基于星座图变换的无线通信抗干扰研究

余兴国 袁涛 袁学松

关键词： 无线通信；星座图；抗干扰；调制跳变；加密

0 引言

移动互联时代的到来，云计算和大数据的快速发展，需要通过无线信号进行数据传输的数据呈现几何式的增长，当前的无线电磁环境也更加复杂和多样化，这给通过无线电磁信号传输系统带来了新的挑战[1] 。通过光纤等有线固定信道进行数据传输，其传输稳定、抗干扰能力强[2]，但应用场景较为单一、成本较高、网络组网灵活性较差。相较有线传输，人们更加青睐通过无线电磁波进行数据传输[3]。

为了应对当前复杂的无线电磁环境，保证无线信号传输的稳定性和安全性，在通信技术方案常采用的技术有扩频、跳频[4-5]。但第三方如果通过手段得到扩频伪码等，就可通过调制识别技术进行处理[6]，有可能破译一些传输信号中的有用数据。2006年，温强等对于 BPSK调制进行了无线光通信实验研究[4] ，2012年，Song等在指定信道模型下对副载波二进制相移键控（BPSK）和差分相移键控（DPSK）调制的误码率进行了研究[7-8]，2010 年，Ijaz等在给定信道下对无线光OOK 和BPSK调制的方式进行了研究[9] ，但都是对低阶功率的方面开展的研究。

1 TCM-16PSK 调制的原理

在当前电磁波多样复杂的无线环境里，无线通信会经常被干扰。为了增加通信的抗干扰能力，常见的方法有采用添加纠错编码，通过增加信号冗余度来降低误码率，但缺点是会增加信道带宽。本文将通过对网格编码（TCM）技术的原理[10]研究，设计一款基于相位调制器的星座图旋转加密方案。网格编码（TCM）技术是将调制和编码过程相结合，在不消耗和占用带宽情况下，提升抗干扰能力，提高通信质量。最近几年，网格编码技术得到许多研究者的关注和研究，发展很快，它可以与其他技术相结合，比如TCM-OFDM 技术、TCM-CPM技术。

图1是TCM-16PSK系统[11]模型，在图中共有差分编码、卷积编码、分集映射三个部分，它对信息进行差分编码和卷积编码，然后通过分集映射将信息对应的组合对应于信号星座中信号子集内。

分集映射是整个网格编码调制的重要部分，它将编码后的数据一一对应，映射到各信号子集，这样得到的信号序列最小欧氏距离可以最大化。在解调时采用最大似然译码算法，在计算时将它首先路径和接收序列进行相对应的匹配，填入表格当中，然后通过查表的方式，去查找相似度较高的序列和相对应的接收序列的路径。

2 系统信号建模

目前，已经有很多学者在QPSK、PAM4、16QAM以及更高阶的调制格式方面进行了研究。研究发现，调制阶数和信号失真和通信能力呈现出反比，所以不能一味追求更高阶调制，而需要在系统抗干扰、加密、复杂度、易用性之间找到平衡点。本文主要基于星座图变换的通信系统的物理层加密方向，对如何提升系统抗干扰性能的物理层加密技术进行研究，采用信号高阶调制的多种方法，配合星座图旋转方案，不改变星座图分布，其加解密原理图如图2所示。

首先，通过调制器对信号进行调制，得到一个调制信号Ein，该调制信号和密钥生成器产生的密钥信号m（t）进行重新编码，设定相位偏差为α，其输出的信號Eout为：

相位调制器的输入密钥电信号是用来控制角度的偏差，调制器输出的信号Eout是加密信号，密钥电信号的加入可以保证信息传输的安全性。输入和输出都添加了相位调制器，信号只是多了一个加密与解密的过程，如下式：

信号经过第二相位调制器后可以恢复到以前的状态，并不会对信号产生影响，从而增加系统的抗干扰能力。

3 系统构架

系统整体架构主要包括信号发射和信号接收两个部分，如图3所示。

3.1 发射端

发射端将原始信号送入基带调制模块按照伪随机序列进行调制，得到一个基带加密信号。调制后的基带信号进入TCM-16PSK星座图旋转模块，进行角度旋转就可以得到角度旋转后的变换信号。随后，载波调制模块对角度旋转后的变换信号进行进一步的载波调制。信号发射模块对已得到的载波调制信号通过天线进行发射。

3.2 接收端

无线接收模块通过天线接收到无线信号。信号进入数字载波解调模块，得到载波解调后的基带信号。根据传输的旋转角度密钥信号，对基带TCM-16PSK星座图信号进行解旋转处理，还原到原来的基带信号。随后，再将经过TCM-16PSK星座图解旋转后的基带信号送入基带解调模块，基带解调通过设计的相位调制器解密调制完成数据解调。

4 仿真结果及分析

以TCM-16PSK信号为例，对TCM-16PSK星座图“旋转特性”进行仿真。分别经过 参数为 0.0、0.5、1、1.7和 2 阶的TCM-16PSK 星座图旋转后在复平面上的分布情况如图4 所示。

从图4可以看出，原始TCM-16PSK（=0.0） 星座图是比较整齐干净的16簇团星座点，变量 从 0逐渐增加至1。在这个过程中，可以发现，先前的16簇团星座点开始扩散开来，同时伴随着按照顺时针方向进行旋转。当=1.0时，16簇团已经完全扩散开来，各自轮廓边界已经不清晰，整体呈现出一个正方形的状态，已无正确识别TCM-16PSK信号；当 继续增大，使其在1 到 2之间逐步变化，可以看到原先的16簇团星座又慢慢出现，各自轮廓边界慢慢变得清晰可见，整个图形依然在进行旋转。当=2.0时，最终变为16 个清晰的先前的16 簇团星座点，基本还原了原始信号。

通过对以上仿真图分析可以发现，在传输的过程中通过改变变量，在一定的数值范围内，可以使信号变成毫无规律的信号，与平常的噪声信号一样，无法被分别。当采用此信号进行传播时，通过对信号进行星座图旋转处理，很难被当成有用信号被检测和识别。即使当信号被截获时，对方在没有星座图旋转反变换参数的情况下，也无法正确地恢复出信号中携带的有用信息，大大增强了信号的抗干扰能力、保密性和安全性。

在进行实验仿真时，对 取值 2、0.1、0进行信道仿真，其误码率特性如图 5 所示。

从图5可以看出，为获得接近理想的误码率特性，在 小于0.1的范围内，误码率恶化较轻，能够满足正常通信的需求。当 大于0.1时，其误码率将快速增加。通过以上分析，在保证 小于0.1的情况下，本系统具有较好的干扰能力。

5 结束语

无线通信的抗干扰研究是众多学者研究的课题，由于当前通信环境更加复杂，其抗干扰能力也越来越重要。本文提出了一种基于TCM-16PSK星座图解旋转的抗干扰无线通信方法，其优越的保密性和抗干扰能力可用于保密性较高的负责通信系统中。通过仿真分析对比，在不大幅增加系统复杂度的情况，还能够持续稳定地运行，信号失真较小，能够在接收端稳定地恢复出信号，验证了采用TCM-16PSK星座图解旋转可有效提高系统通信的抗干扰能力。