基于极化状态调制的OFDM移动通信系统物理层加密技术研究

To solve the information security problem of the OFDM mobile communication system, this research project proposes to introduce the polarization state modulation, construct the multidimensional constellation, which can eliminate the modulation information feature of signal, and utilize the channel depolarization effect to encrypt the multidimensional constellation., so the physical layer security of OFDM mobile communication system can be realized while ensuring the efficient and reliable of communication quality. Firstly, this project researches on the multi-carrier polarization state- amplitude-phase modulation is investigated, through designing the multidimensional constellation structure and the mapping rule, the carrier’s modulation information can be eliminated. Secondly, utilizing the channel depolarization effect, the researches on transmission encryption techniques are carried to further encrypt the physical layer; the polarization encryption pre-coding is also designed. Finally, the researches on multi-carrier polarization state-amplitude–phase demodulation is presented, then the safety and efficiency of this project are evaluated. Rely on this project, the information security problem of the OFDM mobile communication system caused can be resolved intelligently. The theory system, which encrypts the physical layer by modulating polarization state, will be creatively established in the mobile communication physical security field.

课题针对传统OFDM调制信号泄漏调制信息所带来的移动通信系统信息安全问题，开拓性地提出在OFDM调制的基础上引入极化状态调制，以构建多维星座消除信号调制信息特征，并利用无线信道去极化效应加密多维星座，从而实现加密OFDM移动通信系统物理层的思想。围绕利用极化状态调制加密OFDM系统物理层，课题首先研究多载波极化状态-幅度-相位调制方法，在保证通信高效可靠的前提下，设计隐藏信号调制信息特征的多维星座结构及映射规则；其次，为进一步加密物理层，研究利用无线信道去极化效应的加密发射技术，利用无线信道去极化效应的独特性，设计极化加密预编码加密多维星座；最后，研究基于多维星座的多载波极化状态-幅度-相位解调方法，并评估本课题方案的安全性及有效性。至此，课题在保证通信质量高效可靠的同时巧妙解决了OFDM移动通信系统物理层安全这一难题，建立了一套利用极化状态调制解决移动通信系统物理层安全的新理论体系。

本科课题研究围绕利用极化状态调制加密OFDM移动通信系统物理层信息展开，具体研究工作具体分为以下四个方面：首先分析了传统无线通信系统调制信息泄漏的本质原因，并提出了基于小波变换的循环独立成分分析去噪算法、基于包络谱分析的调制识别算法，建立了OFDM信号调制信息盲识别系统，在采样误差及载波误差下可有效识别OFDM调制信息；其次，为实现OFDM信号调制信息加密，引入极化状态调制设计了多载波极化状态-幅度-相位联合调制机制，包括最优联合调制方法、高维星座设计规则及联合调制解调方法，建立了兼容传统OFDM收发设备的极化状态调制解调方法，并且实现了通信效率的提升及调制信息的加密。然后，为进一步增强极化状态调制通信系统物理层安全性能，研究了基于无线信道去极化效应的极化调制信息加密机制，包括无线多径信道去极化效应分析、PDL效应信道建模、PMD效应信道建模、基于PDL与PDM效应的高维极化星座信息隐藏机制及极化预编码机制等，使极化状态调制同时具备防侦测及防破译特性。最后，基于软件无线电平台及正交双极化天线，研制了多载波极化状态调制原型通信系统，并在室内无线信道环境下对课题所提出的算法机制进行测试分析，在此基础上对双极化天线、调制解调方法及极化预编码方法进行优化改进，最终所研制的原型通信系统在峰值传输最大速率达到100Kbit/s、误码率小于1%的前提下实现了15米距离的通信。综上所述，基于课题三年研究工作，在理论方面构建了基于极化状态调制的移动通信系统物理层安全研究体系，发表论文11篇，其中9篇EI检索1篇SCI检索，申请专利2项，另有3篇论文在审稿中；在工程应用方面研制了1套多载波极化状态调制原型通信系统，上述通信速率、通信距离及误码率等相关性能指标通过了中国电子科学研究院系统电磁效能测试评估中心的测试。