一种基于空间位置点的安全通信系统
阅读说明：本技术 一种基于空间位置点的安全通信系统 (Safety communication system based on spatial position point ) 是由 岳光荣 余代中 杨霖 曾鑫 于 2021-04-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于空间位置点的安全通信系统,属于通信技术领域。本发明所述系统包括发射端、接收端和训练协议；发射端包括发端时间计数模块、星座映射模块和发端相位旋转模块；接收端包括收端时间计数模块、接收端相位旋转模块和星座逆映射模块。本发明所述系统实现了距离域的安全性,只有在预期位置,接收机可以接收到正确的星座图,当接收机逐渐远离预期位置,接收信号被旋转、扭曲、缩小。预期位置的接收信号能量高于其他位置处的能量,并且预期位置处误差向量幅度值最小,保障了预期位置信号质量,在接收机偏离预期位置后能够有效的置乱并隐藏信号。本发明的收发端时间计数模块还能有效对抗系统时钟漂移对安全性能带来的负面影响。(The invention discloses a safe communication system based on spatial position points, and belongs to the technical field of communication. The system comprises a transmitting end, a receiving end and a training protocol; the transmitting end comprises a transmitting end time counting module, a constellation mapping module and a transmitting end phase rotation module; the receiving end comprises a receiving end time counting module, a receiving end phase rotation module and a constellation inverse mapping module. The system of the invention realizes the safety of the distance domain, the receiver can receive the correct constellation diagram only at the expected position, and when the receiver is gradually far away from the expected position, the received signal is rotated, twisted and reduced. The energy of the received signal at the expected position is higher than that at other positions, and the error vector amplitude value at the expected position is minimum, so that the signal quality at the expected position is guaranteed, and the signal can be effectively scrambled and hidden after the receiver deviates from the expected position. The time counting module of the transceiving end can also effectively resist the negative influence of the system clock drift on the safety performance.)
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于空间位置点的安全通信系统。
背景技术
在通信中，系统容易遭受窃听、仿冒、篡改等攻击。现有的安全机制在当前的通信系统中得到了普遍使用，但是这些安全机制面临着密钥分发困难、不适用于资源受限的大规模网络，难以满足未来通信的安全需求。为了应对这些问题，国内外提出了物理层安全通信，将安全关口前移，利用物理层本身存在的随机性（干扰、噪声等）来摆脱对长密钥的依赖性，目前研究较为广泛的空域物理层安全技术，例如空域波束赋形和方向调制，只能解决角度域的安全问题，现有技术很难保障距离域的安全性。然而，距离域的安全性在有线/无线通信中都具有重要意义，虽然国内外学术界和工业界提出了一些距离域的安全通信算法，但是至今为止还没有原型系统来证实这些算法的可实现性。也没有针对距离域安全通信的具体简单易行的实现方式，因此距离域的安全通信在理论与实现之间还存在巨大鸿沟。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于空间位置点的安全通信系统。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种基于空间位置点的安全通信系统，包括发射端、接收端和训练协议；发射端包括发端时间计数模块、星座映射模块和发端相位旋转模块；接收端包括收端时间计数模块、接收端相位旋转模块和星座逆映射模块；
发射端上电时，发端时间计数模块执行以下步骤：
S1.1：产生周期性脉冲，脉冲周期为T，即相邻脉冲之间的时间间隔为T个系统时钟周期；
S1.2：启动M个正向计数器从0开始计数，M为正整数，用表示第m个正向计数器 的当前计数值，1≤m≤M，下一个系统时钟上升沿到来时，第m个正向计数器的计数值更新 为：
其中，t为时间，mod表示取余，N为正向计数器最大值；
S1.3：启动M个初始值为0的发端寄存器，用表示第m个发端寄存器的当前值， 在下一个周期性脉冲到来时，第m个发端寄存器的值更新为：
接收端上电时，收端时间计数模块执行以下步骤：
S2.1：产生周期性脉冲，脉冲周期为T；
S2.2：启动M个反向计数器从0开始计数，用表示第m个反向计数器的当前计数 值，下一个系统时钟上升沿到来时，第m个反向计数器的计数值更新为：
S2.3：启动M个初始值为0的收端寄存器，用表示第m个收端寄存器的当前值， 在下一个周期性脉冲到来时，第m个收端寄存器的值更新为：
训练协议在发射端和接收端都上电后，执行以下步骤：
S3.1：在发射端产生M路导频信号；
S3.2：发端相位旋转模块产生长度为N的第一查找表，第一查找表在第i个地址上 存储的值为，，K为正整数，j为虚数单位；
S3.3：在发端时间计数模块产生的周期性脉冲到来时，以M个发端寄存器的当前值为地址；在其他时刻，以M个正向计数器的当前计数值为地址；
在第一查找表中读取M个地址存储的值作为M个发端训练相位旋转信号值；
S3.4：依据M个发端训练相位旋转信号值，对M路导频信号进行相位旋转，得到M路旋转后导频信号：
其中，表示第m路旋转后导频信号；
S3.5：将M路旋转后导频信号依次发送至接收端；
S3.6：收端相位旋转模块产生长度为N的第二查找表，其中第二查找表在第i个地 址上存储的值为；
S3.7：在收端时间计数模块产生的周期性脉冲到来时，以M个收端寄存器的当前值为地址；在其他时刻，以M个反向计数器的当前计数值为地址；
在第二查找表中读取M个地址存储的值作为M个收端训练相位旋转信号值；
S3.8：对接收的M路旋转后导频信号进行匹配滤波和均衡操作，得到M路接收导频；
S3.9：依据M个收端训练相位旋转信号值，对M路接收导频进行相位旋转，得到M路旋转后接收导频：
S3.10：求取M路旋转后接收导频和M路导频信号的互相关函数：
其中，上标*表示取共轭；
求取互相关函数的相位，求取M个输出 信号相位；
发射端向接收端发送数据，星座映射模块在发送比特流到达时，执行以下步骤：
S4.1：依据预先定义的L阶星座图，将发送比特流映射为同相/正交信号s(t)，以s (t)为原始信号，产生M个信号码片，每个信号码片的信号值为s(t)/M；
S4.2：计算M路时变噪声的和：
其中，为第m路时变噪声；
S4.3：利用M路时变噪声对M个信号码片进行扰动，具体扰动方式为：
其中，表示扰动后的第m个信号码片；
发端相位旋转模块在星座映射模块产生M个扰动后的信号码片后，执行以下步骤：
S5.1：在发端时间计数模块产生的周期性脉冲到来时，以M个发端寄存器的当前值为地址；在其他时刻，以M个正向计数器的当前计数值为地址；
在第一查找表中读取M个地址存储的值作为M个发端相位旋转信号值；
S5.2：依据M个发端相位旋转信号值，对M个扰动后的信号码片进行相位旋转，得到M个旋转后发射信号码片：
其中，表示第m个旋转后发射信号码片；
S5.3：将M个旋转后发射信号码片依次发送至接收端；
收端相位旋转模块在接收到发射端发送的M个旋转后发射信号码片后，执行以下步骤：
S6.1：在收端时间计数模块产生的周期性脉冲到来时，以M个收端寄存器的当前值为地址；在其他时刻，以M个反向计数器的当前计数值为地址；
在第二查找表中读取M个地址存储的值作为M个收端相位旋转信号值；
S6.2：对接收的M个旋转后发射信号码片进行匹配滤波和均衡操作，得到M个接收 信号码片；
S6.3：依据M个收端相位旋转信号值，对M个接收信号码片进行相位旋转，得到M个旋转后接收信号码片：
其中，表示第m个旋转后接收信号码片；
逆映射模块在M个旋转后接收信号码片到达后，执行以下步骤：
S7.1：依据训练协议所产生的输出信号相位ψ 1 ，ψ 2 ，…，ψ M ，分别对M个旋转后接收信号码片进行反向相位旋转，得到M个补偿后码片：
其中，为第m个补偿后码片；
S7.2：将M个补偿后码片相加，得到接收信号：
S7.3：依据L阶星座图，对接收信号进行逆映射得到接收比特流。
进一步的，S4.2中，时变噪声产生方法为：对2M组长度为11的移位寄存器赋予不同 的初值，在每个系统时钟上升沿到达时进行移位操作，并将每组移位寄存器最后5位的值转 化为十进制数，得到2M个时变随机整数，计算第m路时变噪声，表示第2m-1个时变随机整数，表示第2m-1 个时变随机整数。
进一步的，T= 2250。
进一步的，系统时钟周期为1/(125MHz）。
进一步的，L= 4。
进一步的，M= 16。
进一步的，N= 512。
进一步的，K= 2。
本发明的有益效果是：
本发明所述系统可以产生接收信号的距离依赖性，从而实现距离域的安全性，只有在预期位置，即在训练协议发送导频时的接收机位置，接收机可以接收到正确的星座图，当接收机逐渐远离预期位置，接收信号被旋转、扭曲、缩小。在预期位置附近，预期位置的接收信号能量高于其他位置处的能量，并且预期位置处误差向量幅度（EVM）值最小，在保障预期位置信号质量的同时，在接收机偏离预期位置后能够有效的置乱并隐藏信号。并且，本发明的收发端时间计数模块还能有效对抗系统时钟漂移对安全性能带来的负面影响。
附图说明
图1为本发明所述基于空间位置点的安全通信系统的结构组成示意图；
图2为实施例所述系统在预期位置处接收信号星座图测试结果图；
图3为实施例所述系统在距离预期位置8米处接收信号星座图测试结果图；
图4为实施例所述系统在距离预期位置20米处接收信号星座图测试结果图；
图5为实施例所述系统在距离预期位置32米处接收信号星座图测试结果图；
图6为实施例所述系统不同位置处接收信号能量和EVM的测试结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
本实施例提供一种基于空间位置点的安全通信系统，其结构组成示意图如图1所示，包括发射端、接收端和训练协议；发射端包括发端时间计数模块、星座映射模块和发端相位旋转模块；接收端包括收端时间计数模块、接收端相位旋转模块和星座逆映射模块；
发射端上电时，发端时间计数模块执行以下步骤：
S1.1：产生周期性脉冲，脉冲周期为T= 2250，即相邻脉冲之间的时间间隔为T= 2250个系统时钟周期，其中系统时钟周期为1/(125MHz）；
S1.2：启动M= 16个正向计数器从0开始计数，M为正整数，用表示第m个正向 计数器的当前计数值，1≤m≤M，下一个系统时钟上升沿到来时，第m个正向计数器的计数值 更新为：
其中，t为时间，mod表示取余，N= 512为预先设定的正向计数器最大值；
S1.3：启动M个初始值为0的发端寄存器，用表示第m个发端寄存器的当前值， 在下一个周期性脉冲到来时，第m个发端寄存器的值更新为：
在其余时刻，M个发端寄存器的值保持不变；
接收端上电时，收端时间计数模块执行以下步骤：
S2.1：产生周期性脉冲，脉冲周期为T；
S2.2：启动M个反向计数器从0开始计数，用表示第m个反向计数器的当前计数 值，下一个系统时钟上升沿到来时，第m个反向计数器的计数值更新为：
S2.3：启动M个初始值为0的收端寄存器，用表示第m个收端寄存器的当前值， 在下一个周期性脉冲到来时，第m个收端寄存器的值更新为：
在其余时刻，M个收端寄存器的值保持不变；
训练协议在发射端和接收端都上电后，执行以下步骤：
S3.1：在发射端产生M路导频信号，其中M路导频信号均为长度为 64的格雷序列；
S3.2：发端相位旋转模块产生长度为N的第一查找表，第一查找表在第i个地址上 存储的值为，，K= 2为预先设定的正整数，j为虚数 单位；
S3.3：在发端时间计数模块产生的周期性脉冲到来时，以M个发端寄存器的当前值为地址；在其他时刻，以M个正向计数器的当前计数值为地址；
在第一查找表中读取M个地址存储的值作为M个发端训练相位旋转信号值；
S3.4：依据M个发端训练相位旋转信号值，对M路导频信号进行相位旋转，得到M路旋转后导频信号：
其中，表示第m路旋转后导频信号；
S3.5：将M路旋转后导频信号依次发送至接收端；
S3.6：收端相位旋转模块产生长度为N的第二查找表，其中第二查找表在第i个地 址上存储的值为；
S3.7：在收端时间计数模块产生的周期性脉冲到来时，以M个收端寄存器的当前值为地址；在其他时刻，以M个反向计数器的当前计数值为地址；
在第二查找表中读取M个地址存储的值作为M个收端训练相位旋转信号值；
S3.8：对接收的M路旋转后导频信号进行匹配滤波和均衡操作，得到M路接收导频；
S3.9：依据M个收端训练相位旋转信号值，对M路接收导频进行相位旋转，得到M路旋转后接收导频：
S3.10：求取M路旋转后接收导频和M路导频信号的互相关函数：
其中，上标*表示取共轭；
求取互相关函数的相位，求取M个输 出信号相位；
发射端向接收端发送数据，星座映射模块在发送比特流到达时，执行以下步骤：
S4.1：依据预先定义的L=4阶星座图，将发送比特流映射为同相/正交（I/Q）信号s (t)，以s(t)为原始信号，产生M个信号码片，每个信号码片的信号值为 s(t)/M；
S4.2：计算M路时变噪声的和：
其中，为第m路时变噪声；
本实施例中，时变噪声产生方法为：对2M组长度为11的移位寄存器赋予不同的初 值，在每个系统时钟上升沿到达时进行移位操作，并将每组移位寄存器最后5位的值转化为 十进制数，得到2M个时变随机整数，计算第m路时变噪声，表示第2m-1个时变随机整数，表示第2m-1 个时变随机整数。
S4.3：利用M路时变噪声对M个信号码片进行扰动，具体扰动方式为：
其中，表示扰动后的第m个信号码片；
发端相位旋转模块在星座映射模块产生M个扰动后的信号码片后，执行以下步骤：
S5.1：在发端时间计数模块产生的周期性脉冲到来时，以M个发端寄存器的当前值为地址；在其他时刻，以M个正向计数器的当前计数值为地址；
在第一查找表中读取M个地址存储的值作为M个发端相位旋转信号值；
S5.2：依据M个发端相位旋转信号值，对M个扰动后的信号码片进行相位旋转，得到M个旋转后发射信号码片：
其中，表示第m个旋转后发射信号码片；
S5.3：将M个旋转后发射信号码片依次发送至接收端；
收端相位旋转模块在接收到发射端发送的M个旋转后发射信号码片后，执行以下步骤：
S6.1：在收端时间计数模块产生的周期性脉冲到来时，以M个收端寄存器的当前值为地址；在其他时刻，以M个反向计数器的当前计数值为地址；
在第二查找表中读取M个地址存储的值作为M个收端相位旋转信号值；
S6.2：对接收的M个旋转后发射信号码片进行匹配滤波和均衡操作，得到M个接收 信号码片；
S6.3：依据M个收端相位旋转信号值，对M个接收信号码片进行相位旋转，得到M个旋转后接收信号码片：
其中，表示第m个旋转后接收信号码片；
逆映射模块在M个旋转后接收信号码片到达后，执行以下步骤：
S7.1：依据训练协议所产生的输出信号相位ψ 1 ，ψ 2 ，…，ψ M ，分别对M个旋转后接收信号码片进行反向相位旋转，得到M个补偿后码片：
其中，为第m个补偿后码片；
S7.2：将M个补偿后码片相加，得到接收信号：
S7.3：依据预先定义的L阶星座图，对接收信号进行逆映射得到接收比特流。
利用本实施例，可以产生接收信号的距离依赖性，从而实现距离域的安全性，不同位置处接收信号星座图测试结果图如图2-图5所示，只有在预期位置，即在训练模式时的接收机位置，接收机可以接收到正确的QPSK星座图，当接收机逐渐远离预期位置，接收信号被旋转、扭曲、直至完全淹没在噪声中。不同位置处接收信号能量和EVM的测试结果图如图6所示，在预期位置附近，预期位置的信号能量高于其他位置处的能量，并且预期位置处误差向量幅度（EVM）值最小，表明本发明能够在保障预期位置信号质量的同时，在接收机偏离预期位置后能够有效的置乱并隐藏信号，从而达到安全通信目的。
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