CN115037407A - 一种单天线系统人工噪声设计和抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单天线系统人工噪声设计和抑制方法，包括以下步骤S1.发射机对信号进行分段和处理后，得到传输信号进行发射，在分段时每个周期为LT_s为一段，其中L表示一个周期内的符号数目，T_s表示符号周期；S2.接收机进行信号接收和差分处理；S3.接收机对差分处理得到的信号进行补偿，还原出期望信号。本发明提供的方法能够适应于单天线系统，并且能够在合法接收机正常接收的同时，干扰甚至抑制窃听机对信号的窃取。

Description

一种单天线系统人工噪声设计和抑制方法

技术领域

本发明涉及通信领域，特别是涉及一种单天线系统人工噪声设计和抑制方法。

背景技术

由于无线媒介的共享性，无线通信下的信号往往面临被窃听的风险。为了保证信息安全，降低通信信号在无线环境中被拦截或窃取的可能，物理层安全通信技术逐渐发展。

人工噪声作为一种能有效恶化窃听信道的手段，被广泛地运用于物理层安全通信中。而如何保证人工噪声在干扰窃听者的同时，却不对合法接收机造成影响，是该技术中的一个核心问题。多天线场景下，常常通过合法接收机信道系数矩阵的特性来设计人工噪声，但是这依赖于空间自由度和信道状态的先验信息。单天线场景中，没有多根天线引入的空间自由度，这为人工噪声的研究带来了诸多限制。因此，研究者转而利用时间上的自由度，比如多径信道或者OFDM系统的特性来设计人工噪声，这仍旧依赖于信道状态的先验信息。另一种单天线系统下的人工噪声，通常设计为已知的随机序列，接收机接收之后进行自干扰抑制，但自干扰抑制技术的实现复杂度和系统开销较高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种单天线系统人工噪声设计和抑制方法，无需空间和时间自由度，同时发射机无需已知信道状态的先验信息，就能够在合法接收机正常接收的同时，干扰甚至抑制窃听机对信号的窃取。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种单天线系统人工噪声设计和抑制方法，包括以下步骤：

S1.发射机对信号进行分段和处理后，得到传输信号进行发射；

S101.将期望信号按照周期分段，每个周期为LT_s为一段，其中L表示一个周期内的符号数目，T_s表示符号周期；第m段信号的行向量表示如下：

X_m＝(x_m,1,x_m,2,...,x_m,i,...,x_m,L)

其中，x_m,i表示第m段中的第i个符号，1≤i≤L,i∈Z⁺；m＝1,2,...,M，M表示分段总数；

S102.在m＝1,2,...,M时，分别对信号段X_m进行如下处理：

Y₁＝X₁＝(y_1,1,y_1,2,...,y_1,L)＝(x_1,1,x_1,2,...,x_1,L),

Y₂＝αY₁+βX₂＝(αy_1,1+βx_2,1,αy_1,2+βx_2,2,...,αy_1,L+βx_2,L),

Y_M＝αY_M-1+βX_M＝(αy_M-1,1+βx_M,1,αy_M-1,2+βx_M,2,...,αy_M-1,L+βx_M,L),

其中，α和β表示功率分配因子，α和β模值的取值范围为0～1，且满足|α|²+|β|²＝1，对上式进行整理得到Y_m的表达式为：

只考虑2≤m≤M,m∈Z⁺的情况，将Y_m记为Y_m＝(y_m,1,y_m,2,...,y_m,i,...,y_m,L)

对于Y_m信号段中的每一个符号y_m,i，1≤i≤L,i∈Z⁺，有：

y_m,i的后两项即

视为人工噪声；当前信号段Y_m中的人工噪声来自于前一个信号段Y_m-1，且是所有过去的期望信号段X_j的不同权重之和；

S103.发射机将Y_m,m＝1,2,...,M作为传输信号进行发射。

S2.接收机进行信号接收和差分处理；

S201.接收机对发射机发射的信号进行接收，设经过平坦衰落信道，接收机接收到的信号向量为：

其中，

表示平坦衰落信道系数；

表示接收机处引入的高斯白噪声向量，其中的每一个元素都服从均值为0，方差为σ²的高斯分布；

S202.接收机对接收到的信号进行差分处理；

用接收到的后一段信号减去前一段信号与系数α的乘积，考虑平坦衰落信道的变化间隔远大于信号分段周期，则：

那么，差分操作能有效去除人工噪声：

所述差分处理从第二段信号开始，即在m＝2,...,M时，计算：

将得到的S_m记为S_m＝(s_m,1,s_m,2,...,s_m,i,...,s_m,L)

S_m中的第i个元素表示为：

其中，

表示

中的第i个元素，

表示

中的第i个元素。

S3.接收机对差分处理得到的信号进行补偿，还原出期望信号，对差分处理得到的信号进行补偿，还原出期望信号的方式如下：

S301.对于S_m中的第i个元素进行补偿，得到

其中，

表示预先对信道系数进行估计得到的估计值，

即为还原后的期望信号第m段中的第i个元素；

S302.在1≤i≤L,i∈Z⁺时，重复执行步骤S301，完成对S_m的补偿，得到还原后期望信号的第m段

S303.在m＝2,...,M时，重复执行步骤S302,得到还原后期望信号的第2～M段。

本发明的有益效果是：区别于多天线系统下多利用天线自由度产生位于信道零空间中的人工噪声，而本发明不需要任何自由度，信号串行处理，适应单发单收的单天线系统，并且能够在合法接收机正常接收的同时，干扰甚至抑制窃听机对信号的窃取：经过发射机处理，当前信号段的人工噪声来自于过去所有的期望信号段的不同权重叠加，合法接收机已知本方法实现技术以及信号段周期，功率分配因子等参数，因此可以有效去除人工噪声恢复期望信号。而对于窃听机，没有任何先验信息的情况下，其信噪比被恶化，从混叠的信号中恢复有用信号具有极大困难。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为在本发明基础上的通信原理示意图；

图3为传输信号的星座图；

图4为基于本申请方法构建的系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1～2所示，一种单天线系统人工噪声设计和抑制方法，包括以下步骤：

S1.发射机对信号进行分段和处理后，得到传输信号进行发射；

所述步骤S1包括以下子步骤：

S101.将期望信号按照周期分段，每个周期为LT_s为一段，其中L表示一个周期内的符号数目，T_s表示符号周期；第m段信号的行向量表示如下：

X_m＝(x_m,1,x_m,2,...,x_m,i,...,x_m,L)

其中，x_m,i表示第m段中的第i个符号，1≤i≤L,i∈Z⁺；m＝1,2,...,M，M表示分段总数；

S102.在m＝1,2,...,M时，分别对信号段X_m进行如下处理：

Y₁＝X₁＝(y_1,1,y_1,2,...,y_1,L)＝(x_1,1,x_1,2,...,x_1,L),

Y₂＝αY₁+βX₂＝(αy_1,1+βx_2,1,αy_1,2+βx_2,2,...,αy_1,L+βx_2,L),

Y_M＝αY_M-1+βX_M＝(αy_M-1,1+βx_M,1,αy_M-1,2+βx_M,2,…,αy_M-1,L+βx_M,L),

其中，α和β表示功率分配因子，α和β模值的取值范围为0～1，且满足|α|²+|β|²＝1，对上式进行整理得到Y_m的表达式为：

考虑2≤m≤M,m∈Z⁺的情况，将Y_m记为Y_m＝(y_m,1,y_m,2,…,y_m,i,...,y_m,L)

对于Y_m信号段中的每一个符号y_m,i，1≤i≤L,i∈Z⁺，有：

y_m,i的后两项即

视为人工噪声。可见，当前信号段Y_m中的人工噪声来自于前一个信号段Y_m-1，且是所有过去的期望信号段X_j的不同权重之和。如果考虑x_j,i为独立的服从复高斯分布的随机变量。则人工噪声作为他们的线性叠加，仍服从复高斯分布。

S103.发射机将Y_m,m＝1,2,...,M作为传输信号进行发射。如图4所示，在本申请的实施例中，信号发射前需要进行DA转换，并通过射频发射装置(RF)处理(例如滤波、功率放大、上变频等处理)后，通过射频天线进行接收；

S2.接收机进行信号接收和差分处理；

进一步地，所述步骤S2包括：

S201.接收机对发射机发射的信号进行接收；

如图4所示，在本申请的实施例中，首先需要利用射频接收装置对接收到的信号进行处理(下变频、滤波等)，然后对接收到的信号AD转换，然后得到接收到的信号向量；

设经过平坦衰落信道，接收机接收到的信号向量为：

其中，

表示平坦衰落信道系数；

表示接收机处引入的高斯白噪声向量，其中的每一个元素都服从均值为0，方差为σ²的高斯分布；

S202.接收机对接收到的信号进行差分处理。信号处理结构图如附图4中人工噪声抑制部分所示：

用接收到的后一段信号减去前一段信号与系数α的乘积，考虑平坦衰落信道的变化间隔远大于信号分段周期，则：

那么，差分操作能有效去除人工噪声：

所述差分处理从第二段信号开始，即在m＝2,...,M时，计算：

将得到的S_m记为S_m＝(s_m,1,s_m,2,...,s_m,i,...,s_m,L)

S_m中的第i个元素表示为：

其中，

表示

中的第i个元素，

表示

中的第i个元素。

S3.接收机对差分处理得到的信号进行补偿，还原出期望信号，对差分处理得到的信号进行补偿，还原出期望信号的方式如下：

S301.对于S_m中的第i个元素进行补偿，得到

其中，

表示预先对信道系数进行估计得到的估计值，

即为还原后的期望信号第m段中的第i个元素；

S302.在1≤i≤L,i∈Z⁺时，重复执行步骤S301，完成对S_m的补偿，得到还原后期望信号的第m段

S303.在m＝2,...,M时，重复执行步骤S302,得到还原后期望信号的第2～M段。

在本申请的实施例中，期望信号的第一段(第一个周期)用于插入循环前缀，不包含通信信息，故最终只需要得到还原后期望信号的第2～M段，就能够通过后续处理得到完整的通信信息，具体地在完成信号补偿后，接收机可以对还原后的期望信号进行解调处理，获取期望信号中包含的通信信息；

在本申请的实施例中，提出的方法进行仿真分析，具体的参数设置如下表所示：

表1.人工噪声仿真参数设置

附图3展示了传输信号在不同的功率分配因子下的星座图。可见，当增加|α|时，星座变得愈发杂乱。当|α|＝0.3时，仍可以观察到QPSK信号的特征，但当|α|＝0.8时，QPSK信号就近乎消失了，这说明人工噪声可以成功地掩盖期望信号。另外，当α和β为复数时，星座图具有旋转特性，尤其在(e)图中体现得较为明显。当前信号段的星座点逆时针旋转了45度，而人工噪声的星座点逆时针旋转了30度，显示了调整α和β将导致相位的变化，这将更有利于安全通信。

上述说明示出并描述了本发明的一个优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种单天线系统人工噪声设计和抑制方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.发射机对信号进行分段和处理后，得到传输信号进行发射；

S2.接收机进行信号接收和差分处理；

S3.接收机对差分处理得到的信号进行补偿，还原出期望信号。

2.根据权利要求1所述的一种单天线系统人工噪声设计和抑制方法，其特征在于：所述步骤S1包括以下子步骤：

S101.将期望信号按照周期分段，每个周期为LT_s为一段，其中L表示一个周期内的符号数目，T_s表示符号周期；第m段信号的行向量表示如下：

X_m＝(x_m,1,x_m,2,...,x_m,i,...,x_m,L)

其中，x_m,i表示第m段中的第i个符号，1≤i≤L,i∈Z⁺；m＝1,2,...,M，M表示分段总数；

S102.在m＝1,2,...,M时，分别对信号段X_m进行如下处理：

其中，α和β表示功率分配因子，α和β模值的取值范围为0～1，且满足|α|²+|β|²＝1，对上式进行整理得到Y_m的表达式为：

考虑2≤m≤M,m∈Z⁺的情况，将Y_m记为Y_m＝(y_m,1,y_m,2,...,y_m,i,...,y_m,L)

对于Y_m信号段中的每一个符号y_m,i，1≤i≤L,i∈Z⁺，有：

y_m,i的后两项即

视为人工噪声；当前信号段Y_m中的人工噪声来自于前一个信号段Y_m-1，且是所有过去的期望信号段X_j的不同权重之和；

S103.发射机将Y_m,m＝1,2,...,M作为传输信号进行发射。

3.根据权利要求1所述的一种单天线系统人工噪声设计和抑制方法，其特征在于：所述步骤S2包括：

S201.接收机对发射机发射的信号进行接收，设经过平坦衰落信道，接收机接收到的信号向量为：

其中，

表示平坦衰落信道系数；

表示接收机处引入的高斯白噪声向量，其中的每一个元素都服从均值为0，方差为σ²的高斯分布；

S202.接收机对接收到的信号进行差分处理；

用接收到的后一段信号减去前一段信号与系数α的乘积，考虑平坦衰落信道的变化间隔远大于信号分段周期，则：

那么，差分操作能有效去除人工噪声：

所述差分处理从第二段信号开始，即在m＝2,...,M时，计算：

将得到的S_m记为S_m＝(s_m,1,s_m,2,...,s_m,i,...,s_m,L)

S_m中的第i个元素表示为：

其中，

表示

中的第i个元素，

表示

中的第i个元素。

4.根据权利要求1所述的一种单天线系统人工噪声设计和抑制方法，其特征在于：所述步骤S3中，对差分处理得到的信号进行补偿，还原出期望信号的方式如下：

S301.对于S_m中的第i个元素进行补偿，得到

其中，

表示预先对信道系数进行估计得到的估计值，

即为还原后的期望信号第m段中的第i个元素；

S302.在1≤i≤L,i∈Z⁺时，重复执行步骤S301，完成对S_m的补偿，得到还原后期望信号的第m段

S303.在m＝2,...,M时，重复执行步骤S302,得到还原后期望信号的第2～M段。

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