專利名稱：增強(qiáng)信息傳輸安全性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及無線通信系統(tǒng)，具體涉及基于碼分多址(CDMA)的無線通信系統(tǒng)。
熟知的Walsh Hadamard函數(shù)系H構(gòu)成歐幾里得空間R2n(長度為2n，其中n為正整數(shù))的正交基，取值的范圍為1和-1。這些函數(shù)在無線通信的CDMA領(lǐng)域內(nèi)得到了應(yīng)用。最近以來，準(zhǔn)Walsh函數(shù)系Q引入到CDMA無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用中。這些函數(shù)有類似于Walsh函數(shù)的性質(zhì)，也構(gòu)成R2n的正交基，且只取值1和-1。準(zhǔn)Walsh函數(shù)系是把Walsh Hadamard函數(shù)中的任何特定元組取負(fù)值而形成的。用矩陣運算的形式表示，準(zhǔn)Walsh函數(shù)系Q是對Walsh Hadamard函數(shù)系H右乘對角矩陣D得到的行矢量，對角矩陣D是由1和-1組成的，即，Q＝HD。請注意，每個行矢量中的值代表一個碼片。這個代表準(zhǔn)Walsh函數(shù)Q的矩陣是一個長度保持變換，稱之為等距變換或正交變換，在此情況下以下的字段取實數(shù)值。由于Walsh Hadamard矩陣和對角矩陣D都是正交的，得到的乘積矩陣Q也是正交的。因此，Q中不同的行矢量，即，不同的準(zhǔn)Walsh函數(shù)，其內(nèi)積為零。請注意，若對角矩陣D是單位矩陣I，則呈現(xiàn)出Walsh Hadamard矩陣。所以，Walsh Hadamard矩陣H是在D＝I特殊情況下的準(zhǔn)Walsh矩陣。
本發(fā)明利用準(zhǔn)Walsh函數(shù)系，除了允許多址存取和捕獲以外，還具有抗竊聽和人為干擾(jamming)的高復(fù)原能力。本發(fā)明以某個速率r在各個廣義準(zhǔn)Walsh函數(shù)系之間轉(zhuǎn)換，其中r可以是不等于零的固定值或可變值。本發(fā)明利用第一代碼通過通信信道給用戶發(fā)射第一組信息，和利用第二代碼通過通信信道給用戶發(fā)射第二組信息，其中，第二代碼取代第一代碼，第一代碼和第二代碼可以是正交代碼或加密代碼，以及通信信道有固定的或可變的數(shù)據(jù)速率。第一代碼和第二代碼可以用索引指示，例如，偽隨機(jī)序列，算法，數(shù)學(xué)公式，已知或循環(huán)序列，等等，其中索引可以是單值或多值。在一個實施例中，第一代碼和第二代碼對應(yīng)于第一正交函數(shù)系和第二正交函數(shù)系中的行矢量i和行矢量j。行矢量i和行矢量j在它們各自的正交函數(shù)系中可以相同或不相同。同樣，第一正交函數(shù)系和第二正交函數(shù)系可以相同或不相同，且可以都是準(zhǔn)Walsh函數(shù)系。
根據(jù)以下的描述，所附權(quán)利要求書，和附圖，本發(fā)明的特征，觀點和優(yōu)點會變得比較容易理解，其中

圖1表示4種可能的對角矩陣Dk例子；圖2表示4種可能的準(zhǔn)Walsh函數(shù)系Qk例子，它是利用圖1中對角矩陣Dk導(dǎo)出的；和圖3表示兩個碼片(chip)的例子，用于調(diào)制每個待發(fā)射的位。
首先，我們假設(shè)，采用分片率(chipping rate)為每個信息位2n碼片，雖然其他的分片率也是可能的。所以，自始至終利用標(biāo)準(zhǔn)的2n×2nQ矩陣。在CDMA應(yīng)用中一樣，給每個用戶分配Q矩陣中特定的行，從而允許在數(shù)據(jù)信道中的多址存取。若要求多于2n×2n個用戶，則指定另一個Q矩陣中的各行給增加的用戶。在后者的情況下，選取這樣的另一個Q矩陣，使互相之間的干擾最小。然而，如同以前一樣，由于任何兩個準(zhǔn)Walsh函數(shù)系之間的非正交性，互相之間的干擾就不可能為零。推廣到準(zhǔn)Walsh函數(shù)系的任意多個框架(frame)是直接了當(dāng)?shù)?。在以下的各段中，重點放在不超過2n個用戶的情況。但是，應(yīng)該理解，本發(fā)明也適用于超過2n個用戶的情況。
為了方便，對于發(fā)射的第1位，給第i個用戶分配Q中的第i個行矢量(或準(zhǔn)Walsh函數(shù)系中第i個準(zhǔn)Walsh函數(shù))。自始至終，我們假設(shè)，借助于導(dǎo)頻和同步信道存在完全的同步。隨后，給第i個用戶分配不同Q矩陣中的第i行，該矩陣是逐位產(chǎn)生的。對發(fā)射的每位k，利用偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器找到對角矩陣Dk。見圖1,它表示4種可能的對角矩陣Dk，其中k=0，1，2，3。可能不同的矩陣數(shù)目為
個。此外，在單次實施中相同的Dk可以發(fā)生多次，從而使形成的偽噪聲(PN)型序列可能有很大的周期。唯一的矩陣Dk右乘H給出Qk=HDk。見圖2，它表示4種可能的準(zhǔn)Walsh函數(shù)系Qk例子，是利用圖1中對角矩陣Dk導(dǎo)出的。因此，給第i個用戶總是分配相同的第i行，然而，對于每個發(fā)射的信息位，它很可能來自不同的準(zhǔn)Walsh函數(shù)系。對于不知道等距(isometry)產(chǎn)生公式的觀察者，形成的準(zhǔn)Walsh函數(shù)串似乎是隨機(jī)的，因此很難竊聽。
推廣到支持大于2n個用戶是很直接的。我們在這里說明支持2(n+1)個用戶的方法；推廣到支持超過這個數(shù)目的方法遵從相同的邏輯。對于每位k，選取這樣兩個矩陣Dk1和Dk2，它們產(chǎn)生的所有準(zhǔn)Walsh函數(shù)互相之間是“幾乎正交”的。如上所述，給前2n個用戶從Dk1中分配準(zhǔn)Walsh函數(shù)，給后2n個用戶從Dk2中分配準(zhǔn)Walsh函數(shù)。
對于任何特定的位，給第i個用戶分配準(zhǔn)Walsh函數(shù)Qk中的第i行，而給第b個用戶分配同一個準(zhǔn)Walsh函數(shù)Qk中的第b行。所以，不發(fā)生互干擾，因為這些代碼是互相正交的。因此，正如在最大長度的大移位寄存器PN序列中一樣，在相繼各位中可以導(dǎo)致長的準(zhǔn)Walsh型PN序列。與移位寄存器序列相同，這個相繼位序列具有全部的信號隱藏優(yōu)點。換句話說，利用一個索引，準(zhǔn)Walsh函數(shù)Qk在相繼各位中是變化的，其中索引可以用PN序列，算法，數(shù)學(xué)函數(shù)，已知序列等確定。此外，它還有附加的正交性優(yōu)點，容易多址存取和捕獲。準(zhǔn)Walsh PN序列的長度在它重復(fù)之前是隨機(jī)數(shù)發(fā)生器長度的函數(shù)，每個隨機(jī)數(shù)發(fā)生器確定Dk的等距性。作為增加的隨機(jī)度，每1位的第i個用戶可以利用不同于第i行的1行。準(zhǔn)Walsh函數(shù)Qk中實際的行可以變化(利用另一個隨機(jī)數(shù)發(fā)生器)。
對于給定的2n×2nWalsh Hadamard矩陣H，利用不同對角等距矩陣Dk的右乘，得到
個不同的準(zhǔn)Walsh函數(shù)系。這些矩陣中的對角元素用0替換-1可以解釋成二進(jìn)制的。所以，每個不同的Dk可以用0與(
-1)之間的一個整數(shù)代表。因此，編碼以及相應(yīng)的解碼可以有效地用與每1位相關(guān)的特定索引k來代表。
作為一個簡化的說明，考慮以下的例子。在R2中，每個信息位利用兩個碼片，并考慮兩個用戶。在此情況下，n=1。得到4個不同的對角正交矩陣，如在以上提到的圖1中所示。若其中每個矩陣Dk右乘到Walsh Hadamard矩陣H上，則得到圖2中所示的準(zhǔn)Walsh函數(shù)系Qk。
為了說明在由所有可能的對角矩陣等距性組成的任一個實施方案中，出現(xiàn)相等數(shù)目的1和-1，考慮如下。參照以前的說明，對于每次發(fā)射的4個信息位，利用對角矩陣等距性。假設(shè)索引按照以下的順序確定等距性矩陣DkD0，D1，D2，和D3。因此，用于調(diào)制每個發(fā)射位的兩個碼片在圖3中所示。請注意，相等數(shù)目的1和-1的組合是給用戶0和用戶1的。
本發(fā)明可應(yīng)用于Sylvester和非Sylvester類型。這就允許在非2n(n為正數(shù))的實空間中操作。本發(fā)明還可應(yīng)用于非正交的準(zhǔn)Walsh函數(shù)系Q。用轉(zhuǎn)置矩陣P右乘Q產(chǎn)生一個廣義準(zhǔn)Walsh函數(shù)系QG，即，QG＝HDP。請注意，此處的P與H和D有相同的維數(shù)(即，m×m)。與準(zhǔn)Walsh函數(shù)系Q比較，因為有m！個不同的Ps，整個函數(shù)系QG增大m！，提高了找到各個系中低相關(guān)廣義準(zhǔn)Walsh函數(shù)系的概率，從而產(chǎn)生最小的互干擾。
上述分配準(zhǔn)Walsh函數(shù)的過程可以在同樣的方式下適用于廣義準(zhǔn)Walsh函數(shù)系QG，其中QGj＝HDkPx。其中k＝1至m(不必等于2n)，和x＝1至m！。因此，特定的廣義準(zhǔn)Walsh函數(shù)系是用j確定的，j是二值元組{k，x}的函數(shù)。所以，信息隱藏可以由二維索引或元組{k，x}完成，增強(qiáng)了信息隱藏特性。在一個實施方案中，如上所述，每個用戶在所有的位中利用相同的特定行矢量，相對于其他的用戶而言利用不同的行矢量。在這個特定的實施方案中，從QGj中選取位j的擴(kuò)展序列。因此，編碼以及相應(yīng)的解碼可以用與每1位相關(guān)的特定索引j[或元組{k，x}]來代表。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)射信息的方法，包括以下步驟通過第一代碼調(diào)制的通信信道給用戶發(fā)射第一組信息和通過第二代碼調(diào)制的通信信道給用戶發(fā)射第二組信息，其中利用第二代碼取代第一代碼。
2.按照權(quán)利要求1的方法，還包括步驟通過第三代碼調(diào)制的通信信道給用戶發(fā)射第三組信息，其中利用第三代碼取代第二代碼。
3.按照權(quán)利要求2的方法，其中通信信道有固定的或可變的數(shù)據(jù)速率。
4.按照權(quán)利要求1的方法，其中第一代碼和第二代碼是用索引指示的。
5.按照權(quán)利要求4的方法，其中該索引是由偽隨機(jī)數(shù)序列確定的。
6.按照權(quán)利要求4的方法，其中該索引是由算法確定的。
7.按照權(quán)利要求1的方法，其中第一代碼對應(yīng)于第一正交函數(shù)系中的行矢量i和第二代碼對應(yīng)于第二正交函數(shù)系中的行矢量j。
8.按照權(quán)利要求7的方法，其中行矢量i和行矢量j是它們各自正交函數(shù)系中的相同行。
9.按照權(quán)利要求7的方法，其中行矢量i和行矢量j是它們各自正交函數(shù)系中的不同行。
10.按照權(quán)利要求7的方法，其中第一正交函數(shù)系不同于第二正交函數(shù)系。
11.按照權(quán)利要求7的方法，其中第一正交函數(shù)系等同于第二正交函數(shù)系。
12.按照權(quán)利要求7的方法，其中第一和第二正交函數(shù)系是廣義準(zhǔn)Walsh函數(shù)系。
13.按照權(quán)利要求7的方法，其中行矢量i和行矢量j是利用索引確定的。
14.按照權(quán)利要求13的方法，其中索引是由偽隨機(jī)數(shù)序列確定的。
15.按照權(quán)利要求13的方法，其中索引是由算法確定的。
16.按照權(quán)利要求7的方法，其中第一和第二正交函數(shù)系是利用索引確定的。
17.按照權(quán)利要求16的方法，其中索引是由偽隨機(jī)數(shù)序列確定的。
18.按照權(quán)利要求16的方法，其中索引是由算法確定的。
19.按照權(quán)利要求1的方法，其中第一組信息對應(yīng)于位n和第二組信息對應(yīng)于位n+r，r是一個不等于零的固定值。
20.按照權(quán)利要求1的方法，其中第一組信息對應(yīng)于位n和第二組信息對應(yīng)于位n+r，r是一個不等于零的可變值。
21.一種給第i個用戶發(fā)射位的方法，包括以下步驟分配第i個行矢量給第i個用戶；利用第一正交函數(shù)系中的第i個行矢量，發(fā)射與第i個用戶相關(guān)的位n；利用第二正交代碼系中的第i個行矢量，發(fā)射與第i個用戶相關(guān)的位n+r，其中第一正交代碼系不同于第二正交函數(shù)系。
22.按照權(quán)利要求21的方法，其中第一和第二正交代碼系是廣義準(zhǔn)Walsh函數(shù)系。
23.按照權(quán)利要求21的方法，其中第一和第二正交代碼系是用索引指示的。
24.按照權(quán)利要求23的方法，其中索引是由偽隨機(jī)數(shù)序列確定的。
25.按照權(quán)利要求23的方法，其中索引是由算法確定的。
全文摘要
開發(fā)了準(zhǔn)Walsh函數(shù)系,它允許多址存取和擴(kuò)頻以防止竊聽和人為干擾。由于正交擴(kuò)頻,互干擾是最小的。利用大量不同的正交代碼,產(chǎn)生高的信號隱藏能力。提出一種編碼算法。可以用簡單的方法“跟蹤”不同的準(zhǔn)Walsh函數(shù)系以及對于特定碼片值的給定用戶確定合適的值。
文檔編號H04J13/04GK1277503SQ0010675
公開日2000年12月20日 申請日期2000年4月17日 優(yōu)先權(quán)日1999年4月19日
發(fā)明者查爾斯·羅伯特·蓋爾狄那, 阿沙克N·如卓派特那 申請人:朗迅科技公司