基于星座圖變換的無線通信抗干擾研究

余興國 袁濤 袁學松

關鍵詞： 無線通信；星座圖；抗干擾；調制跳變；加密

0 引言

移動互聯時代的到來，云計算和大數據的快速發展，需要通過無線信號進行數據傳輸的數據呈現幾何式的增長，當前的無線電磁環境也更加復雜和多樣化，這給通過無線電磁信號傳輸系統帶來了新的挑戰[1] 。通過光纖等有線固定信道進行數據傳輸，其傳輸穩定、抗干擾能力強[2]，但應用場景較為單一、成本較高、網絡組網靈活性較差。相較有線傳輸，人們更加青睞通過無線電磁波進行數據傳輸[3]。

為了應對當前復雜的無線電磁環境，保證無線信號傳輸的穩定性和安全性，在通信技術方案常采用的技術有擴頻、跳頻[4-5]。但第三方如果通過手段得到擴頻偽碼等，就可通過調制識別技術進行處理[6]，有可能破譯一些傳輸信號中的有用數據。2006年，溫強等對于 BPSK調制進行了無線光通信實驗研究[4] ，2012年，Song等在指定信道模型下對副載波二進制相移鍵控（BPSK）和差分相移鍵控（DPSK）調制的誤碼率進行了研究[7-8]，2010 年，Ijaz等在給定信道下對無線光OOK 和BPSK調制的方式進行了研究[9] ，但都是對低階功率的方面開展的研究。

1 TCM-16PSK 調制的原理

在當前電磁波多樣復雜的無線環境里，無線通信會經常被干擾。為了增加通信的抗干擾能力，常見的方法有采用添加糾錯編碼，通過增加信號冗余度來降低誤碼率，但缺點是會增加信道帶寬。本文將通過對網格編碼（TCM）技術的原理[10]研究，設計一款基于相位調制器的星座圖旋轉加密方案。網格編碼（TCM）技術是將調制和編碼過程相結合，在不消耗和占用帶寬情況下，提升抗干擾能力，提高通信質量。最近幾年，網格編碼技術得到許多研究者的關注和研究，發展很快，它可以與其他技術相結合，比如TCM-OFDM 技術、TCM-CPM技術。

圖1是TCM-16PSK系統[11]模型，在圖中共有差分編碼、卷積編碼、分集映射三個部分，它對信息進行差分編碼和卷積編碼，然后通過分集映射將信息對應的組合對應于信號星座中信號子集內。

分集映射是整個網格編碼調制的重要部分，它將編碼后的數據一一對應，映射到各信號子集，這樣得到的信號序列最小歐氏距離可以最大化。在解調時采用最大似然譯碼算法，在計算時將它首先路徑和接收序列進行相對應的匹配，填入表格當中，然后通過查表的方式，去查找相似度較高的序列和相對應的接收序列的路徑。

2 系統信號建模

目前，已經有很多學者在QPSK、PAM4、16QAM以及更高階的調制格式方面進行了研究。研究發現，調制階數和信號失真和通信能力呈現出反比，所以不能一味追求更高階調制，而需要在系統抗干擾、加密、復雜度、易用性之間找到平衡點。本文主要基于星座圖變換的通信系統的物理層加密方向，對如何提升系統抗干擾性能的物理層加密技術進行研究，采用信號高階調制的多種方法，配合星座圖旋轉方案，不改變星座圖分布，其加解密原理圖如圖2所示。

首先，通過調制器對信號進行調制，得到一個調制信號Ein，該調制信號和密鑰生成器產生的密鑰信號m（t）進行重新編碼，設定相位偏差為α，其輸出的信號Eout為：

相位調制器的輸入密鑰電信號是用來控制角度的偏差，調制器輸出的信號Eout是加密信號，密鑰電信號的加入可以保證信息傳輸的安全性。輸入和輸出都添加了相位調制器，信號只是多了一個加密與解密的過程，如下式：

信號經過第二相位調制器后可以恢復到以前的狀態，并不會對信號產生影響，從而增加系統的抗干擾能力。

3 系統構架

系統整體架構主要包括信號發射和信號接收兩個部分，如圖3所示。

3.1 發射端

發射端將原始信號送入基帶調制模塊按照偽隨機序列進行調制，得到一個基帶加密信號。調制后的基帶信號進入TCM-16PSK星座圖旋轉模塊，進行角度旋轉就可以得到角度旋轉后的變換信號。隨后，載波調制模塊對角度旋轉后的變換信號進行進一步的載波調制。信號發射模塊對已得到的載波調制信號通過天線進行發射。

3.2 接收端

無線接收模塊通過天線接收到無線信號。信號進入數字載波解調模塊，得到載波解調后的基帶信號。根據傳輸的旋轉角度密鑰信號，對基帶TCM-16PSK星座圖信號進行解旋轉處理，還原到原來的基帶信號。隨后，再將經過TCM-16PSK星座圖解旋轉后的基帶信號送入基帶解調模塊，基帶解調通過設計的相位調制器解密調制完成數據解調。

4 仿真結果及分析

以TCM-16PSK信號為例，對TCM-16PSK星座圖“旋轉特性”進行仿真。分別經過 參數為 0.0、0.5、1、1.7和 2 階的TCM-16PSK 星座圖旋轉后在復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簇團星座點，變量 從 0逐漸增加至1。在這個過程中，可以發現，先前的16簇團星座點開始擴散開來，同時伴隨著按照順時針方向進行旋轉。當=1.0時，16簇團已經完全擴散開來，各自輪廓邊界已經不清晰，整體呈現出一個正方形的狀態，已無正確識別TCM-16PSK信號；當 繼續增大，使其在1 到 2之間逐步變化，可以看到原先的16簇團星座又慢慢出現，各自輪廓邊界慢慢變得清晰可見，整個圖形依然在進行旋轉。當=2.0時，最終變為16 個清晰的先前的16 簇團星座點，基本還原了原始信號。

通過對以上仿真圖分析可以發現，在傳輸的過程中通過改變變量，在一定的數值范圍內，可以使信號變成毫無規律的信號，與平常的噪聲信號一樣，無法被分別。當采用此信號進行傳播時，通過對信號進行星座圖旋轉處理，很難被當成有用信號被檢測和識別。即使當信號被截獲時，對方在沒有星座圖旋轉反變換參數的情況下，也無法正確地恢復出信號中攜帶的有用信息，大大增強了信號的抗干擾能力、保密性和安全性。

在進行實驗仿真時，對 取值 2、0.1、0進行信道仿真，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，誤碼率惡化較輕，能夠滿足正常通信的需求。當 大于0.1時，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，本系統具有較好的干擾能力。

5 結束語

無線通信的抗干擾研究是眾多學者研究的課題，由于當前通信環境更加復雜，其抗干擾能力也越來越重要。本文提出了一種基于TCM-16PSK星座圖解旋轉的抗干擾無線通信方法，其優越的保密性和抗干擾能力可用于保密性較高的負責通信系統中。通過仿真分析對比，在不大幅增加系統復雜度的情況，還能夠持續穩定地運行，信號失真較小，能夠在接收端穩定地恢復出信號，驗證了采用TCM-16PSK星座圖解旋轉可有效提高系統通信的抗干擾能力。