CN113163397B - 一种多域协同物理层抗检测传输方法 - Google Patents

Abstract

一种多域协同物理层抗检测传输方法，它属于无线通信技术领域。本发明解决了现有安全传输方法对抗信道衰落的性能差的问题。本发明针对现行保密通信体制设计了一种密码信息处理域与波形的信号处理域协同处理的抗检测信号传输方法，通过信号进行波形数据的协同变换与反变换，可以得到具有多样化类高斯特性的物理层抗检测信号。在存在窃听端的网络中，由于多域协同带来的波形多样化的优势，在实现类高斯分布的同时，极大的提升了物理层波形的数量，可以有效对抗非合作接收端现有的主要计算识别方法，有效提升了无线通信的保密性。同时本发明对现有物理层安全方法具有良好的兼容性。本发明可以应用于无线通信技术领域。

Description

一种多域协同物理层抗检测传输方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种多域协同物理层抗检测传输方法。

背景技术

在无线通信领域，随着通信技术的迅速发展，人们对通信系统保密性能的要求日渐增高，信息安全问题得到了重点关注和研究。目前主流保密机制主要依托于以密码学为核心的加密方法，其发展十分成熟并得到了广泛的应用，然而随着无线网络的发展和技术的进步，传统的加密技术也暴露出了一些缺陷，其对信号物理层特性考虑的缺失使其在物理层波形抗检测方面仍有进一步提升的空间。物理层安全技术作为对上层加密体制的有效补充，展现出了重要的研究价值。作为一种具备信号隐藏、对变换参数敏感、复杂度低等优势信号分析和处理工具，近年来，加权分数傅里叶变换开始逐渐被引入物理层安全技术的研究范畴。然而，现有基于加权分数傅里叶变换的安全传输方案缺少对于波形多样化的设计，这使其在抗窃听端检测及破解上仍存在隐患。因此，现有安全传输方法对抗窃听端物理层检测的性能仍然较差，对其性能的缺陷进行补充和优化、多域协同以进一步提升系统的安全性成为一个值得关注的研究方向。

发明内容

本发明的目的是为解决由于现有安全传输方法中缺少对于波形多样化的设计，导致现有安全传输方法对抗窃听端物理层检测的性能差的问题，而提出了一种多域协同物理层抗检测传输方法。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案是：一种多域协同物理层抗检测传输方法，所述方法具体包括以下步骤：

步骤一、将信源产生的0、1比特数据进行基带的星座映射后，获得星座映射后的调制结果；

步骤二、对步骤一获得的调制结果进行分组：从调制结果的首位开始，将调制结果分成M个长度相等的数据块，每个数据块的长度均为L＝2^N，N为正整数，每个数据块对应一帧数据，其中：第i′帧数据表示为X_i′,i′＝1,2,3,...,M，M为数据块的总个数；

第i′帧数据X_i′＝[x₀ x₁ … x_L-1]，x₀、x₁和x_L-1分别为X_i′中的第1个、第2个和第2^N个数据；

步骤三、生成由0和1组成的秘钥C，秘钥C的长度为2m，

Z表示整数，并将秘钥C与接收端共享，且秘钥C具体表示为C＝[c₀ c₁ … c_m-1]，其中，c_p表示两比特信息00或01或10或11，p＝0,1,2,...,m-1；

步骤四、根据步骤三得到的秘钥C生成加权系数

步骤五、根据步骤三得到的秘钥C，分别对步骤二获得的每一帧数据进行加权系数为

的多样化波形变换，得到每一帧数据经过多样化波形变换后的输出信号，将第i′帧数据经过多样化波形变换后的输出信号表示为X_i′0；

步骤六、分别对步骤五中获得的每一帧输出信号进行扩展加权联合迭代，得到每一帧输出信号经过扩展加权联合迭代获得的信号，将输出信号X_i′0经过扩展加权联合迭代获得的输出信号表示为X_i′1；

步骤七、将步骤六获得的信号X_i′1表示为一路串行数字信号X_T，X_T＝[X₁₁ X₂₁ …X_i′1 …X_M1]，X_T再通过数/模转换器获得模拟调制信号X_T0；

步骤八、对步骤七获得的模拟调制信号X_T0进行上变频处理，获得上变频处理后的信号，并将上变频处理后的信号发射至信道；

步骤九、信号通过信道的传输到达接收端，接收机对接收到的信号进行下变频处理，获得下变频处理后的信号；

步骤十、将步骤九获得的下变频处理后信号通过模/数转换器，获得一路串行数字信号；

步骤十一、从步骤十获得的信号数据的首位开始，将信号数据分成M个数据块；每个数据块的长度均为2^N，N为正整数，每个数据块对应于一帧数据；

步骤十二、分别对步骤十一获得的每一帧数据进行扩展加权联合迭代逆运算，得到每一帧数据经过扩展加权联合迭代逆运算获得的输出信号；其中：步骤十一中获得的第j帧数据Y_j表示为：Y_j＝[y₀ y₁ … y_L-1]，j＝1,2,3,...,M，第j帧数据Y_j经过扩展加权联合迭代逆运算获得的输出信号表示为Y_j1；

步骤十三、根据步骤三得到的秘钥C生成反变换加权系数

步骤十四、根据步骤十三得到的反变换加权系数

分别对步骤十二获得的每一帧数据对应的输出信号Y_j1进行波形恢复，得到每一帧数据经过波形恢复获得的输出信号Y_j0；

步骤十五、将步骤十四获得的输出信号Y_j0表示为一路串行数字信号Y_T，Y_T＝[Y₁₀Y₂₀ … Y_j0 …Y_M0]，对信号Y_T进行星座解映射，恢复出0、1比特数据。

本发明的有益效果是：本发明针对现行保密通信体制设计了一种密码信息处理域与波形的信号处理域协同处理的抗检测信号传输方法，通过收发双方使用约定的秘钥对调制后的信号进行波形数据的协同变换与反变换，可以得到具有多样化类高斯特性的物理层抗检测信号形式。在存在窃听端的网络中，由于多域协同带来的波形多样化的优势，在实现类高斯化特性的同时，利用时频域信号多种协同组合方法极大的提升了物理层波形的数量，可以有效对抗非合作接收端现有的主要计算识别方法，有效提升了对抗窃听端物理层检测的性能，取得了较好的保密效果。同时本发明对现有物理层安全方法具有良好的兼容性。

本发明采用多域协同的物理层抗检测技术，可以实现无线通信系统安全性能的提升。

附图说明

图1为本发明的一种多域协同物理层抗检测传输方法的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本实施方式。本实施方式所述的一种多域协同物理层抗检测传输方法，所述方法具体包括以下步骤：

步骤一、将信源产生的0、1比特数据进行基带的星座映射后，获得星座映射后的调制结果；

步骤二、对步骤一获得的调制结果进行分组：从调制结果的首位开始，将调制结果分成M个长度相等的数据块，每个数据块的长度均为L＝2^N，N为正整数，每个数据块对应一帧数据，其中：第i′帧数据表示为X_i′,i′＝1,2,3,...,M，M为数据块的总个数；

第i′帧数据X_i′＝[x₀ x₁ … x_L-1]，x₀、x₁和x_L-1分别为X_i′中的第1个、第2个和第2^N个数据；

步骤三、生成由0和1组成的秘钥C，秘钥C的长度为2m，

Z表示整数，并将秘钥C与接收端共享，且秘钥C具体表示为C＝[c₀ c₁ … c_m-1]，其中，c_p表示两比特信息00或01或10或11，p＝0,1,2,...,m-1；

步骤四、根据步骤三得到的秘钥C生成加权系数

步骤五、根据步骤三得到的秘钥C，分别对步骤二获得的每一帧数据进行加权系数为

的多样化波形变换，得到每一帧数据经过多样化波形变换后的输出信号，将第i′帧数据经过多样化波形变换后的输出信号表示为X_i′0；

步骤六、分别对步骤五中获得的每一帧输出信号进行扩展加权联合迭代，得到每一帧输出信号经过扩展加权联合迭代获得的信号，将输出信号X_i′0经过扩展加权联合迭代获得的输出信号表示为X_i′1；

步骤七、将步骤六获得的信号X_i′1表示为一路串行数字信号X_T，X_T＝[X₁₁ X₂₁ …X_i′1 …X_M1]，X_T再通过数/模转换器获得模拟调制信号X_T0；

步骤八、对步骤七获得的模拟调制信号X_T0进行上变频处理，获得上变频处理后的信号，并将上变频处理后的信号发射至信道；

步骤九、信号通过信道的传输到达接收端，接收机对接收到的信号进行下变频处理，获得下变频处理后的信号；

步骤十、将步骤九获得的下变频处理后信号通过模/数转换器，获得一路串行数字信号；

步骤十一、从步骤十获得的信号数据的首位开始，将信号数据分成M个数据块；每个数据块的长度均为2^N，N为正整数，每个数据块对应于一帧数据；

步骤十二、分别对步骤十一获得的每一帧数据进行扩展加权联合迭代逆运算，得到每一帧数据经过扩展加权联合迭代逆运算获得的输出信号；其中：步骤十一中获得的第j帧数据Y_j表示为：Y_j＝[y₀ y₁ … y_L-1]，j＝1,2,3,...,M，第j帧数据Y_j经过扩展加权联合迭代逆运算获得的输出信号表示为Y_j1；

步骤十三、根据步骤三得到的秘钥C生成反变换加权系数

步骤十四、根据步骤十三得到的反变换加权系数

分别对步骤十二获得的每一帧数据对应的输出信号Y_j1进行波形恢复，得到每一帧数据经过波形恢复获得的输出信号Y_j0；

步骤十五、将步骤十四获得的输出信号Y_j0表示为一路串行数字信号Y_T，Y_T＝[Y₁₀Y₂₀ … Y_j0 …Y_M0]，对信号Y_T进行星座解映射，恢复出0、1比特数据。

步骤一采用的调制方式为相移键控BPSK方式，所得结果为一路串行信号，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。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述步骤四中，根据步骤三得到的秘钥C生成加权系数

其具体过程为：

其中，e为自然对数的底数，i是虚数的单位，

为生成加权系数时的变换参数，k＝0,1,2,3。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是，所述步骤五中，对步骤二获得的每一帧数据进行加权系数为

的多样化波形变换，得到每一帧数据经过多样化波形变换后的输出信号；其具体过程为：

其中，t＝2^u，分块对角阵的第p个子块

具体表示为：

其中，I_t为大小为t*t单位阵，Π_t为对称置换矩阵，F_t为傅里叶变换矩阵。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是，所述步骤六中，分别对步骤五中获得的每一帧输出信号进行扩展加权联合迭代，得到每一帧输出信号经过扩展加权联合迭代获得的信号；其具体过程为：

为L*L的矩阵，

中第s行v列的元素

表示为：

其中，[]表示向下取整，β∈[0,2π)为扩展加权联合迭代时的变换参数。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是，所述步骤八中，对步骤七获得的模拟调制信号X_T0进行上变频处理，获得上变频处理后的信号，所述上变频处理后的信号的具体形式为：

其中，X_T1为上变频处理后的信号，f_c为载波调制中心频率，t₀为时序标志，Re[·]代表取实部。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：所述步骤九中，接收机对接收到的信号进行下变频处理，接收机接收到的信号Y_R1的形式为：

Y_R1＝HX_T1+N_T

其中，H为信道状态信息矩阵，N_T为随机噪声。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：所述步骤十二中，分别对步骤十一获得的每一帧数据进行扩展加权联合迭代逆运算，得到每一帧数据经过扩展加权联合迭代逆运算获得的输出信号；其具体过程为：

为L*L的矩阵，

中第s行v列的元素

表示为：

其中，[]表示向下取整，β∈[0,2π)为变换参数，与具体实施方式四中相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是：所述步骤十三中，根据步骤三得到的秘钥C生成反变换加权系数

其具体过程为：

其中，i是虚数的单位，

为变换参数，k＝0,1,2,3，与具体实施方式二中相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是：所述步骤十四中，根据步骤十三得到的反变换加权系数

分别对步骤十二获得的每一帧数据对应的输出信号Y_j1进行波形恢复，得到每一帧数据经过波形恢复获得的输出信号Y_j0；其具体过程为：

其中，分块对角阵的第p个子块

具体表示为：

其中，

为傅里叶变换逆矩阵。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同的是：所述秘钥C由发送端和接收端预先约定，或者作为信令数据由发送端发送给接收端并实时更新，发送端和接收端共享秘钥C。

本发明的上述算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 (4)

1.一种多域协同物理层抗检测传输方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

步骤一、将信源产生的0、1比特数据进行基带的星座映射后，获得星座映射后的调制结果；

步骤二、对步骤一获得的调制结果进行分组：从调制结果的首位开始，将调制结果分成M个长度相等的数据块，每个数据块的长度均为L＝2^N，N为正整数，每个数据块对应一帧数据，其中：第i′帧数据表示为X_i′,i′＝1,2,3,...,M，M为数据块的总个数；

第i′帧数据X_i′＝[x₀ x₁…x_L-1]，x₀、x₁和x_L-1分别为X_i′中的第1个、第2个和第2^N个数据；

步骤三、生成由0和1组成的秘钥C，秘钥C的长度为2m，

秘钥C具体表示为C＝[c₀ c₁...c_m-1]，其中，c_p表示两比特信息00或01或10或11，p＝0,1,2,...,m-1；

步骤四、根据步骤三得到的秘钥C生成加权系数

其具体过程为：

其中，e为自然对数的底数，i是虚数的单位，

为生成加权系数时的变换参数，k＝0,1,2,3；

步骤五、根据步骤三得到的秘钥C，分别对步骤二获得的每一帧数据进行加权系数为

的多样化波形变换，得到每一帧数据经过多样化波形变换后的输出信号，将第i′帧数据经过多样化波形变换后的输出信号表示为X_i′0；

所述步骤五中，对步骤二获得的每一帧数据进行加权系数为

的多样化波形变换，得到每一帧数据经过多样化波形变换后的输出信号；其具体过程为：

其中，t＝2^u，分块对角阵的第p个子块F_t ^p，p＝0,1,2,...,m-1具体表示为：

其中，I_t为大小为t*t单位阵，Π_t为对称置换矩阵，F_t为傅里叶变换矩阵；

步骤六、分别对步骤五中获得的每一帧输出信号进行扩展加权联合迭代，得到每一帧输出信号经过扩展加权联合迭代获得的信号，将输出信号X_i′0经过扩展加权联合迭代获得的输出信号表示为X_i′1；

所述步骤六中，分别对步骤五中获得的每一帧输出信号进行扩展加权联合迭代，得到每一帧输出信号经过扩展加权联合迭代获得的信号；其具体过程为：

为L*L的矩阵，

中第s行v列的元素

表示为：

其中，[]表示向下取整，β∈[0,2π)为扩展加权联合迭代时的变换参数；

步骤七、将步骤六获得的信号X_i′1表示为一路串行数字信号X_T，X_T＝[X₁₁ X₂₁...X_i′1…X_M1]，X_T再通过数/模转换器获得模拟调制信号X_T0；

步骤八、对步骤七获得的模拟调制信号X_T0进行上变频处理，获得上变频处理后的信号，并将上变频处理后的信号发射至信道；

步骤九、信号通过信道的传输到达接收端，接收机对接收到的信号进行下变频处理，获得下变频处理后的信号；

步骤十、将步骤九获得的下变频处理后信号通过模/数转换器，获得一路串行数字信号；

步骤十一、从步骤十获得的信号数据的首位开始，将信号数据分成M个数据块；每个数据块的长度均为2^N，N为正整数，每个数据块对应于一帧数据；

步骤十二、分别对步骤十一获得的每一帧数据进行扩展加权联合迭代逆运算，得到每一帧数据经过扩展加权联合迭代逆运算获得的输出信号；其中：步骤十一中获得的第j帧数据Y_j表示为：Y_j＝[y₀ y₁...y_L-1]，j＝1,2,3,...,M，第j帧数据Y_j经过扩展加权联合迭代逆运算获得的输出信号表示为Y_j1；

所述步骤十二中，分别对步骤十一获得的每一帧数据进行扩展加权联合迭代逆运算，得到每一帧数据经过扩展加权联合迭代逆运算获得的输出信号；其具体过程为：

为L*L的矩阵，

中第s行v列的元素

表示为：

其中，[]表示向下取整；

步骤十三、根据步骤三得到的秘钥C生成反变换加权系数

其具体过程为：

步骤十四、根据步骤十三得到的反变换加权系数

分别对步骤十二获得的每一帧数据对应的输出信号Y_j1进行波形恢复，得到每一帧数据经过波形恢复获得的输出信号Y_j0；其具体过程为：

其中，分块对角阵的第p个子块

具体表示为：

其中，F_t ^-1为傅里叶变换逆矩阵；

步骤十五、将步骤十四获得的输出信号Y_j0表示为一路串行数字信号Y_T，Y_T＝[Y₁₀ Y₂₀…Y_j0…Y_M0]，对信号Y_T进行星座解映射，恢复出0、1比特数据。

2.根据权利要求1所述的一种多域协同物理层抗检测传输方法，其特征在于，所述步骤八中，对步骤七获得的模拟调制信号X_T0进行上变频处理，获得上变频处理后的信号，所述上变频处理后的信号的具体形式为：

其中，X_T1为上变频处理后的信号，f_c为载波调制中心频率，t₀为时序标志，Re[·]代表取实部。

3.根据权利要求2所述的一种多域协同物理层抗检测传输方法，其特征在于，所述步骤九中，接收机对接收到的信号进行下变频处理，接收机接收到的信号Y_R1的形式为：

Y_R1＝HX_T1+N_T

其中，H为信道状态信息矩阵，N_T为随机噪声。

4.根据权利要求3所述的一种多域协同物理层抗检测传输方法，其特征在于，所述秘钥C由发送端和接收端预先约定，或者作为信令数据由发送端发送给接收端并实时更新，发送端和接收端共享秘钥C。

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