CN114826861A - 一种基于多层wfrft变换域的安全通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种基于多层WFRFT变换域的安全通信方法，涉及卫星信号射频隐身技术领域，能够提高窃听方参数扫描的难度，在完成目标信号模拟的基础上解决了目标信号干扰的问题。本发明包括：发射端将初始数据进行扩频调制后，再进行QPSK基带映射；将经过基带映射后的数据进行串并转换，之后输入三层MWFRFT模块，在所述三层MWFRFT模块中将数据分为三层并行的信号，并以目标信号星座图特征作为待模拟的星座图特征，对所述三层并行的信号进行调制；将经过调制的三层并行的信号进行并串转换，得到串行数据，之后再依次经过D/A转换、正交上变频处理后发射到信道中。

Description

一种基于多层WFRFT变换域的安全通信方法
技术领域
本发明涉及卫星信号射频隐身技术领域，尤其涉及一种基于多层WFRFT变换域的安全通信方法。
背景技术
卫星通信具有覆盖范围大、传输速率快、数据容量大等优势，适用于多种复杂电磁环境。然而，卫星信道的开放性使得通信信号易被窃听方截获窃听，造成信息泄露。加权分数傅里叶变换作为一种变换域调制信号设计方法，在射频隐身领域应用广泛。
目前基于MP-WFRFT(Multi-Parameter weighted fractional Fouriertransform，多参数加权分数阶傅里叶变换)的物理层保密增强安全方案中，提出了在信道密钥加密的基础上引入MP-WFRFT调制对信号星座图进行扰乱处理的方式，从而增强了通信信号的保密性能。然而，随着窃听方参数扫描技术的不断发展，窃听方可以通过参数扫描的方式得到MP-WFRFT的9个调制参数。因此，这种信号加密方式仍然存在被破解的风险，威胁到信号的安全传输。也存在一些经过改进的方案，比如改进隐蔽通信中MP-WFRFT系统星座预编码设计，通过分析MP-WFRFT调制信号星座图的分裂和模糊规律，引入遗传算法进行迭代优化，将MP-WFRFT信号调制星座图模拟成16QAM(Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度调制)信号星座图，从而提高了信号的模拟性能，降低信号的被截获概率和被识别概率。然而，由于调制参数数目仅有9个，窃听方通过参数扫描获取调制参数的代价并不大，信号仍然具有被截获识别的风险。另外，实际应用环境中存在与调制信号星座图特征相似的16QAM信号，合作方无法分辨两者，接收到的16QAM信号会对调制信号的解调产生干扰，影响了合作方的正确解调接收。
因此，如何在保证卫星通信质量的情况下，提高窃听方参数扫描的难度，同时在完成目标信号模拟的基础上解决了目标信号干扰的问题，成为了需要进一步研究的重点。
发明内容
本发明的实施例提供一种基于多层WFRFT变换域的安全通信方法，针对背景技术中存在的MP-WFRFT调制信号模拟性能不强、参数易被扫描破解、目标信号干扰的问题，本实施例所提方法能够提高窃听方参数扫描的难度，在完成目标信号模拟的基础上解决了目标信号干扰的问题。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
S01、发射端将初始数据进行扩频调制后，再进行QPSK基带映射；
S02、将经过基带映射后的数据进行串并转换，之后输入三层MWFRFT (Multi-termWeighted Fractional Fourier Transform,多项加权分数阶傅里叶变换)模块，在所述三层MWFRFT模块中将数据分为三层并行的信号，并以目标信号星座图特征作为待模拟的星座图特征，对所述三层并行的信号进行调制；
S03、将经过调制的三层并行的信号进行并串转换，得到串行数据，之后再依次经过D/A转换、正交上变频处理后发射到信道中。
S11、接收端从所述信道中获取信号，并依次进行正交下变频、低通滤波、 A/D转换和串并转换后，输入三层MWFRFT逆变换模块进行解调并获取三层并行的信号；
S12、将经过解调获取的三层并行的信号依次进行并串转换、QPSK基带逆映射和解扩，最终得到所述初始数据。
本发明实施例提供的基于多层WFRFT变换域的安全通信方法，通过三层MWFRFT调制选定目标信号星座图特征作为优化目标，将星座图的裂变点数、裂变构型、裂变样式、模糊程度及旋转角度作为信号模拟的关键参数，建立优化模型并引入遗传算法进行迭代计算，得到最优控制参数，从而实现对目标信号的模拟。由于星座图特征相似，合作方无法分辨调制信号和电磁环境中的目标信号，接收到这两种混合信号后，目标信号对调制信号的解调产生了干扰。因此，在系统中引入扩频来减少电磁环境中目标信号的干扰，另外，扩频密钥也提高了信号的保密性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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它的附图。
图1为本发明实施例提供的多层WFRFT变换域安全通信系统流程框图；
图2为本发明实施例提供的具体实例中的原始QPSK信号星座图；
图3为本发明实施例提供的具体实例中的目标信号星座图；
图4为本发明实施例提供的具体实例中的多层MWFRFT变换域调制信号星座图；
图5为本发明实施例提供的具体实例中的窃听方和合作方解调误码率曲线对比图；
图6为本发明实施例提供的具体实例中的引入扩频前后叠加干扰信号的误码率曲线示意图；
图7、8为本发明实施例提供的方法流程的示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/ 或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本实施例的设计思路在于：建立一种多层WFRFT变换域系统，其中设计了如图1所示的三层MWFRFT模块/逆变换模块，发射端将数据通过三层MWFRFT模块处理后通过信道发出，接收端则通过三层MWFRFT逆变换模块处理接收到的数据。其中，三层MWFRFT调节先验参数改变调制信号的星座图特征，使得三层的调制信号星座图一致且与目标信号星座图相似，从而叠加后的信号星座图也与目标信号星座图相似，实现对目标信号的模拟。
本发明实施例提供一种基于多层WFRFT变换域的安全通信方法，如图7所示，包括：
S01、发射端将初始数据进行扩频调制后，再进行QPSK(Quadrature Phase ShiftKeying，正交相移键控)基带映射。
在实际应用中，电磁环境中的目标信号与调制信号星座图特征类似，合作方无法分辨这两种信号，接收到这两种混合信号，目标信号对调制信号的解调产生了干扰。故本实施例在三层MWFRFT系统中引入扩频来降低电磁环境中的目标信号产生的干扰，其中的系统流程框图如图1所示，其中，图1中的“N点数据”即表示“初始数据”，具体指的是初始数据量为N个。发射端将初始数据进行扩频调制，扩频码采用15位m序列，扩频后的数据再进行QPSK基带映射，信号星座图如图2所示。
S02、将经过基带映射后的数据进行串并转换，之后输入三层MWFRFT模块，在所述三层MWFRFT模块中将数据分为三层并行的信号，并以目标信号星座图特征作为待模拟的星座图特征，对所述三层并行的信号进行调制。
其中，首先需要分析目标信号的关键特征，再根据与特性相关的关键参数来约束调制信号的调制特征。针对星座图裂变构型、裂变样式、模糊程度和旋转角度等关键特征进行分析。
S03、将经过调制的三层并行的信号进行并串转换，得到串行数据，之后再依次经过D/A转换、正交上变频处理后发射到信道中。
将三层数据按照顺序进行并串转换，形成的串行数据经过D/A转换、正交上变频处理后发射到信道中。
如图8所示的，S11、接收端从所述信道中获取信号，并依次进行正交下变频、低通滤波、A/D转换和串并转换后，输入三层MWFRFT逆变换模块进行解调并获取三层并行的信号。
S12、将经过逆变换的三层并行的信号依次进行并串转换、QPSK基带逆映射和解扩，最终得到所述初始数据。
具体的，在所述三层MWFRFT模块中，将三层并行的信号分别采用各自的参数集进行调制，其中，优化参数集包括：(α1,V1)的4-WFRFT(Four term weighted fractionalFourier transform,四项加权分数阶傅里叶变换)、(α2,V2)的 6-WFRFT(Six termweighted fractional Fourier transform,六项加权分数阶傅里叶变换)和(α3,V3)的8-WFRFT(Eight term weighted fractional Fourier transform,八项加权分数阶傅里叶变换)。三层数据分别进行参数集为(-α1,V1)的 4-WFRFT、(-α2,V2)的6-WFRFT、(-α3,V3)的8-WFRFT调制，即三层MWFRFT逆变换，经过并串转换后对数据进行QPSK基带逆映射，再经过与发射端相同的扩频码进行解扩最终得到恢复数据。三层信号星座图及叠加星座图如图4所示，与图3目标信号星座图进行对比，符合预期的信号模拟效果。
在所述三层MWFRFT逆变换模块中，即采用与三层MWFRFT模块相同的算法、架构和处理方式，三层MWFRFT逆变换模块的处理流程，本质上是三层MWFRFT模块中处理流程的逆过程。将三层并行的信号分别采用各自的参数集进行解调，用于逆变换的参数集包括：(-α1,V1)的4-WFRFT、(-α2,V2)的6-WFRFT和(-α3,V3)的 8-WFRFT。其中，在接收端，接收到叠加了高斯白噪声和信道中目标信号的干扰，接收到的信号通过正交下变频、低通滤波、A/D转换后，再按照前后顺序等分为三层并行数据。
本实施例中，在利用目标信号对所述三层并行的信号进行调制，包括：调制所述三层并行的信号中的每一层信号的星座图，并在调制后叠加各层信号的星座图，使叠加后的星座图接近所述目标信号的星座图。其中，三层MWFRFT叠加信号调制特征接近目标信号，即需要调制成每层MWFRFT调制星座图与目标信号星座图相近。
本实施例中，在对每一层信号的星座图的调制中，包括：
根据所述目标信号的星座图，确定每一层信号的星座图中所需的裂变点数。修改星座图的关键参数，使修改后的星座图的裂变构型、裂变样式、模糊程度和旋转角度接近目标信号的星座图。其中，裂变后的每一层信号的星座图中星座点数，与所述目标信号的星座图中的星座点数相同。例如：本实施例中可以对目标信号进行关键特性分析，其中包括：
1)星座图裂变点数
为实现信号星座图特征的变化，首先需要确定所需的信号星座图裂变点数。基带信号的调制阶数B是决定星座图最多裂变点数的关键参数。若原始信号为B 进制的基带调制，则调制信号最多可裂变为B2个星座点。
2)星座图裂变构型
当M为偶数时，原始序列X0和反转序列XM/2表示时域部分，相应分裂特性的产生是对应时域分量项的叠加，即星座图的裂变特性主要是由原始序列X0及其反转序列XM/2所决定的。因此，定义MWFRFT裂变函数如下式所示：
Figure RE-GDA0003691687240000071
将ω0和ωM/2作为基准参考点，由几何知识可知，两者的角度直接影响星座点的分布及形状，当ω0⊥ωM/2时，星座裂变构型具有矩形特性。因此，ω0和ωM/2的夹角<ω0,ωM/2>是决定星座图裂变构型的关键参数。
3)星座图裂变样式
由裂变函数可得，序列和被加权后，星座点会发生分裂和旋转，而旋转幅度大小和星座点聚散程度与ω0、ωM/2之比有关，当模值比例因子η＝|ω0|/|ωM/2|取值为 0.5时，MWFRFT调制信号的星座图为均匀分布的十六个点簇。
4)星座图模糊程度
矩阵满足线性变换的特性，而随机变量序列的分布渐近于正态分布，当多种(7种以上)随机变量的分布特性相同时，它们通过线性组合形成的随机变量就具有了类高斯分布的特性，所以加权之后的Xl(l≠0,M/2)决定了MWFRFT信号的星座模糊特性。则MWFRFT模糊函数如下式所示：
Figure RE-GDA0003691687240000081
由式可知，调制信号星座图的模糊程度本质是Xl(l≠0,M/2)加权求和的结果，通过调节参量
Figure RE-GDA0003691687240000082
可将调制信号设计为不同信噪比条件下的信号特征，从而模拟特定的信道条件。
5)星座图旋转角度
三层MWFRFT叠加信号调制特征接近目标信号，需要每层MWFRFT调制星座图与目标信号星座图相近，除了裂变构型、裂变样式、模糊程度等条件外，还要求每层MWFRFT的星座图旋转角度满足一定条件。星座图旋转角度公式如下：
Figure RE-GDA0003691687240000083
设三层MWFRFT的星座图旋转角度分别为θ1、θ2、θ3，则
Figure RE-GDA0003691687240000084
是三层MWFRFT信号调制特征伪装的必需条件。其中，k1和k2都表示非负整数。
综上所述，三层MWFRFT调制信号星座图特征模拟的关键参数如表1所示。
表1
Figure RE-GDA0003691687240000091
在优选方案中，所述目标信号的星座图为：以标准16QAM信号旋转±45°后的星座图。本实施例的三层MWFRFT系统参数设计，对于目标信号调制特征选取，可以标准16QAM信号旋转±45°后的星座图特征作为待模拟的目标信号星座图特征。
具体的，表1中的关键参数的初始控制参数设置，可以是：
目标信号星座图的图案呈现矩形状，因此将<ω0,ωM/2>设置为90°。目标信号星座图是均匀分布的16个点簇，因此将模值比例因子η设为0.5。根据MWFRFT的周期为M这一特性，将调制参数α1的取值范围设置为[0,4)。α2的取值范围设置为[0,6)。α3的取值设置为[0,8)。尺度向量V为非负整数且上界P设置为10。目标信号星座图为清晰的16个点，故调制信号的模糊分量应尽可能小，即
Figure RE-GDA0003691687240000092
的取值趋向于0。目标信号星座图为标准16QAM信号星座图旋转±45°的结果，故旋转角度θ的角度取值为±π/4。
本实施例中，还包括：建立优化模型，并利用遗传算法迭代优化所述优化模型。利用所述优化模型，对用于调制的参数集进行迭代优化，得到最优参数集。其中，根据目标信号星座图特征选取和控制参数的设置，构建三层MWFRFT 系统优化目标函数为：
minf(α,V)＝f1(α1,V1)+f2(α2,V2)+f3(α3,V3)
Figure RE-GDA0003691687240000101
其中，f1(α1,V1)、f2(α2,V3)、f3(α3,V3)分别为4-WFRFT、6-WFRFT、8-WFRFT的优化目标函数。在此基础上，构建优化模型如下：
Figure RE-GDA0003691687240000111
其中，f1(α1,V1)、f2(α2,V3)、f3(α3,V3)分别为4-WFRFT、6-WFRFT、8-WFRFT的优化目标函数，η表示模值比例因子，θ1、θ2、θ3分别表示三层调制信号星座图的旋转角度，且
Figure RE-GDA0003691687240000112
ωM/2表示M项WFRFT的第M/2+1个加权系数，表示
Figure RE-GDA0003691687240000115
表示M1项WFRFT的第M1/2+1个加权系数，
Figure RE-GDA0003691687240000113
表示M2项 WFRFT的第M2/2+1个加权系数，
Figure RE-GDA0003691687240000114
表示M3项WFRFT的第M3/2+1个加权系数， M表示加权分数阶傅里叶变换的项数，M1表示4，M2表示6，M3表示8，i表示虚数单位，mk和nk表示尺度向量元素值，k表示取值标号，m0,m1,m2,...,mM-1表示前M个尺度向量元素，n0,n1,n2,...,nM-1表示后M个尺度向量取值，N+表示正整数， N表示初始数据量，ω0表示第1个加权系数，ωl表示第l+1个加权系数，l表示取值标号，
Figure RE-GDA0003691687240000121
表示星座图裂变函数，
Figure RE-GDA0003691687240000122
表示星座图模糊函数，V表示尺度向量，α表示变换阶数，Xl表示第l+1个复数序列。
具体的，本实施例中可以利用遗传算法迭代优化：基于生物遗传原理和进化机制，与自适应的概率优化算法相结合，在全局范围内有90％的概率实现最优解。针对上述优化模型，引入遗传算法进行迭代优化计算，得到三层MWFRFT信号星座图特征模拟的最优控制参数集如下表2所示的最优参数集。
表2
Figure RE-GDA0003691687240000123
本实施例提出的一种多层WFRFT变换域安全通信信号设计方法是基于扩频和三层多项加权分数阶傅里叶变换(MWFRFT)的复合调制，首先将传统WFRFT调制扩展为三层结构，三层分别进行4-WFRFT、6-WFRFT和8-WFRFT调制，调制信号具有三层调制结构，三种调制项数，调制参数由9个增加到39个，窃听方未知调制信号的三层调制结构、调制项数和39个调制参数，其解调误码率曲线与合作方误码率曲线对比图如图5所示，由图可知，窃听方未掌握众多先验参数的情况下难以正确解调信号，从而提高了通信信号的保密性能。
三层MWFRFT调制选定目标信号星座图特征作为优化目标，将星座图的裂变点数、裂变构型、裂变样式、模糊程度及旋转角度作为信号模拟的关键参数，建立优化模型并引入遗传算法进行迭代计算，得到最优控制参数，从而实现对目标信号的模拟。由于星座图特征相似，合作方无法分辨调制信号和电磁环境中的目标信号，接收到这两种混合信号后，目标信号对调制信号的解调产生了干扰。因此，在系统中引入扩频来减少电磁环境中目标信号的干扰，另外，扩频密钥也提高了信号的保密性能。例如：当加入16QAM干扰信号后，扩频前的三层MWFRFT系统误码率曲线与QPSK系统误码率曲线如图6中三层MWFRFT系统误码率所示，扩频后的三层MWFRFT系统误码率曲线与QPSK系统误码率曲线如图6中引入扩频的三层MWFRFT系统误码率所示，由图可知，引入扩频能够有效减小目标信号的干扰。
总的来说，本实施例与现有技术相比存在的优势在于：能够同时实现三种效果：1)通过分析目标信号的关键特性，设定初始参数，建立优化模型并引入遗传算法进行迭代优化，实现对目标信号星座图特征的模拟。2)三层MWFRFT调制的三层调制结构、三种调制项数、39个调制参数增强了信号的抗参数扫描性能，提高了信号的保密性能。3)通过引入扩频减小电磁环境中目标信号的干扰。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于多层WFRFT变换域的安全通信方法，其特征在于，包括：
S01、发射端将初始数据进行扩频调制后，再进行QPSK基带映射；
S02、将经过基带映射后的数据进行串并转换，之后输入三层MWFRFT模块，在所述三层MWFRFT模块中将数据分为三层并行的信号，并以目标信号星座图特征作为待模拟的星座图特征，对所述三层并行的信号进行调制；
S03、将经过调制的三层并行的信号进行并串转换，得到串行数据，之后再依次经过D/A转换、正交上变频处理后发射到信道中。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
S11、接收端从所述信道中获取信号，并依次进行正交下变频、低通滤波、A/D转换和串并转换后，输入三层MWFRFT逆变换模块进行解调并获取三层并行的信号；
S12、将经过解调获取的三层并行的信号依次进行并串转换、QPSK基带逆映射和解扩，最终得到所述初始数据。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述三层MWFRFT模块中，将三层并行的信号分别采用各自的参数集进行调制，其中，优化参数集包括：(α1,V1)的4-WFRFT、(α2,V2)的6-WFRFT和(α3,V3)的8-WFRFT，其中，α1和V1分别表示4-WFRFT的变换阶数和尺度向量，α2和V2分别表示6-WFRFT的变换阶数和尺度向量，α3和V3分别表示8-WFRFT的变换阶数和尺度向量。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述三层MWFRFT逆变换模块中，将三层并行的信号分别采用各自的参数集进行解调，用于逆变换的参数集包括：(-α1,V1)的4-WFRFT、(-α2,V2)的6-WFRFT和(-α3,V3)的8-WFRFT。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在利用4-WFRFT、6-WFRFT、8-WFRFT对所述三层并行的信号分别进行调制，包括：
分别调制所述三层并行信号中的每一层信号，并在调制后叠加各层信号，使叠加后的信号星座图接近所述目标信号的星座图。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对每一层信号的星座图的调制中，包括：
根据所述目标信号的星座图，确定每一层信号的星座图中所需的裂变点数，其中，裂变后的每一层信号的星座图中星座裂变点数，与所述目标信号的星座图中的星座裂变点数相同；
修改星座图的关键参数，使修改后的星座图的裂变点数、裂变构型、裂变样式、模糊程度和旋转角度接近目标信号的星座图。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述目标信号的星座图为：以标准16QAM信号旋转45°后的星座图。
8.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，还包括：
建立优化模型，并利用遗传算法迭代优化所述优化模型；
利用所述优化模型，对用于调制的参数集进行迭代优化，得到最优参数集。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述优化模型包括：
Figure FDA0003438881830000031
其中，f1(α1,V1)、f2(α2,V3)、f3(α3,V3)分别为4-WFRFT、6-WFRFT、8-WFRFT的优化目标函数，η表示模值比例因子，θ1、θ2、θ3分别表示三层调制信号星座图的旋转角度，且
Figure FDA0003438881830000032
ωM/2表示M项WFRFT的第M/2+1个加权系数，表示
Figure FDA0003438881830000033
表示M1项WFRFT的第M1/2+1个加权系数，
Figure FDA0003438881830000034
表示M2项WFRFT的第M2/2+1个加权系数，
Figure FDA0003438881830000035
表示M3项WFRFT的第M3/2+1个加权系数，M表示加权分数阶傅里叶变换的项数，M1表示4，M2表示6，M3表示8，i表示虚数单位，mk和nk表示尺度向量元素值，k表示取值标号，m0,m1,m2,...,mM-1表示前M个尺度向量元素，n0,n1,n2,...,nM-1表示后M个尺度向量取值，N+表示正整数，N表示初始数据量，ω0表示第1个加权系数，ωl表示第l+1个加权系数，l表示取值标号，
Figure FDA0003438881830000036
表示星座图裂变函数，
Figure FDA0003438881830000037
表示星座图模糊函数，V表示尺度向量，α表示变换阶数，Xl表示第l+1个复数序列。
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