CN113726714B - 基于星座图优化的无线通信信道干扰方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于星座图优化的无线通信信道干扰方法，包括以下步骤：S1.获取待干扰信号所使用的调制方式对应的原始星座图；S2.生成用于干扰所述原始星座图的星座图扰动；S3.根据所述星座图扰动生成干扰信号，用于干扰所述待干扰信号信道的通信过程，并获得干扰后的目标信号；S4.分别采集所述待干扰信号和所述目标信号的波形，计算误码率；S5.将所述误码率与预设的阈值进行比较，当所述误码率≥所述阈值时，干扰完成并生成干扰后的目标波形，当所述误码率＜所述阈值时，循环重复所述S2～S5，直至最终获得的所述误码率≥所述阈值。与传统噪声干扰相比，本发明实现逼近理论极限，达到理论最优的干扰效果。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信信道干扰技术领域，尤其涉及一种基于星座图优化的无线通信信道干扰方法。
背景技术
通信调制是一种用来克服信道噪声影响的通信手段。随着技术的发展，通信调制技术已经从早期2进制、4进制发展到最近包含1024个星座点的1024QAM(QuadratureAmplitude Modulation的缩写，称为“正交振幅调制”)调制方式。数字调制技术的信息传输效率随着星座点数目的增加快速增加，但是抗噪能力减弱。
在通信干扰技术方面，传统手段是通过使用噪声叠加或覆盖目标信号，达到破坏通信信息并阻断解调过程的目的。这种方法操作简便、易于实现，但是由于噪声的波形参数、振幅等具有随机性，无法保证最佳的干扰效率。
中国专利CN109905342A公开一种抗相位噪声干扰的螺旋调制星座图设计方法，根据螺旋线对信号星座集合进行建模，将信号相位参数选择限定为有限集合内的离散数值优化，通过最小化误符号概率性能准则，得到性能最优的相位参数组合，从而计算出能够最小化误符号概率的信号星座集合，达到提升系统性能的目的。中国专利CN102386955B公开一种干扰对齐方法和设备及多信道通信系统，研究的是多信道通信系统的干扰对齐如何达到最佳性能的问题。在信道干扰或抗干扰的研究上，现有技术还没有涉及到直接对调制信号的星座图进行设计而提高通信系统性能的方案。
发明内容
为解决上述现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种基于星座图优化的无线通信信道干扰方法，获得最佳的干扰效率。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：
本发明提供一种基于星座图优化的无线通信信道干扰方法，包括以下步骤：
S1.获取待干扰信号所使用的调制方式对应的原始星座图；
S2.生成用于干扰所述原始星座图的扰动；
S3.根据所述扰动生成干扰信号，用于干扰所述待干扰信号信道的通信过程，并获得干扰后的目标信号；
S4.分别采集所述待干扰信号和所述目标信号的波形，计算误码率；
S5.将所述误码率与预设的阈值进行比较，当所述误码率≥所述阈值时，干扰完成并生成干扰后的目标波形，当所述误码率＜所述阈值时，循环重复所述S2～S5，直至最终获得的所述误码率≥所述阈值。
进一步地，所述S2包括以下步骤：
S21.根据所述原始星座图中目标星座点的坐标，获取与所述目标星座点距离最近的相邻星座点的坐标；
S22.根据所述目标星座点和所述相邻星座点的坐标，通过计算获得所述相邻星座点相对于所述目标星座点的偏移量；
S23.根据所述偏移量获得所述相邻星座点相对于所述目标星座点的方向和距离，由此生成所述扰动。
进一步地，所述方向和所述距离分别是所述偏移量对应的相位和振幅，所述相位和所述振幅分别由以下关系式获得：
其中，Δxi、Δyi分别表示目标星座点的横向偏移量和纵向偏移量。
进一步地，所述S3包括以下步骤：
S31.根据所述扰动生成所述干扰信号；
S32.发送所述干扰信号，并在所述信道将其与所述待干扰信号叠加，生成所述干扰后的目标信号。
进一步地，所述S4包括以下步骤：
S41.分别采集所述待干扰信号和所述目标信号的波形，并获取两者对应的振幅、相位和星座点坐标；
S42.寻找与所述目标信号对应的星座点距离最近的原始星座点，确定所述目标信号对应的编码序列；
S43.通过确定的所述待干扰信号和所述目标信号的编码序列，计算误码率。
进一步地，所述误码率的计算方式为与所述待干扰信号的编码序列相比，所述目标信号的编码序列中编码出错个数占总编码长度的比例。
进一步地，所述S1包括以下步骤：
S11.采集所述待干扰信号；
S12.对所述待干扰信号经所述调制方式调制后生成的待干扰调制信号进行解调，分解为不同波形；
S13.获取每个所述波形对应的振幅和相位，并根据以下公式获取每个所述波形对应的星座点坐标：
xi＝Ai cos(θi)，yi＝Ai sin(θi)，
其中，Ai表示振幅，θi表示相位，xi、yi分别表示不同波形对应星座点的横坐标和纵坐标，下标i表示不同波形的序号。
进一步地，所述调制方式为基于振幅、相位或频率调制的数字调制方式。
进一步地，所述数字调制方式为振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)或正交振幅调制(QAM)。
有益效果：
本发明的基于星座图优化的无线通信信道干扰方法，利用人工智能对抗样本技术，通过对星座图内在信息的智能提取和优化，优化寻找星座点距离最近的方向、位移矢量，可自主寻找最佳干扰波形对应的星座图位置，实现逼近理论极限，达到理论最优的干扰效果。同时，与传统噪声干扰相比，本发明在功率和误码率上具有性能优势。
本发明在使用过程中无需专家参与，不依赖于特定场景与参数，可应用于具有无线通信对抗干扰需求的各类应用场景。例如，在民用领域，应用场景包括移动运营商通讯管控与阻断、教育部门防止考试作弊通信、警方抓捕行动区域信号屏蔽等；在军用领域，应用场景包括针对目标信道的阻断式干扰、区域信道压制等。
附图说明
图1示意性表示本发明的一种实施方式的基于星座图优化的无线通信信道干扰方法的流程图；
图2示意性表示本发明的一种实施方式的利用基于星座图优化的无线通信信道干扰方法生成的干扰后的目标波形的误码率效果图；
图3示意性表示本发明的一种实施方式采用的16QAM调制方式的标准星座图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，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。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
图1示意性地表示本实施方式的基于星座图优化的无线通信信道干扰方法各个步骤及其执行顺序的流程图；图3示意性表示本实施方式采用的16QAM调制方式的标准星座图。如图1所示，在本实施方式中，开始执行后，先执行S1，获取待干扰信号所选择使用的调制方式对应的原始标准星座图。其中，待干扰调制方式包括基于振幅、相位和频率等调制的数字调制方式，例如不同格式的振幅键控ASK、频移键控FSK、相移键控PSK或正交振幅调制QAM等。本实施方式采用16QAM调制方式对待干扰信号进行调制，因此S1中获取的原始标准星座图如图3所示。
具体地，在上述S1中，首先S11需采集待干扰信号，记为w(t)。其次，S12的上述待干扰信号w(t)经过16QAM调制方式调制后生成待干扰调制信号，并且对该待干扰调制信号以16QAM的解调过程进行解调，分解并划分为不同符号的波形wi(t)。此时，每个波形wi(t)都近似具有简谐波特征。然后，S13通过上述解调获得每个波形wi(t)对应的振幅Ai和相位θi，并根据以下公式获取波形wi(t)对应的星座点坐标：
xi＝Ai cos(θi)，yi＝Ai sin(θi)，
其中，下标i表示不同波形wi(t)对应的序号，且1≤i≤16。上述每个不同的波形wi(t)对应的星座点共同构成如图3所示的标准星座图。在本实施方式中，该标准星座图上的16个星座点分别对应分解后的波形wi(t)，1≤i≤16。同时，该16个波形都对应一个四位二进制编码，如图3所示，共同表示待干扰信号。
接下来，执行本实施方式的S2，利用对抗样本技术，生成用于干扰上述原始标准星座图的扰动。其具体过程是：
S21.获取如图3所示的原始标准星座图以及图上每个目标星座点的坐标，记为(xi，yi)，并根据目标星座点的坐标获得与该目标星座点距离最近的相邻星座点的坐标，记为(x′i，y′i)；
S22.根据目标星座点(xi，yi)和相邻星座点(x′i，y′i)，通过计算获得相邻星座点(x′i，y′i)相对于目标星座点(xi，yi)的偏移量。该偏移量包括横向偏移量Δxi和纵向偏移量Δyi，可由以下公式获得：
Δxi＝x′i-xi，Δyi＝y′i-yi。
S23.根据上述偏移量获得相邻星座点(x′i，y′i)相对于目标星座点(xi，yi)的方向和距离，由此生成用于干扰原始标准星座图的扰动。进一步地，本实施方式中的上述方向和距离分别指的是偏移量对应的相位Δθi和振幅ΔAi。而且，该相位Δθi和振幅ΔAi分别由以下关系式获得：
在本实施方式中，上述过程中的i取值范围为：1≤i≤16。利用人工智能对抗样本技术，通过对星座图内在信息的智能提取和优化，优化寻找目标星座点距离最近的偏移量，进而获得距离最近的方向、位移矢量。这里的方向、位移矢量，指的就是干扰信号的相位和振幅，即为扰动。如图3所示，每个目标星座点至少有2个距离最近的相邻星座点，也就是说，每个目标星座点至少有2个距离最近的方向和位移矢量。在生成扰动的过程中，按照概率均等原则，从每个目标星座点的最近距离中随机选择一个相邻星座点，来寻找偏移量。由于寻找的偏移量是通过距离最近的星座点获得的，所以该过程所得的偏移量为最佳干扰。在扰动过程中，随着待干扰信号通信过程的实时变化，目标星座点即图3中4位二进制编码对应的星座点，对应生成的扰动也随之变化。
在本实施方式中，接着执行S3，根据S2生成的扰动生成干扰信号Δw(t)，用来干扰待干扰信号w(t)所在通信信道的信息传输过程，并获得干扰后的目标信号w′(t)。具体地，包括以下步骤：
S31.根据扰动中偏移量对应的振幅和相位生成干扰信号Δw(t)；
S32.发送干扰信号Δw(t)，并在待干扰信号w(t)所在的通信信道将其与待干扰信号w(t)叠加，生成所述干扰后的目标信号w′(t)，即w′(t)＝w(t)+Δw(t)。
在本实施方式中，S3之后执行S4，可自主寻找最佳干扰波形对应的星座图位置。具体地，S4的执行过程包括如下步骤：
S41.分别采集待干扰信号w(t)和目标信号w′(t)的波形，并获取两者对应的振幅、相位，以及在如图3所示的原始标准星座图上获取对应的星座点坐标；
S42.在如图3所示的原始标准星座图上寻找与目标信号w′(t)对应的星座点距离最近的原始星座点，确定目标信号w′(t)对应的编码序列；
S43.通过确定的待干扰信号w(t)和目标信号w′(t)的编码序列，计算误码率。
在本实施方式中，上述误码率的具体计算方式为，与待干扰信号的编码序列相比，目标信号的编码序列中编码出错个数占总编码长度的比例。最后，在上述各步骤执行结束之后，本实施方式通过该误码率对该信道干扰方法的干扰效果进行评估。具体地，S5将该误码率与预设的阈值进行比较，对干扰效果进行评估。当该误码率≥阈值时，干扰完成并生成干扰后的目标波形，当该误码率＜阈值时，循环重复S2～S5，直至最终获得的误码率≥阈值。当设定的阈值不同，本实施方式的基于星座图优化的无线通信信道干扰方法可应用在具有无线通信对抗干扰需求的各类应用场景中，无需专家参与，不依赖于特定场景与参数。例如，在民用领域，应用场景包括移动运营商通讯管控与阻断、教育部门防止考试作弊通信、警方抓捕行动区域信号屏蔽等；在军用领域，应用场景包括针对目标信道的阻断式干扰、区域信道压制等。在复杂的应用情况下，当误码率无法达到设定的目标阈值时，在循环重复S2～S5的过程中可增大S23中的振幅ΔAi，优选地，增大S23中的振幅ΔAi为上一次迭代过程振幅ΔAi-1的1.1倍，使误码率≥设定的目标阈值，在保证低功率的同时兼顾最优的干扰能力。
图2示意性表示本实施方式的利用基于星座图优化的无线通信信道干扰方法生成的干扰后的目标波形的误码率效果图。如图2所示，与使用随机噪声干扰攻击通信系统的传统方式相比，本实施方式的基于星座图优化的无线通信信道干扰方法通过对抗干扰获得的干扰效果更逼近理论极限，达到理论最优。同时，该方法在功率和误码率上具有性能优势。相应地，该方法在无线通信对抗干扰需求的各类应用场景中均能展现出更强的干扰和攻击能力。
以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于星座图优化的无线通信信道干扰方法，包括以下步骤：
S1.获取待干扰信号所使用的调制方式对应的原始星座图；
S2.生成用于干扰所述原始星座图的扰动；
S3.根据所述扰动生成干扰信号，用于干扰所述待干扰信号信道的通信过程，并获得干扰后的目标信号；
S4.分别采集所述待干扰信号和所述目标信号的波形，计算误码率；
S5.将所述误码率与预设的阈值进行比较，当所述误码率≥所述阈值时，干扰完成并生成干扰后的目标波形，当所述误码率＜所述阈值时，循环重复所述步骤S2～S5，直至最终获得的所述误码率≥所述阈值；
所述步骤S2包括以下步骤：
S21.根据所述原始星座图中目标星座点的坐标，获取与所述目标星座点距离最近的相邻星座点的坐标；
S22.根据所述目标星座点和所述相邻星座点的坐标，通过计算获得所述相邻星座点相对于所述目标星座点的偏移量；
S23.根据所述偏移量获得所述相邻星座点相对于所述目标星座点的方向和距离，由此生成所述扰动；
所述步骤S4包括以下步骤：
S41.分别采集所述待干扰信号和所述目标信号的波形，并获取两者对应的振幅、相位和星座点坐标；
S42.寻找与所述目标信号对应的星座点距离最近的原始星座点，确定所述目标信号对应的编码序列；
S43.通过确定的所述待干扰信号和所述目标信号的编码序列，计算误码率。
2.根据权利要求1所述的基于星座图优化的无线通信信道干扰方法，其特征在于，所述方向和所述距离分别是所述偏移量对应的相位和振幅，所述相位和所述振幅分别由以下关系式获得：
其中，Δxi、Δyi分别表示目标星座点的横向偏移量和纵向偏移量。
3.根据权利要求1所述的基于星座图优化的无线通信信道干扰方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：
S31.根据所述扰动生成所述干扰信号；
S32.发送所述干扰信号，并在所述信道将其与所述待干扰信号叠加，生成所述干扰后的目标信号。
4.根据权利要求1或3所述的基于星座图优化的无线通信信道干扰方法，其特征在于，所述误码率的计算方式为与所述待干扰信号的编码序列相比，所述目标信号的编码序列中编码出错个数占总编码长度的比例。
5.根据权利要求1所述的基于星座图优化的无线通信信道干扰方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：
S11.采集所述待干扰信号；
S12.对所述待干扰信号经所述调制方式调制后生成的待干扰调制信号进行解调，分解为不同波形；
S13.获取每个所述波形对应的振幅和相位，并根据以下公式获取每个所述波形对应的星座点坐标：
xi＝Aicos(θi)，yi＝Aisin(θi)，
其中，Ai表示振幅，θi表示相位，xi、yi分别表示不同波形对应星座点的横坐标和纵坐标，下标i表示不同波形的序号。
6.根据权利要求1或5所述的基于星座图优化的无线通信信道干扰方法，其特征在于，所述调制方式为基于振幅、相位或频率调制的数字调制方式。
7.根据权利要求6所述的基于星座图优化的无线通信信道干扰方法，其特征在于，所述数字调制方式为振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)或正交振幅调制(QAM)。
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