[发明专利]一种在多载波调制中基于声波相消干涉的物理层安全通信方法

权利要求书

1.一种在多载波调制中基于声波相消干涉的物理层安全通信方法，其特征在于，所述方法包括：

S1：构建由两个固定声源在平面内产生的等相位差的点构成的轨迹方程，根据声波相消干涉的定义将所述轨迹方程化成双曲线的标准方程，同时确定声波相消干涉双曲线的个数；

S2：在相消干涉双曲线中利用设定的波程差∈定义通信安全区域，当波程差为∈，通信安全区域为k为波程差因子，k取奇数，λ为波长；

S3：固定波程差∈，确认相消干涉双曲线中子载波的频率分配；

固定波程差∈，相消干涉双曲线中子载波的频率分配具体如下：

将Y轴同一侧的相消干涉双曲线第一条和第二条之间的区域按照波程差均匀分成n份，设定第1个子载波频率为f₁，第i个子载波的频率f_i有如下关系：

其中1≤i≤n

其中，λ_i表示第i个子载波的波长，整理得相消干涉的双曲线数目设为N个，则其中第j条相消干涉双曲线和第j+1条相消干涉双曲线之间的第i个子载波频率记为f_ji，则其表达式为：

其中，i取值范围是1到n之间的整数；在通信频段内共有N条干涉相消双曲线，j取值范围是1到N-1之间的整数；f_(j-1)8为上一个相消干涉双曲线的最后一个通信安全区域的频率；

S4：固定相消干涉双曲线中子载波间隔分析波程差∈的分布；

设定子载波间隔为固定值Δf，子载波个数N，N＝2ⁿ，相消干涉双曲线与X轴相交的点为其中k为奇数，k为波程差因子，v₀为声波在空气中传播的速度340m/s，f为当前载波的频率，λ为波长，根据相消干涉区域拼接的原理，第i个子载波的相消干涉线经过∈_i的波程差后刚好是第i+1个子载波的相消干涉线，因此有：

其中，λ_i为第i个子载波的波长，化简得波程差∈_i的表示如下：

其中，i＝1，2，3..N-1；

S5：利用步骤S3和步骤S4的子载波分布的频率分布特点和波程差分布特点分析相消干涉区域内信号泄露的功率，通过在发送信号中加入人工噪声掩盖泄露的信号功率，接收端从接收信号中去除已知的人工噪声后解调出信号；

相消干涉区域存在信号功率泄露，设定P点为相消干涉的一处，两个固定声源发出正弦波的振幅分别为S₁和S₂，和分别为各自的出相，在P点处的合信号为S，振幅为P，相位差为r₁和r₂和分别表示两个固定声源到P点处的距离，r₂-r₁就是两个固定声源到P点处的波程差：

若两个固定声源发送的是单位振幅和初始相位相同的正弦波，则

将带入得到：

因此P点处信号的平均功率为：

在发送端发送信号中加入人工噪声，所述人工噪声为高斯白噪声，所述高斯白噪声的平均功率大于发送信号的平均功率P_avg。

2.根据权利要求1所述的一种在多载波调制中基于声波相消干涉的物理层安全通信方法，其特征在于，所述两个固定声源在平面内产生的等相位差的点构成的轨迹方程如下：

其中，c为两个固定声源在X轴上的坐标，λ为波长，v₀为声波在空气中传播的速度340m/s，f为当前载波的频率，k为实数，表示波程差因子，k取奇数的时候为干涉相消，k取偶数的时候为干涉相涨；

所述双曲线的标准方程如下：

其中，

3.根据权利要求2所述的一种在多载波调制中基于声波相消干涉的物理层安全通信方法，其特征在于，在声波近场通信中，f的最高值为22050，设定c＝1，则k的上限为259.411，此时相消干涉双曲线的个数N为k/2＝129个，基于快速傅里叶变换的多载波调制要求，子载波个数应为2的n次方，则N取128。

4.根据权利要求1所述的一种在多载波调制中基于声波相消干涉的物理层安全通信方法，其特征在于，在声波近场通信中，发送端的发射功率为P₀，接收端的自干扰噪声e_j为高斯白噪声，所述自干扰噪声的平均功率为周围环境的背景噪声e_n为高斯白噪声，所述背景噪声的平均功率为设定发送者到接收者的信道增益为h_t，发送者到窃听者的信道增益为g_t，接收者到窃听者的信道增益为h_be，接收者的自干扰信道增益为h_bb，接收者的信道输出为Y，窃听者的信道输出为Z，则在t时刻，对于发射信号x_t，Y和Z有如下关系：

在平均功率P₀的约束下，声波近场通信传输系统的保密容量C_s为：

固定波程差∈时声波近场通信传输系统的保密容量分析如下：

设定∈为1/8波长时，当窃听者处于保密区域内的任意位置P处并且发送端双扬声器每个发射功率都为单位功率时，一个波程差之内的8个子载波平均功率P₁为：

整数个波程差在P处的平均功率均为P₁，令接收者处于发送者的双麦克风的中间位置，一直处于干涉的幅度叠加区域，此时接收者的接收端的信号功率为2，声波近场通信传输系统保密容量与接收者的接收端自干扰噪声e_j的关系为：

固定子载波间隔时声波近场通信传输系统的保密容量分析如下：

当最高子载波频率为20000Hz，并且子载波间距相等时，20-20kHz之间共有N个子载波，则通信安全区域内任意一点上所有子载波的平均功率为：