CN103986545A - 用于simo无线通信系统的物理层安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于SIMO无线通信系统的物理层安全传输方法，首先期望接收方反向发射随机参考信号，然后发射方使用接收到的参考信号对待传输符号进行置乱后发射，最后期望接收方利用已知参考信号对接收信号进行解调以获得发射方传输的信息。在第一步中，多天线接收方不仅发送参考信号，同时也发送人工噪声信号，且人工噪声信号所在空间与主信道向量正交，使得人工噪声对期望发射方接收参考信号没有影响。对于窃听者来说，由于信道不同将受到人工噪声信号的干扰，因此难以准确估计随机参考信号，成功窃听加密信号的可能性也大幅度降低，从而最终使得SIMO无线通信系统的安全传输得到了保障。

Description

用于SIMO无线通信系统的物理层安全传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信系统安全传输方法，特别涉及一种针对时分双工模式下的单输入多输出(SIMO)无线通信系统的安全传输方法。

背景技术

无线通信技术的发展消除了传统有线接入需要以线缆为媒介的制约，极大地便利了人类生活、促进了社会发展。不同于有线通信，无线通信电磁信号的广播性质使得任何一个处于覆盖范围内的接收机都可以轻而易举地接收到发射机发射的信号，也就是说期望用户以外的其他用户也有可能获取通信信息。就保密通信而言，无线通信系统比传统有线通信系统具有更大的安全隐患。随着无线通信技术的日益普及，其安全问题也越来越被重视。如何防止信息泄露、保障无线通信的安全，显得尤为重要。

在2008年6月IEEE Transactions on Wireless Communications，VOL.7，NO.6上发表的题为“Guaranteeing Secrecy using Artificial Noise”的文章，提出了利用发射端多天线产生人工噪声来保障物理层安全的传输方法。然而对于SIMO系统，由于发射方单天线无法使用人工噪声技术对窃听者形成有效的干扰，系统的物理层安全性能难以保障。

发明内容

本发明针对人工噪声技术无法直接应用于SIMO系统的问题，提出一种针对时分双工模式下SIMO无线通信系统的安全传输方法。

为达到以上目的，本发明是采用如下技术方案予以实现的：

一种用于SIMO无线通信系统的物理层安全传输方法，分两步实现，在第一步中借助期望接收方的多天线使用人工噪声技术反向传输随机参考信号，在第二步中期望发射方使用接收到的随机参考信号对待发射信息进行置乱后正向传输，如此，期望接收方可以正确解调信息，而窃听者由于难以准确获取随机参考信号而无法进行有效窃听。

本发明方法采用的通信系统模型包括：使用单天线的发射方Alice，使用M根天线的期望接收方Bob，以及使用N根天线的窃听者Eve，其中Alice需要向Bob传输保密信息，天线数目满足M>N，包括如下步骤：

(1)Alice首先向Bob发送未加密的请求信息，该请求信息同时包含用于信道估计的导频序列；Bob利用导频序列估计出由Alice到Bob的信道信息并记为M维列向量h_AB，然后以M维列向量为第一列构造M维酉矩阵U＝[u₁,U_C]，其中上标*表示取共轭，||h||表示向量h的二范数；考虑到时分双工并且信道慢变，由Bob到Alice的信道为其中上标T表示转置运算；

(2)Bob产生参考符号γ和人工噪声信号z_B，其中γ为复随机变量，其模为1，相位服从[0,2π)上的均匀分布，z_B为M-1维随机列向量，每个元素服从均值为0、方差为1/(M-1)的复高斯分布且相互独立，然后发射信号其中P₁和P₂分别代表参考符号和人工噪声的发射功率；

(3)Alice接收到来自Bob的信号为y_A＝h_BAx_B+v_A，其中v_A代表噪声，然后发射信号x_A＝Ay_As，其中s为需要传输的符号，A为放大系数；

(4)Bob接收到来自Alice的信号为y_B＝h_ABx_A+v_B，其中v_B代表M维噪声向量，由于Bob已知参考信号γ，其通过y_B准确估计Alice传输的符号s；

(5)Eve先后接收到来自Bob的信号y_E,1＝H_BEx_B+v_E,1和来自Alice的信号y_E,2＝h_AEx_A+v_E,2，其中N×M维矩阵H_BE代表由Bob到Eve的信道，N维列向量h_AE代表由Alice到Eve的信道，v_E,1和v_E,2代表N维噪声向量，由于Eve未知参考信号γ，必须先通过y_E,1估计γ，再根据y_E,2和估计出的γ估计Alice传输的符号s，受到人工噪声的影响，通过y_E,1估计γ难以得到准确的结果，进而也难以准确地估计s，通信的安全性即得到保障；

(6)Alice每传输一个符号，均重复上述步骤(2)～(4)，当需要重新估计信道时，则重复步骤(1)。

与传统SIMO无线通信系统的传输方法相比，本发明的优点是：通过两步传输大幅提高了SIMO无线通信系统的物理层安全性能。传统方法中由于SIMO系统发射方仅使用单天线，因此很难从物理层保障信息的安全传输。本方法在第一步反向传输过程中利用接收方多天线通过使用人工噪声技术间接提高了第二步正向传输过程中的信息安全保密性。期望接收方天线数越多，窃听者越难以准确获取随机参考信号，系统的安全保密性越好。

附图说明

下面结合附图与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SIMO系统模型。

图2是在BPSK调制下本发明与传统SIMO系统接收误比特率对比曲线。

图3是在QPSK调制下本发明与传统SIMO系统接收误比特率对比曲线。

图4是在8PSK调制下本发明与传统SIMO系统接收误比特率对比曲线。

具体实施方式

参考图1，本发明方法采用的通信系统模型包括：发射方Alice，期望接收方Bob，以及窃听者Eve。Alice使用单天线，期望接收方Bob使用M根天线，窃听者Eve使用N根天线，天线数目满足M≥2且M>N。记Alice到Bob的信道为M维列向量h_AB，Bob到Alice的信道为M维行向量h_BA，Alice到Eve的信道为N维列向量h_AE，Bob到Eve的信道为N×M维矩阵H_BE。当信道慢变且采用时分双工模式时，Alice和Bob之间的信道满足互易性，即Alice发起通信时首先发送请求信息，该信息同时包含用于信道估计的导频信号。Bob根据导频信号估计出h_AB，并构造M维酉矩阵U＝[u₁,U_C]，其第一列为 $u_1=h_{\mathrm{AB}}^{*}/\left|\right|h_{\mathrm{AB}}\left|\right|.$

之后Alice每传输一个符号s给Bob的过程如下：

(1)首先由Bob进行反向训练。Bob产生参考符号γ和人工干扰信号z_B，其中γ为复随机变量，其模为1，相位服从[0,2π)上的均匀分布，z_B为M-1维随机列向量，每个元素服从均值为0、方差为1/(M-1)的复高斯分布且相互独立，然后发射信号其中P₁和P₂分别代表参考符号和人工噪声的发射功率，取值应满足Bob发射总功率限制。

(2)然后由Alice进行正向传输。根据信道互易性，Alice接收到来自Bob的信号为

$y_A=h_{\mathrm{BA}}{x}_B+v_A=\sqrt{P_1}\left|\right|h_{\mathrm{AB}}\left|\right|\mathrm{\γ}+v_A$

其中v_A代表接收端噪声，Alice接收的信号不会受到人工噪声的影响。接下来Alice发射加密后的信号x_A＝Ay_As，其中A为一放大系数，取值应满足Alice发射功率限制。

(3)Bob接收到来自Alice的信号为

$y_B=h_{\mathrm{AB}}{x}_A+v_B=h_{\mathrm{AB}}A\sqrt{P_1}\left|\right|h_{\mathrm{AB}}\left|\right|\mathrm{\γs}+{h_{\mathrm{AB}}\mathrm{Asv}}_A+v_B$

其中v_B代表M维噪声向量。由于Bob已知参考信号γ，因此可使用线性最小均方误差(LMMSE)方法通过y_B准确地估计s，得到估计进而解调出信息。

(4)对Eve来说，其先后接收到来自Bob的信号

$y_{E,1}=H_{\mathrm{BE}}{x}_B+v_{E,1}=\sqrt{P_1}{H}_{\mathrm{BE}}{u}_1\mathrm{\γ}+\sqrt{P_2}{H}_{\mathrm{BE}}{U}_C{z}_B+v_{E,1}$

和来自Alice的信号

$y_{E,2}=h_{\mathrm{AE}}{x}_A+v_{E,2}=h_{\mathrm{AE}}A\sqrt{P_1}\left|\right|h_{\mathrm{AB}}\left|\right|\mathrm{\γs}+h_{\mathrm{AE}}\mathrm{As}{v}_A+v_{E,2}$

其中v_E,1和v_E,2代表N维噪声向量。由于Eve未知γ，其需要先根据接收信号y_E，1采用LMMSE方法得到随机参考信号γ的估计然后利用和y_E,2，采用LMMSE方法得到对符号s的估计从y_E,1的表达式可以看出，人工噪声信号z_B的存在使得Eve估计γ的准确度大受影响，进而也就难以准确估计s，从而使通信的安全性得到了保障。

我们选取天线数M＝4，N＝2，令Bob和Eve采用LMMSE方法估计s并解调，用仿真实验验证本发明的有效性。图2是BPSK调制下本发明方法与传统传输方法的接收误比特率曲线对比。在传统SIMO系统中，Alice与Bob之间只存在单向的收发关系，Alice无法使用任何措施保障通信安全，只能寄希望于Bob通过多天线获得更好的误比特性能。从图2可以看到，对于传统方法，Bob和Eve的误比特率都随着发射功率的提高而降低，这意味着Eve也能够较为有效地获取信息，安全传输无法得到保障。对于本发明方法，随着发射功率的提高，Bob的误比特率不断降低，而Eve的误比特率出现平台，这说明Eve已经无法有效地获取信息，安全传输得到了保障。图3、4分别是QPSK和8PSK调制下本发明与传统方法的接收误比特率曲线，观察可知这些曲线的变化规律与图2一致。以上仿真实验说明，本发明的安全性相比传统方法已大幅提升。

至此，本发明方法相较传统传输方法的优越性得以体现，其技术方案和仿真结果都可以验证本发明在保障SIMO系统无线通信安全保密性方面的有效作用。

Claims (1)

1.一种用于SIMO无线通信系统的物理层安全传输方法，其特征在于，通信系统模型包括：使用单天线的发射方Alice，使用M根天线的期望接收方Bob，以及使用N根天线的窃听者Eve，其中Alice需要向Bob传输保密信息，天线数目满足M>N，具体包括如下步骤：

(1)Alice首先向Bob发送未加密的请求信息，该请求信息同时包含用于信道估计的导频序列；Bob利用导频序列估计出由Alice到Bob的信道信息并记为M维列向量h_AB，然后以M维列向量为第一列构造M维酉矩阵U＝[u₁,U_C]，其中上标*表示取共轭，||h||表示向量h的二范数；考虑到时分双工并且信道慢变，由Bob到Alice的信道为其中上标T表示转置运算；

(2)Bob产生参考符号γ和人工噪声信号z_B，其中γ为复随机变量，其模为1，相位服从[0,2π)上的均匀分布，z_B为M-1维随机列向量，每个元素服从均值为0、方差为1/(M-1)的复高斯分布且相互独立，然后发射信号其中P₁和P₂分别代表参考符号和人工噪声的发射功率；

(3)Alice接收到来自Bob的信号为y_A＝h_BAx_B+v_A，其中v_A代表噪声，然后发射信号x_A＝Ay_As，其中s为需要传输的符号，A为放大系数；

(4)Bob接收到来自Alice的信号为y_B＝h_ABx_A+v_B，其中v_B代表M维噪声向量，由于Bob已知参考信号γ，其通过y_B准确估计Alice传输的符号s；

(5)Eve先后接收到来自Bob的信号y_E,1＝H_BEx_B+v_E,1和来自Alice的信号y_E,2＝h_AEx_A+v_E,2，其中N×M维矩阵H_BE代表由Bob到Eve的信道，N维列向量h_AE代表由Alice到Eve的信道，v_E,1和v_E,2代表N维噪声向量，由于Eve未知参考信号γ，必须先通过y_E,1估计γ，再根据y_E,2和估计出的γ估计Alice传输的符号s，受到人工噪声的影响，通过y_E,1估计γ难以得到准确的结果，进而也难以准确地估计s，通信的安全性即得到保障；

(6)Alice每传输一个符号，均重复上述步骤(2)～(4)，当需要重新估计信道时，则重复步骤(1)。