本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)，具體涉及一種基于otfs的高可靠安全傳輸方法。

背景技術(shù)：

1、正交頻分復(fù)用(orthogonal?frequency?division?multiplexing，ofdm)是一種廣泛應(yīng)用于4g和5g的多載波調(diào)制技術(shù)，其核心思想是通過復(fù)用正交的子載波，將高速的串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化為低速的并行數(shù)據(jù)流，并且能夠有效地對抗頻率選擇性衰落，克服符號間干擾(inter?symbol?interference，isi)。但是隨著高速交通和移動通信業(yè)務(wù)的發(fā)展，在高移動性場景中，由于多普勒效應(yīng)，傳統(tǒng)ofdm的子載波正交性會遭到破壞，從而引入了子載波間干擾(inter-carrier?interference，ici)，嚴(yán)重影響通信系統(tǒng)的性能。

2、為對抗高移動場景中的高多普勒效應(yīng)，正交時頻空(orthogonal?time?frequencyspace，otfs)被提出作為一種新的多載波調(diào)制方案，其通過一對二維正交變換將快時變的時頻(time-frequency，tf)信道轉(zhuǎn)化為時不變的稀疏時延-多普勒(delay-doppler，dd)信道，其特點是將每個dd域符號都平鋪到整個tf域，以此獲得了全時頻分集增益，從而有效地對抗了多普勒效應(yīng)帶來的ici，實現(xiàn)了高移動場景下比傳統(tǒng)ofdm更優(yōu)的誤碼率性能。

3、低密度奇偶校驗(low?density?parity?check，ldpc)碼是一種糾錯能力很強的線性分組碼，其校驗矩陣中零元素含量較少，這種稀疏性使得其譯碼復(fù)雜度和最小碼距隨碼長僅呈線性增長，對于其他典型的分組碼則呈指數(shù)增長；所以，ldpc碼的碼長可以設(shè)計得很長，而不會因此帶來過高的譯碼復(fù)雜度。

4、由于無線信道的開放特性，otfs波形在空口傳輸過程中，易遭受外部竊聽者的檢測與截獲，從而導(dǎo)致私密信息遭到泄露。因此，otfs通信系統(tǒng)迫切需要一種安全的物理層空口傳輸方法，同時保證系統(tǒng)傳輸具有較好的誤比特率性能。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決otfs物理層安全傳輸問題，并進(jìn)一步提高傳輸?shù)目煽啃?，本發(fā)明提供一種基于otfs的高可靠安全傳輸方法，通過基于otfs等效矩陣的預(yù)編碼技術(shù)和基于ldpc的差錯控制編碼技術(shù)，從而在高動態(tài)通信場景中實現(xiàn)高可靠的物理層安全傳輸，提高系統(tǒng)總吞吐量和頻譜效率，降低系統(tǒng)峰均比和傳輸誤比特率，同時不帶來過高的計算復(fù)雜度和時頻資源開銷。

2、為了實現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、一種基于otfs的高可靠安全傳輸方法，對于發(fā)送端，所述傳輸方法包括：

4、步驟1，每個數(shù)據(jù)幀發(fā)送的信源比特序列m[i]構(gòu)造為1×k的矩陣m，k表示每個數(shù)據(jù)幀所含比特數(shù)；然后矩陣m與k×n的標(biāo)準(zhǔn)生成矩陣gldpc做線性矩陣乘法運算，從而將信源比特序列映射至ldpc的稀疏碼域，得到新碼字c＝mgldpc；

5、步驟2，對所述新碼字c進(jìn)行qam星座映射，得到映射后的離散星座符號d[i]，將d[i]構(gòu)造為矩陣d；

6、步驟3，對合法信道的dd域等效信道矩陣進(jìn)行奇異值分解，得到其中ubob表示左奇異值矩陣，ebob表示對角矩陣，vbob表示右奇異值矩陣，(·)h表示共軛轉(zhuǎn)置矩陣；然后使用矩陣vbob對矩陣d進(jìn)行線性預(yù)編碼，得到編碼矩陣xdd；

7、步驟4，將所述編碼矩陣xdd通過串并轉(zhuǎn)換的方式先映射至dd域網(wǎng)格，得到矩陣xdd；

8、步驟5，對矩陣xdd進(jìn)行逆辛有限傅里葉變換得到時頻域信號矩陣xtf；

9、步驟6，對所述xtf進(jìn)行海森堡變換，首先得到時間-時延域的矩陣std，然后進(jìn)行列向量化得到時域向量st；

10、步驟7，采用時域加cp矩陣對時域向量進(jìn)行處理，得到時域信號向量

11、步驟8，將所述時域信號向量將經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換和上變頻后得到發(fā)送信號，最后經(jīng)天線發(fā)送至無線合法信道進(jìn)行空口傳輸。

12、進(jìn)一步地，對于合法用戶的接收端：

13、步驟1′，合法用戶從合法信道中獲取到接收信號后，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換和下變頻得到基帶數(shù)字信號向量

14、步驟2′，對所述向量進(jìn)行去cp操作得到時域信號向量rt,bob；

15、步驟3′，對所述時域信號向量rt,bob進(jìn)行逆列向量化，從而重新構(gòu)造成為矩陣rtd,bob；對所述td域矩陣rtd,bob進(jìn)行魏格納變換，得到tf矩陣ytf,bob；

16、步驟4′，對所述矩陣ytf,bob進(jìn)行辛有限傅里葉變換，該得到dd域信號矩陣ydd,bob，然后對ydd,bob進(jìn)行列向量化得到y(tǒng)dd,bob；

17、步驟5′，由合法信道的dd域矩陣進(jìn)行奇異值分解得到的左奇異值矩陣ubob進(jìn)行svd解碼，得到

18、步驟6′，由合法信道的dd域矩陣進(jìn)行奇異值分解得到的對角矩陣ebob對所述ydd,bob進(jìn)行單抽頭均衡，得到矩陣dbob；

19、步驟7′，對所述信號dbob進(jìn)行qam星座解映射，得到碼字cbob；

20、步驟8′，對所述碼字cbob進(jìn)行l(wèi)dpc譯碼得到mbob，將mbob轉(zhuǎn)化為信宿比特序列mbob[i]；當(dāng)譯碼完全正確時，該序列與信源比特序列m[i]相同。

21、進(jìn)一步地，gldpc＝[ik,pk×(n-k)]，ik表示k×k的單位矩陣，pk×(n-k)表示一個k×(n-k)稀疏矩陣，n表示編碼后的碼長。

22、進(jìn)一步地，所述對矩陣xdd進(jìn)行逆辛有限傅里葉變換得到時頻域信號矩陣xtf，表示為：

23、逆辛有限傅里葉變換通過按列做m點dft和按行做n點idft組合變換得到，即其中表示m點歸一化離散傅里葉變換矩陣，e表示自然常數(shù)，j表示虛數(shù)單位，k和l分別表示矩陣fm中行與列的索引值，矩陣fn表示n點歸一化離散傅里葉變換矩陣。

24、進(jìn)一步地，所述發(fā)送濾波器矩陣表示為：

25、gtx＝diag[gtx(0),gtx(t/m),...,gtx((m-1)t/m)]

26、其中，(·)h表示共軛轉(zhuǎn)置矩陣，gtx(t)表示發(fā)送濾波器函數(shù)，t＝1/δf表示時間網(wǎng)格間隔，δf表示子載波間隔，m表示歸一化離散傅里葉變換的點數(shù)。

27、進(jìn)一步地，所述時域加cp矩陣表示為：

28、

29、其中，矩陣是由mn×mn單位矩陣imn中最后lcp行的子矩陣構(gòu)造出的矩陣，其中cp的長度lcp一般設(shè)計為大于最大信道時延抽頭lmax。

30、進(jìn)一步地，所述對所述向量進(jìn)行去cp操作得到時域信號向量rt,bob，表示為：

31、rt,bob＝ht,bobst+wt,bob

32、其中表示加cp前和去cp后的時域等效信道矩陣，表示前向循環(huán)位移的置換矩陣，表示對角矩陣，p表示發(fā)送端到合法用戶的接收端之間多徑信道的路徑數(shù)，hi、和分別表示第i條路徑的復(fù)增益系數(shù)、整數(shù)時延抽頭和整數(shù)多普勒抽頭，j為虛數(shù)單位，e為自然常數(shù)，則表示服從高斯分布的時域噪聲向量，其分布的均值為0，方差為噪聲功率

33、進(jìn)一步地，接收器濾波矩陣表示為：

34、grx＝diag[grx(0),grx(t/m),...,grx((m-1)t/m)]

35、其中，grx(t)表示接收濾波器函數(shù)，fm表示m點歸一化離散傅里葉變換矩陣。

36、進(jìn)一步地，任意合法碼字cbob均滿足其中(·)t表示轉(zhuǎn)置矩陣，hldpc表示與發(fā)送端的生成矩陣gldpc對應(yīng)的校驗矩陣。

37、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下技術(shù)特點：

38、1.相較于傳統(tǒng)的ofdm，本發(fā)明所采用的otfs通信體制在高移動性場景中性能出色，能夠有效抵抗高移動信道中嚴(yán)重的多普勒效應(yīng)。

39、2.本發(fā)明利用雙工系統(tǒng)無線信道的互易特性，對otfs特有的dd域等效信道矩陣進(jìn)行奇異值分解，基于合法用戶與竊聽者的信道矩陣差異，設(shè)計了一種安全預(yù)編碼器，使得傳輸波形具有低截獲的特點，保證了無線物理層傳輸?shù)陌踩浴?/p>

40、3.面對竊聽者的高階累積量檢測，本發(fā)明空口傳輸波形的相幅分布趨近于高斯白噪聲，具有很好的隱蔽傳輸特性。

41、4.本發(fā)明將ldpc編碼與svd預(yù)編碼結(jié)合，形成串行級聯(lián)編碼，同時利用了otfs和ldpc編譯碼的分組特性。在發(fā)送端，信號先后與ldpc的生成矩陣和svd預(yù)編碼矩陣進(jìn)行矩陣乘法的線性運算，同時接收端根據(jù)svd分解的對角矩陣設(shè)計了一種單抽頭線性均衡器，使得本發(fā)明系統(tǒng)的級聯(lián)編碼器和單抽頭均衡器均具有低復(fù)雜度的特點。

42、5.本發(fā)明充分利用了ldpc碼域的低密度特性，降低了otfs系統(tǒng)峰均比。通過ldpc迭代譯碼強大的檢錯和糾錯能力，大幅提高了本發(fā)明系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

43、6.本發(fā)明采用otfs系統(tǒng)特有的r-cp模型，相較于ofdm中采用的傳統(tǒng)f-cp模型，進(jìn)一步提高了頻譜效率，節(jié)省了大量的時頻資源開銷，在提升系統(tǒng)總吞吐量的同時，還能夠維持相近的誤比特率性能。