓存的数据分组进行自干扰消除，消除接收数据中的用户二部分，得到接收信号中的用户一的数据；

步骤二十、用户二对步骤十九得到的用户一数据进行消除同步序列，得到消除同步序列后的用户一信息数据分组；

步骤二十一、用户二对步骤二十得到的用户一的数据分组按参数集1进行WFRFT反变换，得到用户一的WFRFT反变换后的数据；

步骤二十二、用户二对步骤二十一得到的用户一的WFRFT反变换后的数据进行数字基带解调，得到解调后的用户一比特数据，完成一次基于WFRFT的透明转发器用户协作物理层安全传输。

本发明取得的有益效果：本发明提出一种基于WFRFT的透明转发器用户协作物理层安全传输方法。对于一对通信用户，对信号进行WFRFT变换，使用相同的频率和不同的分数阶变化发射信号，信号直接在透明转发器中用相同频率叠加转发。用户在接收信号中通过扫描搜索减去缓存的自身发出的信号数据进行自干扰消除，得到另一个用户的信号数据进行WFRFT反变换及常规解调。该方法中一对用户对间互为强干扰，可以有效降低信道的窃听容量，提升安全容量。对于窃听节点，在抑制变换域理论方法的条件下，对于混合信号的反变换，总是难以分离两用户的原始波形，窃听端的信道容量急剧降低，提升了物理层安全特性，假设一个用户反变换正确，由于另外一个用户的反变换不会同时正确，SINR恶化严重，因此提升了安全容量。

附图说明

图1是本发明的一对用户对的发射机与接收机框图；

图2是本发明的缓存器数据的分组结构；

图3是本发明的接收机自干扰消除流程示意图

图4是本发明的接收机自干扰消除结构框图；

图5是本发明的接收机同步序列消除结构框图；

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1-5说明本发明的信号发射接收流程具体实施方式，基于WFRFT的透明转发器用户协作物理层安全传输方法，

其信号发射过程：

步骤一、用户一将信源一产生的发送数据进行数字基带调制，得到调制后的信号。其采用的调制方式为相移键控BPSK方式，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；

步骤二、用户一将步骤一获得的调制后信号X₁按参数集1进行WFRFT变换，得到用户一发送数据经WFRFT变换后的数据分组F₁。具体变换过程为：

F₁(X₁)＝ω₁₀X₁+ω₁₁X₁₁+ω₁₂X₁₂+ω₁₃X₁₃

式中，X₁为原始向量，X₁₁为原始向量经过傅里叶变换后的向量，X₁₂为原始向量X₁的反转向量，X₁₃为傅里叶变换后向量X₁₁的反转向量。ω₁₀,ω₁₁,ω₁₂,ω₁₃为加权系数，由参数集1定义；

步骤三、用户一将步骤二获得的WFRFT变换后的数据分组添加PN序列1，得到用户一待发射的数据分组。其采用的PN序列1为长度为255的m序列，每个数据分组添加同一个m序列的不同循环移位作为时隙编号，并用作能量估计和时间同步使用，本发明对各种PN序列均兼容，本实施方式以长度为255的m序列为例；

步骤四、用户一将步骤三获得的待发射的数据分组存入发送数据缓存，缓存器长度Tmax要求大于从发送端经转发器到达接收端的传输延时，对于同步卫星转发器缓存器长度Tmax可设置为300ms，其对应的数据分组数目为N，存入的一个数据分组总长度为T，包括长度为M的PN序列和长度为L的信息数据，N＝Tmax/T；

步骤五、用户一将步骤三获得的用户一的待发射的数据分组经过混频、功放、天线发射至信道；

步骤六、用户二将信源二产生的发送数据进行数字基带调制，得到调制后的信号。其采用的调制方式为相移键控BPSK方式，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；

步骤七、用户二将步骤六获得的调制后信号X₂按参数集2进行WFRFT变换，得到用户一发送数据经WFRFT变换后的数据分组F₂。具体变换过程为：

F₂(X₂)＝ω₂₀X₂+ω₂₁X₂₁+ω₂₂X₂₂+ω₂₃X₂₃

式中，X₂为原始向量，X₂₁为原始向量经过傅里叶变换后的向量，X₂₂为原始向量X₂的反转向量，X₂₃为傅里叶变换后向量X₂₁的反转向量。ω₂₀,ω₂₁,ω₂₂,ω₂₃为加权系数，由参数集2定义；

步骤八、用户二将步骤七获得的WFRFT变换后的数据分组添加PN序列2，得到用户二待发射的数据分组。其采用的PN序列2为长度为255的m序列，且与PN序列1不同，每个数据块添加同一个m序列的不同循环移位作为时隙编号，并用作能量估计和时间同步使用，本发明对各种PN序列均兼容，本实施方式以长度为255的m序列为例；

步骤九、用户二将步骤八获得的待发射的数据分组存入发送数据缓存，缓存器长度Tmax要求大于从发送端经转发器到达接收端的传输延时，对于同步卫星转发器缓存器长度Tmax可设置为300ms，其对应的数据分组数目为N，存入的一个数据分组总长度为T，包括长度为M的PN序列和长度为L的信息数据，N＝Tmax/T；

步骤十、用户二将步骤八获得的用户二的待发射的数据分组经过混频、功放、天线发射至信道，发射频率与用户一相同；

步骤十一、用户一、二发射的信号通过信道的传输到达透明转发器，透明转发器将接收到的用户一、二的波形直接在相同频率转发出去，用户一、二可以同时接收到；

其信号接收过程：

步骤十二、步骤九中透明转发器转发的信号通过信道的传输到达接收端，用户一、二接收机分别将接收到的信号通过低噪声放大器(LNA)、混频器、滤波、采样，获得接收数据；

步骤十三、用户一将步骤十二获得的接收数据存入接收数据缓存器，缓存器为FIFO结构，其长度大于一个数据分组长度，缓存数据长度超过一个数据分组时开始输出；

步骤十四、用户一将步骤十三接收数据缓存器输出的一个接收数据分组与步骤四中用户一本地发送数据缓存的发送数据进行自干扰消除，得到接收的用户二的数据。自干扰消除的具体方法为：首先，输入的接收数据分组中的PN序列与缓存数据中的N个数据分组中的PN序列1进行并行相关运算完成时隙同步，将N个相关器结果输入比较器比较相关峰值，同时比较器中设置相关阈值。若存在超过阈值的相关峰值，则完成时隙同步，相关峰值对应缓存器第Ni个数据分组，即接收数据分组对应的本地发送数据为第Ni个数据分组，将第Ni个数据分组输出到自干扰消除模块；若没有相关峰值，则未完成时隙同步，则不对缓存数据做处理，当前接收数据分组无对应的本地缓存数据，丢弃第一个数据符号，继续接收下一个符号数据，继续进行数据分组自干扰消除。之后，对接收数据中的PN序列部分做能量估计，而已知缓存的发射数据能量，即可得到接收数据与发射数据的幅度比值K，对缓存器第Ni个数据分组幅值乘K，使缓存数据分组能量与接收数据能量相同。之后，将接收数据分组减去改变能量的缓存器第Ni个数据分组(包括PN序列与信息数据)，得到自干扰消除后的接收数据分组，即接收的用户二数据，包括用户二的PN序列与信息数据。最后，接收下一个数据分组，进行下一数据分组自干扰消除；

步骤十五、用户一将步骤十四得到的用户二数据进行同步序列消除，对接收的用户二数据进行PN序列2同步，接收数据与PN序列2的不同循环移位做相关运算寻找接收数据中的PN序列，将完成同步的PN序列2部分删除，保留PN序列2后面的信息数据部分，得到消除同步序列的用户二的信息数据分组；

步骤十六、用户一对步骤十五得到的消除同步序列的用户二的信息数据分组

按参数集2进行WFRFT反变换，得到用户二WFRFT反变换后的信号

具体变换过程为：

式中，X₂为原始向量，X₂₁为原始向量经过傅里叶变换后的向量，X₂₂为原始向量X₂的反转向量，X₂₃为傅里叶变换后向量X₂₁的反转向量。

为加权系数，由参数集2定义；

步骤十七、用户一对步骤十六得到的用户二WFRFT反变换后的信号进行数字基带解调，得到接收的用户二信号的解调结果；

步骤十八、用户二将步骤十七获得的接收数据存入接收数据缓存器，缓存器为FIFO结构，其长度大于一个数据分组长度，缓存数据长度超过一个数据分组时开始输出；

步骤十九、用户二将步骤十八接收数据缓存器输出的一个接收数据分组与步骤九中用户二本地发送数据缓存的发送数据进行自干扰消除，得到接收的用户一的数据。自干扰消除的具体方法为：首先，输入的接收数据分组中的PN序列与缓存数据中的N个数据分组中的PN序列1进行并行相关运算完成时隙同步，将N个相关器结果输入比较器比较相关峰值，同时比较器中设置相关阈值。若存在超过阈值的相关峰值，则完成时隙同步，相关峰值对应缓存器第Ni个数据分组，即接收数据分组对应的本地发送数据为第Ni个数据分组，将第Ni个数据分组输出到自干扰消除模块；若没有相关峰值，则未完成时隙同步，则不对缓存数据做处理，当前接收数据分组无对应的本地缓存数据，丢弃第一个数据符号，继续接收下一个符号数据，继续进行数据分组自干扰消除。之后，对接收数据中的PN序列做能量估计，而已知缓存的发射数据能量，即可得到接收数据与发射数据的能量比值K，对缓存器第Ni个数据分组能量乘K，使缓存数据分组能量与接收数据能量相同。之后，将接收数据分组减去改变能量的缓存器第Ni个数据分组(包括PN序列与信息数据)，得到自干扰消除后的接收数据分组，即接收的用户一数据，包括用户一的PN序列与信息数据。最后，接收下一个数据分组，进行下一数据分组自干扰消除；

步骤二十、用户二将步骤十九得到的用户一数据进行同步序列消除，对接收的用户一数据进行PN序列1同步，接收数据与PN序列1的不同循环移位做相关运算寻找接收数据中的PN序列，将完成同步的PN序列1部分删除，保留PN序列1后面的用户数据部分，得到消除同步序列的用户一的信息数据分组；

步骤二十一、用户二对步骤二十得到的消除同步序列的用户一的信息数据分组

按参数集1进行WFRFT反变换，得到用户一WFRFT反变换后的信号

具体变换过程为：

式中，X₁为原始向量，X₁₁为原始向量经过傅里叶变换后的向量，X₁₂为原始向量X₁的反转向量，X₁₃为傅里叶变换后向量X₁₁的反转向量。

为加权系数，由参数集1定义。

步骤二十二、用户二对步骤二十一得到的用户一WFRFT反变换后的信号进行数字基带解调，得到接收的用户一信号的解调结果。

本发明提出一种基于WFRFT的透明转发器用户协作物理层安全传输方法，通过将两用户信号进行变换域处理后的不同阶数信号叠加，在发射机进行发送数据缓存，在接收机解调前进行自干扰消除，可以有效降低信道的窃听容量，提升安全容量，提升物理层安全特性。

本发明的上述实施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

1.基于WFRFT的透明转发器用户协作物理层安全传输方法，其特征是：在具有两个用户的透明转发器场景下，它的信号发射方法包括以下步骤：

步骤十一、发射的信号通过信道的传输到达透明转发器，透明转发器将接收到的用户一、二的信号直接在相同频率转发出去，使用户一、二能够同时接收到相应的信号；

它的信号接收方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于WFRFT的透明转发器用户协作物理层安全传输方法，其特征在于步骤三和步骤八中，对信号数据块添加同步PN序列，两用户添加的PN序列为不同的PN序列，同一用户使用同一PN序列的不同循环移位区分数据块时隙，PN序列长度大于发送数据缓存器中的数据分组数量。

3.根据权利要求2所述的基于WFRFT的透明转发器用户协作物理层安全传输方法，其特征在于步骤四和步骤九中，对待发射的数据分组存入发送数据缓存器，缓存器为FIFO结构，其长度要求大于从发送端经转发器到达接收端的传输延时，缓存器长度为T_max，其对应的数据分组数目为N，存入的一个数据分组总长度为T，包括长度为M的PN序列和长度为L的信息数据，N＝T_max/T。

4.根据案例要求3所述的基于WFRFT的透明转发器用户协作物理层安全传输方法，其特征在于步骤十三和步骤十八中，对接收数据存入接收数据缓存器，缓存器为FIFO结构，其长度大于一个数据分组长度，缓存数据长度超过一个数据分组时开始输出。

5.根据权利要求4所述的基于WFRFT的透明转发器用户协作物理层安全传输方法，其特征在于步骤十四和步骤十九中，对接收数据分组与本地发送数据缓存的数据分组进行自干扰消除，其具体方法为：首先，接收数据分组中的PN序列与缓存数据中的N个数据分组中的PN序列进行并行相关运算完成时隙同步，将N个相关器结果输入比较器比较相关峰值，同时比较器中设置相关阈值，若存在超过阈值的相关峰值，则完成时隙同步，相关峰值对应缓存器第N_i个数据分组，即接收数据分组对应的本地发送数据为第N_i个数据分组，将第N_i个数据分组输出到自干扰消除模块；若没有相关峰值，则未完成时隙同步，则不对缓存数据做处理，丢弃第一个数据符号，继续接收下一个符号数据，进行数据分组自干扰消除，之后，对接收数据中的PN序列做能量估计，而已知缓存的发射数据能量，即可得到接收数据与发射数据的幅度比值K，对缓存器第N_i个数据分组幅值乘K，使缓存数据分组能量与接收数据能量相同，之后，将接收数据分组减去改变能量的缓存器第N_i个数据分组，得到自干扰消除的接收数据分组，最后，接收下一个数据分组，进行下一数据分组自干扰消除。

6.根据权利要求5所述的基于WFRFT的透明转发器用户协作物理层安全传输方法，其特征在于步骤十五和步骤二十中，对接收的另一用户数据进行同步序列消除，其具体方法为：对接收的另一用户数据与另一用户的PN序列的不同循环移位通过相关器做相关运算进行同步，寻找接收数据中的PN序列，将完成同步的数据分组中的PN序列部分删除，保留PN序列后的信息数据部分，得到消除同步序列的另一用户信息数据分组。