一种基于导频隐蔽的低截获波形设计方法及系统与流程

本发明涉及无线通信中物理层安全，特别是一种基于导频隐蔽的低截获波形设计方法及系统。

背景技术：

1、近年来，基于电网的无线信息传输占据了越发重要的地位。由于无线通信易受干扰和截获，对无线传输抗干扰、抗截获能力的需求显得尤为重要。电网系统涉及到能源安全和公共安全，其无线传输的信息具有较高的保密性要求。如果无线通信被恶意截获，可能导致电力系统的瘫痪，甚至引发社会安全问题。因此，为了保证信息的安全传输，电力系统的无线传输需要具备抗截获能力，防止未经授权的访问、窃听和篡改。

2、随着窃听方日益增强的计算能力，越来越多的系统开始考虑结合物理层安全技术来增强上层密钥技术。传统正交域人工噪声(orthogonal artificial noise，oan)作为一种新型发送方物理层安全技术被广泛研究，其可以有效提高无线传输的隐蔽性，然而该技术存在以下几个问题：(1)当合法方只具备单根发射天线时，正交域人工噪声失去作用。(2)正交域人工噪声残留会对合法方产生影响。所以如何在单天线系统下，利用合法方与窃听方的信道差异保证合法方的安全仍然是一个挑战。

3、本发明就是针对上述问题，为了克服单天线系统下，传统正交域人工噪声失效问题，设计一种新型的低截获传输波形，以防止窃听方获取合法方数据。本发明的技术方案是对于ofdm(orthogonal frequency division multiplexing，ofdm)系统模型，提出一种基于导频隐蔽的新型波形设计。

技术实现思路

1、鉴于上述存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明所要解决的问题是：如何解决单天线系统下传统正交域人工噪声失效的问题。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于导频隐蔽的低截获波形设计方法，包括，获取信道状态信息，根据获取的信道状态信息，构成一个ofdm符号；依次对ofdm符号进行idft，信道传输，dft得到信号y；合法接收方bob和窃听方eve分别对接收到的信号进行omp信道估计。

4、作为本发明所述一种基于导频隐蔽的低截获波形设计方法的一种优选方案，其中：所述获取信道状态信息包括根据上行信道进行信道估计获取信道状态信息，设置信道阈值，若信道状态参数超过预定阈值，则信道条件良好，信号传输稳定，选择减少人工噪声的添加，以提高传输效率和降低能耗，增加数据传输率或减少错误更正机制的复杂度；若信道状态参数低于阈值，则信道条件不佳，存在较高的噪声或干扰，增加人工噪声的级别，保持通信的隐蔽性和安全性，降低数据传输速率，增加错误更正代码的使用，确保数据传输的可靠性；所述构成一个ofdm符号包括，根据获取的信道状态信息，导频以及公式设计频域人工噪声r，其中导频设计为zc序列p，将人工噪声r加上导频序列p构成一个ofdm符号x。

5、作为本发明所述一种基于导频隐蔽的低截获波形设计方法的一种优选方案，其中：所述对ofdm符号进行idft包括，发送方采用n个相互正交的子载波传输信号x，x＝[x1,x2,…,xn]t表示一个ofdm符号，在ofdm系统中，x被视为频域的信号，做离散傅里叶反变换得到时域信号表示为：

6、s＝fhx

7、

8、其中，为离散时域ofdm信号，f为离散傅里叶变换矩阵，上标h为对矩阵取共轭转置，m为傅里叶变换矩阵的行索引，n为傅里叶变换矩阵的列索引；所述信道传输包括，设信道冲击响应为h＝[h1,h2,…,hk,0,…,0]t，其中，k为能量高的多径数目，假设h对于同一个ofdm符号而言是时不变的，去除cp后，接收端的信号可以表示为：

9、y＝hs+w＝hfhx+w

10、其中，为一个循环矩阵，循环矩阵第一列是h，w为噪声向量，噪声向量各个元素均服从均值为0，方差为σ2的高斯分布；所述dft包括，对接收信号做dft表示为：

11、y＝fhfhx+fw

12、其中，d＝fhfh是一个对角阵。

13、作为本发明所述一种基于导频隐蔽的低截获波形设计方法的一种优选方案，其中：所述信道冲击响应包括，利用压缩感知理论对h进行重构，改写公式中的信号传输模型，由于cp的存在，时域接收信号表示为时域ofdm信号与cir的循环卷积，表示为：

14、

15、同样做dft表示为：

16、y＝fs⊙fh+fw

17、 ＝diag(fs)fh+fw

18、 ＝diag(x)fh+fw

19、其中，⊙为哈达玛积，diag()为将向量作为对角元转换为对角矩阵。

20、作为本发明所述一种基于导频隐蔽的低截获波形设计方法的一种优选方案，其中：所述信道冲击响应还包括，导频处x表示为：

21、

22、其中，p为导频符号，r为人工噪声，α表示导频所占的功率比例；公式改写表示为：

23、

24、在压缩感知理论中，y为测量值，为感知矩阵，为感知噪声，使得感知噪声对合法方的影响降低到最小，设计r使得与感知矩阵ω正交，导频p采用一组固定复数p序列。

25、作为本发明所述一种基于导频隐蔽的低截获波形设计方法的一种优选方案，其中：所述人工噪声表示为：

26、r＝diag(fh)-1f(l)

27、所述合法接收方包括，f(l)为dft矩阵中的第l列，选取的l大于最大多径时延所在列数，合法方接收信号表示为：

28、

29、由于dft矩阵的每一列与其他列正交，f(l)与感知矩阵f正交，对合法方omp信道估计结果不会产生影响。

30、作为本发明所述一种基于导频隐蔽的低截获波形设计方法的一种优选方案，其中：所述窃听方包括，窃听方在接收导频处受到人工噪声干扰，无法获取准确信道信息，zf信道估计表示为：

31、

32、其中，为窃听方估计的信道系数，在数据处进行信道均衡，由于受到人工噪声影响，星座图散乱无法正确解调，ye为窃听方接收信号，he为窃听方信道系数。

33、本发明的另外一个目的是提供一种基于导频隐蔽的低截获波形设计方法的系统，其能通过构建基于导频隐蔽的低截获波形设计系统，解决了一种基于导频隐蔽的低截获波形设计问题。

34、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于导频隐蔽的低截获波形设计系统，包括，数据采集模块、信号处理模块、信道估计重构模块、安全控制模块、导频设计模块及数据解析和解码模块；所述数据采集模块收集通信系统中的原始数据，包括信号的时间、频率、强度信息；所述信号处理模块负责对采集到的原始数据进行必要的信号处理，包括ofdm符号的生成、idft、信道传输、dft操作；所述信道估计重构模块用于处理和估计信道状态信息；所述安全控制模块设计和实施安全措施，人工噪声的添加，增加非法窃听者获取准确信道信息的难度；所述导频设计模块专门负责设计导频序列，zc序列，以及确定导频的放置和功率分配；所述数据解析和解码模块在信号到达接收端后，负责解析和解码信号，提取出有用的信息，同时进行信道均衡和错误更正。

35、一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述一种基于导频隐蔽的低截获波形设计方法的步骤。

36、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述一种基于导频隐蔽的低截获波形设计方法的步骤。

37、本发明有益效果为：本发明提供的一种基于导频隐蔽的低截获波形设计方法通过在导频上添加人工噪声，有效地隐藏通信信号，减少被非法监听者(如窃听方)探测到的可能性。利用压缩感知理论对信道进行重构，可以提高信道估计的准确性，特别是在复杂或快速变化的信道环境中。由于窃听方难以准确估计信道状态，这降低了信号被拦截和解码的风险，从而增强了通信的整体安全性。