專利名稱：Ofdm系統(tǒng)信號發(fā)送方法、接收方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字信息傳輸技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于偽隨機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)及添加微弱人為噪聲的OFDM系統(tǒng)信號發(fā)送方法、接收方法及裝置。
背景技術(shù)：
隨著各種無線通信系統(tǒng)的飛速發(fā)展和全面部署以及多種無線網(wǎng)絡(luò)的廣泛共存，用 戶除了對無線通信系統(tǒng)傳輸性能(有效性和可靠性)的需求越來越大之外，對通信的安全 性能也提出了越來越高的要求，尤其是涉及國家安全、軍事信息和商業(yè)機(jī)密的無線通信系 統(tǒng)，對通信的安全性能與傳輸性能都有較高要求。同時，隨著非法用戶計算能力的顯著增 強(qiáng)，無線信道的開放性使得保密信息破解的可能性大為增加。為此，世界各國均將通信安全 領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新視為增強(qiáng)其國際競爭力的重要手段。在目前的無線通信網(wǎng)絡(luò)中，其安全性大都是在鏈路層或者應(yīng)用層通過采用經(jīng)典的 密碼體系來實現(xiàn)的。密碼體系假設(shè)加密機(jī)輸出的密文和保密機(jī)接收的密文完全一致，即加 密機(jī)與解密機(jī)之間的信道是傳輸無差錯的完美信道，且接收者必須知道用于解密的密鑰 (secret key)。但是在無線通信中，由于無線信道的開放性、廣播性和衰落性，建立用于密 鑰傳輸無差錯傳輸?shù)陌踩诺婪浅＠щy。隨著非法用戶接收機(jī)計算能力的顯著增強(qiáng)，保密 信息很可能被破解。此外，密碼機(jī)制需要大量額外的系統(tǒng)信令開銷，無疑會降低無線通信系 統(tǒng)的有效性。與經(jīng)典的密碼體系不同，物理層保密充分利用無線通信系統(tǒng)本身的物理信號和無 線信道的特征，在信號傳輸層面保證無線通信的安全性。物理層保密并不是一個全新的課 題，其原理概念在1949年就由香農(nóng)(Shannon)在其發(fā)表的論文“Communication Theory of SecrecySystems”中提出，但在很長的一段時間里，由于復(fù)雜度和應(yīng)用需求的原因，物理 層加密并未受到人們的重視。最近，隨著OFDM以及多天線技術(shù)在無線通信中的迅猛發(fā)展 以及可用加密資源的豐富，將信息理論安全原理應(yīng)用于無線衰落信道這一課題引起了學(xué)術(shù) 界和產(chǎn)業(yè)界的極大關(guān)注。2002年P(guān)appu發(fā)表在Science上的重要論文“PhysicalOne-Way Functions”中指出，物理不可逆函數(shù)用于加密算法時，比傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)單向函數(shù)更有效，而 無線信道可以被看作是一個物理不可逆的信息。也有不少學(xué)者研究了衰落信道下的各態(tài) 歷經(jīng)安全容量、多用戶信道和MIMO系統(tǒng)的安全性等問題，并給出了相應(yīng)的性能界限。另外 一些學(xué)者進(jìn)一步研究了無線系統(tǒng)中具體的物理層保密機(jī)制和算法。Koorapaty等人提出 了基于發(fā)送者與合法接收者之間的信道狀態(tài)信息(CSI)進(jìn)行預(yù)編碼實現(xiàn)物理層加密的方 法。Hero提出了使用訓(xùn)練序列作為密鑰的方法，并通過合理選擇空時調(diào)制(space-time modulation)方式使得竊聽者無法獲得保密信息。2006年6月，我國頒布了數(shù)字電視地面廣播傳輸強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)DTMB，該標(biāo)準(zhǔn)的核心 技術(shù)是清華大學(xué)提出的時域同步正交頻分復(fù)用(TDS-OFDM)調(diào)制技術(shù)(參考中國發(fā)明專利 01124144. 6)，該多載波技術(shù)的幀體部分采用OFDM調(diào)制方式，并首次提出了保護(hù)間隔內(nèi)填 充PN序列，取代了傳統(tǒng)OFDM系統(tǒng)中的循環(huán)前綴(CP)。由于PN序列在接收端已知，因而可用于系統(tǒng)同步和信道估計。與傳統(tǒng)的基于循環(huán)前綴的OFDM技術(shù)(CP-OFDM)相比，TDS-OFDM 無需在頻域插入導(dǎo)頻信號，從而提高了 OFDM的頻譜利用率，克服了多載波系統(tǒng)傳輸效率低 的缺點。然而，目前我國地面數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)沒有保密通信的功能，從而限制了 TDS-OFDM這 一原創(chuàng)性技術(shù)在保密性要求較高特別是軍事通信領(lǐng)域中的應(yīng)用。2009年歐洲頒布的下一代地面數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)DVB-T2中采用了星座圖旋轉(zhuǎn) (rotated constellation)技術(shù)，即將OFDM系統(tǒng)中星座上的全部星座點統(tǒng)一旋轉(zhuǎn)一個固定 的角度，以對抗衰落信道并獲得較高的分集性能增益，但這一技術(shù)并不能用于物理層加密。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提高OFDM系統(tǒng)的保密性和可靠性。( 二 )技術(shù)方案為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種OFDM系統(tǒng)信號發(fā)送方法，該方法包括步驟Si.對輸入信號進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行星座調(diào)制；S2.對星座調(diào)制后的信號進(jìn)行加密操作，包括對所述星座調(diào)制后的信號進(jìn)行偽隨 機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)，每個星座點旋轉(zhuǎn)一個隨機(jī)的角度，旋轉(zhuǎn)角度由系統(tǒng)發(fā)送端與合法接收端共 同約定；S3.對加密后的信號進(jìn)行OFDM調(diào)制后發(fā)射。其中，在步驟S2中，所述加密操作還包括在經(jīng)偽隨機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)后的信號中添 加設(shè)定噪聲。其中，所述旋轉(zhuǎn)角度由偽隨機(jī)序列發(fā)生器生成的序列經(jīng)可逆線性或非線性變換得 至IJ，所述偽隨機(jī)序列發(fā)生器的工作方式由發(fā)送端與合法接收端協(xié)商確定。其中，所述加密操作包括對所述星座調(diào)制后的信號的數(shù)據(jù)部分進(jìn)行偽隨機(jī)星座 圖旋轉(zhuǎn)和/或添加設(shè)定噪聲、和/或?qū)λ鲂亲{(diào)制后的信號的導(dǎo)頻進(jìn)行偽隨機(jī)星座圖旋 轉(zhuǎn)和/或添加設(shè)定噪聲、和/或?qū)λ鲂亲{(diào)制后的訓(xùn)練序列進(jìn)行偽隨機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)和/ 或添加設(shè)定噪聲。其中，所述設(shè)定噪聲的添加方式為根據(jù)信道估計獲得的當(dāng)前信道狀態(tài)信息或合 法接收端反饋的當(dāng)前信道狀態(tài)信息中的信道相位、幅度、或信道相位和幅度的組合來添加 所述設(shè)定噪聲；或?qū)⑾到y(tǒng)發(fā)送端生成隨機(jī)高斯噪聲疊加到經(jīng)所述偽隨機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)的信號 上。其中，所述設(shè)定噪聲的功率小于系統(tǒng)歸一化的信號功率。本發(fā)明還提供了一種按照上述信號發(fā)送方法發(fā)送的信號的接收方法，該方法包括 步驟S4.對接收到的信號進(jìn)行OFDM解調(diào)；S5.對OFDM解調(diào)后的信號進(jìn)行解密操作，包括對所述OFDM解調(diào)后的信號進(jìn)行偽 隨機(jī)星座圖逆旋轉(zhuǎn)，每個星座點的旋轉(zhuǎn)角度為由系統(tǒng)發(fā)送端與合法接收端所共同約定的角 度；
S6.對解密后的信號進(jìn)行星座解調(diào)后，進(jìn)行并/串轉(zhuǎn)換，得到發(fā)送端的輸入信號。本發(fā)明還提供了一種OFDM系統(tǒng)發(fā)送端信號發(fā)送裝置，該裝置包括發(fā)送端前處理模塊，用于對輸入信號進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行星座調(diào)制；加密模塊，用于對星座調(diào)制后的 信號進(jìn)行加密操作，包括星座旋轉(zhuǎn)單元，用于對所述星座調(diào)制后的信號進(jìn)行偽隨機(jī)星座圖 旋轉(zhuǎn)，每個星座點旋轉(zhuǎn)一個隨機(jī)的角度，旋轉(zhuǎn)角度由系統(tǒng)發(fā)送端與合法接收端共同約定；發(fā) 送端后處理模塊，用于對加密后信號進(jìn)行OFDM調(diào)制后發(fā)射。其中，所述加密模塊還包括噪聲添加單元，用于在經(jīng)偽隨機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)后的信號 中添加設(shè)定噪聲。本發(fā)明還提供了一種OFDM系統(tǒng)接收端信號接收裝置，該裝置包括接收端前處理 模塊，用于對接收到的信號進(jìn)行OFDM解調(diào)；解密模塊，用于對OFDM解調(diào)后的信號進(jìn)行解 密操作，包括星座逆旋轉(zhuǎn)單元，用于對所述OFDM解調(diào)后的信號進(jìn)行偽隨機(jī)星座圖逆旋轉(zhuǎn)， 每個星座點的旋轉(zhuǎn)角度為由系統(tǒng)發(fā)送端與合法接收端所共同約定的角度；接收端后處理模 塊，用于對解密后的信號進(jìn)行星座解調(diào)后，進(jìn)行并/串轉(zhuǎn)換，得到發(fā)送端的輸入信號。(三)有益效果本發(fā)明的方法及裝置借鑒DVB-T2中星座圖旋轉(zhuǎn)技術(shù)的基本想法并加以擴(kuò)展，合 理、充分的利用無線信道的特性，采用收發(fā)端相同的序列發(fā)生器產(chǎn)生的相位作為旋轉(zhuǎn)密鑰， 能夠取得更高的安全性和保密性。另外，利用收發(fā)端之間信道物理不可逆的特點，在經(jīng)過 偽隨機(jī)旋轉(zhuǎn)后的星座圖上添加微弱人為噪聲，從而急劇惡化非法接收方的解調(diào)性能，并消 除非法接收方破譯密鑰的可能性。合理的利用本發(fā)明所提出的方法及裝置，可以大大增強(qiáng) 0FDM系統(tǒng)的安全性，為拓展其包括軍事通信在內(nèi)等領(lǐng)域的應(yīng)用打下堅實的基礎(chǔ)。


圖1為基于依照本發(fā)明一種實施方式的0FDM系統(tǒng)信號發(fā)送方法、接收方法及裝置 的0FDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖； 2(a)為 16QAM 星座圖；圖2 (b)為傳統(tǒng)星座圖旋轉(zhuǎn)技術(shù)示意圖(以16QAM為例)；圖2(c)為依照本發(fā)明一種實施方式的0FDM系統(tǒng)信號發(fā)送方法中偽隨機(jī)星座圖旋 轉(zhuǎn)示意圖(以16QAM為例)；圖3為實施例1的CP-0FDM系統(tǒng)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)；圖4為實施例1的CP-0FDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖5為實施例1的CP-0FDM系統(tǒng)偽隨機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)時隨機(jī)相位的產(chǎn)生方式示意 圖；圖6 (a)-圖6 (b)為實施例1的CP-0FDM系統(tǒng)各星座點隨機(jī)旋轉(zhuǎn)相位示意圖；圖7為實施例2的TDS-0FDM系統(tǒng)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)；圖8為實施例2的TDS-0FDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖9(a)為QPSK星座圖；圖9 (b)為實施例3的經(jīng)偽隨機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)后的QPSK星座圖；圖9 (c)為實施例3的經(jīng)偽隨機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)又添加噪聲后的QPSK星座圖(信噪比 為 30dB)；圖9 (d)為實施例3的經(jīng)偽隨機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)又添加噪聲后的QPSK星座圖(信噪比 為 20dB)；
圖 10 (a)為 I6QAM 星座圖；圖10 (b)為實施例3的經(jīng)偽隨機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)后的16QAM星座圖；圖10 (c)為實施例3的經(jīng)偽隨機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)又添加噪聲后的16QAM星座圖(信噪 比為20dB)；圖10 (d)為實施例3的經(jīng)偽隨機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)又添加噪聲后的16QAM星座圖(信噪 比為15dB)；圖 11 (a)為 64QAM 星座圖；圖11 (b)為實施例3的經(jīng)偽隨機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)后的64QAM星座圖； 圖11 (c)為實施例3的經(jīng)偽隨機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)又添加噪聲后的64QAM星座圖(信噪 比為20dB)；圖11 (d)為實施例3的經(jīng)偽隨機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)又添加噪聲后的64QAM星座圖(信噪 比為15dB)。
具體實施例方式本發(fā)明提出的OFDM系統(tǒng)信號發(fā)送方法、接收方法及裝置，結(jié)合附圖和實施例詳細(xì) 說明如下。如圖1所示，依照本發(fā)明一種實施方式的OFDM系統(tǒng)信號發(fā)送方法包括步驟Si.對輸入信號進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行星座調(diào)制；S2.對星座調(diào)制后的信號進(jìn)行加密操作，包括對星座調(diào)制后的信號進(jìn)行偽隨機(jī)星 座圖旋轉(zhuǎn)，每個星座點旋轉(zhuǎn)一個隨機(jī)的角度，旋轉(zhuǎn)角度由系統(tǒng)發(fā)送端與合法接收端共同約 定；S3.對加密后的信號進(jìn)行OFDM調(diào)制后發(fā)射。在步驟S2中，每個符號旋轉(zhuǎn)一個隨機(jī)的角度，旋轉(zhuǎn)角度是OFDM物理層加密的密 鑰，這個特點有別于旋轉(zhuǎn)角度保持不變的傳統(tǒng)星座圖旋轉(zhuǎn)技術(shù)。偽隨機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)的過程 中，每個星座點不是旋轉(zhuǎn)一個固定的角度，而是星座圖上的每個星座點都要旋轉(zhuǎn)一個隨機(jī) 的角度，而每一個星座點的隨機(jī)角度就可以作為密鑰實現(xiàn)合法通信的保密。偽隨機(jī)星座圖 旋轉(zhuǎn)目的不是對抗衰落信道，而是把旋轉(zhuǎn)角度作為密鑰用于保密通信。如圖2(a)_2(c)所 示，其以16QAM為例給出了本發(fā)明方法中的偽隨機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)加密與傳統(tǒng)星座圖旋轉(zhuǎn)技術(shù) 的其別。旋轉(zhuǎn)角度(加密密鑰)由偽隨機(jī)序列發(fā)生器產(chǎn)生，通過其產(chǎn)生的序列經(jīng)過可逆線 性或非線性變換得到，且系統(tǒng)發(fā)送端與合法接收端的偽隨機(jī)序列發(fā)生器工作方式由收發(fā)雙 方共同協(xié)商確定而保持一致。在步驟S2中，加密操作還包括在經(jīng)偽隨機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)后的信號中添加設(shè)定的微 弱人為噪聲。該微弱人為噪聲具有很強(qiáng)的隨機(jī)性以及物理不可逆性。如果發(fā)送端可以獲知當(dāng)前 信道狀態(tài)信息，如通過信道估計獲得的當(dāng)前信道狀態(tài)信息或合法接收端反饋的當(dāng)前信道狀 態(tài)信息，該設(shè)定的微弱人為噪聲的添加方式可以由具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和不可逆性的實時信 道狀態(tài)信息來確定，該信道狀態(tài)信息包括(信道相位、幅度、或二者的任意組合)。如果發(fā)送端不能獲知當(dāng)前信道的信息，如基于OFDM的數(shù)字廣播系統(tǒng)，包括中國地面數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)中的TDS-OFDM系統(tǒng)，微弱人為噪聲的添加方式是發(fā)送端產(chǎn)生隨機(jī)的 高斯噪聲疊加到經(jīng)過偽隨機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)的信號上。此外，該微弱人為噪聲的功率遠(yuǎn)小于系統(tǒng)歸一化的信號功率，比如噪聲功率時信號功率的十萬分之一、或萬分之一等不同的功率等級。該噪聲對于已知隨機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)角 度的合法接收端的正確解調(diào)影響不大，而對于未知隨機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)角度的非法接收端將會 產(chǎn)生嚴(yán)重的誤碼，而且該人為噪聲消除了非法接收端在信道噪聲為零的極端最優(yōu)條件下通 過窮舉等方式破譯密鑰的可能性。本發(fā)明的方法中的偽隨機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)以及添加設(shè)定噪聲可以用于有效數(shù)據(jù)部分， 也可以用于導(dǎo)頻部分，還可以用于OFDM系統(tǒng)中的頻域訓(xùn)練序列。即在步驟S2中可包括對 星座調(diào)制后的信號的數(shù)據(jù)部分進(jìn)行偽隨機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)和/或添加設(shè)定噪聲、和/或?qū)π亲?調(diào)制后的信號的導(dǎo)頻進(jìn)行偽隨機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)和/或添加設(shè)定噪聲、和/或?qū)π亲{(diào)制后的 訓(xùn)練序列進(jìn)行偽隨機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)和/或添加設(shè)定噪聲。繼續(xù)如圖1所示，依照本發(fā)明一種實施方式的OFDM系統(tǒng)信號發(fā)送方法發(fā)送的信號 在合法接收端的信號接收方法包括步驟S4.對接收到的信號進(jìn)行OFDM解調(diào)；S5.對OFDM解調(diào)后的信號進(jìn)行解密操作，包括對OFDM解調(diào)后的信號進(jìn)行偽隨機(jī)星 座圖逆旋轉(zhuǎn)，每個星座點的旋轉(zhuǎn)角度為由系統(tǒng)發(fā)送端與合法接收端所共同約定的角度，非 法接收端不知道該偽隨機(jī)旋轉(zhuǎn)角度是無法正確恢復(fù)信號的。S6.對解密后的信號進(jìn)行星座解調(diào)后，進(jìn)行并/串轉(zhuǎn)換，得到發(fā)送端的輸入信號。依照本發(fā)明一種實施方式的OFDM系統(tǒng)發(fā)送端信號發(fā)送裝置包括發(fā)送端前處理 模塊，用于對輸入信號進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行星座調(diào)制；加密模塊，用于對星座調(diào)制后的 信號進(jìn)行加密操作，包括星座旋轉(zhuǎn)單元，用于對星座調(diào)制后的信號進(jìn)行偽隨機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)， 每個星座點旋轉(zhuǎn)一個隨機(jī)的角度，旋轉(zhuǎn)角度由系統(tǒng)發(fā)送端與合法接收端共同約定；發(fā)送端 后處理模塊，用于對加密后信號進(jìn)行OFDM調(diào)制后發(fā)射。其中，加密模塊還包括噪聲添加單 元，用于在經(jīng)偽隨機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)后的信號中添加設(shè)定噪聲。依照本發(fā)明一種實施方式的OFDM系統(tǒng)接收端信號接收裝置包括接收端前處理 模塊，用于對接收到的信號進(jìn)行OFDM解調(diào)；解密模塊，用于對OFDM解調(diào)后的信號進(jìn)行解 密操作，包括星座逆旋轉(zhuǎn)單元，用于對OFDM解調(diào)后的信號進(jìn)行偽隨機(jī)星座圖逆旋轉(zhuǎn)，每個 星座點的旋轉(zhuǎn)角度為由系統(tǒng)發(fā)送端與合法接收端所共同約定的隨機(jī)角度；接收端后處理模 塊，用于對解密后的信號進(jìn)行星座解調(diào)后，進(jìn)行并/串轉(zhuǎn)換，得到發(fā)送端的輸入信號實施例1本實施例以CP-OFDM系統(tǒng)為例，說明本發(fā)明的方法及裝置，本發(fā)明的方法及裝置 的應(yīng)用，提高的該系統(tǒng)的加密型和可靠性。CP-OFDM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖3所示，數(shù)據(jù)幀由CP以及OFDM數(shù)據(jù)構(gòu)成，具體實 現(xiàn)時，幀體OFDM數(shù)據(jù)經(jīng)過本發(fā)明方法中的偽隨機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)以及微弱人為噪聲的添加，而 幀頭CP前綴不經(jīng)過這些過程。如圖4所示，為應(yīng)用本發(fā)明方法的本實施例的CP-OFDM系統(tǒng)框圖。該系統(tǒng)發(fā)送及 接收信號的方法包括步驟S101.對輸入信號進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換后進(jìn)行星座調(diào)制；
S102.對星座調(diào)制后的信號進(jìn)行偽隨機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度就是OFDM物理層加 密的密鑰，而旋轉(zhuǎn)角度(加密密鑰)由收發(fā)端協(xié)商得到的偽隨機(jī)序列發(fā)生器產(chǎn)生。信號波 形集可以表示為 式中，Sk表示第k個子載波上的原始頻域符號，θ k為第k個子載波上頻域信號的 隨機(jī)相位旋轉(zhuǎn)角度，Rk為旋轉(zhuǎn)后的頻域信號，N為子載波總數(shù)。旋轉(zhuǎn)的隨機(jī)角度θ k可根據(jù)偽隨機(jī)序列發(fā)生器產(chǎn)生的序列經(jīng)過可逆的線性或者非 線性變換來得到。圖5給出了旋轉(zhuǎn)角度ek產(chǎn)生方式的實施例，其中ek由的κ位線性反饋 移位寄存器產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列中某m位所對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)nk來決定
對于所選取的位數(shù)m及其對應(yīng)的選擇方法，圖6(a)和圖6(b)分別給出了兩種具 體的實施例示意圖；S103.根據(jù)隨機(jī)的實時的信道狀態(tài)信息(包括信道估計的相位、幅度或者二者的 組合)來添加微弱的干擾噪聲；信道狀態(tài)信息可以由發(fā)送端進(jìn)行信道估計來得到，也可以通過反饋鏈路得到接收 端所獲知的信道信息；假設(shè)獲知的信道信息為 則疊加微弱人為噪聲的過程可表示為 其中A(Hk)表示與信道信息Hk相關(guān)的函數(shù)，P表示所疊加的噪聲功率大小，Nk表 示疊加微弱人為噪聲后的信號；具體而言，A(Hk)可以為A(Hk) =Hk，或A(Hk) = |Hk|，或
，其中a、b為任意復(fù)數(shù)；噪聲功率P可以為P = 102(相當(dāng)于歸一化信噪比為20dB)，或P= 103(相當(dāng)于歸 一化信噪比為30dB)；或P = 104(相當(dāng)于歸一化信噪比為40dB)。如發(fā)送端不能獲知當(dāng)前信道狀態(tài)信息，則添加隨機(jī)的高斯人為噪聲；S104.對加密并加噪后的頻域信號進(jìn)行IDFT(離散傅立葉逆變換)變換，轉(zhuǎn)換為時 域信號，實現(xiàn)OFDM調(diào)制；S105.添加CP循環(huán)前綴并發(fā)射。接收端接收上述信號的接收方法包括步驟S106.去除 CP ；S107.對去除CP的接收信號進(jìn)行DFT (離散傅立葉變換)變換，實現(xiàn)OFDM解調(diào)；S108.根據(jù)偽隨機(jī)序列發(fā)生器產(chǎn)生的相位，對接收到的星座調(diào)制圖進(jìn)行偽隨機(jī)逆 旋轉(zhuǎn)；S109.并/串轉(zhuǎn)換進(jìn)而解調(diào)恢復(fù)發(fā)送端的輸入信號。由以上實施例可以看出，本發(fā)明的實施例通過合理、充分的利用無線信道的特性， 并采用偽隨機(jī)發(fā)生器產(chǎn)生的相位作為OFDM吳立成加密密鑰，實現(xiàn)了通信物理層的加密；同時，利用收發(fā)端之間信道物理不可逆的特點，在星座調(diào)制面上疊加人為噪聲，使竊聽者的信 道估計性能急劇惡化，進(jìn)而保證了系統(tǒng)的加密性能。實施例2本實施例以TDS-0FDM系統(tǒng)為例，如背景技術(shù)中所介紹到的，我國現(xiàn)行的地面數(shù)字 電視標(biāo)準(zhǔn)沒有加密功能，而本發(fā)明提出的OFDM系統(tǒng)的物理層加密方法也可用于TDS-0FDM 系統(tǒng)，從而提高我國數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)在軍事應(yīng)用等方面的安全性。本實施例的TDS-0FDM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖7所示，保護(hù)間隔填充的既可以是單 載波的時域PN序列，也可以是多載波形式的頻域PN序列(PN-MC，multi-carrier PN)，即 將取值為_1、1的頻域PN序列進(jìn)行IDFT變換后得到時域序列，單載波時域PN序列或多載 波PN-MC序列均可以作為OFDM幀體數(shù)據(jù)的保護(hù)間隔。本實施例中對PN-MC也按照對幀體數(shù)據(jù)部分類似的偽隨機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)以及微弱 噪聲添加的方式進(jìn)行處理，具體處理方法類似于實施例1中的幀體數(shù)據(jù)。圖8為本實施例的TDS-0FDM系統(tǒng)框圖，該系統(tǒng)收發(fā)信號方法如下S201.對輸入信號進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換以及星座圖映射；S202.對幀體數(shù)據(jù)進(jìn)行實施例1中的步驟S102-103的處理；S203.對幀頭數(shù)據(jù)(PN-MC序列)進(jìn)行實施例1中的步驟S102-103的處理；S204.對經(jīng)上述處理后的信號進(jìn)行IDFT變換并發(fā)射。幀體數(shù)據(jù)、幀頭數(shù)據(jù)的上述處理的具體參數(shù)(如星座圖旋轉(zhuǎn)角度的獲取方式以及 人為噪聲功率的大小等)可以相同，也可以不同。由于TDS-0FDM系統(tǒng)的發(fā)送端不能獲取實時的信道狀態(tài)信息，所以微弱的人為噪 聲的添加方式采用發(fā)送端產(chǎn)生的隨機(jī)高斯噪聲。本實施例的TDS-0FDM系統(tǒng)的接收端接收信號時依次對接收信號進(jìn)行PN序列偽隨 機(jī)星座圖逆旋轉(zhuǎn)、信道估計、DFT變換、偽隨機(jī)星座圖逆旋轉(zhuǎn)、星座解映射、以及并/串轉(zhuǎn)換， 恢復(fù)發(fā)送端的輸入信號。實施例3本實施例的方法可支持QPSK、16QAM、64QAM等星座調(diào)制方式。本實施例的方法中 取2000個輸入符號，假定發(fā)送端不能進(jìn)行信道估計，而是采用隨機(jī)添加微弱噪聲的方式。 偽隨機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)及疊加人為弱噪聲過程的示意圖如圖9(a)_9(d)、圖10(a)-10(d)、圖 11 (a)-11(d)所示，圖中可以分別看出按照不同信噪比添加人為弱噪聲的結(jié)果。以上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通 技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有 等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
10
權(quán)利要求
一種OFDM系統(tǒng)信號發(fā)送方法，其特征在于，該方法包括步驟S1.對輸入信號進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行星座調(diào)制；S2.對星座調(diào)制后的信號進(jìn)行加密操作，包括對所述星座調(diào)制后的信號進(jìn)行偽隨機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)，每個星座點旋轉(zhuǎn)一個隨機(jī)的角度，旋轉(zhuǎn)角度由系統(tǒng)發(fā)送端與合法接收端共同約定；S3.對加密后的信號進(jìn)行OFDM調(diào)制后發(fā)射。
2.如權(quán)利要求1所述的OFDM系統(tǒng)信號發(fā)送方法，其特征在于，在步驟S2中，所述加密 操作還包括在經(jīng)偽隨機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)后的信號中添加設(shè)定噪聲。
3.如權(quán)利要求1所述的OFDM系統(tǒng)信號發(fā)送方法，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)角度由偽隨機(jī) 序列發(fā)生器生成的序列經(jīng)可逆線性或非線性變換得到，所述偽隨機(jī)序列發(fā)生器的工作方式 由發(fā)送端與合法接收端協(xié)商確定。
4.如權(quán)利要求2中所述的OFDM系統(tǒng)信號發(fā)送方法，其特征在于，所述加密操作包括 對所述星座調(diào)制后的信號的數(shù)據(jù)部分進(jìn)行偽隨機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)和/或添加設(shè)定噪聲、和/或 對所述星座調(diào)制后的信號的導(dǎo)頻進(jìn)行偽隨機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)和/或添加設(shè)定噪聲、和/或?qū)λ?述星座調(diào)制后的訓(xùn)練序列進(jìn)行偽隨機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)和/或添加設(shè)定噪聲。
5.如權(quán)利要求2所述的OFDM系統(tǒng)信號發(fā)送方法，其特征在于，所述設(shè)定噪聲的添加方 式為根據(jù)信道估計獲得的當(dāng)前信道狀態(tài)信息或合法接收端反饋的當(dāng)前信道狀態(tài)信息中的 信道相位、幅度、或信道相位和幅度的組合來添加所述設(shè)定噪聲；或?qū)⑾到y(tǒng)發(fā)送端生成隨機(jī)高斯噪聲疊加到經(jīng)所述偽隨機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)的信號上。
6.如權(quán)利要求5所述的OFDM系統(tǒng)信號發(fā)送方法，其特征在于，所述設(shè)定噪聲的功率小 于系統(tǒng)歸一化的信號功率。
7.一種按照如權(quán)利要求1-6任一項所述的OFDM系統(tǒng)信號發(fā)送方法發(fā)送的信號的接收 方法，其特征在于，該方法包括步驟54.對接收到的信號進(jìn)行OFDM解調(diào)；55.對OFDM解調(diào)后的信號進(jìn)行解密操作，包括對所述OFDM解調(diào)后的信號進(jìn)行偽隨機(jī)星 座圖逆旋轉(zhuǎn)，每個星座點的旋轉(zhuǎn)角度為由系統(tǒng)發(fā)送端與合法接收端所共同約定的角度；56.對解密后的信號進(jìn)行星座解調(diào)后，進(jìn)行并/串轉(zhuǎn)換，得到發(fā)送端的輸入信號。
8.一種OFDM系統(tǒng)發(fā)送端信號發(fā)送裝置，其特征在于，該裝置包括發(fā)送端前處理模塊，用于對輸入信號進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行星座調(diào)制；加密模塊，用于對星座調(diào)制后的信號進(jìn)行加密操作，包括星座旋轉(zhuǎn)單元，用于對所述星 座調(diào)制后的信號進(jìn)行偽隨機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)，每個星座點旋轉(zhuǎn)一個隨機(jī)的角度，旋轉(zhuǎn)角度由系 統(tǒng)發(fā)送端與合法接收端共同約定；發(fā)送端后處理模塊，用于對加密后信號進(jìn)行OFDM調(diào)制后發(fā)射。
9.如權(quán)利要求8所述的OFDM系統(tǒng)發(fā)送端信號發(fā)送裝置，其特征在于，所述加密模塊還 包括噪聲添加單元，用于在經(jīng)偽隨機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)后的信號中添加設(shè)定噪聲。
10.一種OFDM系統(tǒng)接收端信號接收裝置，其特征在于，該裝置包括接收端前處理模塊，用于對接收到的信號進(jìn)行OFDM解調(diào)；解密模塊，用于對OFDM解調(diào)后的信號進(jìn)行解密操作，包括星座逆旋轉(zhuǎn)單元，用于對所 述OFDM解調(diào)后的信號進(jìn)行偽隨機(jī)星座圖逆旋轉(zhuǎn)，每個星座點的旋轉(zhuǎn)角度為由系統(tǒng)發(fā)送端 與合法接收端所共同約定的角度； 接收端后處理模塊，用于對解密后的信號進(jìn)行星座解調(diào)后，進(jìn)行并/串轉(zhuǎn)換，得到發(fā)送 端的輸入信號。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種OFDM系統(tǒng)信號發(fā)送方法、接收方法及裝置，該方法包括步驟對輸入信號進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行星座調(diào)制；對星座調(diào)制后的信號進(jìn)行加密操作，包括對星座調(diào)制后的信號實施偽隨機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)，以及在經(jīng)偽隨機(jī)星座圖轉(zhuǎn)換后的信號中添加微弱人為噪聲，每個星座點旋轉(zhuǎn)一個隨機(jī)的角度，旋轉(zhuǎn)角度由系統(tǒng)發(fā)送端與合法接收端共同約定；然后進(jìn)行OFDM調(diào)制后發(fā)射。本發(fā)明的方法及裝置利用星座圖旋轉(zhuǎn)角度的隨機(jī)性和微弱人為噪聲的不可逆性，能夠取得更高的安全性和保密性，同時能保證和現(xiàn)有通信系統(tǒng)的兼容性。
文檔編號H04L9/00GK101867552SQ20101020191
公開日2010年10月20日 申請日期2010年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月10日
發(fā)明者戴凌龍, 潘長勇, 王軍, 王昭誠, 馬瑞豐 申請人:清華大學(xué)