CN114629753B - 一种基于矩阵分解的点对点安全通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于通信技术领域,公开了一种基于矩阵分解的点对点安全传输方法。该方法主要包含以下步骤:(1)初始化相关参数,求得预编码矩阵;(2)通信发射端的信源比特经过编码、调制、预编码、符号间隔随机化,经过预设的成型滤波器后,信号由发射端发出;(3)通信接收端对接收的信号进行匹配滤波之后,按照一定的规则进行抽样,通过线性解码,得到估计的符号,估计的符号经解调和译码,得到最终的信宿比特。本发明创新性地使用具有较低复杂度的LDL矩阵分解方法,降低变符号速率通信的接收端译码复杂度,并且可以有效地减少此场景下的符号间干扰。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域,其公开了一种基于矩阵分解的点对点安全通信方法;发明涉及LDL分解,超奈奎斯特信令等技术。
背景技术
得益于成型滤波器的额外带宽,超奈奎斯特信令被证实可以获得比奈奎斯特信令更高的信息速率和频谱效率。超奈奎斯特信令也因此在通信领域得到了广泛研究。
变符号速率通信通过不断改变用户的符号速率,使得用户的发射信号呈现非平稳特性,能够有效的降低截获方辨识通信方信号的可能,因此,其为安全通信的一种重要的实现手段。而这种变速率的方式,与超奈奎斯特信令具有一样的特征。从本质上讲,变速率通信就是加速因子在逐符号变化的超奈奎斯特通信。
由于超奈奎斯特通信会引入人为的符号间干扰,上述的信息速率和频谱效率增益要在消除此符号间干扰才能得到。针对消除超奈奎斯特通信中的符号间干扰的手段也引起了广大研究者的兴趣。消除奈奎斯特通信中的符号间干扰的方法分为两类,一类是在接收端通过最大似然的方式对符号序列进行估计,另一类是通过发射端的预编码,在接收端进行对应的解码之后得到估计的符号序列。相比之下,后者在处理上相对简单,具有较低的算法复杂度。需要注意的是,一方面,传统的基于预编码的超奈奎斯特通信的预编码矩阵会对硬件存储带来一定的负担;另一方面,传统的基于预编码的超奈奎斯特通信的加速因子取值范围较小。
而对于安全通信来讲,一帧信号中符号间隔的随机化程度越高,信号的非平稳特性就越突出。但是,大范围的符号间隔变化为传统的接收机译码带来了极大的挑战。
因此,需要为安全通信设计复杂度低,符号间隔变化范围广的方案。本发明中的基于LDL分解的方法正好满足了变符号速率通信复杂度低、符号间隔变化范围广的设计要求。
发明内容
针对上述问题,本发明创新性地将LDL分解应用到基于预编码的变符号速率通信中,旨在为基于预编码的变符号速率通信提供一种复杂度低,预编码矩阵存储消耗小,加速因子取值范围大的可行方案。
为了实现上述发明目的,本发明提供了一种基于矩阵分解的点对点安全通信方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤S1、参数初始化,根据系统参数得到预编码矩阵;
步骤S2、通信发射端的信源比特经过编码、调制、预编码、符号间隔随机化,经过预设的成型滤波器后,被发送出去;
步骤S3、通信接收端对接收的信号进行匹配滤波之后,按照一定的规则进行抽样,之后通过线性解码,得到估计的符号,估计的符号经解调和译码,得到最终的估计信号。
优选地,所述通信方法为基于变符号速率的通信方式。
优选地,所述步骤S1包括:
步骤S11、确定编码方式、码率、调制方式、采样率、成型滤波器系数、成型滤波器系数正交符号间隔、符号帧长度和每个符号的加速因子;
步骤S12、根据所述步骤S1中的系统参数,得到符号间干扰矩阵,然后对符号间干扰矩阵做LDL分解,设置门限因子,得到预编码矩阵。
优选地,所述步骤S1中的预编码矩阵由一个上三角矩阵与一个对角阵相乘得到。
优选地,所述步骤S2中的步骤包括:
步骤S21、对信源比特以所述步骤S11中确定的码率和编码方式进行编码,得到编码比特;
步骤S22、根据所述步骤S21中的编码比特,以所述步骤S11中确定的调制方式对编码比特进行调制,得到符号序列;
步骤S23、所述步骤S22得到的符号序列左乘所述步骤S1中的预编码矩阵,得到预编码符号序列;
步骤S24、对所述步骤S23中的预编码符号序列进行符号间隔随机化,即先按照所述步骤S11中每个符号的符号间隔对所述步骤S23中得到的预编码符号序列进行上采样,然后经由所述步骤S11中确定的成型滤波器进行成型滤波,得到对应的采样点序列。
优选地,所述步骤S3中的具体步骤为
步骤S31、使用所述步骤S11中确定的成型滤波器,对接收端的接收信号进行匹配滤波,得到匹配滤波后的信号;
步骤S32、匹配滤波后的信号根据所述步骤S11中确定的各符号间隔进行抽样,得到抽样符号;
步骤S33、抽样符号左乘所述步骤S1中确定的预编码矩阵的转置,得到估计符号序列;
步骤S34、估计的符号序列根据所述步骤S11中确定的调制方式进行解调,得到解调比特序列;
步骤S35、解调比特序列根据所述步骤S11中确定的编码方式进行译码,得到信宿比特。
优选地,所述矩阵分解为LDL分解、cholesky分解或svd分解。
优选地,编码方式为卷积码、Ldpc码、polar码或turbo码。
在一个实施方式中,基于LDL分解的变符号速率通信系统模型图如图1所示。假设一帧中与编码后的符号数为N,最长的符号间隔为T,每个预编码符号对应的加速因子为τn(1≤n≤N),τn∈(τmin,τmax),并且0<τmin<1,0<τmax<1,数据帧结构图如图2所示。假设系统所用的成型滤波器为根升余弦滚降滤波器,其滚降因子为α。
一种基于LDL分解的点对点安全通信方法,所述方案包含以下步骤:
步骤1、确定系统中的关键参数:
1.2对G进行LDL分解,即G=LDLT,其中L为(置换的)下三角矩阵,D为包含1×1和2×2对角块的块对角矩阵;
1.3假设Na为发射端的有效发射符号,那么
步骤3、在通信发射端调制过程中,Nc个编码比特经过调制后变为Na个符号;
步骤4、初始化长为N的全零符号序列,将全零符号序列中在Id中的索引位置依次替换为上述Na个符号,作为最终的符号序列s,符号序列左乘预编码矩阵,得到预编码后的符号序列sp=Γs;
步骤5、按照Tτn的符号间隔对预编码的符号进行超奈奎斯特调制(包含上采样和成型滤波)之后,将信号发射出去;
步骤6、发射信号通过信道,到达接收端,在通信接收端,经过与发端一致的根升余弦滤波器进行匹配滤波,再按照理想定时抽样之后,得到长为N抽样符号向量sd;
步骤9、Nc个解调比特按照与发端对应的方式进行译码,得到Nb个信宿比特。
附图说明
图1为基于LDL分解的变符号速率通信系统框图;
图2为所述技术方案的数据帧结构图;
图3为实施例一中得到的误码率曲线图;
图4为实施例二中得到的误码率曲线图;
具体实施方式
下面结合实施例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例,凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例一
步骤1,确定系统中的关键参数。
本实施例中采用码率r为1/2的卷积码(约束长度为7,生成多项式为1+x3+x4+x5+x6,1+x+x3+x4+x6),调制方式为4QAM,符号帧长度N为1000,每个符号对应的加速因子τn∈(0.8,1),信源比特数Nb=1000,编码后比特数Nc=2000,调制后符号数Na=1000,正交符号对应的采样点数为100,成型滤波器为扩展了50个符号的升余弦滚降滤波器,滚降因子α为0.3。
随机产生τn,并根据τn和T确定系统的符号间干扰矩阵G;
根据符号间干扰矩阵G的LDL分解得到预编码矩阵Γ。
步骤2,通信发射端编码过程中,Nb个信源比特经过编码变为Nc个比特;
步骤3,通信发射端调制过程中,Nc个编码比特经过调制后变为Na个符号;
步骤4,初始化长为Na的全零符号序列,将全零符号序列中在Id中的索引位置依次替换为上述Na个符号,作为最终的符号序列s,得到预编码后的符号序列sp=Γs;
步骤5,按照Tτn的符号间隔对预编码的符号进行超奈奎斯特调制(包含上采样和成型滤波)之后,将信号发射出去;
步骤6,发射信号通过信道,到达接收端,在通信接收端,经过与发端一致的根升余弦滤波器进行匹配滤波,再按照理想定时抽样之后,得到长为N抽样符号向量sd;
步骤9,Nc个解调比特按照与发端对应的方式进行译码,得到Nb个信宿比特。
在仿真试验中,附图3是应用实施例一中的参数设置得到的误码率曲线,其接近于理论误码率曲线。
实施例二
步骤1,确定系统中的关键参数。
本实施例中采用码率r为1/2的Ldpc码(生成矩阵尺寸为1152×2304),调制方式为4QAM,符号帧长度N为1152,每个符号对应的加速因子τn∈(0.8,1),信源比特数Nb=1152,编码后比特数Nc=2304,调制后符号数Na=1152,正交符号对应的采样点数为100,成型滤波器为扩展了50个符号的升余弦滚降滤波器,滚降因子α为0.3。
随机产生τn,并根据τn和T确定系统的符号间干扰矩阵G;
根据符号间干扰矩阵G的cholesky分解或svd分解得到预编码矩阵Γ。
步骤2,通信发射端编码过程中,Nb个信源比特经过编码变为Nc个比特;
步骤3,通信发射端调制过程中,Nc个编码比特经过调制后变为Na个符号;
步骤4,初始化长为Na的全零符号序列,将全零符号序列中在Id中的索引位置依次替换为上述Na个符号,作为最终的符号序列s,得到预编码后的符号序列sp=Γs;
步骤5,按照Tτn的符号间隔对预编码的符号进行超奈奎斯特调制(包含上采样和成型滤波)之后,将信号发射出去;
步骤6,发射信号通过信道,到达接收端,在通信接收端,经过与发端一致的根升余弦滤波器进行匹配滤波,再按照理想定时抽样之后,得到长为N抽样符号向量sd;
步骤9,Nc个解调比特按照与发端对应的方式进行译码,得到Nb个信宿比特。
在仿真试验中,附图4是应用实施例二中的参数设置得到的误码率曲线。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合,以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (6)
1.一种基于矩阵分解的点对点安全通信方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤S1、参数初始化,根据系统参数得到预编码矩阵;
步骤S2、通信发射端的信源比特经过编码、调制、预编码、符号间隔随机化,经过预设的成型滤波器后,被发送出去;
步骤S3、通信接收端对接收的信号进行匹配滤波之后,按照一定的规则进行抽样,之后通过线性解码,得到估计的符号,估计的符号经解调和译码,得到最终的估计信号;
所述步骤S1包括:
步骤S11、确定编码方式、码率、调制方式、采样率、成型滤波器系数、成型滤波器系数正交符号间隔、符号帧长度和每个符号的加速因子;
步骤S12、根据所述步骤S1中的系统参数,得到符号间干扰矩阵,然后对符号间干扰矩阵做LDL分解,设置门限因子,得到预编码矩阵;
所述步骤S2中的步骤包括:
步骤S21、对信源比特以所述步骤S11中确定的码率和编码方式进行编码,得到编码比特;
步骤S22、根据所述步骤S21中的编码比特,以所述步骤S11中确定的调制方式对编码比特进行调制,得到符号序列;
步骤S23、所述步骤S22得到的符号序列左乘所述步骤S1中的预编码矩阵,得到预编码符号序列;
步骤S24、对所述步骤S23中的预编码符号序列进行符号间隔随机化,即先按照所述步骤S11中每个符号的符号间隔对所述步骤S23中得到的预编码符号序列进行上采样,然后经由所述步骤S11中确定的成型滤波器进行成型滤波,得到对应的采样点序列。
2.根据权利要求1所述的基于矩阵分解的点对点安全通信方法,其特征在于,所述通信方法为基于变符号速率的通信方式。
3.根据权利要求1所述的基于矩阵分解的点对点安全通信方法,其特征在于,所述步骤S1中的预编码矩阵由一个上三角矩阵与一个对角阵相乘得到。
4.根据权利要求1所述的基于矩阵分解的点对点安全通信方法,其特征在于,所述步骤S3中的具体步骤为
步骤S31、使用所述步骤S11中确定的成型滤波器,对接收端的接收信号进行匹配滤波,得到匹配滤波后的信号;
步骤S32、匹配滤波后的信号根据所述步骤S11中确定的各符号间隔进行抽样,得到抽样符号;
步骤S33、抽样符号左乘所述步骤S1中确定的预编码矩阵的转置,得到估计符号序列;
步骤S34、估计的符号序列根据所述步骤S11中确定的调制方式进行解调,得到解调比特序列;
步骤S35、解调比特序列根据所述步骤S11中确定的编码方式进行译码,得到信宿比特。
5.根据权利要求1所述的基于矩阵分解的点对点安全通信方法,其特征在于,所述矩阵分解为LDL分解、cholesky分解或svd分解。
6.根据权利要求1所述的基于矩阵分解的点对点安全通信方法,其特征在于,编码方式为卷积码、Ldpc码、polar码或turbo码。
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