一种基于物理层的无线安全通信方法与流程

本发明属于无线通信的技术领域，涉及一种基于物理层的无线安全通信方法。

背景技术：

无线通信技术在各行业均得到广泛应用，无线通信安全性能一直得到广泛关注。无线通信安全性能主要包括两部分，其一是原始信息通过加密算法进行加密，使得接收方即便能够解析出数据流，仍不能还原出原始信息；其二是物理层进行加密，使得接收方接收到无线信号后，不能还原出数据流，更谈不上对原始信息进行还原。

目前物理层无线安全通信主要采用扩频、跳频或者跳频扩频相结合方案，在调制方式上，一般采用bpsk、qpsk、ofdm等常用的调制方式。此种通信方式存在如下缺点：一是，通信参数具有一定特征，通过高速数据采集进行统计分析后，可以解析通信参数，保密性能较差。二是调制方式不具备保密特征，接收方通过简单处理即可恢复数据流，保密性能差。

因此，传统的无线通信方式仅对信息进行加密传输，虽然难以获取传输信息内容，但对方仍可还原通信参数，针对通信参数实施攻击。

技术实现要素：

发明所要解决的课题是现有的通信方法中数据传输过程不能保障信息安全，调制方式不具备保密特征，接收方通过简单处理即可恢复数据流，保密性能差的问题。

用于解决课题的技术手段是提供一种基于物理层的无线安全通信方法，包括以下步骤：

步骤1、利用无线发送端对原始信号中的通信参数进行时频码非平稳处理；

步骤2、结合波形加密参数对步骤1处理后的信号采用加权分数傅里叶变换方法进行波形变换；

步骤3、将步骤2所得波形变换后的信号进行上变频及放大处理，且经过天线发送至物理层；

步骤4、利用无线接收端接收步骤3所发送的信号，经过下变频处理并按照预存的无线发送端波形加密参数进行波形还原，及对还原后的信号进行非平稳处理，还原获得原始信号。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤1中原始信号中的通信参数至少包括信息符号速率或扩频码片速率、扩频码重复周期和载波频率。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤1中对原始信号中的通信参数进行时频码非平稳处理，具体包括：采用直接序列扩频方法处理信号的功率谱。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤2中将步骤1处理后的信号中波形变换为经过星座旋转的波形。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤4还包括对接收的信号进行低噪声放大处理。

发明效果为，本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

本发明提出一种基于物理层的无线安全通信方法，在无线信号调制方式上，通过波形变换方式，将一种通信体制变换成另外一种通信体制，接收方只有设置同样的波形加密参数，才能进行波形恢复。然后，在符号域、时间域和频率域进行非平稳信号构造处理，使得信号被侦收方不能统计出通信参数，在物理层上提升无线信号传输安全性能。

该方法在时、频、码域对信息进行非平稳处理，使通信参数在时频平面上特征难以统计，同时对调制方式进行加密处理，使得信号星座图与原始信号不一致，提升了无线信号传输安全性。对波形信号层对通信波形进行防护，进一步提升无线信号的安全性，提升信号抗截获性能，同时在调制方式上进行加密处理，增加信号的安全性。

本发明所述方法在无线通信物理层实现信号的安全通信，提升系统的安全性能。

附图说明

图1为本发明基于物理层的无线安全通信方法的流程示意图。

图2为本发明中非平稳处理过程的示意图。

图3为本发明中波形变换示意图。

具体实施方式

以下，基于附图针对本发明进行详细地说明。

如图1所示，本发明设计了一种基于物理层的无线安全通信方法，该方法用于物理层，且基于无线发送端和无线接收端，本方法包括无线发送和接收两个过程，具体包括以下步骤：

步骤1、利用无线发送端对原始信号中的通信参数进行时频码非平稳处理。

本发明中，原始信号中的通信参数包括信息符号速率或扩频码片速率、扩频码重复周期和载波频率，其为非平稳特征，参量特征在接收统计后呈现非平稳性，使非合作方不能解析出通信参数，提升信息保密性。

本实施例对所述始信号中的通信参数进行时频码非平稳处理，如图2所示，具体包括：

(1)采用直接序列扩频技术处理信号的功率谱，降低信号的功率谱，以实现瞬时信号频谱的隐藏。

(2)采用变长度(周期)的数据符号，以消除固定数据符号速率引入的循环平稳性。

(3)采用变持续时间的速率变化，以消除固定数据符号速率的周期变化引入的循环平稳性。

(4)采用变长度(周期)的扩频符号，以消除固定扩频符号速率引入的循环平稳性。

(5)采用变持续时间的速率变化，以消除固定扩频符号速率的周期变化引入的循环平稳性。

(6)采用变频率载波信号，以消除固定载波频率引入的循环平稳性。

(7)采用变持续时间的载波频率变化，以消除固定载波频率的周期变化引入的循环平稳性。

(8)为了避免上述各变化的控制参数间的相关性引入的信息相关

性，各控制参数必须是统计独立的。

步骤2、结合波形加密参数对步骤1处理后的信号采用加权分数傅里叶变换方法进行波形变换；利用加权分数傅里叶变换技术，将通信波形变换成另一种形态，变换得到的波形如图3所示。而该波形使得无线接收端只有设置同样的波形加密参数，才能进行波形恢复。

本实施例中，采用加权分数傅里叶变换方法，通过9个波形加密参数，将步骤1得到的信号中bpsk波形变换称为经过星座旋转的16qam波形。

步骤3、将步骤2所得波形变换后的信号进行上变频及放大处理，且经过天线发送至物理层。

步骤4、无线信号接收为无线信号发送的逆过程，利用无线接收端接收步骤3所发送的信号，经过低噪声放大处理、下变频处理并按照预存的无线发送端波形加密参数进行波形还原，及对还原后的信号进行非平稳处理，还原获得原始信号。

该过程中，无线接收端预存的无线发送端波形加密参数，无线接收端只有预存发送端波形加密参数后，才能进行原始数据还原，否则不能进行解析。由于星座图经过加密参数加密后，发生畸形变化，只有无线接收端获取全部波形加密参数后，才能进行星座图恢复，否则接收的信号不能解析。

由此，通过在符号域、时间域和频率域进行非平稳信号构造处理，使得原始信号被侦收方不能统计出通信参数，在物理层上提升无线信号传输安全性能，提升信息的保密性。

需要说明的是，以上说明仅是本发明的优选实施方式，应当理解，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明技术构思的前提下还可以做出若干改变和改进，这些都包括在本发明的保护范围内。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种基于物理层的无线安全通信方法，包括以下步骤：利用无线发送端对原始信号中的通信参数进行时频码非平稳处理；结合波形加密参数对处理后的信号采用加权分数傅里叶变换方法进行波形变换；将所得波形变换后的信号进行上变频及放大处理，且经过天线发送至物理层；利用无线接收端接收信号，经过下变频处理并按照预存的无线发送端波形加密参数进行波形还原，及对还原后的信号进行非平稳处理，还原获得原始信号。本发明对原始信号进行加密和波形变换防护，进一步提升无线信号的安全性，提升信号抗截获性能，在无线通信物理层实现信号的安全通信，提升系统的安全性能。

技术研发人员：贺占权;李晓青;齐跃震;王少伯;余福荣;李卫洁;高蔚;丁庆海;杨红乔
受保护的技术使用者：北京卫星信息工程研究所
技术研发日：2017.12.23
技术公布日：2018.04.17