CN112398774A - 一种基于正交时频拓展的扩频通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于正交时频拓展的扩频通信方法，由离散辛傅里叶变换和多载波复用系统共同构成，发送端首先将时间‑频率域变换到时延‑多普勒域，并在时延‑多普勒域进行调制，最后再将时延‑多普勒域中的调制符号映射到时间‑频率域中进行发射，接收端相反。本发明采用了扩频技术结合OTFS的技术手段，不仅能够提升了在高动态条件下的传输性能，而且能够有效降低信号被截获的概率，可应用于保密通信中，常规的通信方式在被捕获后无需先验信息即可被破解，而本发明中即使信号被窃听者捕获，若窃听者对信号的帧格式、调制阶数等条件不明确则无法进行破解。

Description

一种基于正交时频拓展的扩频通信方法

技术领域

本发明涉及正交时频拓展(OTFS)领域，尤其是利用OTFS结合扩频技术进行无线安全通信。

背景技术

信号低截获是指通过某些手段，使得信号很难被非合作方接收机检测或者截获，扩频通信被广泛应用于各类抗干扰低截获系统中。它分为直扩、调频和跳时三种，其中直扩通过伪随机序列对频谱进行拓展，降低信号的功率谱密度，使信号在噪底之下，从而达到低截获的目的。

正交频分复用技术(OFDM)被大量应用于现在的通信方式中，例如4G通信，它通过多个正交的子载波来对数据进行传输，相比于频分多址技术提升了频带的利用率，但缺点就在于OFDM会受到频率偏移的影响，这也导致了在高动态传输中，OFDM的传输性能收到了限制。随着无人机技术的高速发展，高动态通信的应用场景越来越常见。

OTFS可以看作是一种在OFDM上的改进技术，它通过将传统的时间-频率域转换到时延-多普勒域，从而提升在高动态的条件下的传输性能。结合了OTFS的扩频通信，不仅可以提升信号的抗截获能力，更能适应高动态的环境。同时时延-多普勒域作为一种非传统变换域，也能一定程度上的起到抗截获的效果。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于正交时频拓展的扩频通信方法，为了应对无人机中常见的高动态无线隐蔽通信问题。

OTFS与OFDM不同，是一种二维拓展方式，由离散辛傅里叶变换和多载波复用系统共同构成，发送端首先将时间-频率域变换到时延-多普勒域，并在时延-多普勒域进行调制，最后再将时延-多普勒域中的调制符号映射到时间-频率域中进行发射，接收端相反。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案主要包括以下步骤：

步骤1：假设每块数据包发送的非归零码为a[k]，k＝0,1,2,…,K-1；

步骤2：通过长度为L非归零伪随机码c_k[l]对b[k]进行拓展得到b[l,k]，其中，l＝0,1,2,…,L-1；

步骤3：对信息码块的每一路串行数据进行M-PSK调制，得到调制离散符号x[l,r]，r＝0，1,2,…,R-1，其中R表示的是调制符号数，存在关系R＝K/log₂(M)，M表示数据的调制阶数；

步骤4：定义逆离散辛傅里叶变换变换，记作ISFFT(x[l,r])，得到信息码块的逆离散辛傅里叶变换X[p,q]，其中p,l＝0,1,…,L-1；q,r＝0,1,…,R-1；

步骤5：通过Heisenberg变换得到发射端的发送基带信号s(t)；

步骤6：假设时变信道的冲击响应为h(τ,ν)，其中τ为时延，ν为多普勒频移，接收机接收信号为r(t)；

步骤7：在接收端匹配滤波器计算交叉模糊函数

接收信号经Wigner变换得到：

步骤8：再对Y[p,q]进行SFFT变换得到：

记作SFFT(Y[p,q])；

步骤9：经MAP检测恢复调制符号x[l,r]；

步骤10：对x[l,r]进行M-PSK解调，得到的扩频后发送信号比特信息

步骤11：根据伪随机码c_k[l]对

进行解扩，对于第k个比特计算

如果

的值大于0，那么该比特为1，如果小于0，那么该比特为0，通过对

的每一列进行运算判断，得到发送的信息序列a[k]，从而完成信息的传输。

所述步骤2中，拓展方式为b[l,k]＝a[k]×c_k[l]，即将串行的信息码a[k]通过伪随机码c_k[l]转化为L路并行的信息码块b[l,k]，表示子载波数为L。

所述逆离散辛傅里叶变换变换为

所述通过Heisenberg变换得到发射端的发送基带信号s(t)，表示为

其中，g_tx(t)是传送脉冲函数，Δf是子载波频率间隔，T是符号周期，Δf＝1/T。

所述接收机接收信号r(t)表示为：r(t)＝∫∫h(τ,ν)s(t-τ)e^j2πν(t-τ)dτdν。

所述Wigner变换为

其中g_rx(t)是接收脉冲函数，

表示接收脉冲函数的共轭函数。

本发明的有益效果在于由于采用了扩频技术结合OTFS的技术手段，不仅能够提升了在高动态条件下的传输性能，而且能够有效降低信号被截获的概率。本发明可应用于保密通信中，常规的通信方式在被捕获后无需先验信息即可被破解，而本发明中即使信号被窃听者捕获，若窃听者对信号的帧格式、调制阶数等条件不明确则无法进行破解。

附图说明

图1为本发明系统模型框图。

图2为本发明扩频方式示意图。

图3为本发明基于OTFS的扩频通信技术随不同信噪比的误码率。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

根据本发明所属基于OTFS的扩频通信方法，以一个每块数据包发送16bit归零二进制码为例，即K＝16。伪随机码长度L＝8，调制方式为QPSK，即M＝4，调制后每个串行数据包含8个调制符号。由图1所示，本发明提供了一种基于OTFS的扩频通信方法，具体实施方式如下

步骤一：产生16bit需要发送的非归零码a[k]，k＝0,1,…,15。

步骤二：产生16组长度为8的伪随机码组记作c_k[l]，表示的是第k个信息码在第l路的拓展，用于对a[k]进行二维拓展，根据图2所示扩频方式可以得到扩频后的码块b，b为一个8*16的矩阵，其中的每个元素可以通过b[l,k]＝a[k]×c_k[l]计算得到，表示的是一个信息码块通过8个载波进行传输，每个载波传输16bit信息。

步骤三：对信息码块的每一路串行数据进行QPSK调制,得到8*8的调制后符号码块x，其中每个元素表示为x[l,r]，此时的调制码块是在时延-多普勒域。

步骤四：将时延-多普勒域的x通过ISFFT变换为时间-频率域的X，具体的变换公式为

步骤五：通过Heisenberg变换把X[p,q]变换为发射端的发送基带信号s(t)，具体可以表示为

其中，g_tx(t)是传送脉冲函数，Δf是子载波频率间隔，T是符号周期，Δf＝1/T。

步骤六：假设时变信道的冲击响应为h(τ,ν)，其中τ为时延，ν为多普勒频移，接收机接收信号r(t)可以表示为：r(t)＝∫∫h(τ,ν)s(t-τ)e^j2πν(t-τ)dτdν+w(t)。w(t)为一个均值为0，的高斯白噪声。假设多径信号数为P＝4，那么h(τ,ν)改写为

步骤七：在接收端匹配滤波器计算交叉模糊函数

定义Wigner变换：

其中g_rx(t)是接收脉冲函数。接收信号经Wigner变换：

此时的信号表现在时间-频率域。

步骤八：将时间-频率域的Y[p,q]通过SFFT变换到时延-多普勒域的y[l,r]，可由该式计算：

步骤九：从y[l,r]中通过MAP检测恢复调制符号x[l,r]。

步骤十：根据星座点映射对x[l,r]进行QPSK解调得到恢复的扩频后发送信号比特信息

步骤十一：根据伪随机码c_k[l]对

进行解扩，得到发送信号比特信息a[k]。对于第k个比特计算

如果大于0，那么该比特为1，如果小于0，那么该比特为-1，通过这种方式不仅可以进一步对误码进行纠错，还可以使非合作方接收机无法正确截获发送信息。

图3显示了基于OTFS的扩频通信技术随不同信噪比的误码率图，进行了10000次蒙特卡洛实验，每次16bit数据。从图3可以看出，相比于单纯的OTFS，基于OTFS的扩频通信技术由于在解扩的时候相当于进行了纠错，因此有着更低的误码率，从而增强了无线通信的可靠性。

Claims (6)

1.一种基于正交时频拓展的扩频通信方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1：假设每块数据包发送的非归零码为a[k]，k＝0,1,2,…,K-1；

步骤2：通过长度为L非归零伪随机码c_k[l]对b[k]进行拓展得到b[l,k]，其中，l＝0,1,2,…,L-1；

步骤3：对信息码块的每一路串行数据进行M-PSK调制，得到调制离散符号x[l,r]，r＝0，1,2,…,R-1，其中R表示的是调制符号数，存在关系R＝K/log₂(M)，M表示数据的调制阶数；

步骤4：定义逆离散辛傅里叶变换变换，记作ISFFT(x[l,r])，得到信息码块的逆离散辛傅里叶变换X[p,q]，其中p,l＝0,1,…,L-1；q,r＝0,1,…,R-1；

步骤5：通过Heisenberg变换得到发射端的发送基带信号s(t)；

步骤6：假设时变信道的冲击响应为h(τ,ν)，其中τ为时延，ν为多普勒频移，接收机接收信号为r(t)；

步骤7：在接收端匹配滤波器计算交叉模糊函数

接收信号经Wigner变换得到：

步骤8：再对Y[p,q]进行SFFT变换得到：

记作SFFT(Y[p,q])；

步骤9：经MAP检测恢复调制符号x[l,r]；

步骤10：对x[l,r]进行M-PSK解调，得到的扩频后发送信号比特信息

步骤11：根据伪随机码c_k[l]对

进行解扩，对于第k个比特计算

如果

的值大于0，那么该比特为1，如果小于0，那么该比特为0，通过对

的每一列进行运算判断，得到发送的信息序列a[k]，从而完成信息的传输。

2.根据权利要求1所述的基于正交时频拓展的扩频通信方法，其特征在于：

所述步骤2中，拓展方式为b[l,k]＝a[k]×c_k[l]，即将串行的信息码a[k]通过伪随机码c_k[l]转化为L路并行的信息码块b[l,k]，表示子载波数为L。

3.根据权利要求1所述的基于正交时频拓展的扩频通信方法，其特征在于：

所述逆离散辛傅里叶变换变换为

4.根据权利要求1所述的基于正交时频拓展的扩频通信方法，其特征在于：

所述通过Heisenberg变换得到发射端的发送基带信号s(t)，表示为

其中，g_tx(t)是传送脉冲函数，Δf是子载波频率间隔，T是符号周期，Δf＝1/T。

5.根据权利要求1所述的基于正交时频拓展的扩频通信方法，其特征在于：

所述接收机接收信号r(t)表示为：r(t)＝∫∫h(τ,ν)s(t-τ)e^j2πν(t-τ)dτdν。

6.根据权利要求1所述的基于正交时频拓展的扩频通信方法，其特征在于：

所述Wigner变换为

其中g_rx(t)是接收脉冲函数，

表示接收脉冲函数的共轭函数。

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