阅读说明：本技术 Tr_ofdm系统中基于星座旋转的加密及传输方法 (Encryption and transmission method based on constellation rotation in TR _ OFDM system ) 是由 陈善学 冯叶青 李方伟 于 2020-05-27 设计创作，主要内容包括：本发明涉及无线通信技术领域,涉及TR_OFDM系统中基于星座旋转的加密及传输方法；所述加密方法包括发送端与接收端分别对估计到的信道进行量化,判决为一个四元数作为秘钥；发送端将发送信号串并转换后进行星座映射,映射为三维星座点,利用四元数对调制好的QPSK信号进行旋转加密；并采用OFDM方式进行调制；发送端将估计到的信道状态信息进行时间反演,得到时间反演镜；将调制后的OFDM符号经过并串转换后通过时间反演镜,由信道传输,对于传输方法,接收端接收到加密后的星座点；利用信道生成的四元数进行相应的解密,而窃听者和发送端的信道具有差异性,故无法得到相应的四元数进行解密,从而保证TR_OFDM系统的安全性。(The invention relates to the technical field of wireless communication, in particular to an encryption and transmission method based on constellation rotation in a TR _ OFDM system; the encryption method comprises the steps that a sending end and a receiving end respectively quantize an estimated channel and judge the channel into a quaternion as a secret key; the sending end carries out constellation mapping after carrying out serial-parallel conversion on the sending signal to obtain three-dimensional constellation points, and the quaternion is utilized to carry out rotary encryption on the modulated QPSK signal; modulating in an OFDM mode; the sending end carries out time reversal on the estimated channel state information to obtain a time reversal mirror; after parallel-serial conversion, the modulated OFDM symbols are transmitted by a channel through a time reversal mirror, and for the transmission method, a receiving end receives the encrypted constellation points; the quaternion generated by the channel is used for corresponding decryption, and the channels of the eavesdropper and the transmitting end have difference, so that the corresponding quaternion cannot be obtained for decryption, and the safety of the TR _ OFDM system is ensured.)

TR_OFDM系统中基于星座旋转的加密及传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及TR_OFDM(Time Reversal_OrthogonalFrequency Division Multiplexing)系统中基于星座旋转的加密及传输方法。

背景技术

随着无线通信技术的快速发展，人们的工作、生活变得越来越便捷，手机、笔记本电脑等移动终端正在逐渐改变人们的生活方式。特别是移动支付，物联网，自动驾驶等技术的出现，保证通信的安全也就变得越来关键。而传统的加密方案主要是通过秘钥加密系统对数据进行加密，利用加密算法的高复杂度，假设窃听者的设备无法长时间地进行攻击和破解，随着计算机技术的不断发展，这些将不再是问题，尤其是量子计算机的出现，对无线通信的安全提出了巨大的挑战。

目前常用的安全加密机制在设计时与物理层相对独立，在无线通信系统的上层依靠基于传统密码学的安全技术手段来保障通信系统安全，并没有充分利用物理层的特点。近些年，基于信息理论安全原理的物理层安全技术的出现引起了人们的广泛关注，为无线通信安全研究提供了一个新的思路，与传统加密机制相比，这是一种能够被理论证明的强安全策略，从物理层角度设计无线通信安全策略，作为对传统加密算法的完善与补充。

时间反演技术(Time Reversal,TR)是由M.Fink于1992年首先提出的。无论是在均匀媒质环境中还是在非均匀媒质环境中，经由时间反演技术处理过的信号具有时间聚焦性和空间聚焦性,时间聚焦是指各个路径的信号能量会在同一时刻聚焦。而空间聚焦是指电磁能量会在空间的目标点处进行聚焦，而在目标点的其他位置，电磁能量很低甚至可以忽略不计。所谓时间反演，即在时域上对接收信号进行反转，这种操作与频域上的相位共轭等效。在通信系统中，接收端首先发送一个时域上很短的探测脉冲，这个探测脉冲在信道中经历反射，散射，衍射，最后被发送端接收。发送端对此接收的信号进行时间反演操作。在复杂多径环境下，被时间反演处理的信号重新发射后，会在目标点呈现时间反演技术的时空聚焦性，这种时空聚焦特性是时间反演在多径复杂条件下最明显的特性。同时，需要指出，这种空时聚焦特性是自适应于环境的，环境越复杂，空时聚焦效果越明显。这种聚焦效果应用在通信领域，能够提升通信系统的性能,保证信息的安全传输。

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术将宽带信道分解成许多并行的窄子信道，使每个子信道的带宽小于信道的相干带宽，从而使每一个道所经历的衰落近似是平坦性衰落。从而能有效地抑制无线信道的时间弥散所带来的符号间干扰，并降低接收机内均衡的复杂度。

TR_OFDM系统可以降低符号间干扰和载波间干扰，并缩短循环前缀长度，提高频谱效率。在复杂多径环境中可以实现稳定、高速、绿色的通信，但是如果在TR_OFDM系统中出现了一个窃听者时，该系统的安全就无法保障。

发明内容

基于现有技术存在的问题，本发明针对TR_OFDM系统中若存在窃听者，信息无法安全传输的问题，本发明要解决的问题是TR_OFDM系统的物理层安全问题，本发明设计了一个星座加密机制，对TR_OFDM映射的星座进行加密，接收端进行相对应的解密，从而保证窃听者无法获取到加密前的信息。

本发明解决上述技术问题采用TR_OFDM系统中基于星座旋转的加密及传输方法的方案。

在本发明的第一方面，本发明提出了一种TR_OFDM系统中基于星座旋转的加密方法，该加密方法基于TR_OFDM系统，并采用星座加密，所述加密方法包括：

发送端与接收端分别对估计到的信道进行量化，判决为一个四元数，并以此四元数作为双方加密以及解密的秘钥；

发送端将发送信号串并转换后进行星座映射；以所述秘钥对映射后的发送信号进行星座旋转加密，并采用OFDM方式进行调制；

发送端将估计到的信道状态信息进行时间反演，得到时间反演镜；

将调制后的OFDM符号经过并串转换后通过时间反演镜，经过信道传输，接收端接收到加密后的星座点。

进一步的，对信道进行估计的过程包括采用瑞利信道，发送端与接收端相互进行信道估计，发射端和接收端相互发送探测信号，以探测信号进行信道估计。

进一步的，判决方式包括接收端采用最小距离进行解调，即接收端把快速傅里叶变换后的信号进行解密然后和原始映射点进行对比，将离原始映射点最近的点判决为其所对应的四进制信号。

进一步的，在进行并串转换前，发送端对进行星座旋转后的发送信号进行逆快速傅里叶变换，并增加循环前缀。

在本发明的第二方面，本发明还提供了一种TR_OFDM系统中基于星座旋转的安全传输方法，所述安全传输方法包括：

在对估计的信号进行量化前，发送端与接收端互相进行信道估计，窃听端对所述探测信道进行被动探测；

发送端与接收端分别对估计到的信道进行量化，判决为一个四元数作为双方加密以及解密的秘钥；

发送端将发送信号串并转换后进行星座映射；映射为三维星座点以所述秘钥的角度对映射后的发送信号进行星座旋转加密，并采用OFDM方式进行调制；

发送端将估计到的信道状态信息进行时间反演，得到时间反演镜；

将调制后的OFDM符号经过并串转换后通过时间反演镜，并经过信道进行传输；

接收端和窃听端将接收到的OFDM符号进行串并变换后，得到加密后的星座点；

接收端利用秘钥对加密后的星座点进行解密，而窃听端无法对该星座点进行解密。

进一步的，对星座旋转后的发送信号进行逆快速傅里叶变换和加循环前缀；对星座逆旋转前的发送信号进行对应的快速傅里叶变换和去循环前缀。

进一步的，所述接收端利用秘钥对加密后的星座点进行解密包括对加密后的星座点进行快速傅里叶变换，利用所述秘钥进行星座逆旋转；将星座逆映射的结果进行并串变换后，接收端解出最初的发送信号。

本发明的有益效果：

本发明通过给合法通信的双方节点Alice和Bob利用信道生成星座加密的秘钥，发送端Alice利用秘钥对调制好的信号所对应的星座点进行加密，而合法接收端Bob利用秘钥对生成的星座点进行解密。而窃听节点Eve不知道加密的秘钥，故无法对加密的星座点进行解密，从而保证该系统的安全。

附图说明

图1本发明提供的基于TR-OFDM系统的场景图；

图2为本发明的TR_OFDM系统中基于星座旋转的加密方法流程图；

图3为本发明的TR_OFDM系统中基于星座旋转的安全传输方法流程图；

图4为本发明提供的一种优选的TR_OFDM系统中基于星座旋转的安全传输方法框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1本发明提供的基于TR-OFDM系统的场景图，如图1所示，假设存在三个节点,发送节点Alice，接收节点Bob,窃听节点Eve(被动窃听)；Alice和Bob是合法通信节点，分别拥有1根发射天线,1根接收天线。Eve是窃听节点(被动窃听)，拥有1根接收天线且距离Alice和Bob之间的距离大于半个波长。

在实际场景中，由于信道具有时变性(由于通信双方及无线通信环境中反射体等位置变动的影响，信道的衰落特性会随时变化，在间隔超过信道相干时间长度的2个时间点以上，信道是不同的)，互易性(在信道相干时间内,同一通信链路两端的用户在进行信息交换时,二者接收信号所经历的信道衰落特性是相同的)和差异性(在丰富的多径散射环境中，接收来自同一信号发送方的信息，两个信号接收方相距半个波长以上时，两者接收的信号所经历的信道是不相关的)。

基于上述场景，如图2所示，本发明提出了一种TR_OFDM系统中基于星座旋转的加密方法，包括：

101、发送端与接收端分别对估计到的信道进行量化，判决为一个四元数作为双方加密以及解密的秘钥；

由于发送端和接收端相互发送探测信道，因此，可以假设信道估计是理想的，即假设两者对同一信道进行量化的结果是一致的。

信道估计的作用是用来产生星座加密时的秘钥，以及为了生成后续的时间反演镜。

Alice和Bob分别发送探测信号，发送方Alice和接收方Bob之间的信道冲击响应表示为：

假设Alice的和Eve之间的信道冲击响应是h_ij ^e[k]：

可以看出，对于发送端来说，信道冲击响应在接收端以及窃听端是相同的。

同时Alice和Bob对h^r[k]进行量化，判决为一个四元数q，作为双方加密以及解密的秘钥。

对于判决方式，本发明实施例采用最小距离判决的方式，即接收端采用最小距离进行解调，即接收端把快速傅里叶变换后的信号进行解密然后和原始映射点进行对比，将离原始映射点最近的点判决为其所对应的四进制信号。

可以采用如表1所示的映射结果表进行判决：

表1映射结果表

	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
											1	1.4142	2.0004	1.4134	1.4119	1.4180	1.4122	1.4205	2.0021	1.4114	1.9997
2	2.0000	1.4154	2.0006	1.9988	0.0050	2.0000	0.0090	1.4235	2.0024	1.4212
											3	1.4143	0.0014	1.4158	1.4148	1.4108	1.4161	1.4078	0.0112	1.4204	0.0101
4	4.0029	1.4135	0.0017	0.0023	2.0003	0.0027	1.9999	1.4078	0.0068	1.4068

假设映射表mapping＝[1+1i，-1+1i，-1-1i，1-1i].*(1/sqrt(2))，映射表中四进制信号0对应为1+1i，1对应为-1+1i，2对应为-1-1i，3对应为1-1i；第一行是接收信号到第一个四进制信号的距离，第二行到第四行依次类推；取距离最小行为其对应的四进制数，例如第一列最小值是1.4142e-16，说明第一个接收符号距离第1个映射点最近，所以将该接收信号判决为四进制信号0。

下面将具体介绍一下本发明所采用的四元数：

q＝[w,x,y,z]＝w+xi+yj+zk

其中，[w,x,y,z]分别表示为一组四元数；这四个数可以采用随机方式获取；其中i,j,k为虚数且满足：

i²＝j²＝k²＝-1；

ij＝-ji＝k；

jk＝-kj＝i

ki＝-ik＝j

对于四元数的共轭，表示为：

对于四元数的模长，其计算公式表示为：

对于这组四元数的逆，可以表示为：且满足，qq^-1＝1；

102、发送端将发送信号串并转换后进行星座映射；映射为三维的星座点s(n)。

假设QPSK信号s(n)对应的三维星座点为：四个点，四个点正好可以构成一个正四面体。

以所述秘钥对映射后的发送信号s(n)进行星座旋转加密，并采用OFDM方式进行调制；

将映射好的三维星座点s(n)进行星座旋转，旋转加密过的信号s'(n)表示为s'(n)＝qs(n)q^-1

s'(n)＝qs(n)q^-1:的意义是：将三维星座点s(n)绕轴l旋转了角度θ；

其中：

θ＝2arccos(w)；

然后进行逆离散傅里叶变换生成OFDM符号：

103、发送端将估计到的信道状态信息进行时间反演，得到时间反演镜TRM(TimeReversal Mirror)；

该时间反演镜表示为

104、将调制后的OFDM符号经过并串转换后通过时间反演镜，经过信道传输，接收端接收到加密后的星座点。

Alice将生成的OFDM符号加入循环前缀，并串变换之后通过时间反演镜；此时，接收端接收到的信号表示为：

其中，可以将上述过程等效为Alice和Bob之间存在一个等效信道，是一个自相关函数，在K＝L-1时存在峰值；该等效信道表示为：

基于上述实施例，如图3所示，本发明还提供了一种TR_OFDM系统中基于星座旋转的安全传输方法，所述安全传输方法包括：

201、发射端和接收端相互发送探测信号，以探测信号进行信道估计，在对估计的信号进行量化前，窃听端对所述探测信道进行被动探测；

Alice和Bob相互发送探测信号，假设Alice和Bob估计到的信道状态信息是理想的。

202、发送端Alice与接收端Bob分别和对h^r[k]进行量化，判决为一个四元数q，作为双方加密以及解密的秘钥。

203、发送端将发送信号串并转换后进行星座映射；以所述秘钥对映射后的发送信号进行星座旋转加密，并采用OFDM方式进行调制；

本实施例中，发送信号为二进制信号，将二进制信号经过串并变换后，再进行星座映射；映射为三维坐标点，利用之前产生秘钥对映射好的信号s'(n)进行星座旋转加密，表示为s'(n)＝qs(n)q^-1。再进行IFFT，加循环前缀，并串变换。

其中，S’(n)为旋转加密过的信号；x(k)表示调制好的OFDM符号，表示为：

204、发送端将估计到的信道状态信息进行时间反演，得到时间反演镜；

在本实施例中，发送端Alice把估计到的信道状态信息H_r(k)进行时间反演得到时间反演镜。OFDM符号x(k)通过时间反演镜，并通过信道进行传输。

205、将调制后的OFDM符号经过并串转换后通过时间反演镜，并经过信道进行传输；

206、接收端和窃听端将接收到的OFDM符号进行串并变换后，得到加密后的星座点；

对于接收端，参考上述实施例，而对于窃听端：

窃听端Eve接收到的信号为：

其中，可以将上述过程等效为Alice和Eve之间存在一个等效信道，是一个互相关函数，远小于h_rq[k]。该等效信道表示为：

207、接收端利用秘钥对加密后的星座点进行解密，而窃听端无法对该星座点进行解密。

接收端对接收到信号进行逆快速傅里叶变换，并串变换后的符号s'(n)＝qs(n)q^-1进行星座逆旋转，表示为：s(n)＝q^-1(qs(n)q^-1)q。

而窃听端对接收到信号进行逆快速傅里叶变换，并串变换后的符号s(n)＝q^-1(qs(n)q^-1)q,由于Eve无法获取Alice和Bob之间的信道状态信息，也就无法生成相应的四元数，故无法对接收到的信号进行星座逆旋转。从而保证了Alice和Eve之间通信的安全。

可以理解的是，本发明实施例中关于信号、信道等公式表达其参数解释可以参考现有技术，例如关于时间反演的传输方法的相关论文和专利，比如说参考CN107911191A等专利；本发明的重点不在于此，其核心在于采用四元数作为星座加密过程的秘钥，因此，本发明未对这些参数进行更为具体的解释。

图4给出了一种优选的TR_OFDM系统中基于星座旋转的安全传输方法，在本方法下，整个传输过程是一个镜像的过程，包括加密过程和解密过程，对应加密过程需要在星座映射前进行串并交换，再进行星座旋转，采用IFFT和加循环前缀进行调制处理，处理后再进行并串变换，将并串变换的结果通过时间反演镜，经由多径信道传输至接收端；此时，接收端将进行解密过程，包括串并转换；去循环前缀和FFT的解调过程；解调完成后，进行星座逆旋转，通过并串转换将星座逆映射的信号输出。

本发明实施例中所称的节点，可以理解为响应外界特定触发条件，并按一定规则做状态转换的抽象机器，可以是手机、平板电脑、掌上电脑、个人PC电脑、服务器等等可以安装应用软件且能够联网的设备；也可以理解为能够进行数据通信的实体机器，可以是调制解调器、中继器、路由器以及网关等等。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。