一种低误码率两模态物理层认证信息传输系统及方法

1.本发明涉及无线物理层认证通信技术领域，具体涉及一种低误码率两模态物理层认证信息传输系统及方法。


背景技术：

2.面对未来第六代无线通信系统对容量的巨大需求，轨道角动量(orbital angularmomentum,oam)在高容量和低复杂度无线通信领域表现出极强的潜力，受到了广大学者的高度关注。目前，基于轨道角动量的多路复用技术主要分为两类：1)oam模分复用，将携带不同本征模态的oam波束作为不同的载波进行信息传输，利用不同oam载波的相互正交特性提高频谱效率；2)oam模态编码通信，将多个oam模态进行编码，对编码后的数据符号径向传输，编码效率取决于可编码的oam模态数，其适用于量子通信。
3.2012年，研究人员进行了首次oam无线通信经验测试，此后oam技术不再局限于光波频段，对于oam模分复用技术的研究，已经取得了大量研究成果。例如，提出了基于时间开关阵列的ofdm-oam无线通信系统；提出基于多模无线通信系统详细讲述了基于uca阵列收发机的接收模型和接收信号估计方法；提出具有强抗干扰的调模通信系统，通过在跳频通信系统中加入oam模态资源域，实现模频共跳，进一步加强了系统的抗干扰性能；在oam长距离通信方面，搭建了非简化索引映射系统，并通过测试验证了系统在长距离通信场景下的性能；针对高阶oam模式面临超高传输损耗特性，提出了基于oam最优波束选择的多用户mimo方案，将单用户场景成功拓展到了多用户场景。
4.然而，不同模式oam载波进行信息传输的能力不尽相同，已有的复用方法并不能充分利用不同模式oam载波的传输特性，因此，亟需考虑将具有不同传输能力的oam模式用户传输不同数据速率需求的信息。
5.本发明提出了基于一种两模态低误码率物理层认证信号传输方案，其中，0-模式oam载波用于传输具有较高数据速率需求的信息信号，l-模式oam载波用于传输低数据速率需求的身份验证信息。


技术实现要素：

6.本发明意在提供一种低误码率两模态物理层认证信息传输系统及方法，通过不同模态轨道角动量之间的正交特性，以降低信息信号的误码率。
7.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.一种低误码率两模态物理层认证信息传输系统，包括：
9.认证信号产生模块，用于产生待传的合成信号，所述合成信号包括信息信号和身份认证信号；
10.信号接收模块，用于接收信息信号和身份认证信号；
11.移相器网络模块和均匀圆形阵列模块共同组成认证信号产生模块或信号接收模块，移相器网络模块用于产生具有等间隔的相位差；均匀圆形阵列模块，用于产生轨道角动
量载波信号；
12.调制模块，用于将待传的合成信号进行编码调制之后，加载到不同的oam载波信号上进行oam载波调制并传输。
13.本方案的原理及优点是：实际应用时，本发明采用移相器网络模块和均匀圆形阵列模块产生两个不同模态的轨道角动量载波信号，分别用于传输认证信号模块产生的信息信号和身份认证信号，凭借不同模态轨道角动量之间的正交特性，以降低信息信号的误码率；传统物理层认证传输方案中，信息信号与认证信号使用相同物理子信道进行传输，这会导致信息信号与认证信号之间的干扰，且这种干扰会随着信号采用的调制阶数升高而急速加剧。由于不同oam模态之间相互正交，将合成信号加载到不同oam载波信号再进行传输，能够降低合成信号中的信息信号和身份认证信号之间的干扰，相当于利用oam技术实现了同一时间同一频率多个正交子信道。本技术能够适用于无线电波的任何频段，相交传统物理层认证通信，方案最高可实现无干扰传输。
14.优选的，作为一种改进，所述认证信号产生模块和信号接收模块均为圆形均匀阵列天线。
15.技术效果：圆形发射阵列天线和圆形接收阵列天线能够产生和接收完整相位信息的oam信号。
16.优选的，作为一种改进，每个圆形均匀阵列天线在一个符号周期内发送信息信号和身份认证信号。
17.技术效果：一个符号周期能够指单位时间，对发送信息信号和身份认证信号的时间进行了统一。
18.优选的，作为一种改进，相邻圆形均匀阵列天线间距大于半波长间距，圆形天线阵列的半径为0.5倍波长。
19.技术效果：阵列天线单元之间的间距一般都采用半波长左右的间距，大于半波长的间隔能够对oam载波信号进行汇聚。
20.优选的，作为一种改进，均匀圆形阵列冲激响应表示为：
[0021][0022]
其中，n表示发射均匀圆形阵列天线单元数，表示第n个天线单元与参考天线单元之间的相位差，η表示发射端俯仰角，α表示发射端方位角。
[0023]
技术效果：通过表达式解释了均匀圆形阵列的冲激响应原理。
[0024]
一种低误码率两模态物理层认证信息传输方法，包括：
[0025]
认证信号产生步骤，产生待传的合成信号，所述合成信号包括信息信号和身份认证信号；
[0026]
信号接收步骤，接收信息信号和身份认证信号；
[0027]
移相器网络步骤和均匀圆形阵列步骤共同组成认证信号产生步骤或信号接收步骤，移相器网络步骤产生具有等间隔的相位差；均匀圆形阵列步骤产生轨道角动量载波信号；
[0028]
调制步骤，将待传的合成信号进行信源编码调制之后，加载到不同的oam载波信号
上进行oam载波调制并传输。
[0029]
优选的，作为一种改进，所述认证信号产生步骤和信号接收步骤均为圆形均匀阵列天线实现。
[0030]
优选的，作为一种改进，每个圆形均匀阵列天线在一个符号周期内发送信息信号和身份认证信号。
[0031]
优选的，作为一种改进，相邻圆形均匀阵列天线间距大于半波长间距，圆形天线阵列的半径为0.5倍波长。
[0032]
优选的，作为一种改进，均匀圆形阵列冲激响应表示为：
[0033][0034]
其中，n表示发射均匀圆形阵列天线单元数，表示第n个天线单元与参考天线单元之间的相位差，η表示发射端俯仰角，α表示发射端方位角。
附图说明
[0035]
图1为物理层认证通信场景示意图；
[0036]
图2为两模态低误码率物理层认证通信发射机示意图；
[0037]
图3为两模态物理层认证信号星座示意图；
[0038]
图4为nakagami衰落因子m＝0.5时ber对比分析图；
[0039]
图5为nakagami衰落因子m＝0.2时ber对比分析图。
具体实施方式
[0040]
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
[0041]
依据经典的物理层认证系统模型，一个基于无线信道物理层认证的实际通信场景被描述为如图1所示，场景中存在包括alice、bob、eve和carol四个用户。假设在一个常规的无线通信系统中，发射用户alice和认证接收用户bob进行信息传输，恶意用户eve和无意用户carol对alice向bob发出的信息进行监听；由于系统中用户不存在优先级，eve和carol也能够完全接收并解码alice发送的信息符号。然而，在图1所示的认证系统模型中，alice和bob之间的信息传输将采用一种嵌入式指纹物理层认证方案且共享唯一的密钥k
ab
。在发射端，alice发射具有认证的信息信号，认证的嵌入使得每段消息符号都具有唯一的指纹；在接收端，bob对接收到的信号进行身份认证，依据密钥k
ab
来判定接收信号是否为alice所发送的合法信号。除此此外，接收端无意用户carol和恶意用户eve依然能够接收并解码alice所发信号；其中carol不知道此次通信中存在认证方案，eve知道认证方案的存在却不知道认证密钥，因此，carol和eve都不能对alice所发信息进行身份认证。
[0042]
综上所述，一个物理层认证通信方案要具有较好的隐蔽性需要满足以下两点：1)认证方案的存在对信号接收用户和无意用户影响较小甚至没有影响；2)认证方案对恶意监听用户具有较好的对抗性。本方案则是解决第一点。
[0043]
实施例基本如附图2所示：
[0044]
一种低误码率两模态物理层认证信息传输系统，包括：
[0045]
认证信号产生模块，用于产生待传的合成信号，所述合成信号包括信息信号和身份认证信号；
[0046]
信号接收模块，用于接收信息信号和身份认证信号；
[0047]
移相器网络模块和均匀圆形阵列模块共同组成认证信号产生模块或信号接收模块，移相器网络模块用于产生具有等间隔的相位差；均匀圆形阵列模块，用于产生轨道角动量载波信号；所述移相器网络模块和均匀圆形阵列模块用于产生两个不同模态的oam载波信号；
[0048]
调制模块，用于将待传的合成信号进行编码调制之后，加载到不同的oam载波信号上进行oam载波调制并传输。
[0049]
如2所示，在对信息信号和身份认证信号进行信源编码调制之后，再进行oam载波调制，分别将信息信号和身份认证信号加载到不同的oam子模态上进行传输。信息信号的信息量远大于身份认证信号的信息量，即h
data
(s)＞＞h
tag
(t)，且oam正交发射机具有不同的信息传输能力；因此，本技术中采用具有最强信息传输能力的零模态进行信息信号的传输，传输增益较弱的非零模态则用于身份认证信号的传输。由于不同oam子模态间具有天然的相互正交特性，在oam收发机完美匹配的视距路径场景中，理论上接收机能够进行完美的oam解调，和对信息信号和身份认证信号进行无干扰信息分离和提取。因此，身份认证的引入几乎不会影响系统的信息传输速率和误比特率(bits error rate,ber)性能。
[0050]
本技术中优选的，收发端为8
×
8大小的均匀圆形阵列发射，发射端和接收端都是8个天线单元的均匀圆形阵列，移相器网络模块和均匀圆形阵列模块共同组成了认证信号产生模块和信号接收模块；均匀圆形阵列能够产生多个oam模态，采用其他阵列，如直线和面阵均无法产生oam载波信号。这里的8
×
8不对本技术中收发端天线单元大小构成限制，天线单元数量越多性能越好，但是成本越高，数量越少成本低，但是性能差。对于物理层认证方案，只需要2个不同oam模态，本技术中采用常见的8
×
8进行举例。发射天线半径和接收天线半径均为10λ，采用此半径能够对oam进行汇聚，使得更适用于较长的传输距离。产生oam模态分别为l1＝0和l2＝1。
[0051]
若发射一个长度为m的符号矢量则如表1的信号模型表所示。其中，t＝g(d,d
key
)表示由密钥为d
key
加密哈希函数g()生成的身份认证符号，和表示由经典符号调制后发射信息信号矩阵和身份认证信息矩阵，和表示信息信号和认证信号之间的相对功率分配对角矩阵，和信息信号和认证信号对应的oam模态调制矩阵，表示模态调制矩阵，表示噪声矩阵。
[0052]
表1
[0053][0054]
在一个基于oam全模态调制的无线通信系统中，产生的多模式值复合的oam波中，既包含模式值为0的oam波，也包含模式值为l的oam波(l≠0)。模式值为0的oam波即传统的平面电磁波；因此，传统的mimo无线通信系统被等效为一个模式值为0的oam无线通信系统。对于传统的mimo无线通信系统，接收信号yk只包含模式值为0的接收信号，这种只存在模式值的0的oam无线通信系统中，信号接收模型改写为：
[0055]
yk(0)＝h(0)xk(0)+r(0)nkꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0056]
结合公式oam有效子信道系数表达式，公式(1)被进一步改写为：
[0057][0058]
其中，表示子信道系数，βλ为衰减常数和波长，k为波数，d为传输距离；j为虚数，表示包含oam衰落特征的发射信号或可接收到参考oam信号，表示等效接收噪声信号；h(0)为模式0有效子信道系数；xk(0)为模式0传输的信号；r(0)为模式0解调信号；nk为噪声；为等效接收噪声；i为虚数；j0为贝塞尔函数符号表达式；r
trr
分别为发射天线和接收天线的半径。
[0059]
这里需要特别说明的是为什么要设定接收0模式oam信号作为参考信号，在基于多模态的oam无线通信系统中，由于oam波特有的发散特即oam波的能量分布呈圆环形状，且这种圆环分布随着模式值的增加表现的更加明显。对于相同尺寸的接收均匀圆形阵列天线来说，采用不同模式值oam波进行信息传输，接收到的信号能量是不相同的，且接收到的信号能量随着模式值增加而减小，因此，采用两模态进行物理层认证通信信号传输，将具有最强信息传输能力的0-模态用户传输信息信号，1-模式oam用于传输身份认证信号。
[0060]
在本发明中，对于信息信号和身份认证信号的调制，均采用qam方案进行信息调制。基于两模态的物理层认证信号的星座图示例如图3所示，信息信号和身份认证信号均采用16-qam进行信号调制，且每个身份认证符信号被叠加在信息信号之上。采用的信号调制等级越高，相比传统物理层认证传输方案的误码率降低越多，性能越好，本技术中优选16-qam，相比psk调制方式，qam的高阶调制性能更好。图3中，2ds表示任意两个信息信号之间的最小欧式距离，2d
t
表示任意两个身份认证信号之间的最小欧式距离，信息信号和身份认证信号分别用十字和圆点表示。
[0061]
当在16-qam调制的信息信号之上再叠加一个16-qam调制的身份认证信号，由于身份认证信号与信息信号共享总发射功率，并且信息信号和身份认证信号经同一个物理信道发射，实际发射的信息信号就会由十字变成圆点。因此，信息信号之间的最小欧式距离将由2ds变成2d
s-6d
t
，随着最小欧式距离的减少，系统的误比特率增加。基于公式(2)，在衰落信道下，第k个时隙的物理层认证信号表示为：
[0062][0063]
其中，表示平均接收信噪比，h则由公式(2)中的自由空间信道系数变成nakagami-m信道系数；s0表示0模式传输信息信号、t
l
表示l模式传输认证信号。
[0064]
假设接收机知道完美的信道状态信息，则接收机能够使用最小欧式距离准则来进行信息符号估计。m-qam调制在加性高斯白噪声衰落信道下，第k个比特的误比特率表达式如下：
[0065][0066]
其中，m表示qam调制的阶数，i表示位置计数范围，表示每个符号的信噪比，es为发射符号能量，n0为噪声能量。
[0067]
公式(4)表示图3中在高斯衰落信道下，当发射机只发射十字的信息信号时，第k个比特的误比特率一般表达式。由公式(3)知，在传统物理层认证系统中误比特率一般表达式如下：
[0068][0069]
其中，
[0070][0071][0072]
式中，ks为符号个数；m
tms
分别为认证信号调制阶数和信息信号调制阶数；i
t
为认证符号计数器；k为符号变量；is为信息信号计数器；ps为信息发射功率；p
t
为认证信号发射功率；γ为信噪比。
[0073]
由公式(6)可知，其中公式项和公式项
决定了实际发射信号为圆点决策边界。当采用两模态物理层认证信号传输时，误比特率表达式如下：
[0074][0075]
其中，
[0076][0077]
表示模态干扰系数，和表示模态0和模态1的功率分配系数；j为贝塞尔函数表达符号；δ
l
为贝塞尔函数的阶数；k为波数；为偏移角度与天线半径；j0(τ)为0阶贝塞尔函数；j
l
(τ)为l阶贝塞尔函数。最后再结合nakagami-m信道表达式，求解出lat系统在nakagami-m信道衰落下的渐进误比特率为：
[0078][0079]
其中，为伽马函数；为平均信噪比；m)为nakagami-m信道中m变量。
[0080]
在本技术的8
×
8收发结构中，系统频谱效率与通信距离关系曲线如图5所示。当天线间距等于波长时，随着通信距离的增加，所使用的时间调制阵列多模发射机系统性能由小于传统方案到大于传统方案。当传输距离固定不变时，系统性能随着天线间距的增加而提升。由此，本发明方案对于长距离通信具有较强的鲁棒性。
[0081]
图4和图5分别描述了，当nakagami-m衰落因子为m＝0.5和m＝2时，b本发明所提lat方案的误比特率性能随信噪比信噪比变化的关系。在图中用线条表示，且三种不同的线条分别表示4-qam、16-qam和64-qam仿真结果，蒙特卡洛仿真则用符号点表示。例如，图4中
最上方的虚线表示d＝1500λ时，系统获得的解析结果曲线，最上方星号点则表示d＝1500λ时，系统获得的蒙特卡洛结果；中间的实线表示d＝3000λ，系统获得的解析结果曲线，中间正方形符号则表示d＝3000λ，系统获得的蒙特卡洛结果。观察图4可知，本技术推导的解析结果与蒙特卡洛仿真结果较好吻合，证明了解析结果推导的正确性。当调制阶数取较大值的时候，采用不同调制阶数系统之间的误比特率性能随之增加，且误比特率性能随着调制阶数的增加而降低。用于传输任务的oam模式所分配的功率取决于通信距离，且l-模式所分到的预发射功率随着传输距离的增加而降低，则系统误比特率性能与传输距离呈负相关。此外，观察图5可知，随着nakagami衰落因子m的增加，系统的整体误比特率也随着增加。
[0082]
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

技术特征：
1.一种低误码率两模态物理层认证信息传输系统，其特征在于，包括：认证信号产生模块，用于产生待传的合成信号，所述合成信号包括信息信号和身份认证信号；信号接收模块，用于接收信息信号和身份认证信号；移相器网络模块和均匀圆形阵列模块共同组成认证信号产生模块或信号接收模块，移相器网络模块用于产生具有等间隔的相位差；均匀圆形阵列模块，用于产生轨道角动量载波信号；调制模块，用于将待传的合成信号进行编码调制之后，加载到不同的oam载波信号上进行oam载波调制并传输。2.根据权利要求1所述的一种低误码率两模态物理层认证信息传输系统，其特征在于：所述认证信号产生模块和信号接收模块均为圆形均匀阵列天线。3.根据权利要求2所述的一种低误码率两模态物理层认证信息传输系统，其特征在于：每个圆形均匀阵列天线在一个符号周期内发送信息信号和身份认证信号。4.根据权利要求3所述的一种低误码率两模态物理层认证信息传输系统，其特征在于：相邻圆形均匀阵列天线间距大于半波长间距，圆形天线阵列的半径为0.5倍波长。5.根据权利要求4所述的一种低误码率两模态物理层认证信息传输系统，其特征在于：均匀圆形阵列冲激响应表示为：其中，n表示发射均匀圆形阵列天线单元数，表示第n个天线单元与参考天线单元之间的相位差，η表示发射端俯仰角，α表示发射端方位角。6.一种低误码率两模态物理层认证信息传输方法，其特征在于，包括：认证信号产生步骤，产生待传的合成信号，所述合成信号包括信息信号和身份认证信号；信号接收步骤，接收信息信号和身份认证信号；移相器网络步骤和均匀圆形阵列步骤共同组成认证信号产生步骤或信号接收步骤，移相器网络步骤产生具有等间隔的相位差；均匀圆形阵列步骤产生轨道角动量载波信号；调制步骤，将待传的合成信号进行信源编码调制之后，加载到不同的oam载波信号上进行oam载波调制并传输。7.根据权利要求6所述的一种低误码率两模态物理层认证信息传输方法，其特征在于：所述认证信号产生步骤和信号接收步骤均为圆形均匀阵列天线实现。8.根据权利要求7所述的一种低误码率两模态物理层认证信息传输方法，其特征在于：每个圆形均匀阵列天线在一个符号周期内发送信息信号和身份认证信号。9.根据权利要求8所述的一种低误码率两模态物理层认证信息传输方法，其特征在于：相邻圆形均匀阵列天线间距大于半波长间距，圆形天线阵列的半径为0.5倍波长。10.根据权利要求9所述的一种低误码率两模态物理层认证信息传输方法，其特征在于：均匀圆形阵列冲激响应表示为：
其中，n表示发射均匀圆形阵列天线单元数，表示第n个天线单元与参考天线单元之间的相位差，η表示发射端俯仰角，α表示发射端方位角。

技术总结
本发明涉及无线物理层认证通信技术领域，公开了一种低误码率两模态物理层认证信息传输系统及方法。一种低误码率两模态物理层认证信息传输系统，包括：认证信号产生模块，用于产生待传的合成信号，所述合成信号包括信息信号和身份认证信号；信号接收模块，用于接收信息信号和身份认证信号；移相器网络模块和均匀圆形阵列模块共同组成认证信号产生模块或信号接收模块，移相器网络模块用于产生具有等间隔的相位差；均匀圆形阵列模块，用于产生轨道角动量载波信号；调制模块，用于将待传的合成信号进行编码调制之后，加载到不同的OAM载波信号上进行OAM载波调制并传输。本申请通过不同模态轨道角动量之间的正交特性，能够降低信息信号的误码率。信号的误码率。信号的误码率。


技术研发人员：胡韬 黎治宏 田大江 谈杨 周继华
受保护的技术使用者：重庆电子工程职业学院
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/9/20