0 引言

    空間調制技術利用天線序號傳輸額外通信信息，提高了系統頻譜利用率，同時相比于傳統的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射的同步問題，極大地降低了系統成本^[1]。由于無線傳輸媒介的開放性，空間調制技術在傳輸過程中的安全性問題越發受到人們的重視。文獻[2]提出了一種用于多輸入多輸出系統的預編碼輔助空間調制方案，通過預編碼將本來映射到發送天線索引的信息映射到接收天線的索引，實現空間信息的隱藏。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，通過聯合優化噪聲和信號的功率來最大化提高系統的保密能力。

    竊聽者雖然無法解調上述調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制系統，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，使得發射通信信號隱藏在背景噪聲中。接收端根據收發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 快切換空間調制系統

1.1 系統框圖

    在傳統的空間調制技術中，信息比特流k被分為k₁和k₂兩個部分，符號域k₁用來控制調制符號的幅度和相位，空間域k₂用來選擇需要激活發射天線的序號，系統在一個符號域k₁控制的映射符號時間內，將調制信號的星座圖與發射天線相關聯，實現通信信息的空間調制。本文提出的天線高速切換的空間調制方案中，空間域信息比特k₂在調制符號周期內不是控制單個序號的天線激活發射，而是用于控制一組天線的切換方式，即在一個調制符號周期內通過多個天線的高速切換方式傳輸通信信息。為了與傳統的空間調制傳輸信息方式相區別，傳統方式的空間調制天線切換方式稱為慢切換空間調制，而本文提出的傳輸方式稱為快切換空間調制，這一概念與傳統擴頻通信系統中的快跳頻和慢跳頻概念相類似。快切換空間調制系統發射信號的傳輸方式、信號的時頻分析以及信號的解調方式在下面的小節中依次討論。

1.2 信號的傳輸與解調

    由于Eve無法獲知Alice的切換方式，同時發送天線越多，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。

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信號在不同天線數目切換下所產生的信號幅度譜。發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。從圖中發現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目足夠多，發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為快切換空間調制系統的誤碼率仿真圖，圖中的信噪比(SNR)為發射信號信噪比發射信號總功率P=1，發射星座符號為BPSK調制，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果平均值。當接收方天線數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，發送方切換天線數越多，誤碼性能越好；同時可以發現，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。當發射切換天線數固定為N_a=64，在低信噪比下，誤碼率隨著切換方式數目的減少而降低；在高信噪比下不同切換方式數量下誤碼率表現幾乎相同。這表明切換方式的檢測與切換方式數量大小無關，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 結論

    本文提出了一種快切換空間調制方案，將傳統空間調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，保證了信息傳輸的安全。同時，在此基礎上理論推導了系統的誤碼率，通過仿真發現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。

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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）