CN113904771A - 基于伪随机序列集的二维信息保密抗干扰通信方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于伪随机序列集的二维信息保密抗干扰通信方法及系统，属于保密通信技术领域；方法通过基于伪随机序列集的二维调制通信射频信号通信，基于伪随机序列集的二维调制通信射频信号包括保密扩频码、抗干扰扩频码、第一维信息数据和第二维信息数据；系统包括发射端和接收端，发射端生成基于伪随机序列集的二维调制通信射频信号通信；接收端恢复基于伪随机序列集的二维调制通信射频信号通信；通过建立保密性强度集和抗干扰强度集的概念，构建了第一维信息、第二维信息、保密性强度集与伪随机序列集的关联关系，进一步构建了复合信息、抗干扰强度集与伪随机序列集的关联关系，控制伪随机序列的动态变化，由此提高数据链的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于伪随机序列集的二维信息保密抗干扰通信方法及系统，属于保密通信技术领域。
背景技术
针对信息化战场日渐复杂的电磁环境，战场通信系统信息传输的安全性受到了威胁和挑战，尤其涉及到各武器系统数据链。随着机器学习和人工智能的飞速发展，拥有更强大计算能力的智能化信息对抗系统对传统数据链信息传输的保密性带来了更严峻的挑战，武器系统数据链信息传输的保密性急需进一步增强。伪随机序列集凭借其优秀的自相关和互相关特性，将在武器系统数据链二维信息保密抗干扰通信中具有重要的应用前景。
传统具备抗干扰能力的数据链大多在单一维度完成信息传输，单一维度的信息传输存在保密性差的问题，长时间的接收、检测、参数估计和解调，数据链系统信息传输存在被窃听的风险。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于伪随机序列集的二维信息保密抗干扰通信方法，提高数据链的安全性，尤其是武器系统数据链的安全性。
本发明所述基于伪随机序列集的二维信息保密抗干扰通信方法，通过建立保密性强度集和抗干扰强度集的概念，构建了第一维信息、第二维信息、保密性强度集与伪随机序列集的关联关系，进一步构建了复合信息、抗干扰强度集与伪随机序列集的关联关系，控制伪随机序列的动态变化，由此提高数据链的安全性，尤其是武器系统数据链的安全性。
采用的技术方案是：
通过基于伪随机序列集的二维调制通信射频信号通信，基于伪随机序列集的二维调制通信射频信号包括保密扩频码、抗干扰扩频码、第一维信息数据和第二维信息数据。
优选地，所述基于伪随机序列集的二维调制通信射频信号的生成过程如下：
由保密性强度集映射为伪随机序列集产生保密扩频码，由抗干扰强度集映射为伪随机序列集产生抗干扰扩频码；
由第一维信息数据与保密扩频码得到第一次扩频后的第一维信息，由第二维信息数据与反转的保密扩频码得到第一次扩频后的第二维信息，由扩频后的第一维信息和第二维信息得到第一次扩频后的二维复合信息，并与抗干扰扩频码二次扩频得到第二次扩频后的二维复合信息；
经基带调制、D/A转换及上变频后得到基于伪随机序列集的二维调制通信射频信号。
优选地，所述基于伪随机序列集的二维调制通信射频信号的恢复过程如下：
对伪随机序列集的二维调制通信射频信号进行下变频、滤波和A/D转换，通过本地多通道相关值判决输出能量最高的通道，并利用该通道的本地伪随机码第一次解扩；
将解扩得到二维复合信息码进行上、下两支路的信息处理，其中上支路的信息码保持不变，下支路的信息码取反转值，上、下支路分别再次与本地多通道相关值判决输出能量最高的通道，并分别利用该通道的本地伪随机码第二次解扩；
将第二次解扩的上支路信息码经基带解调恢复第一维信息数据，将第二次解扩的下支路信息码经过基带解调的信息码取反转值，恢复第二维信息数据。
优选地，所述保密扩频码和抗干扰扩频码，具体通过如下步骤产生：
步骤1、输入保密性强度Ik、抗干扰强度Ji；
步骤2、按照映射关系模型和读取的保密性强度、抗干扰强度，分别将映射的伪随机序列PN1k按照移位寄存器的本原多项式f1k生成保密扩频码C1k，将伪随机序列PN2i按照移位寄存器的本原多项式f2i生成抗干扰扩频码C2i。
优选地，所述二维复合信息，具体通过如下步骤生成：
步骤1、输入第一维信息数据d1(n)；输入第二维信息数据d2(n)；
步骤2、将第一维信息数据与保密扩频码C1k(n)进行第一次扩频，生成第一次扩频后的第一维信息D1(n)；将第二维信息数据与保密扩频反转码
进行第一次扩频，生成第一次扩频后的第二维信息D2(n)；
步骤3、将扩频后的第一维信息和第二维信息进行信息复合，生成第一次扩频后的二维复合信息D(n)。
优选地，所述基于伪随机序列集的二维调制通信射频信号，由二维复合信息具体通过如下步骤得到：
步骤1、将第一次扩频后的二维复合信息和抗干扰扩频码C2i(n)进行第二次扩频，生成第二次扩频后的二维复合信息x(n)；
步骤2、对x(n)进行D/A转换及上变频，可得到最终的基于伪随机序列集的二维调制通信射频信号y(t)。
优选地，所述第一次解扩具体包括如下步骤：
步骤1、对接收信号y'(t)进行下变频、滤波和A/D转换后的信号为y'(t)；
步骤2、通过本地多通道伪随机序列C‘i(n)相关值Ri(n)判决输出能量最高的通道RI＝(Ri＝I)MAX＝max(R1,R2,L,Rm)，并利用该通道的本地伪随机码C”j＝I(n)第一次解扩，恢复二维复合信息码D'(n)。
优选地，所述第二次解扩具体包括如下步骤：
步骤1、输入二维复合信息码D'(n)，生成上、下两支路的二维复合信息码D'(n)和
其中
是D'(n)的反转操作；
步骤2、上支路信息码D'(n)通过本地多通道伪随机序列C‘i(n)相关值R‘i(n)判决输出能量最高的通道
并利用该通道的本地伪随机码
第一次解扩，恢复上支路信息码d1'(n)；
步骤3、下支路信息码
通过本地多通道伪随机序列C‘i(n)相关值Ri”(n)判决输出能量最高的通道
并利用该通道的本地伪随机码
第一次解扩，恢复下支路信息码d2'(n)。
优选地，所述第一维信息和第二维信息，具体通过如下步骤进行基带解调：
步骤1、输入上支路的信息码d1'(n)，经过基带解调，最终恢复第一维信息数据d1”(n)；
步骤2、输入下支路的信息码d2'(n)，经过基带解调的信息码d2”(n)，则最终恢复第二维信息数据
其中
是d2”(n)的反转操作。
本发明所述基于伪随机序列集的二维信息保密抗干扰通信系统，包括发射端和接收端，发射端通过上述的基于伪随机序列集的二维信息保密抗干扰通信方法，生成基于伪随机序列集的二维调制通信射频信号通信；接收端通过上述的基于伪随机序列集的二维信息保密抗干扰通信方法，恢复基于伪随机序列集的二维调制通信射频信号通信。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
①基于伪随机序列集的二维通信信号是一种通过保密扩频码和抗干扰扩频码的二次扩频体制，频谱经两次扩展后可获得更高的扩频增益，提高武器系统数据链的抗干扰性；
②基于伪随机序列集的二维通信信号与传统的直接序列扩频在时域和频域上呈现相同的变化特征，具有较强的隐蔽性和反侦察性，提高武器系统数据链的保密性和安全性；
③采用信息复合方式以减弱牺牲传输数据信息带宽提升武器系统数据链抗干扰能力的负作用，提高武器系统数据链等效带宽的频带利用率。
附图说明
图1是本发明所述基于伪随机序列集的二维信息保密抗干扰通信系统的发射端原理框图；
图2是由保密性(抗干扰)强度集与伪随机序列集映射过程图；
图3是基于移位寄存器的伪随机码生成原理框图；
图4是二维保密抗干扰信号生成过程各阶段示意图；
图5是本发明所述基于伪随机序列集的二维信息保密抗干扰通信系统的接收端原理框图；
图6是本发明的多通道相关判决原理框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
常规的数据链通信系统通过控制载波的幅频相参数变化携带被传输的信息，可将其称为第一维信息。在第一维信息传输的基础上，通过控制伪随机序列的变化规律携带第二维信息。基于伪随机序列集的二维信息传输技术通过控制伪随机序列完成二维复合信息的传输，在等效带宽内提升传统信息传输的通信容量，提高频谱资源的利用效率；二维复合信息具备与传统信息相似的特征，从而使窃听方不被察觉或不轻易被注意，这种不同于以往的信息传输模式使得通信过程具有更强的保密性；采用伪随机序列的二次扩频，频谱经两次扩展后可获得更高的扩频增益，具有更强的抗干扰性。
如图1-6所示，本发明所述基于伪随机序列集的二维信息保密抗干扰通信方法，通过基于伪随机序列集的二维调制通信射频信号通信，基于伪随机序列集的二维调制通信射频信号包括保密扩频码、抗干扰扩频码、第一维信息数据和第二维信息数据。
所述基于伪随机序列集的二维调制通信射频信号在发射端内生成，原理框图如图1所示，生成过程如下：
基于伪随机序列集合的保密扩频码和抗干扰扩频码产生：由保密性强度集映射为伪随机序列集产生保密扩频码，由抗干扰强度集映射为伪随机序列集产生抗干扰扩频码；
基于保密扩频码的二维复合信息生成：由第一维信息数据与保密扩频码得到第一次扩频后的第一维信息，由第二维信息数据与反转的保密扩频码得到第一次扩频后的第二维信息，由扩频后的第一维信息和第二维信息得到第一次扩频后的二维复合信息，并与抗干扰扩频码二次扩频得到第二次扩频后的二维复合信息；
基于抗干扰扩频码的信号调制：经基带调制、D/A转换及上变频后得到基于伪随机序列集的二维调制通信射频信号。
所述基于伪随机序列集的二维调制通信射频信号在接收端内恢复，原理框图如图5所示，在信号接收过程中，利用天线接收基于伪随机序列集的二维调制通信信号，恢复过程如下：
基于多通道相关判决的第一次解扩：对伪随机序列集的二维调制通信射频信号进行下变频、滤波和A/D转换，通过本地多通道相关值判决输出能量最高的通道，并利用该通道的本地伪随机码第一次解扩；
基于上、下两支路的多通道相关判决的第二次解扩：将解扩得到二维复合信息码进行上、下两支路的信息处理，其中上支路的信息码保持不变，下支路的信息码取反转值，上、下支路分别再次与本地多通道相关值判决输出能量最高的通道，并分别利用该通道的本地伪随机码第二次解扩；
第一维信息和第二维信息的基带解调：将第二次解扩的上支路信息码经基带解调恢复第一维信息数据，将第二次解扩的下支路信息码经过基带解调的信息码取反转值，恢复第二维信息数据。
具体的：
基于伪随机序列集的二维调制通信射频信号生成，具体实施过程如下：
一、基于伪随机序列集合的保密扩频码和抗干扰扩频码产生
输入保密性强度Ik、抗干扰强度Ji映射产生PN1k、PN2i，其中构建的保密性(抗干扰)强度集I＝{I0,I1,I2,L,Im}(J＝{J0,J1,J2,L,Jn})与伪随机序列集PN1(2)＝{PN0,PN1,PN2,L,PNm(i)}映射关系模型如图2所示，具体映射过程为：
为保障数据映射的唯一性，保密性强度Ik和抗干扰强度Ji经串并转换器以k比特分组，建立保密性强度和抗干扰强度和伪随机序列通道间的映射关系模型，实现伪随机序列的选择。具体采用进制转换法实现保密性强度和抗干扰强度与伪随机序列间的转换，k比特/组进行串并转换的保密性强度和抗干扰强度可表示如公式1和公式2所示。
每组保密性强度和抗干扰强度数据通过进制转换法将二进制转换成十进制，选取伪随机序列通道PN1k和PN2i，映射关系如公式3和公式4所示。
PN1k(n)＝f1F(Ik,m)(n)＝20I(1)+21I(2)+22I(3)+L+2mk+k-1I(mk+k) (3)
PN2i(n)＝f2F(Ji,n)(n)＝20J(1)+21J(2)+22J(3)+L+2ni+i-1I(ni+i) (4)
伪随机序列PN1k按照移位寄存器的本原多项式f1k生成保密扩频码C1k，伪随机序列PN2i按照移位寄存器的本原多项式f2i生成抗干扰扩频码C2i，数据链系统中典型的扩频码M序列，具有良好的自互相关特性，伪码数量庞大，并且结构简单，易于实现，可应用于伪随机序列集的构造中，选择M序列作为保密扩频码和抗干扰扩频码，其移位寄存器生成原理框图如图3所示，本原多项式如公式5所示。
f1(x)＝f2(x)＝x5+x2+1 (5)
二、基于保密扩频码的二维复合信息生成
输入第一维信息数据d1(n)，与保密扩频码C1k(n)进行第一次扩频，得到第一次扩频后的第一维信息D1(n)；输入第二维信息数据d2(n)，与反转的保密扩频码
进行第一次扩频，得到第一次扩频后的第二维信息D2(n)。其中
是C1k(n)的反转操作，二者的关系如公式6所示。
将扩频后的第一维信息D1(n)和第二维信息D2(n)进行信息复合(二进制异或)，得到第一次扩频后的二维复合信息D(n)，二维复合信息D(n)表达式如公式7所示。
三、基于抗干扰扩频码的信号调制
将第一次扩频后的二维复合信息D(n)和抗干扰扩频码C2i(n)进行第二次扩频，得到第二次扩频后的二维复合信息x(n)，二次扩频的二维复合信息x(n)表达式如公式8所示。
对x(n)进行D/A转换及上变频，可得到最终的基于伪随机序列集的二维调制通信射频信号y(t)。二维保密抗干扰信号生成过程各阶段示意如图4所示。
所述基于伪随机序列集的二维调制通信射频信号恢复，具体实施过程如下：
一、基于多通道相关判决的第一次解扩
接收的基于伪随机序列集的二维调制通信射频信号y'(t)表达式如公式9所示：
y'(t)＝y(t)+n(t) (9)
其中n(t)是信道中的高斯白噪声。对接收信号y'(t)与本地振荡器将调制的射频信号降至中频，并进行滤波和A/D转换后的信号为
该信号采样后分别与本地每一个通道的伪随机码序列C'(n)，相关值表达式如公式10所示。
输出能量最高的通道RI＝(Ri＝I)MAX＝max(R1,R2,L,Rm)，对应第I个通道的本地伪随机码为C”j＝I(n)；利用该伪随机码第一次解扩，恢复二维复合信息码D'(n)，恢复的二维复合信息码D'(n)表达式如公式11所示。
二、基于上、下两支路的多通道相关判决的第二次解扩
由输入二维复合信息码D'(n)，得到上、下两支路的二维复合信息码D'(n)和
其中下支路信息码
是上支路信息码D'(n)的反转操作，两者关系满足公式6。
多通道相关判决原理框图如图6所示，将上支路信息码D'(n)分别与本地每一个通道的伪随机码序列C'(n)，相关值表达式如公式12所示。
输出能量最高的通道
对应第I1个通道的本地伪随机码为
利用该伪随机码第二次解扩，恢复上支路信息码d1'(n)，恢复的上支路信息码d1'(n)表达式如公式13所示。
将下支路信息码
分别与本地每一个通道的伪随机码序列C'(n)，相关值表达式如公
式14所示。
输出能量最高的通道
对应第I2个通道的本地伪随机码为
利用该伪随机码第二次解扩，恢复下支路信息码d2'(n)，恢复的下支路信息码d2'(n)表达式如公式15所示。
三、第一维信息和第二维信息的基带解调
输入上支路的信息码d1'(n)，经过基带解调，则最终恢复第一维信息数据d1”(n)。
输入下支路的信息码d2'(n)，经过基带解调的信息码d2”(n)，则最终恢复第二维信息数据
其中
是d2”(n)的反转操作，两者关系满足公式6。
同时，如图1和图5所示，本发明的基于伪随机序列集的二维信息保密抗干扰通信系统，包括发射端和接收端，发射端通过上述的基于伪随机序列集的二维信息保密抗干扰通信方法，生成基于伪随机序列集的二维调制通信射频信号通信；接收端通过上述的基于伪随机序列集的二维信息保密抗干扰通信方法，恢复基于伪随机序列集的二维调制通信射频信号通信。
Claims (10)
1.一种基于伪随机序列集的二维信息保密抗干扰通信方法，其特征在于，通过基于伪随机序列集的二维调制通信射频信号通信，基于伪随机序列集的二维调制通信射频信号包括保密扩频码、抗干扰扩频码、第一维信息数据和第二维信息数据。
2.根据权利要求1所述的基于伪随机序列集的二维信息保密抗干扰通信方法，其特征在于，所述基于伪随机序列集的二维调制通信射频信号的生成过程如下：
由保密性强度集映射为伪随机序列集产生保密扩频码，由抗干扰强度集映射为伪随机序列集产生抗干扰扩频码；
由第一维信息数据与保密扩频码得到第一次扩频后的第一维信息，由第二维信息数据与反转的保密扩频码得到第一次扩频后的第二维信息，由扩频后的第一维信息和第二维信息得到第一次扩频后的二维复合信息，并与抗干扰扩频码二次扩频得到第二次扩频后的二维复合信息；
经基带调制、D/A转换及上变频后得到基于伪随机序列集的二维调制通信射频信号。
3.根据权利要求2所述的基于伪随机序列集的二维信息保密抗干扰通信方法，其特征在于，所述保密扩频码和抗干扰扩频码，具体通过如下步骤产生：
步骤1、输入保密性强度Ik、抗干扰强度Ji；
步骤2、按照映射关系模型和读取的保密性强度、抗干扰强度，分别将映射的伪随机序列PN1k按照移位寄存器的本原多项式f1k生成保密扩频码C1k，将伪随机序列PN2i按照移位寄存器的本原多项式f2i生成抗干扰扩频码C2i。
4.根据权利要求2所述的基于伪随机序列集的二维信息保密抗干扰通信方法，其特征在于，所述二维复合信息，具体通过如下步骤生成：
步骤1、输入第一维信息数据d1(n)；输入第二维信息数据d2(n)；
步骤2、将第一维信息数据与保密扩频码C1k(n)进行第一次扩频，生成第一次扩频后的第一维信息D1(n)；将第二维信息数据与保密扩频反转码
进行第一次扩频，生成第一次扩频后的第二维信息D2(n)；
步骤3、将扩频后的第一维信息和第二维信息进行信息复合，生成第一次扩频后的二维复合信息D(n)。
5.根据权利要求2所述的基于伪随机序列集的二维信息保密抗干扰通信方法，其特征在于，所述基于伪随机序列集的二维调制通信射频信号，由二维复合信息具体通过如下步骤得到：
步骤1、将第一次扩频后的二维复合信息和抗干扰扩频码C2i(n)进行第二次扩频，生成第二次扩频后的二维复合信息x(n)；
步骤2、对x(n)进行D/A转换及上变频，可得到最终的基于伪随机序列集的二维调制通信射频信号y(t)。
6.根据权利要求1所述的基于伪随机序列集的二维信息保密抗干扰通信方法，其特征在于，所述基于伪随机序列集的二维调制通信射频信号的恢复过程如下：
对伪随机序列集的二维调制通信射频信号进行下变频、滤波和A/D转换，通过本地多通道相关值判决输出能量最高的通道，并利用该通道的本地伪随机码第一次解扩；
将解扩得到二维复合信息码进行上、下两支路的信息处理，其中上支路的信息码保持不变，下支路的信息码取反转值，上、下支路分别再次与本地多通道相关值判决输出能量最高的通道，并分别利用该通道的本地伪随机码第二次解扩；
将第二次解扩的上支路信息码经基带解调恢复第一维信息数据，将第二次解扩的下支路信息码经过基带解调的信息码取反转值，恢复第二维信息数据。
7.根据权利要求6所述的基于伪随机序列集的二维信息保密抗干扰通信方法，其特征在于，所述第一次解扩具体包括如下步骤：
步骤1、对接收信号y'(t)进行下变频、滤波和A/D转换后的信号为
步骤2、通过本地多通道伪随机序列C‘i(n)相关值Ri(n)判决输出能量最高的通道RI＝(Ri＝I)MAX＝max(R1,R2,L,Rm)，并利用该通道的本地伪随机码C’’j＝I(n)第一次解扩，恢复二维复合信息码D'(n)。
8.根据权利要求6所述的基于伪随机序列集的二维信息保密抗干扰通信方法，其特征在于，所述第二次解扩具体包括如下步骤：
步骤1、输入二维复合信息码D'(n)，生成上、下两支路的二维复合信息码D'(n)和
其中
是D'(n)的反转操作；
步骤2、上支路信息码D'(n)通过本地多通道伪随机序列C‘i(n)相关值R‘i(n)判决输出能量最高的通道
并利用该通道的本地伪随机码
第一次解扩，恢复上支路信息码d1'(n)；
步骤3、下支路信息码
通过本地多通道伪随机序列C‘i(n)相关值R″i(n)判决输出能量最高的通道
并利用该通道的本地伪随机码
第一次解扩，恢复下支路信息码d2'(n)。
9.根据权利要求6所述的基于伪随机序列集的二维信息保密抗干扰通信方法，其特征在于，所述第一维信息和第二维信息，具体通过如下步骤进行基带解调：
步骤1、输入上支路的信息码d1'(n)，经过基带解调，最终恢复第一维信息数据d1”(n)；
步骤2、输入下支路的信息码d2'(n)，经过基带解调的信息码d2”(n)，则最终恢复第二维信息数据
其中
是d2”(n)的反转操作。
10.一种基于伪随机序列集的二维信息保密抗干扰通信系统，其特征在于，包括发射端和接收端，发射端通过权利要求1-5任一项所述的基于伪随机序列集的二维信息保密抗干扰通信方法，生成基于伪随机序列集的二维调制通信射频信号通信；接收端通过权利要求6-9任一项所述的基于伪随机序列集的二维信息保密抗干扰通信方法，恢复基于伪随机序列集的二维调制通信射频信号通信。
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