协作式反向散射隐蔽通信系统及通信方法.docx

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1、CN 114157346 A说明书1/9页协作式反向散射隐蔽通信系统及通信方法技术领域0001本创造涉及协作式反向散射隐蔽通信系统及通信方法，属于电子、通讯、信息平安等技 术领域。背景技术0002无线隐蔽通信作为一种以隐蔽性为主要追求的特殊通信方式，涉及多种场景下的隐 蔽信道容量分析等信息论新问题，和一系列以无线通信为背景的信息隐藏方法，在复杂对抗 环境中的军事通信、物理隔离环境下的情报通信等领域有着重要的应用前景。0003目前通常采用加密手段来保护或者隐藏通信内容，而当需要对通信行为进行隐藏时 ,单纯的协议加密就不再满足需求，需要采用隐蔽通信设备或系统。维持隐蔽通信设备保持工作 状态会带来巨

2、大的电量损耗和用电需求，而固定的电源线路或者频繁的电池更换会带来极大 的暴露风险。创造内容0004针对目前隐蔽通信设备具有巨大的电量损耗和用电需求，而固定的电源线路或者频 繁的电池更换会带来极大的暴露风险的技术问题，本创造提出了一种协作式反向散射隐蔽通 信系统和方法。0005为实现上述技术目的，本创造采用以下技术方案。0006 一方面，本创造提供一种协作式反向散射隐蔽通信系统，包括：一个射频信号发射装置 、多个反向散射设备和多个反向散射接收器；射频信号发射装置和所有反向散射设备以及反向 散射接收器共享同一个通信码本且均保持时钟同步；所述射频信号发射装置内置干扰信号发生模块，所述射频信号发射装置

3、用于通过 干扰信号发生模块生成干扰信号，将所述干扰信号叠加在原始射频信号上形成干扰射频信号 ;持续发送干扰射频信号，只在通信码本约定的特定时隙关闭干扰信号发生模块（即停止发送 干扰射频信号）仅发送原始射频信号；所述反向散射设备，用于持续接收所述射频信号发射装置发送的射频信号，将射频 信号转化为能量；在射频信号发射装置关闭干扰信号发生模块的特定时隙，对该特定时隙接 收到的原始射频信号进行调制，在所述特定时隙将调制后的隐蔽信号发送到反向散射接收器9所述反向散射接收器，用于接收反向散射设备发送的隐蔽信号。0007进一步地，所述射频信号发射装置包括数据流生成模块、调制映射模块、导频码插入模 块、IFF

4、T变换模块、干扰信号生成模块、训练序列插入模块、数模转换模块、混频模块和天线模 块；所述数据流生成模块用于对数据进行卷积编码、比特构建码元和码元交织流程后获得变 换后的数据；所述调制映射模块，用于对变换后数据进行调制并映射到相应的子载波上； 所述导频码插入模块，用于在子载波插入导频码；CN 114157346 A说明书附图1/2页反响散射设备BDssGf)s（f一巧）s(ff )s)10CN 114157346 A说明书附图2/2页BDRF source11CN 114157346 A说明书2/9页所述IFFT变换模块，用于对插入导频码的子载波经IFFT变换生成符号中的样本 占. 八、9所述干

5、扰信号生成模块用于持续在符号中的样本点添加额定功率的伪瑞利衰落 干扰获得含干扰符号的信号，仅在通信码本约定的特定时隙停止干扰信号生成；所述训练序列插入模块用于将含干扰符号的信号插入训练序列；再经数模转换模 块和混频模块、放大模块后由天线模块发出。0008进一步地，所述反向散射设备包括射频能量吸收模块、微型电池模块、时钟模块和微型 控制器模块，所述射频能量吸收模块用于将接收到的射频信号转化为能量，在待机模式下为 微型电池模块充电；所述微型电池模块用于在接收信号能量缺乏时为时钟模块和微型控制器 提供电量供给，所述时钟模块用于授时，所述微型控制器模块用于在射频信号发射装置关闭 干扰信号发生模块的特定

6、时隙，对接收到的原始射频信号进行调制，并在所述特定时隙将调 制后的隐蔽信号发送到反向散射接收器。0009进一步地，某个时间点，只有一个反向散射设备和其对应的反向散射接收器组成的反 向散射链路工作。0010进一步地，射频信号发射装置关闭干扰信号生成模块，反向散射设备滞后两个时隙再 将调制后的隐蔽信号发送到反向散射接收器。0011进一步地，反向散射设备在干扰信号发生模块约定通信时隙结束前两个时隙，停止工 作，进入待机状态。0012进一步地，反向散射设备和反向散射接收器之间的通信流程包括时隙盲同步、唤醒及 前导码传输、训练前导码传输、隐蔽信息传输和时隙同步五个阶段；时隙盲同步阶段，用于反向散射设备参

7、照通信码本进行校时；唤醒及前导码传输阶段，用于唤醒反向散射接收器；训练前导码传输阶段，用于反向散射设备将其天线保持反向散射传输状态，将训练 前导码发送给反向散射接收器；隐蔽信息传输阶段，用于反向散射设备将调制后的隐蔽信号发送给反向散射接收 器；时隙同步阶段，用于反向散射设备将自己的时钟信息作为报尾，传输至反向散射 接收器。0013 第二方面，本创造提供一种协作式反向散射隐蔽通信方法，包括：设置一个射频信号 发射装置、多个反向散射设备和多个反向散射接收器；射频信号发射装置和所有反向散射设备以及反向散射接收器共享同一个通信码 本且均保持时钟同步；利用所述射频信号发射装置生成干扰信号，将所述干扰信号

8、叠加在原始射频信号 上形成干扰射频信号；持续发送干扰射频信号，只在通信码本约定的特定时隙停止发送干扰射 频信号仅发送原始射频信号；所述反向散射设备持续接收所述射频信号发射装置发送的射频信号，将射频信号 转化为能量；在射频信号发射装置停止发送干扰射频信号的特定时隙，对该特定时隙接收到 的原始射频信号进行调制，在所述特定时隙将调制后的隐蔽信号发送到反向散射接收器；CN 114157346 A说明书3/9页反向散射接收器接收反向散射设备发送的隐蔽信号。0014 进一步地，包括：反向散射设备和反向散射接收器之间的通信流程包括时隙盲同 步、唤醒及前导码传输、训练前导码传输、隐蔽信息传输和时隙同步五个阶段

9、；时隙盲同步阶段，反向散射设备参照通信码本进行校时；唤醒及前导码传输阶段，唤醒反向散射接收器；训练前导码传输阶段，反向散射设备将其天线保持反向散射传输状态，将训练前导 码发送给反向散射接收器；隐蔽信息传输阶段，反向散射设备将调制后的隐蔽信号发送给反向散射接收器；时 隙同步阶段，反向散射设备将自己的时钟信息作为报尾，传输至反向散射接收器。0015本创造所到达的有益效果：本创造设计了一个完整的协作式背散射隐蔽通信系统， 包含一个射频信号发射装置，多个反向散射设备，多个反向散射接收器。射频信号发射装置发射 含干扰信号，并在约定时隙关闭干扰模块。反向散射接收器(BR ,BackscatterRecei

10、ver)在干扰模块关闭时隙内传输隐蔽信息。外部反向散射接收器保持信 号接收状态，接收反向散射设备传递的隐蔽信息。相较于传统的隐蔽通信模式，本申请采用了专 用射频信号发射装置和反向散射通信装置相结合的协作式隐蔽通信模式。射频信号发射装置 (RFsource)只负责传输叠加人工干扰的常规信号，不涉及隐蔽通信内容，不会被检测。反向 散射设备负责传输信号，没有电池和固定电源，不受位置制约且体积和发射功率较小，极大地减 少隐蔽通信被检测概率。E0016本创造设计的反向散射设备和反向散射接收器之间的通信流程，包括了时隙盲同步 、唤醒及前导码传输、训练前导码传输、隐蔽信息传输和时隙同步五个阶段，当进入协作隐

11、蔽通 信模式时隙，按照流程开始进行隐蔽传输，有效确保反向散射隐蔽通信系统的稳定性和较低 的误码率。附图说明0017图1是具体实施例提供的协作式反向散射隐蔽通信系统模型图；图2是具体实施例中射频信号发射装置设计原理图；图3是伪瑞利衰落干扰信号叠加原理图；图4是具体实施例中协作式反向散射隐蔽通信反向散射设备结构图；图5是具体实施例中一个通信流程内射频信号发射装置(RFsource)和反向散射设 备(BD)协作流程图；图6是具体实施例提供的协作式反向散射隐蔽通信系统的通信流程。具体实施方式0018以下结合说明书附图和具体实施方式对本创造做进一步说明。0019实施例1： 一种协作式反向散射隐蔽通信系统

12、，如图1所示，包括：1)一种专用射频信号发射装置(RFsource),长期维持广播发射状态，发射内容为 常规不涉密信息。内置干扰信号生成模块，所述干扰信号生成模块可持续生成额定功率的伪瑞 利衰落信号叠加在原始射频信号上形成干扰射频信号，射频信号发射装置和所有反向CN 114157346 ACN 114157346 A说明书4/9页散射设备以及反向散射设备共享同一个通信码本，通信码本具体包括反向散射设备信号调 制方法、各反向散射设备通信时隙、反向散射帧格式等，其中各反向散射设备通信时隙用于约定 射频信号发射装置关闭干扰信号发生模块(即停止发送干扰射频信号)只发送原始射频信号 的特定时隙。0020

13、协作式反向散射隐蔽通信系统在某个时隙，采用某个反向散射链路。0021具体实施例中，为减少相互干扰，同时只有一个反向散射设备和其对应的反向散射接 收器组成的反向散射链路工作。0022在特定时隙关闭干扰信号生成模块，射频信号发射装置保持持续发射原始射频信号 的状态，功能类似wifi和无线基站，持续发送广播信号。0023 2)多个反向散射通信装置，包含反向散射设备(BD , BackscatterDevice)和反向散 射接收器(BR , BackscatterReceiver) o反向散射接收器长期保持接收状态，以接收处于特 殊地区的其对应的反向散射设备所发出的隐蔽信息。反向散射设备和反向散射接收

14、器一一对 应。0024反向散射设备从射频信号发射装置的射频信号(叠加干扰与否不影响信号解调和能 量吸收)中获取能量，射频信号含干扰射频信号(反向散射设备不通信时隙)和原始射频信号(反向散射设备通信时隙)，都是射频信号功率较高，从能量吸收角度没有本质区别。所以， 信号接收和能量吸收过程是一直持续进行的。0025反向散射设备在干扰信号生成模块关闭时隙对该特定时隙接收到原始射频信号进 行调制获得隐蔽信号，并在所述特定时隙将调制后的隐蔽信号发送到反向散射接收器来传递 信息。0026 如图1所示，本实施例中，协作式反向散射隐蔽通信系统还包括多个潜在的 Detector (检测方)。0027射频信号发射装

15、置根据不同的工作模式，可分为干扰叠加模式和正常广播模式。图2为一种特制的射频信号发射装置(RFsource)设计原理图，在常见802la/g物理层设备上 进行改动，包括数据流生成模块、调制映射模块(SymbolMapper) 导频码插入模块、IFFT变换 模块、干扰信号生成模块、训练序列插入模次、数模转换模块、混频模块和天雌块等。0028工作流程如下：常规数据经数据流生成模块进行变换，具体包括卷积编码、比特构建码 元和码元交织等流程。之后，对数据进行调制并映射到相应的子载波上，再插入导频码 (Pilots) o插入导频码的子载波，经IFFT变换模块生成OFDM Orthogonal Frequ

16、ency Division Multiplexing，即正交频分复用技术)符号中的样本点。干扰信号生成模块持续在 符号中的样本点添加额定功率的伪瑞利衰落干扰获得含干扰符号的信号。含干扰符号插入训 练序列，包括长训练序列(LTF)和短训练序列(STF),再经数模转换(DAC)和混频、放大 (PA)后由天线接口(TX)发出。两种不同模式下，接收信号如下所示：A、无干扰模式，即正常广播模式射频源输出至第攵个BD的信号为醇=阿。%+ ；其中，乙为信号发射功率。K：为距离相关常数，,%为射频信号发CN 114157346 A说明书5/9页射装置到第A个反向散射设备的距离，。为距离损失系数，壮(0，)为环

17、境中的高斯噪声。 而经调制后的带通信号为，可表示为xM = Res(W2%S1)为基带信号。0029 B、干扰模式，即干扰叠加模式如图3所示，伪瑞利衰落干扰信号叠加原理图。经伪瑞利模块叠加干扰后的射频源输 出至第个反向散射设备的信号为寸=/律。3)+成其中，。为干扰信号生成模块的函数,具体可表示为O(x)=Rc+XMd卜)_i=l_其中均为模拟信号幅度衰落系数，防止因伪瑞利衰落信号功率过大影响原始信号或 引起检测方警觉。表示模拟的反射路径数量。和为模拟第，条路径的时延。S (力为时隙方的 载体信号，干扰信号生成一共涉及到G至二共n个时隙。s (方-册)为5个时隙之前的载体信 号。/)为对载体信

18、号s (t)进行上述函数所述的变换。0030如图4协作式反向散射隐蔽通信系统中反向散射设备(BD)结构图，包括射频能量吸 收模块，微型电池模块，时钟模块，微型控制器模块等。射频能量吸收模块长期保持工作状态， 在待机模式下为微型电池充电，保证时钟模块供电。在接收信号能量缺乏，无法进行理想的隐蔽 信息传输时隙，优先确保时钟和微型电池的电量供给，确保授时准确性。微控制器接收时钟授 时，当到达码本约定时隙且电量充足时，开始传输隐蔽信息。0031反向散射设备BD具体工作流程，包括以下步骤。E0032(1)RF source发送广播信号，BD接收信号寸=阿瓢工+靖(2)即将信号分为两局部，其中质0 疯4

19、1)通过能量吸收模块吸收进入电池模 块进行供能，其尸局部进行反向散射调制后，传输至BR设备。BR设备接收信号为4)K：K 方窗+ 呵(6)其中为BD设备的能量吸收率，K：= A？；。其Af为距离相关常数 也为第A个BD到对应的BR的距离。X：为第4个BD传输的隐蔽信息K； =,其A；为距离相关常数，%能为RFsource到第4个BD对应的BR的距离。0033(3)BR对BD传输的隐蔽信息进行解调。因为RFsource的干扰作用，BR解调隐蔽信息X：的信干噪比可表示为：CN 114157346 A说明书6/9页,=（i-a）k：kwt 归T（7）在接收信号能量缺乏，无法进行理想的隐蔽信息传输时隙

20、，优先确保时钟和微型电 池的电量供给，确保授时准确性。此时BD处于不传输状态，BR接收到的信号，可表示为yg 二种+玩+4（8）即仅可接收到RFsource的广播信号。0034 实施例2： 一种协作式反向散射隐蔽通信方法，具体包括：1）射频信号发射装置持续发射含干扰射频信号，在检测方没有全部先验知识的情 况下，误导检测方设定较高的隐蔽通信检测阈值；2）反向散射设备从射频信号发射装置的信号中获取能量以保持待机状态；3）射频信号发射装置按照既定通信码本，在特定时隙取消干扰信号生成，反向散射 设备BD在射频信号发射装置停止发送干扰射频信号的特定时隙，对接收到的原始射频信号 进行调制，并在所述特定时隙

21、将调制后的信号（即隐蔽信息）发送到反向散射接收器，外部反 向散射接收器BR接收并解调隐蔽信号；4）码本约定时隙结束，反向散射设备停止发送隐蔽信息，进入待机状态；5）下一帧码本约定时隙到来，反向散射设备再次开始发送隐蔽信息，并循环上述 过程。0035图5为一个通信流程内RFsource和各反向散射设备（BDs）协作示意图，包括 RFsource工作模式和BD工作模式。如下图，RFsource长期保持含噪信号发送模式（即干扰 模式），使区域内Detector对于环境干扰产生误判，定下非最优检测阈值。BD长期保持待机 状态，储存电能。当码本约定通信时隙到来，RFsource关闭干扰信号生成模块，停止

22、添加伪 瑞利衰落干扰信号，BD滞后两个时隙（Slot）再进行传输，防止因时间同步误差，BD提前传输 隐蔽信息。同理，BD在通信流程结束前两个时隙，停止工作，进入待机状态，防止被检测。0036图6为协作式反向散射隐蔽通信系统的通信流程设计。为了确保反向散射隐蔽通信 系统的稳定性和较低的误码率，设计反向散射设备和反向散射接收器之间的反向散射隐蔽通 信流程。当进入协作隐蔽通信模式时隙，按照流程开始进行隐蔽传输，具体包括：一个通信流 程从功能性上可以分为五个阶段，包括时隙盲同步、唤醒及前导码传输、训练前导码传输、隐 蔽信息传输和时隙同步。0037 （1）在第一个“时隙盲同步”阶段，BD保持信号接收状态

23、，根据RFsource发送OFDM前 导码估计信道传播延迟（Dh）。对于具有802 . 11a标准的通信系统，固定频域OFDM符号会生 成一个同步前导码，其中包含几个相同的训练符号。BD可以采用传统的估计方法（例如基于 互相关的估计方法等）来准确估计信道传播延迟（Dh）。并根据RFsource干扰消除时隙（通过 通信码本约定停止发送干扰射频信号的时隙），确定RFsource内置干扰源工作时隙，并与自 身的时钟模块进行同步校时，确保反向散射设备的工作时隙和待机时隙与约定协作模式保持 一致；（2）在第二个“唤醒及前导码传输”阶段BD切换到反向散射传输状态，并且BD发送 专门的前导码信号（相同与否无

24、所谓，802 .11中不同子协议的前导码也不一样，功能类似）CN 114157346 ACN 114157346 A说明书7/9页来激活接收器的硬件。类似802 .lla/g协议，可以使用交替的“1和的短序列作为唤醒前 导码，通过这种事件驱动的唤醒方案，可以节省反向散射接收器的功耗。0038 （3）在第三个“训练前导码传输”阶段，BD将其天线保持反向散射传输状态。选择 流程（D中的估计的信道传播延迟（Dh）作为开始时间，发送接收机的训练前导码（即 802 .11中的preamble前导码）。接收器接收RFsource的直接链路信号和从BD反向散射的训 练前导信号（前导码是数据，调制后生成前导信

25、号，是两个含义），然后接收器估计基本参 数，包括最小传播延迟D和最大信道扩展L,以及平均信号BD反向散射时的功率等。这是反向 散射解调的具体流程，不属于本申请核心内容。0039（4）在第四个“隐蔽信息传输”阶段，BD将其天线保持反向散射传输状态，并将数据位传输到隐蔽信息接收方，数据位就是隐蔽信息，隐蔽信息填充在帧的数据位中。0040全文所有的隐蔽信息接收方就是反向散射接收器，发送方就是反向散射设备。0041（5）在第五个“时隙同步”阶段，BD将自己的时钟信息作为报尾，传输至隐蔽信息接收方，确保与BR时隙一致，BR可采用传统时隙估计方法，来准确估计与BD之间的时延。0042由于环境中高斯噪声的存

26、在，Detector接收到的信号具有独立同分布特性，为了 最小化检测误报率和漏检率，木的制eyman- Pear son准那么，De tec tor通常会采用似然比检测 方法，根据二元假设检验的一般写法，表示为：fywnAywHi) fywHo(yw0)Do其中，由于假设每个假设的先验概率相等，设置Y = l。这里口和D0对应于有利于假设山和的决定，几向（九|幻和;“（九|。）分别是假设力和H。下所考虑时隙的 Detector观测向量的似然函数。在下RFsource发射信号，BD保持待机状态，不发送信息。 在H。情况下，Detector接收到的信号可以表示为乂根。用=%光期+ /国（1。）其中

27、，=1,，表示符号索引，XpU表示RFsource传输的信号，4口表示噪声分量， h为RFsource到Detector的信道系数。在H情况下，BD调制RFsource的信号传输隐蔽信息。 /IV1在这种情况下，Detec tor接收到的信号可以表示为乂出团=心为田+加初|瓦4兀4+ 4 M（11）其中用表示RFsource到BD的信道系数，/%”表示BD到Detector的信道系数，表 示反射系数（即上文所曲T）迎团表示BD传输的隐蔽信息、。Detector通常使用辐射计 检测是否存在隐蔽信道，因此Detector接收到的平均信号功率成为一个关键量。本申请可以 计算，/情况下Detector

28、所处位置的平均信号功率为2（。）=需以同=以十吠2（。）=需以同=以十吠(12)其中，变量1,可表示为p =生一。其中明，为RFsource到Detector的天线增益,4表CN 114157346 A说明书8/9页示载波系数，.甲为RFsource到Detector的距离表示RFsource所发射信息平方的方差C 表示环境噪声的方差。0043 而4情况下Detector所处位置的平均信号功率可表示为）=!虏（凡融）2=以+可（13）其中，变量可表示为r = gf + 丝孕工。0044其中%为15 05（到130的天线增益，%,为130到呢301；01的天线增益，4%为RFsource到BD的

29、距离，%为BD到Detector的距离。因为RFsource发射信号为方差为4的卡 方分布，所以输出信号功率存在波动情况。实时功力尸引兄山,匕马，在最大功率和最小 功率之间波动。基于上述理论，可以推导使检测误差概率最小化的Detector辐射计的最正确阈 值丫 best为卜. （r%n +5：，叱叱 +5；）吗ax （15）而根据实时功率波动状态，可以得到三种情况下的误报概率：1以 ax min0v金P.-* min(16)V同样的，根据漏检率的定义，本申请可以表示漏检率为P.O = P（Z）0 ,）=P（C, 7囱）=P（2 （同样可以得到三种情况下的漏检概率：P.O = P（Z）0 ,）=

30、P（C, 7囱）=P（2 4ax Rin qn。下面，将根据式的两种情况,进行分 类讨论。0045 （a）】以 rRn情况下：此时，Detector的最正确检测阈值为/best g （vax +,吗也+ b：）。当RFsource根据 码本时间，关闭干扰信号生成模块。实际最正确检测阈值k以稣+其）。而当九（名+忧，啕标+反）和（啕m +a-vPmm +d），此时漏检率和误报率之和高于理想情况。 0046 （b）九X情况下：此时，D e t e c t o r的最正确检测阈值为y1=叫总+。：。当干扰模块关闭时， 所选检测阈值高于理想检测阈值，即漏检率和误报率之和高于理想情况。0047根据Bas

31、h提出的LPD通信平方根公式可得，被检测概下界可表示为： 2 1 （Pm0+P尸4）（19）当漏检率和误报率之和提高，隐蔽通信被检测概率的下界降低，即隐蔽性能提升。因 此，所提出的协作式工作模式可以有效提高反向散射隐蔽通信的隐蔽性，而反向散射通信设备 具有的无源、体积小等特点，相较于传统通信模式也具有更好的隐蔽性。综上，所提出的协作式 反向散射隐蔽通信系统，具有较高的隐蔽性能。0048本创造设计了一个完整的协作式背散射隐蔽通信系统，包含一个RFsource,多个 BD,多佃RRFsource发射含干扰信号，并在约定时隙关闭干扰信号生成模块。BR在干扰信号 生成模块关闭时隙内传输隐蔽信息。外部B

32、R保持信号接收状态，接收反向散射设备BD传递的 隐蔽信息。相较于传统的隐蔽通信模式，本申请采用了专用射频信号发射装置和反向散射通信 装置相结合的协作式隐蔽通信模式。RFsource只负责传输叠加人工干扰的常规信号，不涉及 隐蔽通信内容，不会被检测。BD负责传输信号，没有电池和固定电源，不受位置制约且体积和发 射功率较小，极大地减少隐蔽通信被检测概率。本创造采用反向散射通信消除了对任何有源 射频（即）组件的需求，从而延长了无线设备的使用寿命和持续的通信功能。无线设备不仅 可以从发射机的信号中获取能量，而且还可以调制相同的信号来传递信息。而摆脱对固定电源 和电池依赖的同时，也使得通信装置的小型化和便携化成为了可能。0049本领域内的技术人员应明白，本创造的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产 品。因此，本创造可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的 形式。而且，本创造可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储 介质（包括但不限于磁盘存储器、CD- ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形 式。E0050以上仅为本创造的实施例而已，并不用于限制本创造，凡在本创造的精神和原那么之 内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本创造的权利要求范围之内。