0 引言

    空間調(diào)制技術(shù)利用天線序號(hào)傳輸額外通信信息，提高了系統(tǒng)頻譜利用率，同時(shí)相比于傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)，由于只需要一條射頻鏈路，因此避免了信道間干擾和天線發(fā)射的同步問(wèn)題，極大地降低了系統(tǒng)成本^[1]。由于無(wú)線傳輸媒介的開(kāi)放性，空間調(diào)制技術(shù)在傳輸過(guò)程中的安全性問(wèn)題越發(fā)受到人們的重視。文獻(xiàn)[2]提出了一種用于多輸入多輸出系統(tǒng)的預(yù)編碼輔助空間調(diào)制方案，通過(guò)預(yù)編碼將本來(lái)映射到發(fā)送天線索引的信息映射到接收天線的索引，實(shí)現(xiàn)空間信息的隱藏。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[3]假設(shè)基站具有竊聽(tīng)接收機(jī)的信道信息（Channel State Information，CSI），利用竊聽(tīng)者CSI設(shè)計(jì)了預(yù)編碼器干擾竊聽(tīng)者接收，使得竊聽(tīng)者無(wú)法解密信息。在實(shí)際情況中，基站很難獲得竊聽(tīng)者的CSI。在這種情形下，人工噪聲被廣泛利用來(lái)提高安全性能。在文獻(xiàn)[4]-[8]中，在發(fā)送信號(hào)中加入人工噪聲，利用信道信息差異性，使得竊聽(tīng)者無(wú)法消除人工噪聲的干擾，通過(guò)聯(lián)合優(yōu)化噪聲和信號(hào)的功率來(lái)最大化提高系統(tǒng)的保密能力。

    竊聽(tīng)者雖然無(wú)法解調(diào)上述調(diào)制技術(shù)研究文獻(xiàn)中設(shè)計(jì)的通信信號(hào)，但可以偵測(cè)到通信過(guò)程并加入干擾。文獻(xiàn)[9]基于時(shí)間調(diào)制理論^[10]提出了一種具有低截獲概率和一定抗干擾能力的物理層安全信號(hào)，本文在此基礎(chǔ)上提出快切換空間調(diào)制系統(tǒng)，利用天線的高速切換將基頻能量搬移到不同的諧波頻率點(diǎn)，使得發(fā)射通信信號(hào)隱藏在背景噪聲中。接收端根據(jù)收發(fā)雙方約定的天線切換次序采用相關(guān)接收的方法累積諧波信號(hào)進(jìn)而恢復(fù)出原始的通信信息。

1 快切換空間調(diào)制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)框圖

    在傳統(tǒng)的空間調(diào)制技術(shù)中，信息比特流k被分為k₁和k₂兩個(gè)部分，符號(hào)域k₁用來(lái)控制調(diào)制符號(hào)的幅度和相位，空間域k₂用來(lái)選擇需要激活發(fā)射天線的序號(hào)，系統(tǒng)在一個(gè)符號(hào)域k₁控制的映射符號(hào)時(shí)間內(nèi)，將調(diào)制信號(hào)的星座圖與發(fā)射天線相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)通信信息的空間調(diào)制。本文提出的天線高速切換的空間調(diào)制方案中，空間域信息比特k₂在調(diào)制符號(hào)周期內(nèi)不是控制單個(gè)序號(hào)的天線激活發(fā)射，而是用于控制一組天線的切換方式，即在一個(gè)調(diào)制符號(hào)周期內(nèi)通過(guò)多個(gè)天線的高速切換方式傳輸通信信息。為了與傳統(tǒng)的空間調(diào)制傳輸信息方式相區(qū)別，傳統(tǒng)方式的空間調(diào)制天線切換方式稱為慢切換空間調(diào)制，而本文提出的傳輸方式稱為快切換空間調(diào)制，這一概念與傳統(tǒng)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中的快跳頻和慢跳頻概念相類似。快切換空間調(diào)制系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)的傳輸方式、信號(hào)的時(shí)頻分析以及信號(hào)的解調(diào)方式在下面的小節(jié)中依次討論。

1.2 信號(hào)的傳輸與解調(diào)

    由于Eve無(wú)法獲知Alice的切換方式，同時(shí)發(fā)送天線越多，切換種類的選擇越多，竊聽(tīng)方Eve的接收天線就無(wú)法產(chǎn)生本地相關(guān)的匹配序列，無(wú)法檢測(cè)到相關(guān)峰，不知道Alice是否在通信，也就無(wú)法捕獲信號(hào)及解調(diào)。

2 性能分析

2.1 信號(hào)的時(shí)頻分析

2.2 誤碼率分析

    Bob的誤碼率上限為：

3 仿真結(jié)果與分析

    圖2給出了信噪比為-5 dB時(shí)BPSK信號(hào)在不同天線數(shù)目切換下所產(chǎn)生的信號(hào)幅度譜。發(fā)射的信號(hào)為載波頻率f_c=2 GHz、信息速率R_b=10 Mb/s的BPSK信號(hào)。從圖中發(fā)現(xiàn)BPSK信號(hào)的頻譜展寬，基頻能量被U_S(t)搬移到f_c±f_p、f_c±2f_p……f_c±nf_p這些諧波頻率點(diǎn)。BPSK信號(hào)的能量歸一化為0 dB，快速切換信號(hào)相比BPSK信號(hào)在載頻f_c上的能量幅度分別下降至-16.9 dB（N_a=7）、-23.5 dB（N_a=15）、-29.8 dB（N_a=31）和-35.9 dB（N_a=63），只要快速切換天線數(shù)目足夠多，發(fā)送信號(hào)頻譜就可以隱藏于噪聲譜中，使得竊聽(tīng)者無(wú)法竊聽(tīng)通信信息。

    圖3為快切換空間調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率仿真圖，圖中的信噪比(SNR)為發(fā)射信號(hào)信噪比發(fā)射信號(hào)總功率P=1，發(fā)射星座符號(hào)為BPSK調(diào)制，每個(gè)符號(hào)平均功率E{|xm|²}=1。仿真圖中每個(gè)誤碼率點(diǎn)代表10⁶個(gè)接收符號(hào)的仿真結(jié)果平均值。當(dāng)接收方天線數(shù)N_b=2，即采用兩種切換方式分別對(duì)應(yīng)比特‘0’、‘1’時(shí)，在相同的SNR條件下，發(fā)送方切換天線數(shù)越多，誤碼性能越好；同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，隨著SNR增高，仿真誤碼率和推導(dǎo)的理論誤碼率上界漸漸逼近，在高信噪比下完全吻合。當(dāng)發(fā)射切換天線數(shù)固定為N_a=64，在低信噪比下，誤碼率隨著切換方式數(shù)目的減少而降低；在高信噪比下不同切換方式數(shù)量下誤碼率表現(xiàn)幾乎相同。這表明切換方式的檢測(cè)與切換方式數(shù)量大小無(wú)關(guān)，在不增加誤碼情況下，可以通過(guò)增加切換方式來(lái)傳輸更多的信息。

4 結(jié)論

    本文提出了一種快切換空間調(diào)制方案，將傳統(tǒng)空間調(diào)制方案中映射到單根天線索引的信息映射為一組天線的切換方式，通過(guò)天線快速切換將發(fā)射信號(hào)隱藏到背景噪聲中，期望用戶通過(guò)本地相關(guān)序列檢測(cè)信號(hào)的到來(lái)及解調(diào)信號(hào)，而竊聽(tīng)方由于沒(méi)有切換方式信息不能偵測(cè)到通信過(guò)程，保證了信息傳輸?shù)陌踩Ｍ瑫r(shí)，在此基礎(chǔ)上理論推導(dǎo)了系統(tǒng)的誤碼率，通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)在高信噪比下理論推導(dǎo)與仿真相吻合，證明了推導(dǎo)的正確性。

參考文獻(xiàn)

[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] 洪濤，宋茂忠，劉渝.切換天線發(fā)射的低截獲率通信信號(hào)物理層安全傳輸[J].應(yīng)用科學(xué)學(xué)報(bào)，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  飛，洪  濤

（南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京210003）