基于扩维编码调制的抗干扰保密通信系统与方法技术方案

本发明专利技术涉及基于扩维编码调制的抗干扰保密通信系统与方法，属于抗干扰保密通信领域。该系统包括：设置在发送端物理层的动态扩维发射机，设置在接收端物理层的动态扩维接收机，发送端与接收端通过主信道进行通信，接收端通过公开有限反馈信道进行反馈。该方法包括：在发送端，动态扩维发射机根据接收端的反馈判定上一次信息分组是否成功发送，并基于上一次成功发送的明文序列生成发送扩维序列，然后利用该序列进行扩维编码调制；在接收端，动态扩维接收机根据最新一次成功接收的明文序列生成接收扩维序列，然后利用该序列进行扩维解调译码，得到对应的接收明文，并进行完整性检验，将结果反馈给发送端。本发明专利技术可实现信息抗干扰保密传输。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于抗干扰保密通信领域，特别涉及一种基于扩维编码调制的抗干扰保密通信系统与方法。
技术介绍
随着无线通信技术的快速发展和广泛应用，无线通信用户终端和通信业务量迅速增长，频谱资源越来越拥挤，信道干扰越来越严重；同时，涉及商业、个人隐私以及国家安全的敏感信息也不可避免需要通过开放的无线信道传输，极易被非法用户窃听和侦收，信息安全问题突出。如何进行抗干扰保密通信就成为了一个亟待解决的问题。在传统的抗干扰保密通信系统中，通常使用跳扩频技术来抵抗恶意干扰与窃听。传统的跳扩频通信系统，如图1所示，包括设置在发送端物理层的跳扩频发射机，设置在接收端物理层的跳扩频接收机。发送端与接收端通过主信道进行通信。该系统的通信方法如图1所示，主要步骤为：收发两端在传输开始前，秘密约定对称密钥k；在发送端，跳扩频发射机利用对称密钥k生成对应的跳频图案或者扩频序列，然后利用跳频图案或者扩频序列对发送明文mi进行扩频调制，得到扩频信号si；将si在主信道上发送，接收端与窃听端分别得到接收扩频信号ri与窃听扩频信号r′i；在接收端，跳扩频接收机利用对称密钥k生成与发送端相同的跳频图案或者扩频序列，利用跳频图案或者扩频序列完成接收扩频信号ri的解扩，得到接收明文m′i。对于窃听者而言，由于其不知道跳频图案或者扩频序列的变化规律，因此无法完成窃听扩频信号r′i的解扩，最终得到的窃听明文mi″≠mi，也无法将自己产生的干扰信号进行相同的直序扩频或跳频，实现了抗干扰保密通信。然而，随着计算技术和现代电子侦查技术的发展，非法用户能够通过数字信号处理手段获取跳频图案或者扩频序列等关键信息，从而进行扩频信号的截获，并将自己产生的干扰信号进行相同的直序扩频或跳频。因此，传统的基于扩频技术的抗干扰保密通信系统面临着严重挑战。扩维通信是建立在信息论基础上的低信噪比极限抗干扰通信方式，它利用时域、频域、空域和码域等多维信号空间，通过调制编码，将信息尽量广泛地扩展到整个信号空间，在任意信号空间分解下，其信号都占据了相当多的维数。它超越了常规扩频通信的抗干扰保密模式，在干扰方完全掌握通信方的通信频段、跳频图样等核心参数的情况下，扩维通信仍然保持着有效的抗干扰抗截获能力。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足之处，提出了一种基于扩维编码调制的抗干扰保密通信系统与方法。本专利技术可用于实现信息的抗干扰保密传输，满足未来无线军事通信系统的需求。本专利技术提出的一种基于扩维编码调制的抗干扰保密通信系统，其特征在于，该系统包括：设置在发送端物理层的动态扩维发射机，设置在接收端物理层的动态扩维接收机，发送端与接收端通过主信道进行通信，接收端通过公开有限反馈信道进行反馈。本专利技术提出的基于扩维编码调制的抗干扰保密通信方法，其特征在于，在发送端，动态扩维发射机根据接收端的反馈判定上一次信息分组是否成功发送，并基于上一次成功发送的明文序列生成发送扩维序列，然后利用发送扩维序列进行扩维编码调制；在接收端，动态扩维接收机根据最新一次成功接收的明文序列生成接收扩维序列，然后利用接收扩维序列进行扩维解调译码，得到对应的接收明文，并对接收明文进行完整性检验，将结果反馈给发送端。该方法具体包括以下步骤：1)在发送端，对第i个发送明文mi生成r比特长的完整性检验序列并附加到发送明文后，得到发送信息比特向量ki；其中，mi的长度为m比特；ki的长度为k比特，k＝m+r；i＝1,2,…,N，r,m,N均为正整数；2)在发送端，扩维序列生成器根据接收的反馈信号fi-1和上一次的发送明文mi-1，生成发送扩维序列Fi；2.1)对于第一次传输过程，扩维序列生成器生成发送扩维序列Fi＝F0，F0为初始扩维序列，长度为P比特，P＝N1+N2+N3+N4，N1,N2,N3,N4分别代表扩维序列中时域、频域、空域和码域扩维序列的长度，N1,N2,N3,N4均为正整数；对于接下来的传输过程，当上一次收到反馈信号fi-1等于0时，发送扩维序列保持不变，Fi＝Fi-1；当上一次收到的反馈信号fi-1等于1时，Fi＝h(mi-1)，长度为P比特，h(·)为通用哈希函数；2.2)将Fi按照从左到右的次序，分解为包含4个行向量的向量其中为时域扩维序列，长度为N1比特；为频域扩维序列，长度为N2比特；为空域扩维序列，长度为N3比特；为码域扩维序列，长度为N4比特；3)在发送端，信道编码器对发送信息比特向量ki进行信道编码，得到发送码字ci，长度为n比特，n为正整数；3.1)利用码域扩维序列对基矩阵HB进行拓展，得到发送端稀疏随机矩阵Hi；其中HB大小为mB×nB，Hi大小为mBT×nBT，T为用于拓展的循环右移单位置换方阵QT的维数；3.1.1)将码域扩维序列划分为包含J个数字的向量其中是长度为log2T比特的无符号整数；3.1.2)对于基矩阵HB中的“0”元素，将其扩展成大小为T×T的零矩阵0T×T；对于基矩阵HB中的“1”元素，将其扩展成大小为T×T的方阵QT(tj)；其中j为“1”元素按照从左到右，从上到下的编号，j＝1,2,…,J；tj为第j个方阵对应的偏置因子，最终得到发送端稀疏随机矩阵Hi；3.2)将Hi划分为两个子矩阵，即Hi＝[A,B]，其中，A的大小为mBT×(nB-mB)T；B的大小为mBT×mBT，且B-1存在；然后计算发送码字ci：ci＝ki·(B-1·A)T (1)4)在发送端，扩维映射器完成发送码字ci在频域、时域与空域上的映射，得到发送正交符号序列xi；4.1)对于发送码字ci，按照BPSK星座点映射规则，得到发送星座点序列cti＝(cti,1,cti,2,...cti,t...,cti,n)，其中正整数t＝1,2,…,n；4.2)根据频域扩维序列从正交载波频率集合中为每一个星座点cti,t选择载波频率，完成发送码字ci的频域映射；4.3)根据时域扩维序列从正交发送时隙集合中为每一个星座点cti,t选择发送时隙，完成发送码字ci的时域映射；4.4)根据空域扩维序列从正交定向波束集合中为每一个星座点cti,t选择定向波束，完成发送码字ci的空域映射；5)在发送端，扩维调制器对发送正交符号序列xi进行扩维调制，得到发送扩维信号序列si；6)在发送端，发送天线阵列利用定向波束，将发送扩维信号序列si在前向传输主信道上进行传输；7)在接收端，扩维序列生成器根据发送的反馈信号fi-1和上一次的接收明文m′i-1，生成接收扩维序列F′i；7.1)对于第一次传输过程，接收扩维序列F′i＝F0；对于接下来的传输过程，当上一次发送反馈信号fi-1等于0时，接收扩维序列保持不变，F′i＝F′i-1；当上一次发送的反馈信号fi-1等于1时，F′i＝h(mi-1)＝(f′i,0,f′i,1,...,f′i,P-1)；7.2)将F′i按照从左到右的次序，分解为包含4个行向量的向量其中为接收时域扩维序列，长度为N1比特；为接收频域扩维序列，长度为N2比特；为接收空域扩维序列，长度为N3比特；为接收码域扩维序列，长度为N4比特；8)在接收端，接收天线阵列通过接收空域扩维序列确定定向波束方向，进行波束接收，得到接收扩维信号序列ri＝(ri,0,ri,1,...,ri,N-1)；则：ri＝γ×si+ni本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于扩维编码调制的抗干扰保密通信系统，其特征在于，该系统包括：设置在发送端物理层的动态扩维发射机，设置在接收端物理层的动态扩维接收机，发送端与接收端通过主信道进行通信，接收端通过公开有限反馈信道进行反馈。

【技术特征摘要】
1.一种基于扩维编码调制的抗干扰保密通信系统，其特征在于，该系统包括：设置在发送端物理层的动态扩维发射机，设置在接收端物理层的动态扩维接收机，发送端与接收端通过主信道进行通信，接收端通过公开有限反馈信道进行反馈。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述动态扩维发射机，由完整性检验器，扩维序列生成器，信道编码器，扩维映射器，扩维调制器和发送天线阵列构成；其中：完整性检验器用于通过已有的校验比特生成算法，对本次发送的明文序列mi计算生成完整性校验比特并附加到发送明文序列后，得到发送信息比特向量ki；扩维序列生成器用于根据接收的反馈信号fi-1和上一次的发送明文mi-1，生成发送扩维序列Fi；信道编码器用于根据发送扩维序列Fi，对发送信息比特向量ki进行编码，得到发送码字ci；扩维映射器用于根据发送扩维序列Fi，将发送码字ci映射为正交符号序列xi；扩维调制器用于完成正交符号序列xi的调制，得到发送扩维信号序列si；发送天线阵列用于将扩维信号序列si通过定向波束进行发送，...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷柳国，郝文涛，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11