基于星座圖變換的無線通信抗干擾研究

余興國 袁濤 袁學(xué)松

關(guān)鍵詞： 無線通信；星座圖；抗干擾；調(diào)制跳變；加密

0 引言

移動(dòng)互聯(lián)時(shí)代的到來，云計(jì)算和大數(shù)據(jù)的快速發(fā)展，需要通過無線信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)呈現(xiàn)幾何式的增長(zhǎng)，當(dāng)前的無線電磁環(huán)境也更加復(fù)雜和多樣化，這給通過無線電磁信號(hào)傳輸系統(tǒng)帶來了新的挑戰(zhàn)[1] 。通過光纖等有線固定信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其傳輸穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)[2]，但應(yīng)用場(chǎng)景較為單一、成本較高、網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)靈活性較差。相較有線傳輸，人們更加青睞通過無線電磁波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[3]。

為了應(yīng)對(duì)當(dāng)前復(fù)雜的無線電磁環(huán)境，保證無線信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和安全性，在通信技術(shù)方案常采用的技術(shù)有擴(kuò)頻、跳頻[4-5]。但第三方如果通過手段得到擴(kuò)頻偽碼等，就可通過調(diào)制識(shí)別技術(shù)進(jìn)行處理[6]，有可能破譯一些傳輸信號(hào)中的有用數(shù)據(jù)。2006年，溫強(qiáng)等對(duì)于 BPSK調(diào)制進(jìn)行了無線光通信實(shí)驗(yàn)研究[4] ，2012年，Song等在指定信道模型下對(duì)副載波二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）和差分相移鍵控（DPSK）調(diào)制的誤碼率進(jìn)行了研究[7-8]，2010 年，Ijaz等在給定信道下對(duì)無線光OOK 和BPSK調(diào)制的方式進(jìn)行了研究[9] ，但都是對(duì)低階功率的方面開展的研究。

1 TCM-16PSK 調(diào)制的原理

在當(dāng)前電磁波多樣復(fù)雜的無線環(huán)境里，無線通信會(huì)經(jīng)常被干擾。為了增加通信的抗干擾能力，常見的方法有采用添加糾錯(cuò)編碼，通過增加信號(hào)冗余度來降低誤碼率，但缺點(diǎn)是會(huì)增加信道帶寬。本文將通過對(duì)網(wǎng)格編碼（TCM）技術(shù)的原理[10]研究，設(shè)計(jì)一款基于相位調(diào)制器的星座圖旋轉(zhuǎn)加密方案。網(wǎng)格編碼（TCM）技術(shù)是將調(diào)制和編碼過程相結(jié)合，在不消耗和占用帶寬情況下，提升抗干擾能力，提高通信質(zhì)量。最近幾年，網(wǎng)格編碼技術(shù)得到許多研究者的關(guān)注和研究，發(fā)展很快，它可以與其他技術(shù)相結(jié)合，比如TCM-OFDM 技術(shù)、TCM-CPM技術(shù)。

圖1是TCM-16PSK系統(tǒng)[11]模型，在圖中共有差分編碼、卷積編碼、分集映射三個(gè)部分，它對(duì)信息進(jìn)行差分編碼和卷積編碼，然后通過分集映射將信息對(duì)應(yīng)的組合對(duì)應(yīng)于信號(hào)星座中信號(hào)子集內(nèi)。

分集映射是整個(gè)網(wǎng)格編碼調(diào)制的重要部分，它將編碼后的數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)，映射到各信號(hào)子集，這樣得到的信號(hào)序列最小歐氏距離可以最大化。在解調(diào)時(shí)采用最大似然譯碼算法，在計(jì)算時(shí)將它首先路徑和接收序列進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的匹配，填入表格當(dāng)中，然后通過查表的方式，去查找相似度較高的序列和相對(duì)應(yīng)的接收序列的路徑。

2 系統(tǒng)信號(hào)建模

目前，已經(jīng)有很多學(xué)者在QPSK、PAM4、16QAM以及更高階的調(diào)制格式方面進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)制階數(shù)和信號(hào)失真和通信能力呈現(xiàn)出反比，所以不能一味追求更高階調(diào)制，而需要在系統(tǒng)抗干擾、加密、復(fù)雜度、易用性之間找到平衡點(diǎn)。本文主要基于星座圖變換的通信系統(tǒng)的物理層加密方向，對(duì)如何提升系統(tǒng)抗干擾性能的物理層加密技術(shù)進(jìn)行研究，采用信號(hào)高階調(diào)制的多種方法，配合星座圖旋轉(zhuǎn)方案，不改變星座圖分布，其加解密原理圖如圖2所示。

首先，通過調(diào)制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，得到一個(gè)調(diào)制信號(hào)Ein，該調(diào)制信號(hào)和密鑰生成器產(chǎn)生的密鑰信號(hào)m（t）進(jìn)行重新編碼，設(shè)定相位偏差為α，其輸出的信號(hào)Eout為：

相位調(diào)制器的輸入密鑰電信號(hào)是用來控制角度的偏差，調(diào)制器輸出的信號(hào)Eout是加密信號(hào)，密鑰電信號(hào)的加入可以保證信息傳輸?shù)陌踩?。輸入和輸出都添加了相位調(diào)制器，信號(hào)只是多了一個(gè)加密與解密的過程，如下式：

信號(hào)經(jīng)過第二相位調(diào)制器后可以恢復(fù)到以前的狀態(tài)，并不會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生影響，從而增加系統(tǒng)的抗干擾能力。

3 系統(tǒng)構(gòu)架

系統(tǒng)整體架構(gòu)主要包括信號(hào)發(fā)射和信號(hào)接收兩個(gè)部分，如圖3所示。

3.1 發(fā)射端

發(fā)射端將原始信號(hào)送入基帶調(diào)制模塊按照偽隨機(jī)序列進(jìn)行調(diào)制，得到一個(gè)基帶加密信號(hào)。調(diào)制后的基帶信號(hào)進(jìn)入TCM-16PSK星座圖旋轉(zhuǎn)模塊，進(jìn)行角度旋轉(zhuǎn)就可以得到角度旋轉(zhuǎn)后的變換信號(hào)。隨后，載波調(diào)制模塊對(duì)角度旋轉(zhuǎn)后的變換信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的載波調(diào)制。信號(hào)發(fā)射模塊對(duì)已得到的載波調(diào)制信號(hào)通過天線進(jìn)行發(fā)射。

3.2 接收端

無線接收模塊通過天線接收到無線信號(hào)。信號(hào)進(jìn)入數(shù)字載波解調(diào)模塊，得到載波解調(diào)后的基帶信號(hào)。根據(jù)傳輸?shù)男D(zhuǎn)角度密鑰信號(hào)，對(duì)基帶TCM-16PSK星座圖信號(hào)進(jìn)行解旋轉(zhuǎn)處理，還原到原來的基帶信號(hào)。隨后，再將經(jīng)過TCM-16PSK星座圖解旋轉(zhuǎn)后的基帶信號(hào)送入基帶解調(diào)模塊，基帶解調(diào)通過設(shè)計(jì)的相位調(diào)制器解密調(diào)制完成數(shù)據(jù)解調(diào)。

4 仿真結(jié)果及分析

以TCM-16PSK信號(hào)為例，對(duì)TCM-16PSK星座圖“旋轉(zhuǎn)特性”進(jìn)行仿真。分別經(jīng)過 參數(shù)為 0.0、0.5、1、1.7和 2 階的TCM-16PSK 星座圖旋轉(zhuǎn)后在復(fù)平面上的分布情況如圖4 所示。

從圖4可以看出，原始TCM-16PSK（=0.0） 星座圖是比較整齊干凈的16簇團(tuán)星座點(diǎn)，變量 從 0逐漸增加至1。在這個(gè)過程中，可以發(fā)現(xiàn)，先前的16簇團(tuán)星座點(diǎn)開始擴(kuò)散開來，同時(shí)伴隨著按照順時(shí)針方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。當(dāng)=1.0時(shí)，16簇團(tuán)已經(jīng)完全擴(kuò)散開來，各自輪廓邊界已經(jīng)不清晰，整體呈現(xiàn)出一個(gè)正方形的狀態(tài)，已無正確識(shí)別TCM-16PSK信號(hào)；當(dāng) 繼續(xù)增大，使其在1 到 2之間逐步變化，可以看到原先的16簇團(tuán)星座又慢慢出現(xiàn)，各自輪廓邊界慢慢變得清晰可見，整個(gè)圖形依然在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。當(dāng)=2.0時(shí)，最終變?yōu)?6 個(gè)清晰的先前的16 簇團(tuán)星座點(diǎn)，基本還原了原始信號(hào)。

通過對(duì)以上仿真圖分析可以發(fā)現(xiàn)，在傳輸?shù)倪^程中通過改變變量，在一定的數(shù)值范圍內(nèi)，可以使信號(hào)變成毫無規(guī)律的信號(hào)，與平常的噪聲信號(hào)一樣，無法被分別。當(dāng)采用此信號(hào)進(jìn)行傳播時(shí)，通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行星座圖旋轉(zhuǎn)處理，很難被當(dāng)成有用信號(hào)被檢測(cè)和識(shí)別。即使當(dāng)信號(hào)被截獲時(shí)，對(duì)方在沒有星座圖旋轉(zhuǎn)反變換參數(shù)的情況下，也無法正確地恢復(fù)出信號(hào)中攜帶的有用信息，大大增強(qiáng)了信號(hào)的抗干擾能力、保密性和安全性。

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真時(shí)，對(duì) 取值 2、0.1、0進(jìn)行信道仿真，其誤碼率特性如圖 5 所示。

從圖5可以看出，為獲得接近理想的誤碼率特性，在 小于0.1的范圍內(nèi)，誤碼率惡化較輕，能夠滿足正常通信的需求。當(dāng) 大于0.1時(shí)，其誤碼率將快速增加。通過以上分析，在保證 小于0.1的情況下，本系統(tǒng)具有較好的干擾能力。

5 結(jié)束語

無線通信的抗干擾研究是眾多學(xué)者研究的課題，由于當(dāng)前通信環(huán)境更加復(fù)雜，其抗干擾能力也越來越重要。本文提出了一種基于TCM-16PSK星座圖解旋轉(zhuǎn)的抗干擾無線通信方法，其優(yōu)越的保密性和抗干擾能力可用于保密性較高的負(fù)責(zé)通信系統(tǒng)中。通過仿真分析對(duì)比，在不大幅增加系統(tǒng)復(fù)雜度的情況，還能夠持續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行，信號(hào)失真較小，能夠在接收端穩(wěn)定地恢復(fù)出信號(hào)，驗(yàn)證了采用TCM-16PSK星座圖解旋轉(zhuǎn)可有效提高系統(tǒng)通信的抗干擾能力。