CN102647258B - 无线通信mimo系统的跨层增强安全处理方法 - Google Patents

Abstract

本专利提供了基于空时编码的无线通信MIMO系统的跨层增强安全处理方法，该方法是在常规空时编码的基础上，增加了变型码集合，然后利用上层的密码序列控制常规空时码与变型码集合之间切换发送，由于合法通信者双方在通信之前都已预先共享密码序列，所以合法接受者可以知道什么时候发的常规码信号集合、什么时候发的变型码信号集合，因此可以抵消变型信号而恢复发送信号集合，从而可靠地译码。但是窃听者未知密码序列，其接收端常规信号码的检测器无法可靠地译码，因此，本专利提出的跨层安全通信机制保证了无条件安全通信。

Description

无线通信MIMO系统的跨层增强安全处理方法

技术领域    

本发明属于信息技术安全领域，如保密通信、无线通信、数字移动通信等领域的信息安全技术。

背景技术    

无线通信由于其自身的开放性和广播特性，网络中的每一个接收者都能够接收到来自发送者的所有信息，合法用户的通信信息非常容易遭受非法用户以及窃听者的监听或者截获，因此信息安全以及防窃听问题就变得特别重要，无线通信的安全已经成为物理层的一个备受关注的热点问题。但是传统的安全通信都是在物理层之上，基于计算不可破的密码安全措施。

Shannon（香农）首先提出了完美保密的安全模型，该模型是解决无线通信边界、有效性和可靠性的理论模型；在此基础上Wyner（维纳）于1975年提出的具有重大影响力的搭线窃听（wire-tap）信道模型是物理层的安全传输基础模型，在wire-tap信道模型中，Wyner证明了当主信道的信道条件优于窃听信道时，物理层的安全通信是可以实现的，也即是说无条件安全通信系统可以在这一基础上得以实现。但是香农和Wyner都没有提出实现的方法。物理层安全技术，直接在物理层实现信息的安全处理。不像上层(比如应用层)那样需要绝对安全的信道进行密钥分发，密钥管理，物理层的整个通信过程，可以完全依靠信道自身的条件来实现安全通信，即无条件安全通信。但是物理层安全是依赖概率的安全，不能保证100%的安全。

本专利提供了一种基于空时编码系统的跨层安全机制来实现无条件安全通信的方法，该方法将物理层安全和传统的密码安全机制相结合。该专利通过对2发1收MIMO（多输入多输出）通信模型下的Alamouti（阿莫特）空时分组码进行信号设计，在常规码信号集合基础上引入一个变型信号集合，利用物理层之上传统的密码序列在发射端编码时控制常规码集合和变型码集合之间的切换，即在相应的时隙中，根据序列密码的信息来决定在物理层是应该发送常规码集合还是变型信号集合。因为合法通信者双方在通信之前都已知密码序列，所以合法接受者可以知道什么时候发的变型信号、什么时候发的常规码信号，因此可以抵消变型信号而恢复发送信号集合，从而可靠地译码。但是窃听者未知密码序列，其接收端常规信号码的检测器无法可靠地译码。经验证，在不影响合法接收者的前提下，窃听者译码后的误码率可以达到0.5，从而窃听者无法获取通信的有效信息。本专利提出的跨层安全通信机制保证了合法通信者的安全通信，与传统的单纯使用密码序列的上层安全机制相比，更难于破解，有更高的安全性。并且该安全机制还可以适用于多发多收的MIMO通信模型中以及其它类型的空时编码中。

由于本发明是基于空时编码的MIMO通信系统的，为了说清本发明，在此先介绍系统的空时编码方法。

2发1收MIMO跨层安全通信架构模型如图1所示。设发送的信息为                                               和，常规的Alamouti空时分组码编码为：

                                 （1）

其中*代表向量的共轭转置运算，在时隙1分别从天线1和天线2发送信号和，在时隙2分别从天线1和天线2发送信号和。

通过上述编码后， 接收者在时隙1和2中所接收到的信号分别为，，则

                                (2)

                                (3)

其中,是零均值的加性高斯白噪声；，是2根天线分别与接收天线之间的信道增益，,和，由发送端进行信道估计获得；合法接收者根据式(2)(3)计算出和的判决统计值，为

                      (5)

                      (6)

发明内容   

本专利提供了一种基于空时编码系统的跨层安全机制来实现无条件安全通信的方法。该方法是在空时编码的基础上，增加了变型码集合，和是发送的信息，和是根据发送端的信道估计值、及信道噪声估计值、以及发送信息和进行设计的信号。

跨层安全机制的方法如下：

步骤一  根据常规空时分组码编码集合再设计一组变型码集合，其中为从调制后的信号星座点集合中选取的原始发送信号；和是根据发送端的信道估计值、及发送信息和这些参数进行设计的伪信号。步骤二  利用物理层之上密码序列在发射端控制常规码集合S与步骤一中所设计的变型码集合之间的切换发送，同时在接收端也利用与发射端相同的密码来控制接收机同步产生与发射端相同的空时码与变型码对信号进行接收和判决。

发明的实质和效果：

由于将常规的时空编码方式所形成的编集合增加了变型编码方式所形成的变型码集合，此时接收者在时隙1和2中所接收到的信号分别为，，则

                                (7)

                               (8)

因此合法者的接收信号的判决值就从式（5）和（6）变成为了式（9）和（10）

             (9)

              (10)

这样，当s3和s4的设计使得最大时，安全性就最好。

因为合法通信者双方在通信之前都已知密码序列，所以合法接受者可以知道什么时候发的常规码信号集合、什么时候发的变型码信号集合，因此可以抵消变型信号而恢复发送信号集合，从而可靠地译码。但是窃听者未知密码序列，其接收端常规信号码的检测器无法可靠地译码。

图2给出了基于空时编码的2发1收MIMO跨层安全通信架构模型的BER性能图。从图中我们看到：利用变型码集合来迷惑窃听者可以在不影响合法接收者的前提下，使得窃听者的译码误码率逼近0.5，因此窃听者根本无法获得通信过程中的有效信息。这样一来，既保证了合法通信双方正常高质量的通信，又有效地防止了通信内容被其他非法用户的窃听，实现了无条件安全通信。

附图及附图说明    

图1  基于空时编码的2发1收MIMO跨层安全通信架构模型

图2  基于空时编码的2发1收MIMO跨层安全通信架构模型的BER性能图

   具体实施方式

基于空时编码系统的跨层安全机制来实现无条件安全通信的方法的具体实施步骤如下：

步骤一  根据常规空时分组码编码集合设计变型码集合，

和是发送的信息，和是根据发送端的信道估计值、及发送信息和进行设计，且和的取值应使得最大，其中，， 和，其中*代表向量的共轭转置运算。

步骤二 利用物理层之上的二元密码序列，，n为序列长度，在发射端控制常规空时分组码编码集合与变型码集合之间的切换，即：当时， 则按照 的码集合发送，即，而当则发送变型码集合，当发送时，在时隙1分别从天线1和天线2发送信号和，在时隙2分别从天线1和天线2发送信号和，接收端利用与发射端预先共享相同的同步密码序列二元密码序列来控制接收机选择相应的接收和判决方式，当采用式和进行接收和判决，当采用式和进行接收和判决。 

Claims (2)

1.无线通信MIMO系统的跨层增强安全处理方法，其特征包括以下步骤：

步骤一：在常规空时分组码编码集合 $S=\left(\begin{array}{cc}{s}_1& s_2\\ -s_2^{*}& s_1^{*}\end{array}\right)$ 的基础上，再设计一组变型码集合 $S^{\′}=\left(\begin{array}{cc}{s}_1& s_2\\ -s_3^{*}& s_4^{*}\end{array}\right),$ 其中s₁,s₂为从调制后的信号星座点集合中选取的原始发送信号；s₃和s₄是根据发送端的信道估计值h₁、h₂及发送信息s₁和s₂这些参数进行设计的伪信号，且s₃和s₄的取值应使得 $d_E=\sqrt{{|{\tilde{s}}_1-{\tilde{s}}_1^t|}^2+{|{\tilde{s}}_2-{\tilde{s}}_2^t|}^2}$ 最大，其中 ${\tilde{s}}_1=({\left|h_1\right|}^2+{\left|h_2\right|}^2)s_1,$ ${\tilde{s}}_2=({\left|h_1\right|}^2+{\left|h_2\right|}^2)s_2,{\tilde{s}}_1^t={\left|h_1\right|}^2{s}_1-h_1^{*}{h}_2{s}_3^{*}+h_2{h}_1^{*}{s}_2^{*}+{\left|h_2\right|}^2{s}_4$ 和 ${\tilde{s}}_2^t={\left|h_1\right|}^2{s}_2+h_1^{*}{h}_2{s}_4^{*}-h_2{h}_1^{*}{s}_1^{*}+{\left|h_2\right|}^2{s}_3,$ *代表向量的共轭转置运算；

步骤二利用物理层之上密码序列在发射端控制常规码集合S与步骤一中所设计的变型码集合S′之间的交替发送，同时在接收端也利用与发射端同步的预先共享的密码序列来控制接收机采用相应于常规码集合S与变型码集合S′的方法对信号进行接收和判决。

2.根据权利要求1所述的无线通信MIMO系统的跨层增强安全处理方法，其特征在于：所述的密码序列为二元密码序列Q_control＝(q₁,q₂,…,q_n),q_i∈{0,1}，i∈{1,2,3,.....,n}，n为序列长度，在发射端控制常规空时分组码编码集合S与变型码集合S'之间的切换，即：当q_i＝1时，则按照S的码集合发送，而当q_i＝0则发送变型码集合S'，当发送S'时，在时隙1分别从天线1和天线2发送信号s₁和在时隙2分别从天线1和天线2发送信号s₂和接收端利用与发射端预先共享相同的同步密码序列二元密码序列Q_control＝(q₁,q₂,…,q_n),q_i∈{0,1}来控制接收机选择相应的接收和判决方式，当q_i＝1采用式 ${\tilde{s}}_1=({\left|h_1\right|}^2+{\left|h_2\right|}^2)s_1+h_1^{*}{\mathrm{\η}}_1+h_2{\mathrm{\η}}_2^{*}$ 和 ${\tilde{s}}_2=({\left|h_1\right|}^2+{\left|h_2\right|}^2)s_2+h_1^{*}{\mathrm{\η}}_1+h_2{\mathrm{\η}}_2^{*}$ 进行接收和判决，当q_i＝0采用式 ${\tilde{s}}_1^t={\left|h_1\right|}^2{s}_1-h_1^{*}{h}_2{s}_3^{*}+h_2{h}_1^{*}{s}_2^{*}+{\left|h_2\right|}^2{s}_4+h_1^{*}{\mathrm{\η}}_1+h_2{\mathrm{\η}}_2^{*}$ 和 ${\tilde{s}}_2^t={\left|h_1\right|}^2{s}_2-h_1^{*}{h}_2{s}_4^{*}+h_2{h}_1^{*}{s}_1^{*}+{\left|h_2\right|}^2{s}_3+h_1^{*}{\mathrm{\η}}_2+h_2{\mathrm{\η}}_1^{*}$ 进行接收和判决；η₁,η₂为信道噪声估计值。