基于空間調(diào)制和上層密鑰流的mimo跨層安全通信系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于空間調(diào)制和上層密鑰流的MIMO跨層安全通信系統(tǒng)及方法,SM安全調(diào)制模塊先根據(jù)天線控制序列進(jìn)行天線序號(hào)映射，并激活相應(yīng)天線，再根據(jù)符號(hào)控制序列在其上發(fā)射數(shù)字調(diào)制符號(hào)或變形的數(shù)字調(diào)制符號(hào)；SM安全解調(diào)模塊先根據(jù)天線控制序列進(jìn)行天線序號(hào)解映射，再根據(jù)符號(hào)控制序列進(jìn)行數(shù)字符號(hào)解調(diào)，最終將解調(diào)的兩部分信息合并，恢復(fù)出原始信號(hào)；在MIMO空間調(diào)制系統(tǒng)下通過設(shè)計(jì)空間調(diào)制方案并與上層密碼技術(shù)結(jié)合，將只有合法雙方共享的密鑰流作為控制序列，控制SM的映射和解映射規(guī)則，只有合法接收者才可以采用合理的解調(diào)算法得到正確的發(fā)射信息，從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的無線通信加密方式，防止了信息泄露。
【專利說明】
基于空間調(diào)制和上層密鑰流的ΜI MO跨層安全通信系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信系統(tǒng)安全技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于空間調(diào)制和上層密 鑰流的Μ頂0跨層安全通信系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線信道的開放性和廣播性，使得合法用戶的通信信息非常容易遭受非法用戶及 竊聽者的監(jiān)聽或截獲，由于傳統(tǒng)的安全通信都是建立在物理層之上，基于計(jì)算不可破密碼 安全措施，即便目前方興未艾的物理層安全傳輸研究，也對(duì)通信系統(tǒng)環(huán)境依賴很大，具有統(tǒng) 計(jì)特性不能保證概率為1的安全性能，不滿足實(shí)際系統(tǒng)的安全需求；因此，無線通信的跨層 增強(qiáng)安全技術(shù)已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。
[0003] 多輸入多輸出(ΜΙΜΟ)技術(shù)，采用多根天線來并行傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)流，能夠在不增加 帶寬的前提下，大幅度增加信道的容量以及頻譜利用率;然而，在ΜΜ0系統(tǒng)中，由于無線彌 散，多徑及信道之間彼此相互干擾，同步困難，導(dǎo)致接收機(jī)在對(duì)發(fā)送信息譯碼時(shí)誤碼率急劇 上升，較大的成本與開銷換來通信的可靠性差強(qiáng)人意。
[0004] 空間調(diào)制技術(shù)很好的彌補(bǔ)了ΜΜ0系統(tǒng)的缺陷，與傳統(tǒng)的空時(shí)碼不同的是，我們將 利用天線序號(hào)來作為額外的承載信息比特的載體;同一時(shí)隙內(nèi)發(fā)射端天線只有一根是處于 激活狀態(tài)的用于傳輸調(diào)制后的剩余信息，接收端需要完成激活天線序號(hào)的估計(jì)和傳輸符號(hào) 解調(diào);空間調(diào)制避免了多根天線同時(shí)發(fā)射信號(hào)時(shí)產(chǎn)生的信道間干擾和發(fā)射天線需要同步的 問題，大大提高了頻譜利用率，也節(jié)約了系統(tǒng)成本;如圖1所示，為傳統(tǒng)的空間調(diào)制示意圖， 二進(jìn)制信源序列一部分用于數(shù)字信號(hào)調(diào)制，另一部分用于天線序號(hào)映射，由于無線通信信 道的隨機(jī)性，接收端通過信道之間的差異性對(duì)發(fā)送信息流正確譯碼;其擁有消除ICI和IAS、 低誤碼率、低成本、高能效等諸多優(yōu)點(diǎn)；空間調(diào)制可以和未來發(fā)射端配置上百根天線的 large Μ頂0相結(jié)合，在未來的5G無線通信系統(tǒng)中會(huì)有所作為。
[0005] 但是，這種ΜΜ0空間調(diào)制技術(shù)在信息安全上依然有一定的缺陷，保證ΜΜ0空間調(diào) 制系統(tǒng)的信息安全成為了需要解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于空間調(diào)制和上層密鑰流的 Μ頂0跨層安全通信系統(tǒng)及方法，在ΜΜ0空間調(diào)制系統(tǒng)下通過設(shè)計(jì)空間調(diào)制方案并與上層密 碼技術(shù)結(jié)合，充分利用信道的噪聲特性，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的無線通信加密方式，防止信息泄露。
[0007] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：基于空間調(diào)制和上層密鑰流的MMO 跨層安全通信系統(tǒng)，包括發(fā)射端、接收端、控制序列產(chǎn)生端和無線信道；
[0008] 所述的控制序列產(chǎn)生端用于產(chǎn)生天線控制序列ΖΝΤ和符號(hào)控制序列FMd;
[0009] 所述的無線信道用于發(fā)射端和接收端之間的數(shù)據(jù)傳輸；
[0010] 所述的發(fā)射端包括信源、SM安全調(diào)制模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊和射頻發(fā)射模塊;信源用 于為SM安全調(diào)制模塊輸入信號(hào)序列;SM安全調(diào)制模塊用于根據(jù)天線控制序列Z NT和符號(hào)控制 序列FMd對(duì)輸入的信號(hào)序列進(jìn)行跨層空間調(diào)制，得到天線映射序號(hào)和調(diào)制數(shù)據(jù);所述的數(shù)模 轉(zhuǎn)換模塊用于將調(diào)制數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換;射頻發(fā)射模塊用于根據(jù)天線映射序號(hào)激活對(duì)應(yīng)天 線將數(shù)模轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)發(fā)送到無線信道中；
[0011] 所述的接收端包括射頻接收模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)檢測(cè)估計(jì)模塊和SM安全解 調(diào)模塊;射頻接收模塊用于從無線信道中接收數(shù)據(jù);模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊用于對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn) 行模數(shù)轉(zhuǎn)換，信號(hào)檢測(cè)估計(jì)模塊用于對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)估計(jì);SM安全解調(diào)模 塊用于根據(jù)天線控制序列Znt和符號(hào)控制序列F Md對(duì)檢測(cè)估計(jì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行跨層空間解 調(diào)，并輸出數(shù)據(jù)。
[0012] 所述的天線控制序列Znt和符號(hào)控制序列FmQd為合法通信雙方預(yù)先共享的上層密鑰 流;通信雙方根據(jù)需要選擇作為發(fā)射端或者是接收端。
[0013] 所述SM安全調(diào)制模塊包括串并轉(zhuǎn)換子模塊、天線序號(hào)映射子模塊和數(shù)字調(diào)制子模 塊；串并轉(zhuǎn)換子模塊用于將來自信源的信號(hào)序列分成天線信息和傳輸信息兩組序列，并將 天線信息輸出至天線序號(hào)映射子模塊，將傳輸信息輸出至數(shù)字調(diào)制子模塊;天線序號(hào)映射 子模塊用于根據(jù)天線控制序列Znt對(duì)天線信息進(jìn)行天線序號(hào)映射;數(shù)字調(diào)制子模塊用于根據(jù) 符號(hào)控制序列F?d對(duì)傳輸信息進(jìn)行常規(guī)數(shù)字調(diào)制或變形數(shù)字調(diào)制。
[0014] 所述SM安全解調(diào)模塊包括天線序號(hào)解映射子模塊、數(shù)字解調(diào)子模塊和并串轉(zhuǎn)換子 模塊;天線序號(hào)解映射子模塊用于根據(jù)天線控制序列對(duì)估計(jì)到的天線序號(hào)解映射得到天線 信息;數(shù)字解調(diào)子模塊用于根據(jù)符號(hào)控制序列對(duì)檢測(cè)估計(jì)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行常規(guī)數(shù)字解調(diào)或變 形數(shù)字解調(diào)得到傳輸信息;并串轉(zhuǎn)換子模塊用于將天線信息與傳輸信息重組并輸出。
[0015] 所述的信源為二進(jìn)制信源。
[0016] 所述的基于空間調(diào)制和上層密鑰流的Mnro跨層安全通信系統(tǒng)進(jìn)行通信的方法，包 括以下步驟：
[0017] S1.控制序列產(chǎn)生端產(chǎn)生天線控制序列ΖΝΤ和符號(hào)控制序列FMd，并將產(chǎn)生的序列共 享給發(fā)射端和接收端；
[0018] S2.發(fā)射端信源產(chǎn)生二進(jìn)制信源序列，SM安全調(diào)制模塊根據(jù)天線控制序列ZNT和符 號(hào)控制序列F?d對(duì)二進(jìn)制信源序列進(jìn)行跨層空間調(diào)制，得到天線映射序號(hào)和調(diào)制數(shù)據(jù)；
[0019] S3.射頻發(fā)射模塊根據(jù)天線映射序號(hào)激活對(duì)應(yīng)天線；
[0020] S4.數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊對(duì)調(diào)制數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換得到的模擬信號(hào)傳輸給射 頻發(fā)射模塊，通過激活的天線發(fā)射到無線信道；
[0021] S5.接收端的射頻接收模塊從無線信道中接收信號(hào)，將接收到的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn) 換；
[0022] S6.信號(hào)檢測(cè)估計(jì)模塊進(jìn)行信道估計(jì)和信號(hào)檢測(cè)估計(jì)，得到天線序號(hào)和估計(jì)數(shù)據(jù)；
[0023] S7 . SM安全解調(diào)模塊根據(jù)天線控制序列ZNT和符號(hào)控制序列FMd對(duì)天線序號(hào)和估計(jì) 數(shù)據(jù)進(jìn)行跨層空間解調(diào)，并輸出數(shù)據(jù)。
[0024] 所述的步驟S2包括以下子步驟：
[0025] S21.信源產(chǎn)生二進(jìn)制信源序列，串并轉(zhuǎn)換子模塊將二進(jìn)制信源序列分成天線信息 和傳輸信息兩組序列；
[0026] S22 .在一個(gè)幀時(shí)隙中，天線序號(hào)映射子模塊檢測(cè)此刻的天線控制序列值21，并根 據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)天線信息1 1=(&1，&2，-1)進(jìn)行天線序號(hào)1映射：
[0027] (1)若zi = 0，l = [2k-jk-2，···2，1] · χιτ+1;
[0028] (2)若Zi=l，l=Nt_[2k-2，···2，1] · Χ1Τ;
[0029] 其中，k為天線信息中的元素個(gè)數(shù)，X1T為天線信息^的轉(zhuǎn)置，Nt為射頻發(fā)射模塊中 天線的個(gè)數(shù);隨后，根據(jù)映射結(jié)果發(fā)送信號(hào)至射頻發(fā)射模塊激活1號(hào)天線；
[0030] S23.在與步驟S22相同的幀時(shí)隙中各個(gè)符號(hào)周期，數(shù)字調(diào)制子模塊檢測(cè)符號(hào)控制 序列值t，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)該符號(hào)周期的傳輸信息 X2= (ak+1，ak+2，-1+3)進(jìn)行調(diào)制：
[0031] (1)若f j = 0，則進(jìn)行BPSK/QPSK/QAM的常規(guī)數(shù)字調(diào)制；
[0032] (2)若fj = 1，則先進(jìn)行BPSK/QPSK/QAM的常規(guī)數(shù)字調(diào)制，再將所得符號(hào)進(jìn)行變形， 使得映射比特位完全相反，即信號(hào)漢明距離最大；
[0033]其中，d為傳輸信息中的元素個(gè)數(shù);隨后，將調(diào)制數(shù)據(jù)輸入數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊。
[0034] 所述的步驟S7包括以下子步驟：
[0035] S71.在一個(gè)幀時(shí)隙中，天線序號(hào)解映射子模塊檢查此刻的天線控制序列值Zl，并 根據(jù)檢查結(jié)果對(duì)估計(jì)到的天線序號(hào)解映射得到天線信息 yi= (bi，b2，…匕）：
[0036] (1)若Zi = 0,將1-1解映射為二進(jìn)制比特；
[0037] (2)若Zi=l，將Nt-Ι解映射為二進(jìn)制比特；
[0038] S72.在步驟S61相同的幀時(shí)隙中的各個(gè)符號(hào)周期，數(shù)字解調(diào)子模塊檢測(cè)符號(hào)控制 序列值并根據(jù)檢查結(jié)果對(duì)該符號(hào)周期的估計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)得到傳輸信息y 2=(bk+1， bk+2, ???bk+d)；
[0039] (1)若fj = 0，則進(jìn)行BPSK/QPSK/QAM的常規(guī)數(shù)字解調(diào)；
[0040] (2)若fj = 1，則先進(jìn)行BPSK/QPSK/QAM的常規(guī)數(shù)字解調(diào)，再將所得符號(hào)進(jìn)行變形， 使得映射比特位完全相反，即信號(hào)漢明距離最大；
[0041] S73.并串轉(zhuǎn)換子模塊將天線信息yi與傳輸信息y2重組并輸出。
[0042] 所述的天線控制序列ZNT和符號(hào)控制序列FMd為合法通信雙方預(yù)先共享的上層密鑰 流，天線控制序列Z NT控制天線序號(hào)的映射/解映射規(guī)則，符號(hào)控制序列FMd控制數(shù)字調(diào)制/ 解調(diào)的規(guī)則。
[0043]本發(fā)明的有益效果是：（1)提供一種基于空間調(diào)制和上層密鑰流聯(lián)合的ΜΜ0跨層 安全通信系統(tǒng)及方法，在ΜΜ0空間調(diào)制系統(tǒng)下通過設(shè)計(jì)空間調(diào)制方案并與上層密碼技術(shù)結(jié) 合，充分利用信道的噪聲特性，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的無線通信加密方式，防止信息泄露。
[0044] (2)結(jié)合使用合法通信雙方共享的兩種控制序列，同時(shí)對(duì)空域映射和數(shù)字調(diào)制進(jìn) 行雙重跨層加密，有效防止非法用戶竊聽或者截獲信息，極大地提高了通信可靠性。
[0045] (3)將密鑰流作為控制序列分別控制天線序號(hào)的映射/解映射規(guī)則以及數(shù)字調(diào)制/ 解調(diào)的規(guī)則；合法接收者已知密鑰流的具體形式，可以判決采用合理的解調(diào)算法譯出正確 的發(fā)射信息；而非法竊聽者并不知道空間調(diào)制已經(jīng)過跨層加密，采用常規(guī)的空間解調(diào)方法， 或者完全猜測(cè)兩個(gè)控制序列按照類似合法接收者的解調(diào)算法進(jìn)行譯碼，很難恢復(fù)出正確的 發(fā)射信息。
[0046] (4)本發(fā)明在信噪比和數(shù)字調(diào)制方式改變的情況下，合法用戶均具有良好的接收 性能，同時(shí)使得竊聽者具有穩(wěn)定的誤比特率和誤幀率。
【附圖說明】
[0047]圖1為傳統(tǒng)的空間調(diào)制原理圖；
[0048]圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)原理框圖；
[0049]圖3為SM安全調(diào)制模塊的原理框圖；
[0050]圖4為SM安全解調(diào)模塊的原理框圖；
[0051]圖5為本發(fā)明的方法流程圖；
[0052] 圖6為4天線QPSK調(diào)制Gray碼映射空間調(diào)制星座圖；
[0053]圖7為實(shí)施例一中天線序號(hào)映射表；
[0054]圖8為實(shí)施例一中QPSK調(diào)制Gray碼映射星座圖和變形信號(hào)星座選擇示意圖；
[0055]圖9為實(shí)施例一中QPSK調(diào)制Gray碼映射和變形信號(hào)映射表。
[0056]圖10為實(shí)施例一中四發(fā)四收BPSK/QPSK/8PSK調(diào)制系統(tǒng)FER性能仿真圖；
[0057]圖11為實(shí)施例一中四發(fā)四收BPSK/QPSK/8PSK調(diào)制系統(tǒng)BER性能仿真圖；
[0058] 圖12為實(shí)施例一種四發(fā)四收BPSK/QPSK/8PSK ΜΙΜΟ傳統(tǒng)空間調(diào)制系統(tǒng)BER性能仿 真圖。
【具體實(shí)施方式】
[0059] 下面結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于 以下所述。
[0060] 本發(fā)明充分利用空間調(diào)制系統(tǒng)的雙重調(diào)制方式設(shè)計(jì)受控的空間調(diào)制;合法通信雙 方預(yù)先共享兩種二元偽隨機(jī)序列構(gòu)成的密鑰流，將一種密鑰流作為天線控制序列控制天線 序號(hào)映射/解映射規(guī)則，將另一種密鑰流作為符號(hào)控制序列控制數(shù)字調(diào)制/解調(diào)規(guī)則;合法 接收方知道密鑰流的具體形式，可以采用合理的解調(diào)算法譯出正確的發(fā)射信息。
[0061] 如圖2所示，基于空間調(diào)制和上層密鑰流的ΜΜ0跨層安全通信系統(tǒng)，包括發(fā)射端、 接收端、控制序列產(chǎn)生端和無線信道；
[0062]所述的控制序列產(chǎn)生端用于產(chǎn)生二元偽隨機(jī)的天線控制序列ΖΝΤ和符號(hào)控制序列 Fm〇d ;
[0063] 所述的無線信道用于發(fā)射端和接收端之間的數(shù)據(jù)傳輸；
[0064] 所述的發(fā)射端包括信源、SM安全調(diào)制模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊和射頻發(fā)射模塊;信源用 于為SM安全調(diào)制模塊輸入信號(hào)序列;SM安全調(diào)制模塊用于根據(jù)天線控制序列Z NT和符號(hào)控制 序列FMd對(duì)輸入的信號(hào)序列進(jìn)行跨層空間調(diào)制，得到天線映射序號(hào)和調(diào)制數(shù)據(jù);所述的數(shù)模 轉(zhuǎn)換模塊用于將調(diào)制數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換;射頻發(fā)射模塊用于根據(jù)天線映射序號(hào)激活對(duì)應(yīng)天 線將數(shù)模轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)發(fā)送到無線信道中；
[0065] 所述的接收端包括射頻接收模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)檢測(cè)估計(jì)模塊和SM安全解 調(diào)模塊;射頻接收模塊用于從無線信道中接收數(shù)據(jù);模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊用于對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn) 行模數(shù)轉(zhuǎn)換，信號(hào)檢測(cè)估計(jì)模塊用于對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)估計(jì);SM安全解調(diào)模 塊用于根據(jù)天線控制序列Znt和符號(hào)控制序列F Md對(duì)檢測(cè)估計(jì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行跨層空間解 調(diào)，并輸出數(shù)據(jù)。
[0066] 所述的天線控制序列Znt和符號(hào)控制序列FMd為合法通信雙方預(yù)先共享的上層密鑰 流;通信雙方根據(jù)需要選擇作為發(fā)射端或者是接收端。
[0067] 如圖3所示，所述SM安全調(diào)制模塊包括串并轉(zhuǎn)換子模塊、天線序號(hào)映射子模塊和數(shù) 字調(diào)制子t吳塊；
[0068] 串并轉(zhuǎn)換子模塊用于將來自信源的信號(hào)序列分成天線信息和傳輸信息兩組序列， 并將天線信息輸出至天線序號(hào)映射子模塊，將傳輸信息輸出至數(shù)字調(diào)制子模塊;天線序號(hào) 映射子模塊用于根據(jù)天線控制序列Znt對(duì)天線信息進(jìn)行天線序號(hào)映射，得到天線映射序號(hào)， 發(fā)送給射頻發(fā)射模塊以激活相應(yīng)天線(射頻發(fā)射模塊包括多根發(fā)射天線）；數(shù)字調(diào)制子模塊 用于根據(jù)符號(hào)控制序列F Md對(duì)傳輸信息進(jìn)行常規(guī)數(shù)字調(diào)制或變形數(shù)字調(diào)制，調(diào)制得到的信 號(hào)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊后通過激活的天線發(fā)射到無線信道。
[0069] 如圖4所示，所述SM安全解調(diào)模塊包括天線序號(hào)解映射子模塊、數(shù)字解調(diào)子模塊、 和并串轉(zhuǎn)換子模塊；
[0070] 射頻接收模塊(包括多根接收天線)接收到來自無線信道的信號(hào)后，先將信號(hào)進(jìn)行 模數(shù)轉(zhuǎn)換，再通過信號(hào)檢測(cè)估計(jì)模塊得到天線序號(hào)和估計(jì)數(shù)據(jù)（也就是接收到的傳輸信 息)。
[0071] 天線序號(hào)解映射子模塊用于根據(jù)天線控制序列對(duì)估計(jì)到的天線序號(hào)解映射得到 天線信息;數(shù)字解調(diào)子模塊用于根據(jù)符號(hào)控制序列對(duì)檢測(cè)估計(jì)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行常規(guī)數(shù)字解調(diào) 或變形數(shù)字解調(diào)得到傳輸信息;并串轉(zhuǎn)換子模塊用于將天線信息與傳輸信息重組并輸出。 [0072]所述的信源為二進(jìn)制信源。
[0073]如圖5所示，所述的基于空間調(diào)制和上層密鑰流的ΜΜ0跨層安全通信系統(tǒng)進(jìn)行通 信的方法，包括以下步驟：
[0074] S1.控制序列產(chǎn)生端產(chǎn)生天線控制序列ZNT和符號(hào)控制序列FMd，并將產(chǎn)生的序列共 享給發(fā)射端和接收端；
[0075] S2.發(fā)射端信源產(chǎn)生二進(jìn)制信源序列，SM安全調(diào)制模塊根據(jù)天線控制序列ZNT和符 號(hào)控制序列F?d對(duì)二進(jìn)制信源序列進(jìn)行跨層空間調(diào)制，得到天線映射序號(hào)和調(diào)制數(shù)據(jù)；
[0076] S3.射頻發(fā)射模塊根據(jù)天線映射序號(hào)激活對(duì)應(yīng)天線；
[0077] S4.數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊對(duì)調(diào)制數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換得到的模擬信號(hào)傳輸給射 頻發(fā)射模塊，通過激活的天線發(fā)射到無線信道；
[0078] S5.接收端的射頻接收模塊從無線信道中接收信號(hào)，將接收到的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn) 換；
[0079] S6.信號(hào)檢測(cè)估計(jì)模塊進(jìn)行信道估計(jì)和信號(hào)檢測(cè)估計(jì)，得到天線序號(hào)和估計(jì)數(shù)據(jù)；
[0080] S7 . SM安全解調(diào)模塊根據(jù)天線控制序列ZNT和符號(hào)控制序列FMd對(duì)天線序號(hào)和估計(jì) 數(shù)據(jù)進(jìn)行跨層空間解調(diào)，并輸出數(shù)據(jù)。
[0081] 所述的步驟S2包括以下子步驟：
[0082] S21.信源產(chǎn)生二進(jìn)制信源序列，串并轉(zhuǎn)換子模塊將二進(jìn)制信源序列分成天線信息 和傳輸信息兩組序列；
[0083] S22 .在一個(gè)幀時(shí)隙中，天線序號(hào)映射子模塊檢測(cè)此刻的天線控制序列值21，并根 據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)天線信息1 1=(&1，&2，-1)進(jìn)行天線序號(hào)1映射：
[0084] (1)若zi = 0，l = [2k-2，···2，1] · χιτ+1;
[0085] (2)若Zi=l，l=Nt_[2k-2，···2，1] · Χ1Τ;
[0086] 其中，k為天線信息中的元素個(gè)數(shù)，X1T為天線信息^的轉(zhuǎn)置，Nt為射頻發(fā)射模塊中 天線的個(gè)數(shù);隨后，根據(jù)映射結(jié)果發(fā)送信號(hào)至射頻發(fā)射模塊激活1號(hào)天線；
[0087] S23.在與步驟S22相同的幀時(shí)隙中各個(gè)符號(hào)周期，數(shù)字調(diào)制子模塊檢測(cè)符號(hào)控制 序列值t，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)該符號(hào)周期的傳輸信息 X2= (ak+1，ak+2，-1+3)進(jìn)行調(diào)制：
[0088] (1)若f j = 0，則進(jìn)行BPSK/QPSK/QAM的常規(guī)數(shù)字調(diào)制；
[0089] (2)若fj = 1，則先進(jìn)行BPSK/QPSK/QAM的常規(guī)數(shù)字調(diào)制，再將所得符號(hào)進(jìn)行變形， 使得映射比特位完全相反，即信號(hào)漢明距離最大；
[0090] 其中，d為傳輸信息中的元素個(gè)數(shù);隨后，將調(diào)制數(shù)據(jù)輸入數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊。
[0091] 所述的步驟S7包括以下子步驟：
[0092] S71.在一個(gè)幀時(shí)隙中，天線序號(hào)解映射子模塊檢查此刻的天線控制序列值Zl，并 根據(jù)檢查結(jié)果對(duì)估計(jì)到的天線序號(hào)解映射得到天線信息 yi= (bi，b2，…匕）：
[0093] (1)若Zi = 0,將1-1解映射為二進(jìn)制比特；
[0094] (2)若Zi=l，將Nt-Ι解映射為二進(jìn)制比特；
[0095] S72.在步驟S61相同的幀時(shí)隙中的各個(gè)符號(hào)周期，數(shù)字解調(diào)子模塊檢測(cè)符號(hào)控制 序列值并根據(jù)檢查結(jié)果對(duì)該符號(hào)周期的估計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)得到傳輸信息y 2=(bk+1， bk+2, ???bk+d)；
[0096] (1)若fj = 0，則進(jìn)行BPSK/QPSK/QAM的常規(guī)數(shù)字解調(diào)；
[0097] (2)若fj = 1，則先進(jìn)行BPSK/QPSK/QAM的常規(guī)數(shù)字解調(diào)，再將所得符號(hào)進(jìn)行變形， 使得映射比特位完全相反，即信號(hào)漢明距離最大；
[0098] S73.并串轉(zhuǎn)換子模塊將天線信息yi與傳輸信息y2重組并輸出。
[0099] 所述的天線控制序列ZNT和符號(hào)控制序列FMd為合法通信雙方預(yù)先共享的上層密鑰 流，天線控制序列Z NT控制天線序號(hào)的映射/解映射規(guī)則，符號(hào)控制序列FMd控制數(shù)字調(diào)制/ 解調(diào)的規(guī)則。
[0100] 實(shí)施例一，對(duì)于4根發(fā)射天線、QPSK調(diào)制格雷碼映射的傳統(tǒng)空間調(diào)制，其星座圖如 圖6所示，形成了空域、實(shí)部、虛部三維調(diào)制，4比特信息前2比特映射到天線序號(hào)中，后2比特 以QPSK調(diào)制映射到復(fù)數(shù)域。
[0101]以4發(fā)4收天線、QPSK調(diào)制、平坦瑞利衰落信道(假設(shè)在一個(gè)符號(hào)傳輸周期內(nèi)信道特 性不變，相鄰符號(hào)之間信道特性完全不相關(guān))的通信系統(tǒng)為例，本申請(qǐng)中基于空間調(diào)制和上 層密鑰流的ΜΜ0跨層安全通信系統(tǒng)進(jìn)行通信的方法，包括以下步驟：
[0102] S001:信源生成發(fā)送信息，其中每個(gè)數(shù)據(jù)包有2000幀，每幀50個(gè)符號(hào)序列，每個(gè)符 號(hào)包含4個(gè)比特1=(31，32,33，&4);
[0103] S002:串并轉(zhuǎn)換后得到xi= (ai，a2)和X2= (a3，a4);
[0104] S003:控制序列產(chǎn)生端產(chǎn)生天線控制序列Znt = (Zl，Z2，'"Zi，…Z2QQQ)，Zi eGF(2)， 符號(hào)控制序列Fmod = (fl，f2，'"f j，···flQQQQQ)，f j GGF(2);
[0105] S004:在一個(gè)幀時(shí)隙中，天線序號(hào)映射子模塊檢測(cè)此刻的天線控制序列值Zi對(duì)天 線信息X1=(m，a 2)進(jìn)行天線序號(hào)1映射，如圖7所示：
[0106] 若2^ = 〇，1 = [2，1 ] · xj+l;
[0107] 若以二 1，1 =Nt-[2，1] · χιτ;
[0108] 隨后，發(fā)出信號(hào)至射頻發(fā)射模塊激活1號(hào)天線；
[0109] S005:在上一步所述幀時(shí)隙中的各個(gè)符號(hào)周期，數(shù)字調(diào)制子模塊檢測(cè)符號(hào)控制序 列值fj:
[0110] 若fj = 〇,則對(duì)X2 = (a3，a4)進(jìn)行QPSK調(diào)制得符號(hào)8,8={0，1，2,3}是0?31(調(diào)制星座 信號(hào)集合；
[0111] 若f j = 1，則對(duì)X2= (a3，a4)進(jìn)行QPSK調(diào)制所得符號(hào)s在對(duì)應(yīng)的星座圖中翻轉(zhuǎn)180°即
[0112] s〇Pt = ejlI*s
[0113] 使得變形前后兩個(gè)符號(hào)的歐氏距離最大，如圖8所示；同時(shí)，漢明距離最大，如圖9 所不，從而使竊聽者誤碼率最大、性能最差。
[0114] S00 6:設(shè)第i幀時(shí)隙，第j符號(hào)時(shí)隙，步驟S00 5產(chǎn)生的發(fā)射符號(hào)為.C7、*則傳輸矩陣可 以表示為：
[0115]
[0116] 其中，C;所處位置是第1列，表示該符號(hào)放在第1根發(fā)射天線上發(fā)射。
[0117] S007:經(jīng)過平坦瑞利衰落信道，接收端接收到的符號(hào)如下：
[0118] Y = HX+n
[0119] 其中11=[111，112，113，114]為隨機(jī)高斯白噪聲，而平坦瑞利信道矩陣!1是一個(gè)維度為4 X 4的復(fù)數(shù)矩陣，該矩陣可以表示為：
[0120]
[0121 ]其元素是獨(dú)立同分布的（independent identical distributed, i.i.d)零均值復(fù) 高斯變量，即{1，2,3,4}。
[0122] S008:在接收端，由于發(fā)射信息比特來源于兩部分，一部分是數(shù)字調(diào)制后的復(fù)值符 號(hào)，一部分則隱含于發(fā)射天線序號(hào)中，故解調(diào)需要分三步進(jìn)行：
[0123] S0081:針對(duì)接收到的信號(hào)，來估計(jì)出發(fā)射天線上的符號(hào)g，信號(hào)檢測(cè)估計(jì)采用MMSE 算法。
[0124；
[0125] 其中I為單位矩陣，σ為高斯白噪聲的方差，從而更精確的估計(jì)出發(fā)射端發(fā)送的符 號(hào)矩陣g:
[0126]
[0127] S0082:找出其中幅度最大的符號(hào)位置1作為該時(shí)隙發(fā)射天線的序號(hào)，
[0128] g=[gl，g2，g3，g4]
[0129] / = argmax|g|
[0130] 合法接收方與發(fā)送方共享天線控制序列，所以首先檢測(cè)該時(shí)刻的天線控制序列值 21并對(duì)估計(jì)到的天線序號(hào)依照?qǐng)D7中的規(guī)則解映射得到天線信息 71=[131，132]:
[0131 ]若Zi = 0，將1-1轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制比特；
[0132] 若Zi= 1，將Nt-Ι轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制比特；
[0133] S0083:同時(shí)，此發(fā)射天線上的符號(hào)81也就是進(jìn)行了數(shù)字調(diào)制的符號(hào)，進(jìn)行星座點(diǎn) 量化
[0134]
[0135] 得到，公式中，Q( ·)是星座點(diǎn)量化的方程；
[0136] 合法接收方與發(fā)送方共享符號(hào)控制序列，所以再檢測(cè)該時(shí)刻的符號(hào)控制序列值 并對(duì)估計(jì)到的數(shù)據(jù)依照?qǐng)D9規(guī)則進(jìn)行解調(diào)得到傳輸信息y 2=[b3，b4]:
[0137] 若fj = 0,則進(jìn)行常規(guī)QPSK解調(diào)；
[0138] 若fj = l，則先將符號(hào)^^在對(duì)應(yīng)的星座圖中翻轉(zhuǎn)180°即
[0139]
[0140] 然后進(jìn)行常規(guī)QPSK解調(diào)；
[0141] 5009:將71=[131，匕2]和72=|>3，匕4]并串轉(zhuǎn)換就成功恢復(fù)出了原始比特流7=[131， b2，b3，b4]〇
[0142] 竊聽者不知道控制序列ZNT和FMd，在不知道跨層安全通信方案的情況下，將按照傳 統(tǒng)的空間解調(diào)方法，或者完全猜測(cè)兩個(gè)控制序列進(jìn)行類似合法用戶的跨層安全空間解調(diào)； 由于密鑰流很長(zhǎng)，出現(xiàn)值"〇"、"Γ的概率為〇. 5，故竊聽者有一半的可能性猜錯(cuò)控制序列值； 在采取BPSK/QPSK/8PSK數(shù)字調(diào)制方式下，仿真驗(yàn)證結(jié)果表明，竊聽者接收檢測(cè)會(huì)有如圖10 所示的接近100%的誤幀率和圖11所示的0.5左右的誤比特率。
[0143] 圖10和圖11的結(jié)果驗(yàn)證了空間調(diào)制跨層安全通信的性能，保證了合法用戶具備良 好的接收性能;一方面，在發(fā)射端發(fā)射大量數(shù)據(jù)的情況下，隨著SNR的提升，合法用戶的誤幀 率和誤比特率都不斷下降;并且在同樣的信噪比條件下，隨著調(diào)制階數(shù)的變化，系統(tǒng)的接收 性能QPSK性能最好，BPSK次之且接近QPSK，而8PSK性能最差；這是由于8PSK的星座點(diǎn)翻轉(zhuǎn) 180°后，對(duì)應(yīng)碼字并不是比特反轉(zhuǎn)以取得最大漢明距離3,而是僅有2位反轉(zhuǎn)。另一方面，反 觀竊聽者的譯碼性能，不難發(fā)現(xiàn)竊聽者在不同SNR條件和三種調(diào)制方式下均維持0.5左右的 誤碼率和0.9~1的誤幀率，根本不能竊聽到有效信息；圖12表明，本發(fā)明在ΜΗ?傳統(tǒng)空間調(diào) 制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上所做的跨層增強(qiáng)安全技術(shù)，完全不影響合法用戶的性能，并且能夠?qū)崿F(xiàn)概 率為1的安全通信。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于空間調(diào)制和上層密鑰流的MMO跨層安全通信系統(tǒng)，其特征在于:包括發(fā)射端、接 收端、控制序列產(chǎn)生端和無線信道； 所述的控制序列產(chǎn)生端用于產(chǎn)生二元偽隨機(jī)的天線控制序列Znt和符號(hào)控制序列Fmcid; 所述的無線信道用于發(fā)射端和接收端之間的數(shù)據(jù)傳輸； 所述的發(fā)射端包括信源、SM安全調(diào)制模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊和射頻發(fā)射模塊;信源用于為 SM安全調(diào)制模塊輸入信號(hào)序列;SM安全調(diào)制模塊用于根據(jù)天線控制序列Znt和符號(hào)控制序列 Fmcid對(duì)輸入的信號(hào)序列進(jìn)行跨層空間調(diào)制，得到天線映射序號(hào)和調(diào)制數(shù)據(jù);所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換 模塊用于將調(diào)制數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換;射頻發(fā)射模塊用于根據(jù)天線映射序號(hào)激活對(duì)應(yīng)天線將 數(shù)模轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)發(fā)送到無線信道中； 所述的接收端包括射頻接收模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)檢測(cè)估計(jì)模塊和SM安全解調(diào)模 塊;射頻接收模塊用于從無線信道中接收數(shù)據(jù);模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊用于對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行模 數(shù)轉(zhuǎn)換，信號(hào)檢測(cè)估計(jì)模塊用于對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)估計(jì);SM安全解調(diào)模塊用 于根據(jù)天線控制序列Znt和符號(hào)控制序列F mcid對(duì)檢測(cè)估計(jì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行跨層空間解調(diào)，并 輸出數(shù)據(jù)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于空間調(diào)制和上層密鑰流的MIMO跨層安全通信系統(tǒng)，其特 征在于:所述的天線控制序列Znt和符號(hào)控制序列F mcid為合法通信雙方預(yù)先共享的上層密鑰 流。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于空間調(diào)制和上層密鑰流的MIMO跨層安全通信系統(tǒng)，其特 征在于:所述SM安全調(diào)制模塊包括串并轉(zhuǎn)換子模塊、天線序號(hào)映射子模塊和數(shù)字調(diào)制子模 塊；串并轉(zhuǎn)換子模塊用于將來自信源的信號(hào)序列分成天線信息和傳輸信息兩組序列，并將 天線信息輸出至天線序號(hào)映射子模塊，將傳輸信息輸出至數(shù)字調(diào)制子模塊;天線序號(hào)映射 子模塊用于根據(jù)天線控制序列Znt對(duì)天線信息進(jìn)行天線序號(hào)映射;數(shù)字調(diào)制子模塊用于根據(jù) 符號(hào)控制序列F?d對(duì)傳輸信息進(jìn)行常規(guī)數(shù)字調(diào)制或變形數(shù)字調(diào)制。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于空間調(diào)制和上層密鑰流的MIMO跨層安全通信系統(tǒng)，其特 征在于:所述SM安全解調(diào)模塊包括天線序號(hào)解映射子模塊、數(shù)字解調(diào)子模塊和并串轉(zhuǎn)換子 模塊;天線序號(hào)解映射子模塊用于根據(jù)天線控制序列對(duì)估計(jì)到的天線序號(hào)解映射得到天線 信息;數(shù)字解調(diào)子模塊用于根據(jù)符號(hào)控制序列對(duì)檢測(cè)估計(jì)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行常規(guī)數(shù)字解調(diào)或變 形數(shù)字解調(diào)得到傳輸信息;并串轉(zhuǎn)換子模塊用于將天線信息與傳輸信息重組并輸出。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于空間調(diào)制和上層密鑰流的MIMO跨層安全通信系統(tǒng)，其特 征在于:所述的信源為二進(jìn)制信源。6. 根據(jù)權(quán)利要求1~5中任意一項(xiàng)所述的基于空間調(diào)制和上層密鑰流的MMO跨層安全 通信系統(tǒng)進(jìn)行通信的方法，其特征在于:包括以下步驟：51. 控制序列產(chǎn)生端產(chǎn)生天線控制序列Znt和符號(hào)控制序列Fmcid，并將產(chǎn)生的序列共享給 發(fā)射端和接收端；52. 發(fā)射端信源產(chǎn)生二進(jìn)制信源序列，SM安全調(diào)制模塊根據(jù)天線控制序列Znt和符號(hào)控 制序列Fmcid對(duì)二進(jìn)制信源序列進(jìn)行跨層空間調(diào)制，得到天線映射序號(hào)和調(diào)制數(shù)據(jù)；53. 射頻發(fā)射模塊根據(jù)天線映射序號(hào)激活對(duì)應(yīng)天線；54. 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊對(duì)調(diào)制數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換得到的模擬信號(hào)傳輸給射頻發(fā) 射模塊，通過激活的天線發(fā)射到無線信道；55. 接收端的射頻接收模塊從無線信道中接收信號(hào)，將接收到的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；56. 信號(hào)檢測(cè)估計(jì)模塊進(jìn)行信道估計(jì)和信號(hào)檢測(cè)估計(jì)，得到天線序號(hào)和估計(jì)數(shù)據(jù)； S7 . SM安全解調(diào)模塊根據(jù)天線控制序列Znt和符號(hào)控制序列Fmcid對(duì)天線序號(hào)和估計(jì)數(shù)據(jù) 進(jìn)行跨層空間解調(diào)，并輸出數(shù)據(jù)。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于空間調(diào)制和上層密鑰流的MMO跨層安全通信系統(tǒng)進(jìn)行通 信的方法，其特征在于:所述的步驟S2包括以下子步驟：521. 信源產(chǎn)生二進(jìn)制信源序列，串并轉(zhuǎn)換子模塊將二進(jìn)制信源序列分成天線信息和傳 輸信息兩組序列；522. 在一個(gè)幀時(shí)隙中，天線序號(hào)映射子模塊檢測(cè)此刻的天線控制序列值Zi，并根據(jù)檢測(cè) 結(jié)果對(duì)天線信息Xi= (ai，a2，'"ak)進(jìn)行天線序號(hào)1映射： (1) 若zi = 0，l = [2k-\2k-2，···2，1] · X1T+1; (2) 若zi = l，l=Nt-[2k-1J1"2，···2，1] · Χ1Τ; 其中，k為天線信息中的元素個(gè)數(shù)，X1T為天線信息^的轉(zhuǎn)置，Nt為射頻發(fā)射模塊中天線的 個(gè)數(shù);隨后，根據(jù)映射結(jié)果發(fā)送信號(hào)至射頻發(fā)射模塊激活1號(hào)天線；523. 在與步驟S22相同的幀時(shí)隙中各個(gè)符號(hào)周期，數(shù)字調(diào)制子模塊檢測(cè)符號(hào)控制序列 值t，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)該符號(hào)周期的傳輸信息X 2= (ak+1，ak+2，Mialrtl)進(jìn)行調(diào)制： (1) 若f j = 0，則進(jìn)行BPSK/QPSK/QAM的常規(guī)數(shù)字調(diào)制； (2) 若fj = 1，則先進(jìn)行BPSK/QPSK/QAM的常規(guī)數(shù)字調(diào)制，再將所得符號(hào)進(jìn)行變形，使得映 射比特位完全相反，即信號(hào)漢明距離最大； 其中，d為傳輸信息中的元素個(gè)數(shù);隨后，將調(diào)制數(shù)據(jù)輸入數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊。8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于空間調(diào)制和上層密鑰流的MMO跨層安全通信系統(tǒng)進(jìn)行通 信的方法，其特征在于:所述的步驟S7包括以下子步驟：571. 在一個(gè)幀時(shí)隙中，天線序號(hào)解映射子模塊檢查此刻的天線控制序列值Zi，并根據(jù)檢 查結(jié)果對(duì)估計(jì)到的天線序號(hào)解映射得到天線信息yi= (bi，b2, "+k): (1) 若Zi = O,將1-1解映射為二進(jìn)制比特； (2) 若Zi = 1，將Nt-I解映射為二進(jìn)制比特；572. 在步驟S61相同的幀時(shí)隙中的各個(gè)符號(hào)周期，數(shù)字解調(diào)子模塊檢測(cè)符號(hào)控制序列 值L并根據(jù)檢查結(jié)果對(duì)該符號(hào)周期的估計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)得到傳輸信息y 2=(bk+1，bk+2r·· bk+d)； (1) 若fj = 0，則進(jìn)行BPSK/QPSK/QAM的常規(guī)數(shù)字解調(diào)； (2) 若fj = 1，則先進(jìn)行BPSK/QPSK/QAM的常規(guī)數(shù)字解調(diào)，再將所得符號(hào)進(jìn)行變形，使得映 射比特位完全相反，即信號(hào)漢明距離最大；573. 并串轉(zhuǎn)換子模塊將天線信息yi與傳輸信息y2重組并輸出。9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于空間調(diào)制和上層密鑰流的MMO跨層安全通信系統(tǒng)進(jìn)行通 信的方法，其特征在于:所述的天線控制序列Znt和符號(hào)控制序列F mcid為合法通信雙方預(yù)先共 享的上層密鑰流，天線控制序列Z NT控制天線序號(hào)的映射/解映射規(guī)則，符號(hào)控制序列Fmcid控 制數(shù)字調(diào)制/解調(diào)的規(guī)則。
【文檔編號(hào)】H04B7/06GK105897323SQ201610209501
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年4月6日
【發(fā)明人】張爭(zhēng)光, 文紅, 向達(dá), 張金玲
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)