一种新型扩频通信方法与流程

本公开涉及无线通信领域，特别涉及一种新型扩频通信方法。

背景技术：

1、无线通信已应用到人类社会的方方面面，从楼宇、工厂、城镇，直至乡野、丛林，到处都充满着无线通信信号。广泛部署的各种无线通信系统，是关系人类社会发展的关键设施，其安全性至关重要。

2、对于无线通信技术而言，电磁干扰是一种始终存在的安全威胁。它们或者来源于周围环境，或者来源于恶意第三方，会极大降低接收方的信噪比，增大误码率，破坏或扰乱无线通信系统的正常运行。

3、为此，无线扩频通信技术获得了越来越多的关注。

4、在实际部署的各种无线通信系统中，大多在一定程度上使用了无线扩频通信技术。例如，在wifi(ieee 802.11n)中，发送方首先将待发送的比特0转化为扩频序列01001000111，将待发送的比特1转化扩频序列10110111000，然后再执行调制、混频、放大、滤波等操作，生成并向外辐射通信信号。接收方收到电磁信号后，首先执行滤波、放大、混频、解调等操作，获得基带信号；然后对基带信号进行解扩处理，具体方法是：将基带信号与扩频序列01001000111或10110111000相关，对相关运算结果进行判决，即可获得比特0或1。

5、这是一种典型的直接序列扩频技术。即使存在干扰信号，在接收方，同样会对干扰信号进行解扩处理，即：将干扰信号的基带数据与扩频序列01001000111或10110111000相关，相当于将干扰信号展宽到了更大的频谱范围，可以有效降低干扰信号的功率谱密度，减小干扰信号的危害，使得接收方能够获得较大的扩频增益，在存在干扰信号的前提下，也能保持较高信干噪比，以较低误码率接收数据。

6、发明人发现，传统的扩频通信技术，虽然可以有效抵御环境中的电磁干扰，但是却无法抵御恶意第三方发动的协议认知干扰攻击，具体地：1)伴随着无线通信技术的进步，恶意第三方也在快速升级其攻击能力，很多现代化的干扰机，都已具备协议认知功能。由于协议标准的开放性，这些干扰机能够预先了解通信网络协议在物理层和链路层的全部细节。2)以ieee 802.11n为例，协议认知干扰机，能够预先知晓通信双方使用的扩频序列10110111000和01001000111；3)协议认知干扰机，循环使用扩频序列10110111000或01001000111，生成基带数据，然后通过调制、混频、放大等一系列操作，得到干扰信号并将其辐射出去。3)通过上述方式获得的干扰信号，能够完全绕开直接序列扩频技术提供的抗干扰保护，在接收方，经过解扩操作后，干扰信号的功率谱密度不会有任何降低，仍然会对正常信号造成较大干扰，进而破坏或扰乱无线通信系统的正常运行。

技术实现思路

1、本公开实施例所要解决的一个技术问题是：针对恶意第三方有可能发动的协议认知干扰攻击，如何设计一种新型扩频通信方法，使的恶意第三方即使通过协议分析、频谱分析等手段，也无法获取扩频通信的全部细节，干扰信号无法绕开扩频方法提供的抗干扰保护，无线通信链路仍然能够保持较高的信干噪比，以较低误码率接收数据。

2、本公开一些实施例提出一种方法，包括：

3、1.公共参数选择

4、发送方和收信方预先共享公共参数，这些参数主要包括：

5、1)预先选择中心频点fi，通信带宽b和比特序列长度f，并定义扩频符号的周期为t＝2f/b。

6、2)预先选择多项式最高次数n，预先选择扫频倍数β。

7、3)预先选择切换周期p，p≥t且等于t的整数倍。

8、2.比特序列-起始频率映射

9、需要在发送方和接收方之间，预先确定比特序列和起始频率值之间的一一对应关系，以在通信过程中实现两者的相互转化。

10、比特序列的长度为公共参数f，每种比特序列，对应一个唯一的起始频率值。因为共有2f种比特序列，所以起始频率值的个数同样为2f，可将这些起始频率值记作，它们均匀地分布在-b/2到+b/2之间，具体如图1所示。

11、比特序列和起始频率值之间的映射关系，可以根据通信需要在发送方和接收方之间预先协商一致，只需满足比特序列和起始频率值之间的一一对应关系，且在发送方和接收方上语义一致即可。

12、3.发送方

13、如图2所示，发送方根据公共参数，首先生成并周期性更新曲线频增函数u(t)；之后，将待发送比特序列映射为初始频率值，并使用u(t)对其进行曲线扫频扩频处理，最终生成已调信号。

14、1)曲线频增函数生成

15、发送方根据公共参数生成多项式系数，进而生成曲线频增函数u(t)。在时间t内，u(t)的频率按照曲线fu(t)从-b/2增加到+b/2。

16、(1)多项式fu(t)的生成

17、多项式fu(t)的最高次数为公共参数n，它的解析式为：

18、

19、其中，a1，a2，...，an-1为多项式系数，取值范围为[0，β]，并且需要满足a1+a2+...+an-1＝β，β为公共参数。这样可以确保在[0，t]时间段内，fu(t)能够完整地扫过频带[-b/2，+b/2]共β次。

20、图3左半部分给出了当β取不同数值时，多项式fu(t)的变化关系。

21、(2)曲线频增函数u(t)的生成

22、以多项式fu(t)为频率，生成三角函数u(t)，即为曲线频增函数。

23、u(t)的解析式为：

24、

25、即：

26、

27、2)调制方法

28、(1)对待发送比特进行分组，每组比特序列的长度为f。

29、(2)对于比特序列di，其对应的起始频率值为fi。使用fi可以构建符号si(t)，具体方法为：将频率为fi的单频信号同曲线频增函数u(t)相乘，得到si(t)的解析式为：

30、

31、可见，si(t)的起始频率为fi，在时间t内，si(t)的频率从fi开始，按照曲线fu(t)的形式随t的增加而增加。

32、(3)对si(t)进行处理，使其瞬时频率总是处于之间。具体如图4所示：记si(t)的瞬时频率为fsi(t)＝fu(t)+fi，fsi(t)一旦达到了立刻将其减去b，这时fsi(t)被搬移到了并从开始重新按照曲线fu(t)的形式增加，直至到达符号截止时间t。

33、(4)将si(t)和载波信号进行混频，从而获得已调信号m(t)。

34、最终，发送方通过射频链路和天线将已调信号m(t)辐射出去。

35、4.接收方

36、如图2所示，接收方根据公共参数，首先生成并周期性更新曲线频减函数d(t)；之后，使用d(t)对接收到的基带信号进行解扩处理，获得初始频率值，并进一步将初始频率值映射为比特序列。

37、1)曲线频减函数

38、接收方根据公共参数生成多项式系数，进而生成曲线频减函数d(t)。在时间t内，d(t)的频率按照曲线fd(t)从+b/2减少到-b/2。

39、(1)多项式fd(t)的生成

40、多项式fd(t)的最高次数为公共参数n，它的解析式为：

41、

42、其中，a1，a2，...，an-1为多项式系数，取值范围为[0，β]，并且需要满足a1+a2+...+an-1＝β。这样可以确保在[0，t]时间段内，fd(t)能够完整地扫过频带[-b/2，+b/2]共β次。

43、图3右半部分给出了当β取不同数值时，多项式fd(t)的变化关系。

44、(2)曲线频减函数d(t)的生成

45、以多项式fd(t)为频率，生成三角函数d(t)，即为曲线频减函数。

46、d(t)的解析式为：

47、

48、即：

49、

50、2)解调方法

51、(1)在接收方，经天线、射频链路、混频器、滤波器等模块后，获得基带信号ri(t)，理想情况下，ri(t)的解析式可以记为：

52、

53、(2)将ri(t)和曲线递减函数d(t)相乘，可以得到：

54、

55、(3)对gi(t)做快速傅里叶变换(fft)，获得幅值最高的频点所对应的频率值fi。

56、(4)根据比特序列和起始频率值之间的一一对应关系，从快速傅里叶变换输出的频率值fi，确定接收比特序列为di。

57、5.曲线频增函数和曲线频减函数的更新

58、发送方和接收方预先选择n个随机数种子e1，e2，...，en，并在这些随机数种子的基础上，通过线性同余法，以切换周期p为周期，同步更新曲线频增函数和曲线频减函数。

59、多项式系数ai，i∈[1，n]对应随机数种子ei，i∈[1，n]，记第k次更新后得到的多项式系数为中间值为则：

60、步骤1：每隔时间p，发送方和接收方同步执行下列迭代计算：

61、

62、其中，σ1、σ2、σ3为预先定义的非负整数。

63、步骤2：计算的和，记作

64、步骤3：执行下列计算，得到

65、

66、步骤4：发送方以为系数生成曲线频增函数uk(t)：

67、

68、接收方以为系数生成曲线频减函数dk(t)：

69、

70、6.技术效果

71、由以上内容可见，该公开提出的新型扩频通信方法，可以在通信带宽内，以多项式形式进行曲线扫频，由于多项式系数为通信双方随机同步生成，且可以周期性动态更新，所以即使恶意第三方通过协议分析、频谱分析等手段，也无法获取扩频通信的全部细节，干扰信号无法绕开扩频通信方法提供的抗干扰保护，无线通信链路仍然能够保持较高的信干噪比，以较低误码率传输数据。