CN102970068B - 用于安全保密无线通信的分布式多天线跳空收发方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于安全保密无线通信的分布式多天线跳空收发方法，在训练阶段，配备有多天线的发方依据训练图案每次选择一根发射天线来发射约定好的训练信号，配备有多天线的期望接收方接收信号通过训练得到收方多天线接收加权跳空图案；在应用阶段：发方采用某种调制方式将要发送的比特信息映射为星座图上的符号并调制到射频，依据跳空图案顺序从天线阵列中选择发射天线，期望接收方依据跳空图案选择相应的接收加权向量W_n对接收到的信号进行加权检测接收，形成规整的星座图。本发明通过仿真实验表明，期望接收方能够正确地恢复原始信息而侦听方不能，验证了本发明的安全保密性。

Description

用于安全保密无线通信的分布式多天线跳空收发方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术，特别涉及一种用于无线通信中安全保密的分布式多天线跳空收发方法。

背景技术

无线通信技术的快速发展使得人们几乎可以不用架设任何线缆而与身处不同位置的他人自由地通话，甚至视频通话和视频会议，极大地便利了人类社会生活。然而，基于同样的原理，侦听方也无需借助于任何线缆而获取他人通信的内容，所以无线通信的安全性和保密性就成为了通信领域最为关注的问题，这一问题在军事通信中尤为突出。

目前广泛使用的跳频技术是军事与民用无线通信中最常用的安全保密技术措施，具有良好的传输能力和安全保密性。跳频通信的工作机理是通信时不断改变传输的载波频率，使得通信具有明显的扩频增益；通信双方事先约定好跳频图案，只有收发双方同步地按照跳频图案进行调制和解调，才能正确的传输信息。通常情况下跳频图案是保密的，而且侦听方也很难做到与发方完全同步，所以侦听方难以截获或侦听到通信的内容。

但实际中，跳频通信存在难以克服的技术问题。跳频的保密性和扩频增益需要在载波跳速快，跳幅大的条件下获得，而载波频率需要通过依靠系统的惯性工作的锁相环锁定，因此跳频的跳速和频率跳幅均受到锁相环路的惯性(带宽)限制。同时，无线通信的发射和接收天线的长度与载波频率有关，载波频率的变化意味着发射和接收天线长度也要随之变化。然而短时间内大幅度调整天线的长度是很困难的。所以跳频通信载波频率的跳速和跳幅也会受到天线物理尺寸变化的制约。上述两方面就导致了跳频通信的扩频增益和保密性在实际中难以保证。同时,跳频机制显然会使得日趋匮乏的频谱资源问题变得更为尖锐。

另外，跳频仅仅是利用了频谱上的扩频增益，并没有真正应用无线通信的特点-“多径”，而无线通信中更值得利用的是信号的空谱。所以，一个重要的想法是利用分布式天线MIMO，尽量使用丰富的空间谱资源，获得可靠且截获率低的物理层无线通信传输模式。

目前国内外对多天线收发技术的研究主要是围绕两个方面展开的。一个是从频域能量分布的角度研究的，包括窄带波束形成，定向传输。还有一个是从安全保密的角度研究的。而有关无线通信物理层安全保密的研究，大多是基于跳频的思想，即将跳频与无线信道的一些特性联系在一起，进行安全保密通信。这两方面的问题归纳起来：一是不能摆脱频谱的限制，总试图从频谱的角度扩展频谱解决问题；二是没有建立起空谱的概念。之所以空域的概念没被普遍理解，是因为目前还没有有效描述空域信号的模型。甚至连一个简洁正确合理描述信道的模型也没有。

发明内容

本发明从基本的无线传播模型出发，考虑信号能量在空间的分布，从而建立起了空谱的概念。在此基础上，提出了一种用于无线通信中安全保密的分布式多天线跳空收发方法，可使得期望接收方获得正确的信息而侦听方在没有参加训练或未获得跳空图案的情况下无法有效地截获信息，解决了无线通信中的信道传输能力和安全保密性不足的问题。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种用于安全保密无线通信的分布式多天线跳空收发方法，采用发方和期望接收方均配备多天线的无线安全传输模型，其特征在于，包括如下步骤：

（1）训练阶段：

a、收发双方提前约定好要进行通信的时间和训练信号，发方依据训练图案通过开关切换每次选择一根天线用来发射信号；

b、期望接收方采用多天线阵列接收信号并进行内积相关检测，通过训练得到收方多天线接收加权向量；

其中，发射天线阵列由J根发射天线组成，每根发射天线都对应接收方的一组接收加权向量W_n，n＝1,2,…,J，所以需要对每一根发射天线进行单独的上述训练；

训练结束后，期望接收方获得了对应于J根发射天线的J组接收加权向量W_n，n＝1,2,…,J，即接收加权跳空图案；

（2）应用阶段：

a、首先，发方采用某一种调制方式将要发送的比特信息映射为星座图上的符号并调制到射频，依据发方跳空图案顺序从天线阵列中选择发射天线；

b、期望接收方采用多天线阵列在训练阶段的位置处接收信号，依据发方跳空图案，在接收加权跳空图案中选择相应的W_n对接收到的信号进行加权并进行相关检测，形成规整的星座图。

上述方案中，所述发方的发射天线切换是利用电子开关实现的。

所述的发射天线构成不规则的分布式天线阵列且各阵元间距离大于波长。

与现有的保障无线通信安全的跳频扩频和直序扩频等方法相比，本发明的有益效果是：

1、在占用非常有限的频谱资源的情况下利用无尽的空谱资源来实现保密通信。实际上，基于空谱利用的三重因素共同确保了安全通信：只有用户参与训练获得了正确的接收加权跳空图案、在应用阶段获得正确的发方跳空图案并且在训练位置处接收信号才能保证恢复出原始的发射信息。因为发方跳空图案的变化会导致信号能量在空间分布（空谱）的变化；在应用阶段，对接收信号使用的加权向量也与收发双方的相对空间位置有关。另外，本发明利用电子开关实现发射天线的切换，可以达到很高的跳速；丰富的空间资源使得跳幅的范围可以扩展得很广，所以本发明能够获得比跳频通信更好的通信效果。

2、利用发方跳空图案，通过训练得到收方多天线接收加权跳空图案，从而无需确知收发两端的阵列流型，也无需求解复杂的多径信道，就可以得到规整的星座图，实现安全保密的无线通信。

3、实现了单频保密通信，可以充分考虑无线通信多径的影响（因为多个单频信号叠加仍为同一频率的单频信号）；期望接收方将接收信号通过窄带滤波器就可以滤除大部分的带外噪声而保留有用信号，获得极低的误码率，提高通信的可靠性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

图1是本发明方法所涉及的安全传输的模型。

图2是本发明分布式多天线跳空的具体传输模型。

图3是采用16QAM(即包含16种符号的正交幅度调制)调制方式的情况下，跳空图案对接收误符号率影响的仿真结果-图3(a)和接收天线空间位置对接收误符号率影响的仿真结果-图3(b)。

图4是采用QPSK(即四相相移键控)调制方式的情况下，跳空图案对接收误符号率影响的仿真结果-图4(a)和接收天线空间位置对接收误符号率影响的仿真结果-图4(b)。

图5是本发明方法的技术原理示意图。

具体实施方式

本发明涉及安全传输的系统模型如图1所示，发方Alice和期望接收方Bob拥有多天线，侦听方Eve为了获取信息增设多天线。其中，Eve只窃听消息而不发射信号。

在分析信道模型时，假设如下：①传播介质是均匀的、线性的、各向同性的。②各阵元间距离大于波长λ，阵元间的影响可以忽略不计。③各阵元和信道中的噪声均为高斯加性白噪声，是相互独立的，且与信号无关。④信道是慢变的，在进行通信的一段时间内，可以认为信道特性是恒定的。

信号传输、接收和处理的模型如图2所示（这里只是示意图，并不表示收发方的实际距离）。发射信号为s(t)且w、s₀、分别为载波频率、发射信号的幅度和初相；发方和收方分别有J根、K根天线。其中：

a、发射天线n在电子开关（采用快速开关二极管，例如开关速度为50ns的BAV21型二极管）接通的时候发射，断开的时候停止发射。电子开关不断地在发射天线阵列1～J中各天线之间切换，s(t)就会由不同的发射天线发射出去。在短波通信中，跳频的跳速一般为每秒几十次～几百次，而电子开关的切换速率可以轻易达到每秒上万次(以载波频率为1MHz的情况为例，如果一个码元对应50周期的发射信号,那么电子开关每秒可以切换约2万次；载波频率越高，电子开关每秒的切换次数可以更高)，因此，跳空的跳速可以远高于跳频的跳速。

b、多个发射天线构成不规则的分布式天线阵列且各阵元间距离大于波长。因为空间资源是无限的,增加发射天线的个数并使各阵元在空间分布越分散，就可以将跳幅的范围扩展得很广并且不会出现空域资源匮乏的问题。所以，相比于跳频通信，本发明可以实现更大的跳幅。

c、在接收方，多个接收天线也构成不规则的分布式天线阵列，将接收天线阵列接收到的信号r_n，l(t)（l＝1,…,K）经过窄带滤波器NBF滤除噪声后，再进行加权处理，采用的加权向量为W_n且W_n=[w_n，1，…,w_n,K]^T，最后合成接收信号y(t)。对y(t)进行相关解调即可恢复出发射信息由于本发明为单频通信，在对接收信号加权合成之前先对其进行窄带滤波将在Bob端获得极低的误符号率，因此仿真实验中并没有使用窄带滤波器。

下面以QPSK调制方式为例说明本发明的具体实现步骤，其中Alice、Bob和Eve均配备4根天线。

（1）训练阶段：

a、发方（Alice）和期望接收方（Bob）提前约定好要进行通信的时间和训练信号，Alice依据训练图案每次选择一根天线来发射信号，发射天线的切换通过电子开关实现；

b、Bob采用多天线阵列接收信号并进行内积相关检测，通过训练得到收方多天线接收加权向量；

其中，发射天线阵列由4根天线组成，每根发射天线都对应接收方的一组接收加权向量W_n，n＝1,2,…,4，所以需要对每一根发射天线进行单独的上述训练；

训练结束后，期望接收方获得了对应于4根发射天线的4组接收加权向量W_n，n＝1,2,…,4，即接收加权跳空图案；

（2）应用阶段：

a、首先，Alice采用QPSK调制方式将要发送的比特信息映射为星座图上的符号并调制到射频，依据发方跳空图案顺序从天线阵列中选择发射天线；

b、Bob采用多天线阵列在训练阶段的位置处接收信号，依据发方跳空图案，在接收加权跳空图案中选择相应的W_n对接收到的信号加权并进行相关检测，形成规整的星座图，即正交并且没有旋转的星座图。

为验证通信的安全保密性，侦听方采用与期望接收方Bob相同数量的天线。考虑以下两种情况：

（1）侦听方Eve窃取了Bob的接收信号但是没有获得跳空图案，采用随机加权方式合成接收信号。

（2）假定有两个侦听方Eve1和Eve2。Eve1所用的天线与Bob所用的天线之间的距离不超过λ/6；Eve2有2根天线窃取了Bob2根天线的接收信号，另外2根天线与Bob其余天线之间的距离不超过λ/6，但两个侦听方均窃取了发方跳空图案和Bob的接收加权跳空图案，采用与Bob相同的权值加权合成信号。

参见图3，在多个信噪比情况下对比期望接收方和侦听方的误符号率，可以发现：期望接收方均能以较低的误符号率恢复原始信号，而侦听方在考虑的两种情况下有较高的误符号率。图3(a)中侦听方虽然侦听到了与Bob相同的信号，但由于不知道发射端的跳空图案，仍然无法成功恢复信号，误符号率高达0.6；图3(b)两位侦听者即便获得了合法接收方的权值，其误符号率仍较高（约为0.25和0.3）。

参见图4，16QAM调制方式下得到了相同的结论，即期望接收方能有效恢复原始信号而侦听方不能。其中，图4(a)中侦听者的误符号率高达0.8；图4(b)的两位侦听者的误符号率约为0.7和0.9。

仿真实验验证了QPSK和16QAM调制方式下本发明的安全保密性。本发明方法的技术原理示意图如图5所示。

实际上，为了正确地恢复原始信号需要获得三个方面的信息：

a)参加训练并获得正确的接收加权向量。

b)在应用阶段获得发方跳空图案。

结合a)和b)才可以在接收方采用正确的加权方案，否则即使窃取了期望接收方的接收信号也不能恢复原始信号，这就是第一种情况下Eve端有较高的误符号率的原因。

在传统的安全保密方式跳频扩频通信中，一旦泄露跳频图案，侦听方就能成功窃取发方发射的信息，而在利用到分布式多天线跳空收发方法的无线通信系统中，即使泄露了跳空图案，侦听方也只能知道发方天线的切换顺序，为了恢复原始的发射信息，还需要接收加权向量的信息，这个只能通过参与训练获得，因此本发明增强了无线通信的安全保密性。

c）接收加权向量是与训练双方相对空间位置有关的，所以应用阶段收方接收信号的位置必须与训练阶段的位置一致，这就是侦听方Eve1和Eve2在窃取了期望接收方的加权方案后仍然无法有效地恢复原始信号的原因。

Claims (3)

1.一种用于安全保密无线通信的分布式多天线跳空收发方法，采用发方和期望接收方均配备多天线的无线安全传输模型，其特征在于，包括如下步骤：

(1)训练阶段：

a、收发双方提前约定好要进行通信的时间和训练信号，发方依据训练图案通过开关切换每次选择一根天线用来发射信号；

b、期望接收方采用多天线阵列接收信号并进行内积相关检测，通过训练得到接收方多天线接收加权向量；

其中，发射天线阵列由J根发射天线组成，每根发射天线都对应接收方的一组接收加权向量W_n，n＝1,2,…,J，所以需要对每一根发射天线进行单独的上述训练；

训练结束后，期望接收方获得了对应于J根发射天线的J组接收加权向量W_n，n＝1,2,…,J，即接收加权跳空图案；

(2)应用阶段：

a、首先，发方采用某一种调制方式将要发送的比特信息映射为星座图上的符号并调制到射频，依据发方跳空图案顺序从天线阵列中选择发射天线；

b、期望接收方采用多天线阵列在训练阶段的位置处接收信号，依据发方跳空图案，在接收加权跳空图案中选择相应的W_n对接收到的信号加权并进行相关检测，形成规整的星座图。

2.如权利要求1所述的用于安全保密无线通信的分布式多天线跳空收发方法，其特征在于，所述发方的发射天线切换是利用电子开关实现的。

3.如权利要求1所述的用于安全保密无线通信的分布式多天线跳空收发方法，其特征在于，所述的发射天线构成不规则的分布式天线阵列且各阵元间距离大于波长。