CN113726481A - 一种用于无线通信的安全通信方法、装置及系统 - Google Patents

一种用于无线通信的安全通信方法、装置及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于无线通信系统的发送方法，包括：步骤100：接收要发送的信号；步骤200：根据信道质量确定编码调制映射组合集合，其中所述编码调制映射组合集合包括与所述信道的信道质量相关的一个或多个编码调制映射组合；步骤300：将所述要发送的信号进行串并转换，以及将串行信号分为多层，其中，层数等于所确定的编码调制映射组合集合中的组合数量；步骤400：对每层信号分别采用所述编码调制映射集合中所规定的一种编码、调制、映射组合方式进行编码调制映射；步骤500：将所述编码调制映射后的各层信号进行跳变，以及并串转换，并发出信号。基于本发明的实施例，可以简单高效地实现宽带无线传输，同时能够显著降低非合作的识别概率。

Description

一种用于无线通信的安全通信方法、装置及系统
技术领域
本发明涉及无线通信领域的物理层编码调制领域，尤其涉及一种利用物理层编码调制技术的安全通信方法。
背景技术
随着无线通信网络的发展，无线通信安全愈发受到人们的重视。由于无线通信的开放性，非合作方通过窃听可以容易获得合法用户的数据。民用通信中，主要通过应用层的数据加密等方式来防止用户数据泄露，当非法用户获取用户关键身份数据后，便可以对合法用户数据进行窃取和伪造。在军事通信中，窃听技术得到更为普遍的应用。为了防止敌军干扰和窃听，多种技术手段，跳时跳频，数据加密等得到充分利用。基于加密的信息安全算法往往伴随着较高的解密复杂度，增加无线空口传输数据负载，同时密码本身也存在被破解的风险。发明人在抗干扰通信研究时发现无线宽带通信能力会严重制约无线通信安全能力，当用户为了获得较好的宽带通信能力时，势必要损失通信安全能力，反之亦然。
发明内容
本发明针对上述问题，根据本发明的第一方面，提出一种用于无线通信系统的发送方法，包括
步骤100：接收要发送的信号；
步骤200：根据信道质量确定编码调制映射组合集合，其中所述编码调制映射组合集合包括与所述信道的信道质量相关的一个或多个编码调制映射组合；
步骤300：将所述要发送的信号进行串并转换，以及将串行信号分为多层，其中，层数等于所确定的编码调制映射组合集合中的组合数量；
步骤400：对每层信号分别采用所述编码调制映射集合中所规定的一种编码、调制、映射组合方式进行编码调制映射；
步骤500：将所述编码调制映射后的各层信号进行跳变，以及并串转换，发出信号。
在本发明的一个实施例中，其中所述步骤200中，所述编码调制映射组合集合由具有同一频谱效率且满足系统BLER要求的一个或者多个编码调制映射组合构成。
在本发明的一个实施例中，其中，所述编码调制映射组合集合中的所有组合的编码、调制和映射中的一项或两项可以相同。
在本发明的一个实施例中，其中在步骤500中，所述跳变为顺序跳变、随机跳变、密码跳变和行列交织之一。
根据本发明的第二方面，提供一种用于接收本发明的发送方法发送的数据的方法，包括：
步骤1000：接收信号；
步骤2000：对所接收的信号进行串并转换，将串行信号分为多层，其中，层数等于所确定的编码调制映射组合集合中的组合数量；
步骤3000：对每层信号分别采用与所述编码调制映射组合中所对应的编码、调制、映射方式进行译码、解调；
步骤4000：将步骤3000各层所产生的数据进行解跳变和并串转换。
根据本发明的第三方面，提供一种用于无线通信系统的发送装置，包括模块：串/并转换模块(101)、编码调制模块(102)、跳变模块(103)，其中
所述串/并转换模块(101)，用于根据信道质量确定编码调制映射组合集合，其中所述编码调制映射组合集合包括与所述信道的信道质量相关的多个编码调制映射组合，以及用于将串行信源信号转换为并行的多层信号，其中，层数等于所确定的编码调制映射组合集合中的组合数量；
所述编码调制模块(102)，用于对每层信号分别采用对应的编码调制映射组合中所规定的一种编码、调制、映射组合方式进行编码、调制和映射；
所述跳变模块(103)，用于对所述编码调制映射后的各层信号进行跳变，以及并串转换。
根据本发明的第四方面，提供一种用于本发明的无线通信系统的发送装置的接收装置，包括模块：串/并转换模块(201)、译码解调制模块(202)、解跳变模块(203)，其中
所述串/并转换模块(201)，用于将串行接收信号转换为并行多层信号；
所述编码调制模块(202)，用于对每层信号分别采用与所述编码调制映射组合中所对应的编码、调制、映射方式进行译码、解调；
解跳变模块(203)，用于将编码调制模块(202)产生的各层信号进行解跳变，以及并串转换。
根据本发明的第五方面，提供一种计算机可读存储介质，其中存储有一个或者多个计算机程序，所述计算机程序在被执行时用于实现本发明的用于无线通信系统的发送方法和接收方法。
根据本发明的第六方面，提供一种计算系统，包括：存储装置、以及一个或者多个处理器；其中，所述存储装置用于存储一个或者多个计算机程序，所述计算机程序在被所述处理器执行时用于实现本发明的用于无线通信系统的发送方法和接收方法。
与现有技术相比，本发明的优点在于可以简单高效地实现宽带无线传输，同时能够显著降低非合作的识别概率。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1(a)示出了根据本发明的一个实施例的发送端的系统框图；
图1(b)示出了根据本发明的一个实施例的接收端的系统框图；
图2示出了根据本发明的一个实施例的编码调制映射组合的误块率(Block errorrate,BLER)与信噪比的关系图；
图3示出了根据本发明仿真中采用的编码调制映射组合的BLER与信噪比的关系图；
图4示出了本发明与传统单一编码调制信号采用最大似然信号检测方式的识别率的对比。
具体实施方式
针对背景技术中提出的问题，发明人进行了研究，提出了一种兼顾宽带传输和安全通信的通信方法，在实现宽带通信的前提下，有效抵抗非合作方的窃听，图1(a)示出了本发明的发送端的系统框图，图1(b)示出了本发明的接收端的系统框图，接收端的操作是发送端的逆操作。
如图1(a)所示，发送端包括以下模块：串/并转换模块101、编码调制模块102和跳变模块103。信源信号经过串/并转换模块101串并转换后，一组串行信号被转换为L组并行信号，每组并行信号称为一层信号，再输入编码调制模块102，每一层采用不同的编码调制映射组合，再经由跳变模块103将各层信号顺序打乱，并将多层并行信号再转换回串行的信号，最后将信号调制到多个载波上发出。图1(a)示出了多载波调制的例子，例如OFDM。但是，本领域普通技术人员公知的是，在发送时采用单载波调制也是可以的。
如图1(b)所示，接收端中包括以下模块：串/并转换模块201、译码解调模块202和解跳变模块203。在图1(b)中，所接收的信号先经过多载波解调(在发射端采用多载波调制的情况下)，例如OFDM解调；如果发送端采用单载波调制，则接收端不需进行多载波解调。所解调后的信号通过串/并转换模块201进行串并转换，所得到的串行信号被转换为并行的L层，再输入译码解调模块202，分别对每一层进行解调与译码，再经由解跳变模块203将被发送端打乱的顺序恢复为正确的顺序，并进行并串转换，转换后即为信宿。
通常，在通信过程中，终端根据基站发射的下行参考信号的接收质量，向基站报告下行信道的信道质量CQI，由基站确定基站与终端传输时采用的编码调制映射方式。在现有技术中，基站通常根据当前CQI选择一个编码调制映射组合，而本发明根据当前CQI选择一个编码调制映射组合集合，集合中包括多个编码调制映射组合，串并转换后的每层采用集合中的一个编码调制映射组合。
上述编码调制映射组合中信道编码方式包括但不限于：Turbo码、LDPC码、Polar码等，调制方式包括但不限于QAM调制、PSK调制、APSK调制等，调制映射规则包括但不限于自然映射、汉明映射、割集映射等，映射规则是信道编码后的比特序列符号与调制方式所用星座之间的映射规则。
在本发明中，针对某一CQI可选用的编码调制映射组合集合中的所有编码调制映射组合需要在单位时间中具有相同的吞吐量，即需要具有相同的频谱效率ρ。在本发明中，频谱效率定义为单位带宽传输频道上每秒可传输的比特数。
此外，在本发明中，针对某一CQI可选用的编码调制映射组合集合中的所有编码调制映射组合需要具有相似的发送性能，其中，采用BLER来衡量发送性能。例如对于民用系统，BLER小于等于1e-2时认为发送成功。如果发送性能差别较大，则有的发送成功，有的失败，这样无法保障成功发送的效率，因此对民用系统可以选取BLER等于1e-2的组合。对于其它类型的系统根据该类型系统的BLER的要求，选取相应的组合。
因此，根据本发明的一个实施例，可以采用以下方式选取编码调制映射组合集合：对具有某一频谱效率ρ的多个编码调制映射组合进行测试，在BLER值为系统要求时(例如BLER等于1e-2)的组合中选取EbN0值相似的多个编码调制映射组合。
以下通过图2的示例说明如何对编码调制映射组合集合进行选取。图2示出了五个具有某一频谱效率ρ的编码调制映射组合的测试结果，横坐标为信噪比EbN0，纵坐标为误块率BLER，对于民用系统，在BLER＝1e-2时，组合3、4、5具有相似的EbN0，其值接近12dB，并且与12dB的误差小于系统要求(例如0.5或1dB)。而与信噪比EbN0＝12对应的CQI值为CQI1，因此CQI为CQI1的编码调制映射组合集合包括组合3、4、5，由此可以确定，当CQI为CQI1时，可选择三组编码调制映射方式，即三层编码调制，这三层的编码方式/目标码率/调制方式/调制阶数分别为Code1-1/R1-1/Mod1-1/m1-1、Code1-2/R1-2/Mod1-2/m1-2、和Code1-3/R1-3/Mod1-3/m1-3，即得到表1的前三行。按此方法进行多次测试，可以获得各CQI值(例如，取值范围1-31)对应的EbN0的编码调制映射组合集合。
表1 MCS表
Figure BDA0003269233580000061
编码调制映射组合中的其中一项或两项可以都相同，不做区分。例如，表1中的映射方式都为汉明映射。
UE在发送数据时，根据当前CQI选择一个编码调制映射组合集合，集合中包括多个编码调制映射组合，串并转换后的每层采用集合中的一个编码调制映射组合进行编码调制和映射。
图1(a)中的跳变模块103跳变符号的输出顺序，通过打乱发送符号的顺序，可以有效降低非合作方的检测概率，同时合作方通过预先设定的规则，通过图1(b)解跳变模块203恢复数据顺序，所述跳变方法包括但不限于顺序跳变，随机跳变，密码跳变等，其中顺序跳变即顺序不发生变化，随机跳变即顺序随机变化，密码跳变为根据密码本进行跳变，跳变方式还可以为行列交织等等。
接收端在接收到数据后，首先根据预先设定的规则，通过图1(b)串/并转换模块201对接收数据进行串/并转换，再由译码解调模块202进行解调和译码，最后解跳变模块203恢复数据顺序和并串转换，从而获得信宿，即获得接收的信息。
以下为根据上述方法进行的仿真。以5G NR中的LDPC码为例，通过性能仿真确定不同组合的BLER和信噪比EbN0的关系，其中映射方式都为汉明映射，跳变时采用行列交织，如图3所示。在图3中在BLER＝1e-2时，在ρ＝1.6的组合中，组合LDPC R＝2/5 16QAM和组合LDPC R＝2/54+12APSK的信噪比相似，约为EbN0＝3dB，而和EbN0＝3dB对应的CQI值为i，从而获得CQI＝i时的选取的组合就为这两个组合，如表2所示。
同样的，在ρ＝5.33的5个组合中，在BLER＝1e-2时，这5个组合的信噪比EbN0都接近13dB(例如当系统要求的误差小于为1dB时)，而和EbN0＝13dB对应的CQI值为j，从而获得CQI＝j时选取的组合即为这5个组合，如表2所示。
表2 MCS表
Figure BDA0003269233580000071
接收端模拟非合作方，采用似然检测对信号进行调制模式识别。如图4所示，当信号采用一种调制模式时，通过最大似然信号检测可以有效识别出来，采用本发明的方法，显著降低了信号识别概率。
需要说明的是，虽然上文按照特定顺序描述了各个步骤，但是并不意味着必须按照上述特定顺序来执行各个步骤，实际上，这些步骤中的一些可以并发执行，甚至改变顺序，只要能够实现所需要的功能即可。
本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本发明的各个方面的计算机可读程序指令。
计算机可读存储介质可以是保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以包括但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。
为使本领域任何普通技术人员能够实现或者使用本公开内容，上面围绕本公开内容进行了描述。对于本领域普通技术人员来说，对本公开内容进行各种修改是显而易见的，并且，本文定义的通用原理也可以在不脱离本公开内容的精神或保护范围的基础上适用于其它变型。此外，除非另外说明，否则任何方面和/或实施例的所有部分或一部分可以与任何其它方面和/或实施例的所有部分或一部分一起使用。因此，本公开内容并不限于本文所描述的例子和设计方案，而是与本文公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。

Claims (9)

1.一种用于无线通信系统的发送方法，包括
步骤100：接收要发送的信号；
步骤200：根据信道质量确定编码调制映射组合集合，其中所述编码调制映射组合集合包括与所述信道的信道质量相关的一个或多个编码调制映射组合；
步骤300：将所述要发送的信号进行串并转换，以及将串行信号分为多层，其中，层数等于所确定的编码调制映射组合集合中的组合数量；
步骤400：对每层信号分别采用所述编码调制映射集合中所规定的一种编码、调制、映射组合方式进行编码调制映射；
步骤500：将所述编码调制映射后的各层信号进行跳变，以及并串转换，发出信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤200中，所述编码调制映射组合集合由具有同一频谱效率且满足系统BLER要求的一个或者多个编码调制映射组合构成。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述编码调制映射组合集合中的所有组合的编码、调制和映射中的一项或两项可以相同。
4.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤500中，所述跳变为顺序跳变、随机跳变、密码跳变和行列交织之一。
5.一种用于接收权利要求1-4之一的发送方法发送的数据的方法，包括：
步骤1000：接收信号；
步骤2000：对所接收的信号进行串并转换，将串行信号分为多层，其中，层数等于所确定的编码调制映射组合集合中的组合数量；
步骤3000：对每层信号分别采用与所述编码调制映射组合中所对应的编码、调制、映射方式进行译码、解调；
步骤4000：将步骤3000各层所产生的数据进行解跳变和并串转换。
6.一种用于无线通信系统的发送装置，包括模块：串/并转换模块(101)、编码调制模块(102)、跳变模块(103)，其中
所述串/并转换模块(101)，用于根据信道质量确定编码调制映射组合集合，其中所述编码调制映射组合集合包括与所述信道的信道质量相关的多个编码调制映射组合，以及用于将串行信源信号转换为并行的多层信号，其中，层数等于所确定的编码调制映射组合集合中的组合数量；
所述编码调制模块(102)，用于对每层信号分别采用对应的编码调制映射组合中所规定的一种编码、调制、映射组合方式进行编码、调制和映射；
所述跳变模块(103)，用于对所述编码调制映射后的各层信号进行跳变，以及并串转换。
7.一种用于权利要求6的发送装置的接收装置，包括模块：串/并转换模块(201)、译码解调制模块(202)、解跳变模块(203)，其中
所述串/并转换模块(201)，用于将串行接收信号转换为并行多层信号；
所述编码调制模块(202)，用于对每层信号分别采用与所述编码调制映射组合中所对应的编码、调制、映射方式进行译码、解调；
解跳变模块(203)，用于将编码调制模块(202)产生的各层信号进行解跳变，以及并串转换。
8.一种计算机可读存储介质，其中存储有一个或者多个计算机程序，所述计算机程序在被执行时用于实现如权利要求1-5中任意一项所述的方法。
9.一种计算系统，包括：
存储装置、以及一个或者多个处理器；
其中，所述存储装置用于存储一个或者多个计算机程序，所述计算机程序在被所述处理器执行时用于实现如权利要求1-5中任意一项所述的方法。
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