0 引言

    空間調(diào)制技術利用天線序號傳輸額外通信信息，提高了系統(tǒng)頻譜利用率，同時相比于傳統(tǒng)的MIMO技術，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)射的同步問題，極大地降低了系統(tǒng)成本^[1]。由于無線傳輸媒介的開放性，空間調(diào)制技術在傳輸過程中的安全性問題越發(fā)受到人們的重視。文獻[2]提出了一種用于多輸入多輸出系統(tǒng)的預編碼輔助空間調(diào)制方案，通過預編碼將本來映射到發(fā)送天線索引的信息映射到接收天線的索引，實現(xiàn)空間信息的隱藏。在此基礎上，文獻[3]假設基站具有竊聽接收機的信道信息（Channel State Information，CSI），利用竊聽者CSI設計了預編碼器干擾竊聽者接收，使得竊聽者無法解密信息。在實際情況中，基站很難獲得竊聽者的CSI。在這種情形下，人工噪聲被廣泛利用來提高安全性能。在文獻[4]-[8]中，在發(fā)送信號中加入人工噪聲，利用信道信息差異性，使得竊聽者無法消除人工噪聲的干擾，通過聯(lián)合優(yōu)化噪聲和信號的功率來最大化提高系統(tǒng)的保密能力。

    竊聽者雖然無法解調(diào)上述調(diào)制技術研究文獻中設計的通信信號，但可以偵測到通信過程并加入干擾。文獻[9]基于時間調(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，本文在此基礎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，使得發(fā)射通信信號隱藏在背景噪聲中。接收端根據(jù)收發(fā)雙方約定的天線切換次序采用相關接收的方法累積諧波信號進而恢復出原始的通信信息。

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)制技術中，信息比特流k被分為k₁和k₂兩個部分，符號域k₁用來控制調(diào)制符號的幅度和相位，空間域k₂用來選擇需要激活發(fā)射天線的序號，系統(tǒng)在一個符號域k₁控制的映射符號時間內(nèi)，將調(diào)制信號的星座圖與發(fā)射天線相關聯(lián)，實現(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)制符號周期內(nèi)不是控制單個序號的天線激活發(fā)射，而是用于控制一組天線的切換方式，即在一個調(diào)制符號周期內(nèi)通過多個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)射信號的傳輸方式、信號的時頻分析以及信號的解調(diào)方式在下面的小節(jié)中依次討論。

1.2 信號的傳輸與解調(diào)

    由于Eve無法獲知Alice的切換方式，同時發(fā)送天線越多，切換種類的選擇越多，竊聽方Eve的接收天線就無法產(chǎn)生本地相關的匹配序列，無法檢測到相關峰，不知道Alice是否在通信，也就無法捕獲信號及解調(diào)。

2 性能分析

2.1 信號的時頻分析

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BPSK信號在不同天線數(shù)目切換下所產(chǎn)生的信號幅度譜。發(fā)射的信號為載波頻率f_c=2 GHz、信息速率R_b=10 Mb/s的BPSK信號。從圖中發(fā)現(xiàn)BPSK信號的頻譜展寬，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。BPSK信號的能量歸一化為0 dB，快速切換信號相比BPSK信號在載頻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)送信號頻譜就可以隱藏于噪聲譜中，使得竊聽者無法竊聽通信信息。

    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)射信號信噪比發(fā)射信號總功率P=1，發(fā)射星座符號為BPSK調(diào)制，每個符號平均功率E{|xm|²}=1。仿真圖中每個誤碼率點代表10⁶個接收符號的仿真結(jié)果平均值。當接收方天線數(shù)N_b=2，即采用兩種切換方式分別對應比特‘0’、‘1’時，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；同時可以發(fā)現(xiàn)，隨著SNR增高，仿真誤碼率和推導的理論誤碼率上界漸漸逼近，在高信噪比下完全吻合。當發(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與切換方式數(shù)量大小無關，在不增加誤碼情況下，可以通過增加切換方式來傳輸更多的信息。

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，通過天線快速切換將發(fā)射信號隱藏到背景噪聲中，期望用戶通過本地相關序列檢測信號的到來及解調(diào)信號，而竊聽方由于沒有切換方式信息不能偵測到通信過程，保證了信息傳輸?shù)陌踩Ｍ瑫r，在此基礎上理論推導了系統(tǒng)的誤碼率，通過仿真發(fā)現(xiàn)在高信噪比下理論推導與仿真相吻合，證明了推導的正確性。

參考文獻

[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物理層安全傳輸[J].應用科學學報，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 通信與信息工程學院，江蘇 南京210003）