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  • 《电子技术应用》
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    快切换空间调制技术研究
    2018年电子技术应用第11期
    耿 飞,洪 涛
    南京邮电大学 通信与信息工程学院,江苏 南京210003
    摘要: 为了提高空间调制信号的安全性,提出了一种多天线快速切换的空间调制技术方案。单个符号由多根天线快速切换发射,使得发射信号与天线信道信息相关,是一种空间扩频信号。期望接收机根据约定好的天线切换顺序采用相关接收的方法解调信号,由于天线切换顺序的保密,窃听方无法解调信号,获得信息。仿真结果表明,天线的快速切换使得信号隐藏在背景噪声中,相比于传统空间调制信号是一种更好的物理层安全信号。
    中图分类号: TN92
    文献标识码: A
    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.181032
    中文引用格式: 耿飞,洪涛. 快切换空间调制技术研究[J].电子技术应用,2018,44(11):68-71.
    英文引用格式: Geng Fei,Hong Tao. Spatial modulation of fast antenna switch[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(11):68-71.
    Spatial modulation of fast antenna switch
    Geng Fei,Hong Tao
    College of Telecommunication & Information Engineering,Nanjing University of Post and Telecommunications,Nanjing 210003,China
    Abstract: A fast switching spatial modulation scheme is proposed to improve the secrecy performance of the spatial modulation signal. The signal is a space-spread-spectrum signal associated with the channel information because of fast antenna switch. In this way, the desired receiver can demodulate the received signal according to the agreed antenna switching sequence using the relevant receiving method. Without the switching sequence of the information, eavesdroppers cannot get any useful information from the received signal. Simulation results show that the signal hidden in the background noise has a better secrecy performance at physical layer than traditional spatial modulation signal.
    Key words : spatial modulation;spread spectrum communication;physical layer security

    0 引言

        空间调制技术利用天线序号传输额外通信信息,提高了系统频谱利用率,同时相比于传统的MIMO技术,由于只需要一条射频链路,因此避免了信道间干扰和天线发射的同步问题,极大地降低了系统成本[1]。由于无线传输媒介的开放性,空间调制技术在传输过程中的安全性问题越发受到人们的重视。文献[2]提出了一种用于多输入多输出系统的预编码辅助空间调制方案,通过预编码将本来映射到发送天线索引的信息映射到接收天线的索引,实现空间信息的隐藏。在此基础上,文献[3]假设基站具有窃听接收机的信道信息(Channel State Information,CSI),利用窃听者CSI设计了预编码器干扰窃听者接收,使得窃听者无法解密信息。在实际情况中,基站很难获得窃听者的CSI。在这种情形下,人工噪声被广泛利用来提高安全性能。在文献[4]-[8]中,在发送信号中加入人工噪声,利用信道信息差异性,使得窃听者无法消除人工噪声的干扰,通过联合优化噪声和信号的功率来最大化提高系统的保密能力。

        窃听者虽然无法解调上述调制技术研究文献中设计的通信信号,但可以侦测到通信过程并加入干扰。文献[9]基于时间调制理论[10]提出了一种具有低截获概率和一定抗干扰能力的物理层安全信号,本文在此基础上提出快切换空间调制系统,利用天线的高速切换将基频能量搬移到不同的谐波频率点,使得发射通信信号隐藏在背景噪声中。接收端根据收发双方约定的天线切换次序采用相关接收的方法累积谐波信号进而恢复出原始的通信信息。

    1 快切换空间调制系统

    1.1 系统框图

    ck6-1.1-x1.gif

    ck6-1.1-x2.gif

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        在传统的空间调制技术中,信息比特流k被分为k1和k2两个部分,符号域k1用来控制调制符号的幅度和相位,空间域k2用来选择需要激活发射天线的序号,系统在一个符号域k1控制的映射符号时间内,将调制信号的星座图与发射天线相关联,实现通信信息的空间调制。本文提出的天线高速切换的空间调制方案中,空间域信息比特k2在调制符号周期内不是控制单个序号的天线激活发射,而是用于控制一组天线的切换方式,即在一个调制符号周期内通过多个天线的高速切换方式传输通信信息。为了与传统的空间调制传输信息方式相区别,传统方式的空间调制天线切换方式称为慢切换空间调制,而本文提出的传输方式称为快切换空间调制,这一概念与传统扩频通信系统中的快跳频和慢跳频概念相类似??烨谢豢占涞髦葡低撤⑸湫藕诺拇浞绞?、信号的时频分析以及信号的解调方式在下面的小节中依次讨论。

    1.2 信号的传输与解调

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    ck6-gs1-5.gif

        由于Eve无法获知Alice的切换方式,同时发送天线越多,切换种类的选择越多,窃听方Eve的接收天线就无法产生本地相关的匹配序列,无法检测到相关峰,不知道Alice是否在通信,也就无法捕获信号及解调。

    2 性能分析

    2.1 信号的时频分析

    ck6-gs6-8.gif

    2.2 误码率分析

        Bob的误码率上限为:

    ck6-gs9-10.gif

    ck6-gs11.gif

    3 仿真结果与分析

        图2给出了信噪比为-5 dB时BPSK信号在不同天线数目切换下所产生的信号幅度谱。发射的信号为载波频率fc=2 GHz、信息速率Rb=10 Mb/s的BPSK信号。从图中发现BPSK信号的频谱展宽,基频能量被US(t)搬移到fc±fp、fc±2fp……fc±nfp这些谐波频率点。BPSK信号的能量归一化为0 dB,快速切换信号相比BPSK信号在载频fc上的能量幅度分别下降至-16.9 dB(Na=7)、-23.5 dB(Na=15)、-29.8 dB(Na=31)和-35.9 dB(Na=63),只要快速切换天线数目足够多,发送信号频谱就可以隐藏于噪声谱中,使得窃听者无法窃听通信信息。

    ck6-t2.gif

        图3为快切换空间调制系统的误码率仿真图,图中的信噪比(SNR)为发射信号信噪比ck6-t2-x1.gif发射信号总功率P=1,发射星座符号为BPSK调制,每个符号平均功率E{|xm|2}=1。仿真图中每个误码率点代表106个接收符号的仿真结果平均值。当接收方天线数Nb=2,即采用两种切换方式分别对应比特‘0’、‘1’时,在相同的SNR条件下,发送方切换天线数越多,误码性能越好;同时可以发现,随着SNR增高,仿真误码率和推导的理论误码率上界渐渐逼近,在高信噪比下完全吻合。当发射切换天线数固定为Na=64,在低信噪比下,误码率随着切换方式数目的减少而降低;在高信噪比下不同切换方式数量下误码率表现几乎相同。这表明切换方式的检测与切换方式数量大小无关,在不增加误码情况下,可以通过增加切换方式来传输更多的信息。

    ck6-t3.gif

    4 结论

        本文提出了一种快切换空间调制方案,将传统空间调制方案中映射到单根天线索引的信息映射为一组天线的切换方式,通过天线快速切换将发射信号隐藏到背景噪声中,期望用户通过本地相关序列检测信号的到来及解调信号,而窃听方由于没有切换方式信息不能侦测到通信过程,保证了信息传输的安全。同时,在此基础上理论推导了系统的误码率,通过仿真发现在高信噪比下理论推导与仿真相吻合,证明了推导的正确性。

    参考文献

    [1] MESLEH R,HASS H,SINANOVIC S,et al.Spatial modulation[J].IEEE Transaction on Vehicular Technology,2008,57(4):2228-2241.

    [2] YANG L L.Transmitter preprocessing aided spatial modulation for multiple-input multiple-output systems[C].Proceedings of IEEE 73rd VTC Spring,2011:1-5.

    [3] WU F L,ZHANG R,YANG L L,et al.Transmitter precoding aided spatial modulation for secrecy communications[J].IEEE Transaction on Vehicular Technology,2016,65(1):467-471.

    [4] WU F L,YANG L L,WANG W J,et al.Secret precoding aided spatial modulation[J].IEEE Communications Letters,2015,19(9):1544-1547.

    [5] WANG L,BASHAR S,WEI Y,et al.Secrecy enhancement analysis against unknown eavesdropping in spatial modulation[J].IEEE Communications Letters,2015,19(8):1351-1354.

    [6] GAO Z Z,HU H Q,et al.Physical layer security based on artificial noise and spatial modulation[C].2016 8th International Conference on Wireless Communications & Signal Processing(WCSP).IEEE,2016:1-6.

    [7] LIU C W,YANG L L,WANG W J.Secure spatial modulation with a full-duplex receiver[J].IEEE Communications Letters,2017,6(6):838-841.

    [8] HUANG Z J,GAO Z Z,SUN L.Anti-eavesdropping scheme based on quadrature spatial modulation[J].IEEE Communications Letters,2017,21(3):532-535.

    [9] 洪涛,宋茂忠,刘渝.切换天线发射的低截获率通信信号物理层安全传输[J].应用科学学报,2011,29(4):368-373.

    [10] AKSOY E,AFACAN E.Thinned non-uniform amplitude time-modulated linear arrays[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2010,9:514-517. 



    作者信息:

    耿  飞,洪  涛

    (南京邮电大学 通信与信息工程学院,江苏 南京210003)

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