CN113162896A - 基于三项加权分数傅里叶变换的物理层安全发射方法 - Google Patents

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Abstract

基于三项加权分数傅里叶变换的物理层安全发射方法,技本发明涉及通信技术领域，是为了达到保证物理层安全容量的目的，本发明基于三项加权分数傅里叶变换后的发射信号分别为时域信号和两路分数域信号，三路信号间有一定数学约束关系，分别由三根天线进行发射。保证了系统物理层信息安全。

Description

基于三项加权分数傅里叶变换的物理层安全发射方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种物理层安全发射方法。
背景技术
四项加权分数傅里叶变换(4-Weighted-type Fractional Fourier Transform，4-WFRFT)是C.C.Shih在1995年提出的，近几年在信号低检测方面也颇具潜力。M-WFRFT (M＝4r，r为自然数)与4-WFRFT的内在联系已在文献中给出。而作为特殊的加权分数傅里叶变换，3-WFRFT与4-WFRFT有一定联系，但变换关系尚不明确，这使3-WFRFT在物理层安全方面应用具有极大潜能。
但是，在目前的研究水平下，尚无法达到保证物理层的安全容量。
发明内容
本发明是为了达到保证物理层安全容量的目的，从而提供一种基于三项加权分数傅里叶变换的物理层安全发射方法
基于三项加权分数傅里叶变换的物理层安全发射方法，其特征是：它包括以下步骤：
步骤一、将待发送数据序列X送入三项加权分数傅里叶变换模块进行处理变换，获得三路信号，记为：待发送原始信号X0、先后经过DFT模块和1/3阶四项加权分数傅里叶变换模块处理的信号X1和先后经过反转模块及2/3阶四项加权分数傅里叶变换模块处理的信号X2，
步骤二、将步骤一处理后的三路信号送入系数产生模块，该模块通过控制参数β产生三项加权系数A0(β)、A1(β)和A2(β)，三路信号分别与对应三项加权系数进行成乘法运算合并，获得信号S0，S1和S2，
步骤三、所述步骤二中与加权系数合并后得到的三路信号S0，S1和S2，分别是时域信号S0、分数域信号S1和分数域信号S2，将三路信号分别送入时延调节模块，同时执行步骤四、步骤五和步骤六；
步骤四，将步骤三得到的时域信号S0送入一号时延调节模块进行调整，调整后由一号发射天线进行发射至无线信道；
步骤五，将步骤三获得的分数域信号S1送入二号时延调节模块进行调整，完成后由二号发射天线进行发射至无线信道；
步骤六，将步骤三获得的分数域信号S2送入三号时延调节模块进行调整，完成后由三号发射天线进行发射至无线信道；
完成一次基于三项加权分数傅里叶变换的物理层安全发射。
有益效果：本发明基于三项加权分数傅里叶变换后的发射信号分别为时域信号和两路分数域信号，三路信号间有一定数学约束关系，分别由三根天线进行发射。合法接收机能够接收全部信号信息进行反变换得到原始信号。而非法窃听端通常只能截获部分信号能量，其他路信号作为干扰信号存在，保证了系统物理层信息安全。若窃听端获得全部信号能量，由于三项加权分数傅里叶变换与经典四项加权分数傅里叶变换存在差异性，原始信号依然有隐藏性，窃听端仍不能检测出原始信号。
附图说明
图1是本发明实施的系统网络模型图；
图2是系统发射机结构图；
图3是四项加权分数傅里叶变换模块结构图；
图4是系统接收端结构图，图5是经过3-WFRFT变换后的信号隐藏效果仿真示意图；
其中图a)是原始信号的星座图；图b)是经过3-WFRFT变换后信号的星座图；图c)是非法接收端解码信号的星座图；图d)是合法接收端解码信号星座图；
图6是基于3-WFRFT的安全容量随Δβ变化仿真示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至图3说明本具体实施方式，基于上述系统的一种基于三项加权分数傅里叶变换的物理层安全发射方法具体由以下步骤完成：
步骤一，将待发送数据序列X送入三项加权分数傅里叶变换模块，如图2所示；
步骤二，三项加权分数傅里叶变换模块包括DFT模块、反转模块、1/3阶四项加权分数傅里叶变换模块、2/3阶四项加权分数傅里叶变换模块以及系数产生模块。待发送序列经过变换后为三路信号，分别为：待发送原始信号X0、依次经过DFT模块及1/3阶四项加权分数傅里叶变换模块处理后的X1和依次经过反转模块及2/3阶四项加权分数傅里叶变换模块处理后的X2，具体如下：
Figure RE-GDA0003057630260000031
步骤三，步骤二所述四项加权分数傅里叶变换具体实施过程如图3所示。进入该模块的序列经过变换后成为四路信号，分别为：原始信号、经过DFT模块处理后的信号、经过一号反转模块处理的信号和依次经过DFT模块及二号反转模块处理后的信号。经过变换后的四路信号进入系数产生模块，该模块通过控制参数α产生四个的加权系数ω0(α)、ω1(α)、ω2(α)和ω3(α)。四路信号与对应加权系数合并后输出，具体如下：
Figure RE-GDA0003057630260000032
步骤四，将步骤二处理后的三路信号送入系数产生模块，该模块通过控制参数β产生三项加权系数A0(β)、A1(β)和A2(β)。三路信号分别与对应三项加权系数进行成乘法运算合并，得到信号S0，S1和S2，具体表示如下：
Figure RE-GDA0003057630260000033
步骤五，步骤四中与加权系数合并后得到的三路信号S0，S1和S2，分别是时域信号、分数域信号和分数域信号，将三路信号分别送入时延调节模块，同时进行步骤六、步骤七和步骤八；
步骤六，将步骤五得到的时域信号S0送入一号时延调节模块进行调整，完成后由一号发射天线进行发射；
步骤七，将步骤五得到的分数域信号S1送入二号时延调节模块进行调整，完成后由二号发射天线进行发射；
步骤八，将步骤五得到的分数域信号S2送入三号时延调节模块进行调整，完成后由三号发射天线进行发射；
完成一次基于三项加权分数傅里叶变换的物理层安全发射。
原理：
本发明根据三项加权分数傅里叶变换(3-WFRFT)的实现结构，设计一种发射方法，以达到保证物理层安全容量的目的。
对于数字信号X＝(x1,x2,…,xn)T的α阶四项加权分数傅里叶变换，表示如下：
Figure RE-GDA0003057630260000041
其中，F为傅里叶变换矩阵，M为置换矩阵，
Figure RE-GDA0003057630260000042
是加权系数，具体表达方式如下：
Figure RE-GDA0003057630260000043
对于数字信号X，本发明应用的β阶三项加权分数傅里叶变换的定义如下：
Figure RE-GDA0003057630260000044
其中，Ak(β)代表三项加权分数傅里叶变换的加权系数，可表示为：
Figure RE-GDA0003057630260000045
Figure RE-GDA0003057630260000046
表示
Figure RE-GDA0003057630260000047
阶的四项加权分数傅里叶变换加权矩阵，表示为：
Figure RE-GDA0003057630260000048
根据加权分数傅里叶变换性质，三项加权分数傅里叶变换可改写为如下形式：
Figure RE-GDA0003057630260000049
其中，F为傅里叶变换矩阵，M为置换矩阵。
对已经经过β阶三项加权分数傅里叶变换的信号进行逆变换就是对该信号进行-β阶加权分数傅里叶变换，表示形式如下：
Figure RE-GDA00030576302600000410
在实际通信过程中，合法接收机能够成功获取全部发射信号能量，进而进行加权分数傅里叶逆变换得到源信号。而窃听端只能截获部分信号信息能量，并且其他信号则作为干扰信号。因此，物理层理论安全容量可由以下方式得到。
物理层理论安全的安全容量定义为：
Cs＝[log2(1+γb)-log2(1+γe)]+
其中,γb为合法接收端的信干噪比，表示为：
Figure RE-GDA0003057630260000051
γe为非法窃听端的信干噪比，表示为：
Figure RE-GDA0003057630260000052
信号接收过程：
步骤一，将接收信号送入接收处理模块，并将处理后的信号送入三项加权分数傅里叶反变换处理模块；
步骤二，将送入三项加权分数傅里叶反变换处理模块的信号进行-β阶三项加权分数傅里叶变换；
步骤三，将步骤二中变换处理后的信号进行下一步数据处理；
有益效果：本发明基于三项加权分数傅里叶变换后的发射信号分别为时域信号和两路分数域信号，三路信号间有一定数学约束关系，分别由三根天线进行发射。合法接收机能够接收全部信号信息进行反变换得到原始信号。而非法窃听端通常只能截获部分信号能量，其他路信号作为干扰信号存在，保证了系统物理层信息安全。若窃听端获得全部信号能量，由于三项加权分数傅里叶变换与经典四项加权分数傅里叶变换存在差异性，原始信号依然有隐藏性，窃听端仍不能检测出原始信号。

Claims (4)

1.基于三项加权分数傅里叶变换的物理层安全发射方法，其特征是：它包括以下步骤：
步骤一、将待发送数据序列X送入三项加权分数傅里叶变换模块进行处理变换，获得三路信号，记为：待发送原始信号X0、先后经过DFT模块和1/3阶四项加权分数傅里叶变换模块处理的信号X1和先后经过反转模块及2/3阶四项加权分数傅里叶变换模块处理的信号X2；
步骤二、将步骤一处理后的三路信号送入系数产生模块，该模块通过控制参数β产生三项加权系数A0(β)、A1(β)和A2(β)，三路信号分别与对应三项加权系数进行成乘法运算合并，获得信号S0、S1和S2，
步骤三、所述步骤二中与加权系数合并后得到的三路信号S0、S1和S2，分别是时域信号S0、分数域信号S1和分数域信号S2，将三路信号分别送入时延调节模块，同时执行步骤四、步骤五和步骤六；
步骤四，将步骤三得到的时域信号S0送入一号时延调节模块进行调整，调整后由一号发射天线进行发射至无线信道；
步骤五，将步骤三获得的分数域信号S1送入二号时延调节模块进行调整，完成后由二号发射天线进行发射至无线信道；
步骤六，将步骤三获得的分数域信号S2送入三号时延调节模块进行调整，完成后由三号发射天线进行发射至无线信道；
完成一次基于三项加权分数傅里叶变换的物理层安全发射。
2.根据权利要求1所述的基于三项加权分数傅里叶变换的物理层安全发射方法，其特征在于，步骤一中，将待发送数据序列X送入三项加权分数傅里叶变换模块进行处理变换，获得三路信号，记为：待发送原始信号X0、先后经过DFT模块和1/3阶四项加权分数傅里叶变换模块处理的信号X1和先后经过反转模块及2/3阶四项加权分数傅里叶变换模块处理的信号X2的表达式为：
Figure FDA0002854979390000021
3.根据权利要求1或2所述的基于三项加权分数傅里叶变换的物理层安全发射方法，其特征在于，步骤一中，所述四项加权分数傅里叶变换的具体方法为：
将进入四项加权分数傅里叶变换模块的数据序列经过变换后成为四路信号，分别为：原始信号、经过DFT模块处理后的信号、经过一号反转模块处理的信号和依次经过DFT模块及二号反转模块处理后的信号。经过变换后的四路信号进入系数产生模块，该模块通过控制参数α产生四个的加权系数ω0(α)、ω1(α)、ω2(α)和ω3(α)，四路信号与对应加权系数合并后输出，具体表达式为：
Figure FDA0002854979390000022
4.根据权利要求1所述的基于三项加权分数傅里叶变换的物理层安全发射方法，其特征在于，步骤二中三路信号分别与对应三项加权系数进行成乘法运算合并，获得信号S0，S1和S2，其表达式为：
Figure FDA0002854979390000023
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