CN113381834A - 一种基于扩展加权分数傅里叶变换的定向调制方法及系统 - Google Patents

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CN113381834A CN202110644504.7A CN202110644504A CN113381834A CN 113381834 A CN113381834 A CN 113381834A CN 202110644504 A CN202110644504 A CN 202110644504A CN 113381834 A CN113381834 A CN 113381834A
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Abstract

一种基于扩展加权分数傅里叶变换的定向调制方法及系统，它属于无线通信技术领域。本发明解决了在现有定向调制安全方案中，由于空间中的可通信区域大而导致易于被窃听者截获的问题。本发明通过利用扩展加权分数傅里叶变换多分量的自干扰特性和频控阵，可以实现兼具距离相关和偏移角相关特性的抗截获信号形式和可控可通信区域设计。本发明方法大幅度缩小了空间中的低误码率区域，在有窃听者存在的网络中，即使分数域变换相关知识是公开的且全部变换参数可以通过付出较高计算复杂度的代价暴力破解，也不能实现信号的高概率截获。增强了混合载波系统的物理层安全性能，保障了通信的保密性。本发明可以应用于无线通信技术领域。

Description

一种基于扩展加权分数傅里叶变换的定向调制方法及系统
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于扩展加权分数傅里叶变换的定向调制方法及系统。
背景技术
随着信息和通信技术的蓬勃发展，人们对通信的安全性能有了更高的需求，信息安全的理论和技术引起了广泛的关注。随着技术的发展和研究的深入，物理层安全技术作为对上层加密体制的有效补充，由于其在增强系统安全性能上表现出的独特优势而得到了越来越多的研究。近年来，加权分数傅里叶变换逐渐在通信系统中得到了研究和应用，也开始应用于物理层安全的各个研究领域，并取得了一定的研究成果。
然而，现有基于加权分数傅里叶变换的定向调制安全方案多是角度相关的，对于窃听端，当其与目的接收者相对于发送端处于同一偏移角上时，即可以接收到具有较强等效信噪比的信号，进而通过参数扫描及反变换实现信号的破解。因此，现有混合载波系统仍具有一定的安全隐患，对其缺陷进行补充和优化，进一步缩小可通信区域以提升系统的安全性能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在现有定向调制安全方案中，由于空间中的可通信区域大而导致易于被窃听者截获的问题，而提出一种基于扩展加权分数傅里叶变换的定向调制方法及系统。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案是：
一种基于扩展加权分数傅里叶变换的定向调制方法，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，获得星座映射后的调制信号X；
步骤二、对步骤一获得的调制信号X进行扩展加权分数傅里叶变换多分量生成，获得四路串行数字信号Fl 0，Fl 0代表获得的第l路串行数字信号，l＝0,1,2,3；
Figure BDA0003108584650000011
式中，Xl为对信号X进行l次傅里叶变换的结果，i为虚数单位，
Figure BDA0003108584650000012
为变换参数，k＝0,1,2,3，
Figure BDA0003108584650000021
步骤三、对步骤一获得的调制信号X进行处理，获得频控阵多分量Fl 1，l＝0,1,2,3；
Figure BDA0003108584650000022
式中，Δf为频率增量，Xm为对信号X进行m次傅里叶变换的结果，m＝0,1,2,3，
Figure BDA0003108584650000023
为变换参数，k＝0,1,2,3，
Figure BDA0003108584650000024
步骤四、对步骤二和步骤三获得的结果进行合并；其具体过程为：
Tl＝Tl 0+Tl 1，l＝0,1,2,3
其中，
Figure BDA0003108584650000025
Tl 0表示对
Figure BDA0003108584650000026
进行与Fl 0等长度的后补零得到的结果，Tl 1表示对
Figure BDA0003108584650000027
进行与Fl 1等长度的前补零得到的结果，Tl表示合并后的第l路串行数字信号；
步骤五、分别将步骤四中获得的四路串行数字信号Tl通过数/模转换器，获得四路串行数字信号Tl对应的模拟调制信号
Figure BDA0003108584650000028
l＝0,1,2,3；
步骤六、分别对步骤五中获得的四路模拟调制信号
Figure BDA0003108584650000029
进行上变频处理，获得上变频处理后的四路信号，并将上变频处理后的四路信号通过四根天线发射至信道；
步骤七、信号通过信道的传输到达接收端，接收端通过单天线对信号进行接收，并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；
步骤八、将步骤七获得的下变频处理后的信号通过模/数转换器，获得一路串行数字信号X′；
步骤九、将步骤八获得的一路串行数字信号X′分为等长的两组，即
Figure BDA00031085846500000210
步骤十、对步骤九获得的两组信号分别进行变换参数为
Figure BDA00031085846500000211
和
Figure BDA00031085846500000212
k＝0,1,2,3的扩展加权分数傅里叶反变换，即对
Figure BDA00031085846500000213
进行变换参数为
Figure BDA00031085846500000214
的扩展加权分数傅里叶反变换，对
Figure BDA00031085846500000215
进行变换参数为
Figure BDA00031085846500000216
的扩展加权分数傅里叶反变换；
并对扩展加权分数傅里叶反变换的结果进行合并：
Figure BDA0003108584650000031
其中，
Figure BDA0003108584650000032
表示变换参数为
Figure BDA0003108584650000033
的扩展加权分数傅里叶反变换，
Figure BDA0003108584650000034
表示变换参数为
Figure BDA0003108584650000035
的扩展加权分数傅里叶反变换，Y为合并后的信号；
步骤十一、将步骤十获得的合并后信号Y进行星座解映射，恢复出0、1比特数据。
一种基于扩展加权分数傅里叶变换的定向调制系统，用于执行一种基于扩展加权分数傅里叶变换的定向调制方法。
本发明的有益效果是：本发明提出了一种基于扩展加权分数傅里叶变换的定向调制方法及系统，本发明通过扩展加权分数傅里叶变换和频控阵的结合，形成一种兼具距离相关和偏移角相关特性的抗截获信号形式和可控可通信区域，可以较好的实现信号的安全传输。本发明一方面利用扩展加权分数傅里叶变换多分量的自干扰特性构造了随偏移角增大而快速恶化的空间误码率分布；另一方面通过频控阵与扩展加权分数傅里叶变换的结合实现了距离相关的高等效信噪比区域设计以及参数敏感的多样化抗截获信号形式设计。本发明方法大幅度缩小了空间中的可通信区域，对于窃听者，在除目的节点周围很小范围外的其他位置，即使其知晓与合作方相同的分数域变换相关知识，并付出较高计算复杂度对全部的变换参数进行扫描，也不能实现高等效信噪比的信号接收和判决，有效降低了截获信号的概率，保障了非零保密容量。在不影响合作方通信可靠性的前提下，提升了无线通信系统的物理层安全性能。
本发明采用一种扩展加权分数傅里叶变换及频控阵技术，可以实现无线通信系统安全性能的提升。
附图说明
图1为本发明的一种基于扩展加权分数傅里叶变换的定向调制方法在发送端的系统框图；
图2为本发明的一种基于扩展加权分数傅里叶变换的定向调制方法在接收端的系统框图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1和图2说明本实施方式。本实施方式所述的一种基于扩展加权分数傅里叶变换的定向调制方法，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，获得星座映射后的调制信号X；
步骤二、对步骤一获得的调制信号X进行扩展加权分数傅里叶变换多分量生成，获得四路串行数字信号Fl 0，Fl 0代表获得的第l路串行数字信号，l＝0,1,2,3；
Figure BDA0003108584650000041
式中，Xl为对信号X进行l次傅里叶变换的结果，i为虚数单位，
Figure BDA0003108584650000042
为扩展加权分数傅里叶变换多分量生成的变换参数，k＝0,1,2,3，
Figure BDA0003108584650000043
步骤三、对步骤一获得的调制信号X进行处理，获得频控阵多分量Fl 1，l＝0,1,2,3；
Figure BDA0003108584650000044
式中，Δf为频率增量，Xm为对信号X进行m次傅里叶变换的结果，m＝0,1,2,3，
Figure BDA0003108584650000045
为变换参数，k＝0,1,2,3，
Figure BDA0003108584650000046
Figure BDA0003108584650000047
与
Figure BDA0003108584650000048
的取值相互独立；
步骤四、对步骤二和步骤三获得的结果进行合并；其具体过程为：
Tl＝Tl 0+Tl 1，l＝0,1,2,3
其中，
Figure BDA0003108584650000049
Tl 0表示对
Figure BDA00031085846500000410
进行与Fl 0等长度的后补零得到的结果，Tl 1表示对
Figure BDA00031085846500000411
进行与Fl 1等长度的前补零得到的结果，Tl表示合并后的第l路串行数字信号；
步骤五、分别将步骤四中获得的四路串行数字信号Tl通过数/模转换器，获得四路串行数字信号Tl对应的模拟调制信号
Figure BDA00031085846500000412
l＝0,1,2,3；
步骤六、分别对步骤五中获得的四路模拟调制信号
Figure BDA00031085846500000413
进行上变频处理，获得上变频处理后的四路信号，并将上变频处理后的四路信号通过四根天线发射至信道；
其中，每一路信号均通过一根天线发射至信道；
步骤七、信号通过信道的传输到达接收端，接收端通过单天线对信号进行接收，并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；
步骤八、将步骤七获得的下变频处理后的信号通过模/数转换器，获得一路串行数字信号X′；
步骤九、将步骤八获得的一路串行数字信号X′分为等长的两组，即
Figure BDA0003108584650000051
将X′的前半部分作为一组，将X′的后半部分作为另一组；
步骤十、对步骤九获得的两组信号分别进行变换参数为
Figure BDA0003108584650000052
和
Figure BDA0003108584650000053
k＝0,1,2,3的扩展加权分数傅里叶反变换，即对
Figure BDA0003108584650000054
进行变换参数为
Figure BDA0003108584650000055
的扩展加权分数傅里叶反变换，对
Figure BDA0003108584650000056
进行变换参数为
Figure BDA0003108584650000057
的扩展加权分数傅里叶反变换；
并对扩展加权分数傅里叶反变换的结果进行合并：
Figure BDA0003108584650000058
其中，
Figure BDA0003108584650000059
表示变换参数为
Figure BDA00031085846500000510
的扩展加权分数傅里叶反变换，
Figure BDA00031085846500000511
表示变换参数为
Figure BDA00031085846500000512
的扩展加权分数傅里叶反变换，Y为合并后的信号；
步骤十一、将步骤十获得的合并后信号Y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，所述步骤六中，分别对步骤五中获得的四路模拟调制信号
Figure BDA00031085846500000513
进行上变频处理，获得上变频处理后的四路信号；其具体过程为：
Figure BDA00031085846500000514
式中，
Figure BDA00031085846500000515
代表上变频处理后的第l路信号，fc为载波调制中心频率，t为时序标志，Re[·]代表取实部，e代表自然对数的底数。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是，所述步骤七中，接收端通过单天线对信号进行接收，接收端接收到的信号的形式为：
Figure BDA00031085846500000516
式中，YR1为接收端接收到的信号，Hl为上变频处理后的第l路信号经过信道的信道状态信息矩阵，NT为随机噪声。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是，所述步骤十中，对
Figure BDA00031085846500000517
进行变换参数为
Figure BDA00031085846500000518
的扩展加权分数傅里叶反变换，其具体过程为：
Figure BDA0003108584650000061
式中，
Figure BDA0003108584650000062
为对信号
Figure BDA0003108584650000063
进行l次傅里叶变换的结果，l＝0,1,2,3，
Figure BDA0003108584650000064
为对
Figure BDA0003108584650000065
进行扩展加权分数傅里叶反变换的加权系数。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是，所述步骤十中，对
Figure BDA0003108584650000066
进行变换参数为
Figure BDA0003108584650000067
的扩展加权分数傅里叶反变换，其具体过程为：
Figure BDA0003108584650000068
式中，
Figure BDA0003108584650000069
为对信号
Figure BDA00031085846500000610
进行l次傅里叶变换的结果，l＝0,1,2,3，
Figure BDA00031085846500000611
为对
Figure BDA00031085846500000612
进行扩展加权分数傅里叶反变换的加权系数。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是，所述对
Figure BDA00031085846500000613
进行扩展加权分数傅里叶反变换的加权系数
Figure BDA00031085846500000614
满足如下关系：
Figure BDA00031085846500000615
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是，所述对
Figure BDA00031085846500000616
进行扩展加权分数傅里叶反变换的加权系数
Figure BDA00031085846500000617
满足如下关系：
Figure BDA00031085846500000618
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是，所述变换参数
Figure BDA00031085846500000619
由发送端和接收端共享。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是，所述变换参数
Figure BDA00031085846500000620
的共享方式为发送端和接收端预先约定。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式八不同的是，所述变换参数
Figure BDA00031085846500000621
的共享方式为：将变换参数
Figure BDA00031085846500000622
和
Figure BDA00031085846500000623
作为信令数据由发送端发送给目的接收端，并实时更新。
具体实施方式十一：本实施方式的一种基于扩展加权分数傅里叶变换的定向调制系统，该系统用于执行具体实施方式一至具体实施方式十之一的一种基于扩展加权分数傅里叶变换的定向调制方法。
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 (10)

1.一种基于扩展加权分数傅里叶变换的定向调制方法，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，获得星座映射后的调制信号X；
步骤二、对步骤一获得的调制信号X进行扩展加权分数傅里叶变换多分量生成，获得四路串行数字信号Fl 0，Fl 0代表获得的第l路串行数字信号，l＝0,1,2,3；
Figure FDA0003108584640000011
式中，Xl为对信号X进行l次傅里叶变换的结果，i为虚数单位，
Figure FDA0003108584640000012
为变换参数，k＝0,1,2,3，
Figure FDA0003108584640000013
步骤三、对步骤一获得的调制信号X进行处理，获得频控阵多分量Fl 1，l＝0,1,2,3；
Figure FDA0003108584640000014
式中，Δf为频率增量，Xm为对信号X进行m次傅里叶变换的结果，m＝0,1,2,3，
Figure FDA0003108584640000015
为变换参数，k＝0,1,2,3，
Figure FDA0003108584640000016
步骤四、对步骤二和步骤三获得的结果进行合并；其具体过程为：
Tl＝Tl 0+Tl 1，l＝0,1,2,3
其中，
Figure FDA0003108584640000017
Tl 0表示对
Figure FDA0003108584640000019
进行与Fl 0等长度的后补零得到的结果，Tl 1表示对
Figure FDA00031085846400000110
进行与Fl 1等长度的前补零得到的结果，Tl表示合并后的第l路串行数字信号；
步骤五、分别将步骤四中获得的四路串行数字信号Tl通过数/模转换器，获得四路串行数字信号Tl对应的模拟调制信号
Figure FDA00031085846400000111
步骤六、分别对步骤五中获得的四路模拟调制信号
Figure FDA00031085846400000112
进行上变频处理，获得上变频处理后的四路信号，并将上变频处理后的四路信号通过四根天线发射至信道；
步骤七、信号通过信道的传输到达接收端，接收端通过单天线对信号进行接收，并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；
步骤八、将步骤七获得的下变频处理后的信号通过模/数转换器，获得一路串行数字信号X′；
步骤九、将步骤八获得的一路串行数字信号X′分为等长的两组，即
Figure FDA0003108584640000024
步骤十、对步骤九获得的两组信号分别进行变换参数为
Figure FDA0003108584640000025
和
Figure FDA0003108584640000026
的扩展加权分数傅里叶反变换，即对
Figure FDA0003108584640000027
进行变换参数为
Figure FDA0003108584640000028
的扩展加权分数傅里叶反变换，对
Figure FDA0003108584640000029
进行变换参数为
Figure FDA00031085846400000210
的扩展加权分数傅里叶反变换；
并对扩展加权分数傅里叶反变换的结果进行合并：
Figure FDA0003108584640000021
其中，
Figure FDA00031085846400000211
表示变换参数为
Figure FDA00031085846400000212
的扩展加权分数傅里叶反变换，
Figure FDA00031085846400000213
表示变换参数为
Figure FDA00031085846400000214
的扩展加权分数傅里叶反变换，Y为合并后的信号；
步骤十一、将步骤十获得的合并后信号Y进行星座解映射，恢复出0、1比特数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于扩展加权分数傅里叶变换的定向调制方法，其特征在于，所述步骤六中，分别对步骤五中获得的四路模拟调制信号
Figure FDA00031085846400000215
进行上变频处理，获得上变频处理后的四路信号；其具体过程为：
Figure FDA0003108584640000022
式中，
Figure FDA00031085846400000216
代表上变频处理后的第l路信号，fc为载波调制中心频率，t为时序标志，Re[·]代表取实部，e代表自然对数的底数。
3.根据权利要求2所述的一种基于扩展加权分数傅里叶变换的定向调制方法，其特征在于，所述步骤七中，接收端通过单天线对信号进行接收，接收端接收到的信号的形式为：
Figure FDA0003108584640000023
式中，YR1为接收端接收到的信号，Hl为上变频处理后的第l路信号经过信道的信道状态信息矩阵，NT为随机噪声。
4.根据权利要求3所述的一种基于扩展加权分数傅里叶变换的定向调制方法，其特征在于，所述步骤十中，对
Figure FDA00031085846400000217
进行变换参数为
Figure FDA00031085846400000218
的扩展加权分数傅里叶反变换，其具体过程为：
Figure FDA0003108584640000031
式中，
Figure FDA0003108584640000035
为对信号
Figure FDA0003108584640000036
进行l次傅里叶变换的结果，l＝0,1,2,3，
Figure FDA0003108584640000037
为对
Figure FDA0003108584640000038
进行扩展加权分数傅里叶反变换的加权系数。
5.根据权利要求4所述的一种基于扩展加权分数傅里叶变换的定向调制方法，其特征在于，所述步骤十中，对
Figure FDA0003108584640000039
进行变换参数为
Figure FDA00031085846400000310
的扩展加权分数傅里叶反变换，其具体过程为：
Figure FDA0003108584640000032
式中，
Figure FDA00031085846400000311
为对信号
Figure FDA00031085846400000312
进行l次傅里叶变换的结果，l＝0,1,2,3，
Figure FDA00031085846400000313
为对
Figure FDA00031085846400000314
进行扩展加权分数傅里叶反变换的加权系数。
6.根据权利要求5所述的一种基于扩展加权分数傅里叶变换的定向调制方法，其特征在于，所述对
Figure FDA00031085846400000315
进行扩展加权分数傅里叶反变换的加权系数
Figure FDA00031085846400000316
满足如下关系：
Figure FDA0003108584640000033
7.根据权利要求6所述的一种基于扩展加权分数傅里叶变换的定向调制方法，其特征在于，所述对
Figure FDA00031085846400000317
进行扩展加权分数傅里叶反变换的加权系数
Figure FDA00031085846400000318
满足如下关系：
Figure FDA0003108584640000034
8.根据权利要求7所述的一种基于扩展加权分数傅里叶变换的定向调制方法，其特征在于，所述变换参数
Figure FDA00031085846400000319
由发送端和接收端共享。
9.根据权利要求8所述的一种基于扩展加权分数傅里叶变换的定向调制方法，其特征在于，所述变换参数
Figure FDA00031085846400000320
的共享方式为：发送端和接收端预先约定，或将变换参数
Figure FDA00031085846400000321
和
Figure FDA00031085846400000322
作为信令数据由发送端发送给接收端，并实时更新。
10.一种基于扩展加权分数傅里叶变换的定向调制系统，其特征在于，所述系统用于执行权利要求1至权利要求9之一所述的一种基于扩展加权分数傅里叶变换的定向调制方法。
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