CN104066082A - 物理层sttc变形码与上层密钥流协作实现mimo跨层安全通信的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种物理层STTC变形码与上层密钥流协作实现MIMO跨层安全通信的系统及方法，空时码编码器根据控制序列发射STTC或STTC变形码至发射通路；空时码译码器根据控制序列按照STTC译码方法将输出信号接收并直接加入到空时码译码器，或先恢复出真实发射信号，再加入到空时码译码器。本发明将密钥流作为控制序列控制发射端何时发射STTC何时发射STTC变形码，只有合法接收方才知道密钥流的具体形式，采用合理的译码算法译出正确的发射信息。窃听者不知道密钥流，其按照传统STTC检测方法或是通过猜测密钥流值进行译码，误帧率均达到100%，误比特率达到0.3~0.5。本发明对系统的原有性能几乎没有任何影响，但可以有效保护无线链路的安全，能够实现概率为1的安全通信。

Description

物理层STTC变形码与上层密钥流协作实现MIMO跨层安全通信的系统及方法

技术领域

本发明涉及无线通信系统安全技术领域，特别是涉及一种物理层STTC变形码与上层密钥流协作实现MIMO跨层安全通信的系统及方法。

背景技术

无线信道的开放性、广播性，终端的移动性、网络拓扑结构多样性及无线传输不稳定性等因素使得无线通信网络在赋予无线用户通信自由的同时也面临更多的安全威胁。在MIMO系统中，由于无线弥散，多径及信道之间彼此相互干扰，导致接收机在对发送信息译码时误码率急剧上升。

目前通信系统的安全机制依赖于以RSA、AES等为代表的计算受限的链路层安全算法。随着高速计算机、并行计算等技术的飞速发展，如果密钥一旦泄露或被破解，整个安全体系将彻底崩溃。目前，基于物理层下的安全传输研究，对通信系统环境依赖很大，具有统计特性不能保证概率为1的安全性能，因此不满足实际系统的安全需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于STTC(Space-Time Trellis Codes，空时网格码)变形码的MIMO跨层安全通信的系统及方法，在STTC系统下通过设计物理层STTC空时变形码并与上层密码技术结合，充分利用信道的有噪特性，实现增强的无线通讯加密方式，防止信息泄露。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：物理层STTC变形码与上层密钥流协作实现MIMO跨层安全通信的系统，它包括发射端、接收端和控制序列产生端，所述的发射端包括信源、空时码编码器、发射通路和发射天线，信源与空时码编码器的信源序列输入端连接，控制序列产生端与空时码编码器的控制序列输入端连接，空时码编码器的输出端根据控制序列发射空时网格码STTC或STTC变形码至发射通路，发射通路的输出端连接发射天线；

所述的接收端包括接收天线、接收通路和空时码译码器，接收天线与接收通路的输入端连接，控制序列产生端与空时码译码器的控制序列输入端连接，接收通路的输出端与空时码译码器连接，空时码译码器根据控制序列按照STTC译码方法将输出信号接收并直接加入到空时码译码器，或根据控制序列先将接收到的信号恢复出真实发射信号，再将恢复出的真实发射信号加入到空时码译码器。

所述的控制序列为合法通信双方预先共享的上层密钥流。

所述的发射通路包括星座图映射模块、脉冲成形模块和上变频器，星座图映射模块的输出端依次通过脉冲成形模块和上变频器与发射天线连接。

所述的接收通路包括下变频器、模数转换模块和星座图解映射模块，接收天线依次通过下变频器和模数转换模块与星座图解映射模块的输入端连接。

物理层STTC变形码与上层密钥流协作实现MIMO跨层安全通信的方法，它包括以下步骤：

S1：二进制信源序列输入空时码编码器；

S2：空时码编码器根据控制序列的控制发射空时网格码STTC或STTC变形码至发射通路，并通过发射天线发射出去；

S3：接收天线接收信号，空时码译码器检测控制序列值，判断发射端对应时刻发射的信号是按照STTC编码矩阵发射的空时网格码STTC还是按照变形码编码矩阵发射的STTC变形码：

若发射端对应时刻发射的信号是按照STTC编码矩阵发射的空时网格码STTC，则按照STTC译码方法将该时刻输出信号接收并直接加入到空时码译码器中；

若发射端对应时刻发射的信号是按照变形码编码矩阵发射的STTC变形码，则在进行译码运算之前，用户首先将接收到的信号恢复出真实发射信号，再将恢复出的真实发射信号加入到空时码译码器中。

所述的控制序列为合法通信双方预先共享的上层密钥流，将密钥流作为控制序列控制发射端何时发射空时网格码STTC，何时发射STTC变形码。

对于两根发射天线QPSK调制4态系统，发射天线根数N_t＝2，它包括以下步骤：

SS1：每根发射天线发射的信号在星座图上分别找到欧拉距离最远的信号：

$\begin{array}{c}{\stackrel{\·\·}{x}}_t^1=\arg \underset{{\stackrel{\·\·}{x}}_t^1\∈S}{\max }\left\{d^2({\stackrel{\·\·}{x}}_t^1,x_t^1)\right\}\\ {\stackrel{\·\·}{x}}_t^2=\arg \underset{{\stackrel{\·\·}{x}}_t^{\text{2}}\∈S}{\max }\left\{d^2({\stackrel{\·\·}{x}}_t^2,x_t^2)\right\}\end{array};$

S＝{0,1,2,3}是QPSK调制星座信号集合，代表t时刻天线发射的真实信号，即为扭曲信号；

SS2：跨层方案变形码编码矩阵：

${\mathrm{encoder}\_\mathrm{transmit}}^{\′}=\left[\begin{array}{cccc}\left(\mathrm{3,3}\right)& \left(\mathrm{3,2}\right)& \left(\mathrm{3,1}\right)& \left(\mathrm{3,0}\right)\\ \left(\mathrm{2,3}\right)& \left(\mathrm{2,2}\right)& \left(\mathrm{2,1}\right)& \left(\mathrm{2,0}\right)\\ \left(\mathrm{1,3}\right)& \left(\mathrm{1,2}\right)& \left(\mathrm{1,1}\right)& \left(\mathrm{1,0}\right)\\ \left(\mathrm{0,3}\right)& \left(\mathrm{0,2}\right)& \left(\mathrm{0,1}\right)& \left(\mathrm{0,0}\right)\end{array}\right];$

SS3：变形码方案的状态矩阵与传统STTC状态矩阵相同：

${\mathrm{State}}^{\′}=\mathrm{State}=\left[\begin{array}{cccc}1& 2& 3& 4\\ 1& 2& 3& 4\\ 1& 2& 3& 4\\ 1& 2& 3& 4\end{array}\right];$

SS4：利用发射端和用户之间共享的已知密钥流作为控制序列，控制发射端发射空时码的具体形式：

控制序列Q_control＝(q₁,q₂,...,q_n) q_n∈GF(2)；

q_n＝0时，第n个时刻发射端按照STTC编码矩阵encoder_transmit发射信号；

q_n＝1时，第n个时刻发射端按照变形码编码矩阵encoder_transmit′发射信号；

SS5：合法接收方与发送方共享控制序列Q_control，所以首先检测n时刻的控制序列值；

若检测到q_n＝0，用户判断出此时刻发射端按照STTC编码矩阵encoder_transmit发射STTC信号，故按照STTC译码方法将该时刻输出信号接收并直接加入到维特比译码器中；

若检测到q_n＝1，用户判断出此时刻发射端按照变形码编码矩阵encoder_transmit′发射STTC变形码信号，进行维特比译码算法之前，用户首先把接收到的信号利用式 $\begin{array}{c}{\stackrel{\·\·}{x}}_t^1=\arg \underset{{\stackrel{\·\·}{x}}_t^1\∈S}{\max }\left\{d^2({\stackrel{\·\·}{x}}_t^1,x_t^1)\right\}\\ {\stackrel{\·\·}{x}}_t^2=\arg \underset{{\stackrel{\·\·}{x}}_t^{\text{2}}\∈S}{\max }\left\{d^2({\stackrel{\·\·}{x}}_t^2,x_t^2)\right\}\end{array}$ 恢复出真实发射信号，然后将恢复出的信号加入到维特比译码器中。

本发明的有益效果是：

1)STTC是一种最佳空时码，自从STTC提出以来，大量研究都集中在STTC编码和译码上，没有研究过利用STTC提高通信网络的安全性。传统无线通讯安全机制大多考虑上层加密技术，很少考虑层与层之间的相互协作。因此，本发明创新提出物理层STTC变形码结合上层加密技术实现MIMO跨层安全通信。

2)本发明结合移动台和基站使用天线数的实际情况及STTC译码复杂度问题，发明了两发天线系统与四发天线系统下的STTC跨层增强技术变形码。

3)本发明不影响合法用户的性能，在发射端发射大量数据的情况下，窃听者窃听不到有用信息，该发明具有通用性。

4)将密钥流作为控制序列控制发射端何时发射STTC何时发射STTC变形码，合法接收方知道密钥流的具体形式，可以判断出什么时候发射STTC什么时候发射STTC变形码，并采用合理的译码算法译出正确的发射信息；而窃听者不知道控制序列，其按照传统的接收方法检测或通过猜测密钥流后采用类似合法接收方译码方法均无法获得正确的发射信息。仿真验证，本发明对系统的原有性能几乎没有任何影响，而窃听者误帧率达到100％，误比特率在0.3-0.5范围内，可以有效保护无线链路的安全，能够实现概率为1的安全通信。

附图说明

图1为传统STTC系统原理框图；

图2为本发明MIMO跨层安全通信系统原理框图；

图3：STTC编码器的例子：M＝4，N_t＝2，m＝2，v₁＝v₂＝1；

图4：发射天线数为2的4状态空时编码QPSK的网格结构图；

图5：QPSK调制Gray码映射星座图和变形信号星座选择示意图；

图6：两发一收QPSK调制系统FER性能仿真图；

图7：两发一收QPSK调制系统BER性能仿真图；

图8：两发一收8PSK调制系统FER性能仿真图；

图9：两发一收8PSK调制系统BER性能仿真图；

图10：四发一收QPSK系统FER性能仿真图；

图11：四发一收QPSK系统BER性能仿真图；

图12：四发一收8PSK系统FER性能仿真图；

图13：四发一收8PSK系统BER性能仿真图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

用于高速数据无线通信的STTC能够达到编码复杂度、性能与频带利用率之间的最佳折中，是一种最佳空时码。低复杂度的STTC运用到未来无线通信系统中具有可行性，STTC将会是未来5G通信中的一项关键技术。在传统STTC系统中，二进制信源序列通过空时网格码M-PSK编码器后映射为相应的M-PSK调制信号序列，STTC系统原理框图如图1所示。

本发明充分利用这种特殊的映射关系设计STTC空时变形码。合法通信双方预先共享密钥流，将此密钥流作为控制序列控制发射端何时发射STTC何时发射STTC变形码。合法接收方知道密钥流的具体形式，可以判断出什么时候发射STTC什么时候发射STTC变形码，并采用合理的译码算法译出正确的发射信息。

如图2所示，物理层STTC变形码与上层密钥流协作实现MIMO跨层安全通信的系统，它包括发射端、接收端和控制序列产生端，所述的发射端包括信源、空时码编码器、发射通路和发射天线，信源与空时码编码器的信源序列输入端连接，控制序列产生端与空时码编码器的控制序列输入端连接，空时码编码器的输出端根据控制序列发射空时网格码STTC或STTC变形码至发射通路，发射通路的输出端连接发射天线；所述的接收端包括接收天线、接收通路和空时码译码器，接收天线与接收通路的输入端连接，控制序列产生端与空时码译码器的控制序列输入端连接，接收通路的输出端与空时码译码器连接，空时码译码器根据控制序列按照STTC译码方法将输出信号接收并直接加入到空时码译码器，或根据控制序列先将接收到的信号恢复出真实发射信号，再将恢复出的真实发射信号加入到空时码译码器。

所述的控制序列为合法通信双方预先共享的上层密钥流。

所述的发射通路包括星座图映射模块、脉冲成形模块和上变频器，星座图映射模块的输出端依次通过脉冲成形模块和上变频器与发射天线连接。

所述的接收通路包括下变频器、模数转换模块和星座图解映射模块，接收天线依次通过下变频器和模数转换模块与星座图解映射模块的输入端连接。

首先我们讨论传统STTC编译码过程，以两发天线系统空时网格码QPSK编码器4态为例：

一个无线通信系统有N_t根发射天线，N_r根接收天线，每帧有P(P＞N_t)个符号。m(m＝log₂M)个比特为一组进入STTC M-PSK编码器，输出N_t路符号流，每路符号流通过脉冲成形及上变频从N_t根发射天线发射出去，接收端按照相反过程接收并采用维特比译码算法译码输出。

为了方便讨论并且不影响方案的实施，下面的论述中将忽略星座图的映射/解映射、上/下变频、A/D、脉冲成形模块。为了简单描述STTC原理，下面以两根发射天线(N_t＝2)QPSK调制4态系统为例进行详细讨论。

S1：假设系统采用秩与行列式准则编码，则该系统生成多项式为：

$\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{g}}^1=[(g_{\mathrm{0,1}}^1,g_{\mathrm{0,2}}^1),(g_{\mathrm{1,1}}^1,g_{\mathrm{1,2}}^1)]=[\left(\mathrm{0,2}\right),\left(\mathrm{2,0}\right)]\\ {\stackrel{\→}{g}}^2=[(g_{\mathrm{0,1}}^2,g_{\mathrm{0,2}}^2),(g_{\mathrm{1,1}}^2,g_{\mathrm{1,2}}^2)]=[\left(\mathrm{0,1}\right),\left(\mathrm{1,0}\right)]\end{array};$

该系统STTC编码器的结构如图3所示。

S2：将两路二进制信息流分别送入编码器的两个前馈移位寄存器中，并与一个编码器系数集相乘，将所有移位寄存器的乘法器输出模M(M＝4)相加，得到编码器的输出：

$\begin{array}{c}x=[{(x_0^1,x_0^2)}^T,{(x_1^1,x_1^2)}^T,{(x_2^1,x_2^2)}^T,...,{(x_t^1,x_t^2)}^T]\\ \begin{array}{ccc}{x}_t^i=\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{v_k}{\mathrm{\Σ}}}{g}_{j,i}^k{b}_{t-j}^k& \mathrm{mod}M& (i=\mathrm{1,2},...,N_t)\end{array}\end{array};$

其中，表示t时刻编码器从发射天线i输出的QPSK信号星座图中的点，构成了t时刻发射的空时符号。

S3：编码的网格结构如图4所示，网格由种状态组成，用状态节点表示，v_k是第k个移位寄存器的记忆长度，编码器每次提取m＝2个比特作为输入，每种状态都会分出2^m＝4个分支，每个分支用进行标识，对应于四种不同的输入模式。

STTC是一种特殊的卷积编码器，利用延迟寄存器，考虑了前后输入及状态间的关联。为了更好的理解STTC，本发明巧妙的把STTC编码器输入输出数据及状态间的关系用下面两个矩阵简单直观的描述出来。

S4：输出STTC数据编码矩阵为：

$\mathrm{encoder}\_\mathrm{transmit}=\left[\begin{array}{cccc}\left(\mathrm{0,0}\right)& \left(\mathrm{0,1}\right)& \left(\mathrm{0,2}\right)& \left(\mathrm{0,3}\right)\\ \left(\mathrm{1,0}\right)& \left(\mathrm{1,1}\right)& \left(\mathrm{1,2}\right)& \left(\mathrm{1,3}\right)\\ \left(\mathrm{2,0}\right)& \left(\mathrm{2,1}\right)& \left(\mathrm{2,2}\right)& \left(\mathrm{2,3}\right)\\ \left(\mathrm{3,0}\right)& \left(\mathrm{3,1}\right)& \left(\mathrm{3,2}\right)& \left(\mathrm{3,3}\right)\end{array}\right];$

其中，定义(*,*)为矩阵中的某一个元素，第i(i＝1,2,3,4)行表示当前编码器状态为i-1，第j(j＝1,2,3,4)列表示当前输入编码器数据为j-1。STTC数据编码矩阵中encoder_transmit(i,j)元素中的两个值，前一个值代表下一时刻第一根发射天线发射的QPSK信号，后一个值代表下一时刻第二根发射天线发射的QPSK信号，该矩阵遍历了所有可能的结果。

S5：状态矩阵为：

$\mathrm{State}=\left[\begin{array}{cccc}1& 2& 3& 4\\ 1& 2& 3& 4\\ 1& 2& 3& 4\\ 1& 2& 3& 4\end{array}\right];$

其中，第i(i＝1,2,3,4)行表示当前状态为i-1，第j(j＝1,2,3,4)列表示当前输入数据值为j-1。元素State(i,j)表示下一时刻编码器状态为State(i,j)-1，该矩阵遍历了所有可能的输入数据与状态间的关系。

S6：接收端完全恢复信道信息后，对于一个以标识的分支，解码采用维特比译码算法。该算法中，支路度量由欧式距离的平方给出，选择累积欧式距离最小的一条路径作为发射信号的检测序列：

$\underset{t=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N_r}{\mathrm{\Σ}}}{|y_t^j-\underset{i=1}{\overset{N_t}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{j,i}{x}_t^i|}^2;$

其中，表示在t时刻接收天线j接收到的信号，h_j,i表示第i根发射天线与第j根接收天线之间的信道衰落系数。

两发天线系统STTC变形码跨层设计方案：

无线通信的广播特性使得无线网络缺乏物理边界，很容易引起信息泄露。二进制信源序列通过空时网格码QPSK编码器后映射为相应的QPSK调制信号序列，为了使窃听者误码率最大、性能最差，根据M-PSK星座图特点找到与发射信号欧拉距离最远的信号误导窃听者，QPSK调制方式下最远欧拉距离信号配对结果如图5所示。

物理层STTC变形码与上层密钥流协作实现MIMO跨层安全通信的方法，它包括以下步骤：

S1：二进制信源序列输入空时码编码器；

S2：空时码编码器根据控制序列的控制发射空时网格码STTC或STTC变形码至发射通路，并通过发射天线发射出去；

S3：接收天线接收信号，空时码译码器检测控制序列值，判断发射端对应时刻发射的信号是按照STTC编码矩阵发射的空时网格码STTC还是按照变形码编码矩阵发射的STTC变形码：

若发射端对应时刻发射的信号是按照STTC编码矩阵发射的空时网格码STTC，则按照STTC译码方法将该时刻输出信号接收并直接加入到空时码译码器中；

若发射端对应时刻发射的信号是按照变形码编码矩阵发射的STTC变形码，则在进行译码运算之前，用户首先将接收到的信号恢复出真实发射信号，再将恢复出的真实发射信号加入到空时码译码器中。

所述的控制序列为合法通信双方预先共享的上层密钥流，将密钥流作为控制序列控制发射端何时发射空时网格码STTC，何时发射STTC变形码。

对于两根发射天线QPSK调制4态系统，发射天线根数N_t＝2，它包括以下步骤：

SS1：每根发射天线发射的信号在星座图上分别找到欧拉距离最远的信号：

$\begin{array}{c}{\stackrel{\·\·}{x}}_t^1=\arg \underset{{\stackrel{\·\·}{x}}_t^1\∈S}{\max }\left\{d^2({\stackrel{\·\·}{x}}_t^1,x_t^1)\right\}\\ {\stackrel{\·\·}{x}}_t^2=\arg \underset{{\stackrel{\·\·}{x}}_t^{\text{2}}\∈S}{\max }\left\{d^2({\stackrel{\·\·}{x}}_t^2,x_t^2)\right\}\end{array};$

S＝{0,1,2,3}是QPSK调制星座信号集合，代表t时刻天线发射的真实信号，即为扭曲信号；

SS2：跨层方案变形码编码矩阵：

${\mathrm{encoder}\_\mathrm{transmit}}^{\′}=\left[\begin{array}{cccc}\left(\mathrm{3,3}\right)& \left(\mathrm{3,2}\right)& \left(\mathrm{3,1}\right)& \left(\mathrm{3,0}\right)\\ \left(\mathrm{2,3}\right)& \left(\mathrm{2,2}\right)& \left(\mathrm{2,1}\right)& \left(\mathrm{2,0}\right)\\ \left(\mathrm{1,3}\right)& \left(\mathrm{1,2}\right)& \left(\mathrm{1,1}\right)& \left(\mathrm{1,0}\right)\\ \left(\mathrm{0,3}\right)& \left(\mathrm{0,2}\right)& \left(\mathrm{0,1}\right)& \left(\mathrm{0,0}\right)\end{array}\right];$

本发明编码矩阵与传统STTC数据编码矩阵相比，前一时刻的状态和输入数据不变，仅仅变化了发射端的发射数据；

SS3：变形码方案的状态矩阵与传统STTC状态矩阵相同：

${\mathrm{State}}^{\′}=\mathrm{State}=\left[\begin{array}{cccc}1& 2& 3& 4\\ 1& 2& 3& 4\\ 1& 2& 3& 4\\ 1& 2& 3& 4\end{array}\right];$

直接在输出端扭曲发射信号，在不改变STTC编码器物理器件结构的同时巧妙的改变了STTC编码器逻辑输出，找到了最优的数据变形编码矩阵。由于输入数据及状态不改变，方便以后的译码，该方案性能优异，方法简单，后面的仿真验证了该方案具有通用性。

SS4：利用发射端和用户之间共享的已知密钥流作为控制序列，控制发射端发射空时码的具体形式：

控制序列Q_control＝(q₁,q₂,...,q_n) q_n∈GF(2)；

q_n＝0时，第n个时刻发射端按照STTC编码矩阵encoder_transmit发射信号；

q_n＝1时，第n个时刻发射端按照变形码编码矩阵encoder_transmit′发射信号；

SS5：合法接收方与发送方共享控制序列Q_control，所以首先检测n时刻的控制序列值；

若检测到q_n＝0，用户判断出此时刻发射端按照STTC编码矩阵encoder_transmit发射STTC信号，故按照STTC译码方法将该时刻输出信号接收并直接加入到维特比译码器中；

若检测到q_n＝1，用户判断出此时刻发射端按照变形码编码矩阵encoder_transmit′发射STTC变形码信号，进行维特比译码算法之前，用户首先把接收到的信号利用式 $\begin{array}{c}{\stackrel{\·\·}{x}}_t^1=\arg \underset{{\stackrel{\·\·}{x}}_t^1\∈S}{\max }\left\{d^2({\stackrel{\·\·}{x}}_t^1,x_t^1)\right\}\\ {\stackrel{\·\·}{x}}_t^2=\arg \underset{{\stackrel{\·\·}{x}}_t^{\text{2}}\∈S}{\max }\left\{d^2({\stackrel{\·\·}{x}}_t^2,x_t^2)\right\}\end{array}$ 恢复出真实发射信号，然后将恢复出的信号加入到维特比译码器中。

窃听者不知道控制序列Q_control，其若不知道变形码跨层方案，将按照下面步骤接收译码：若控制序列q_n＝0，时刻n发射端发射常规STTC，窃听者直接将接收信号加入到维特比译码器中能够译出此时的发射信号。若控制序列q_n＝1，发射端按照encoder_transmit′编码矩阵发射STTC变形码，窃听者误认为此变形码为传统STTC，故直接将接收信号加入到维特比译码器，译码错误。若窃听者知道STTC变形码跨层方案，通过猜测控制序列的方式进行类似合法用户的接收检测。由于密钥流很长，出现值“0”、“1”的概率为0.5，故窃听者有一半的可能性猜错控制序列，仿真验证窃听者接收检测误帧率达到100％。

假设天线不相关，信道为准静态平坦锐利衰落信道，信道衰落系数在一帧内不变，帧与帧之间随机变化。系统共发射1000个数据帧，每一帧由130个信息符号组成。编码器从0状态开始工作，为了保证每一帧开始时编码器处于0状态，在每帧信息符号后加入5个多余符号0，其性能如图6到图13所示。

STTC本身通过传输分集与信道编码结合来提高系统的抗衰落性能，所以有一定的纠错能力。空时变形码从某种角度来说，是我们人为加上一些有用的错误信息，所以系统能够纠正一部分错误。随着信噪比的增大，窃听者BER性能仿真图曲线有下降趋势，系统误比特率逐渐变小。但是，STTC系统纠错能力很有限，误比特率仍然很高，系统安全性能几乎不受纠错能力的影响。考虑实际情况，窃听者也不会用很大的功率去窃听信息，故窃听者接收性能很差，解调不出有用的信源信息，防止了信息泄露。窃听者误帧率达到100％，误比特率在0.3-0.5范围内。本发明不影响合法用户的性能，在发射端发射大量数据的情况下，窃听者窃听不到有用信息。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.物理层STTC变形码与上层密钥流协作实现MIMO跨层安全通信的系统，其特征在于：它包括发射端、接收端和控制序列产生端，所述的发射端包括信源、空时码编码器、发射通路和发射天线，信源与空时码编码器的信源序列输入端连接，控制序列产生端与空时码编码器的控制序列输入端连接，空时码编码器的输出端根据控制序列发射空时网格码STTC或STTC变形码至发射通路，发射通路的输出端连接发射天线；

所述的接收端包括接收天线、接收通路和空时码译码器，接收天线与接收通路的输入端连接，控制序列产生端与空时码译码器的控制序列输入端连接，接收通路的输出端与空时码译码器连接，空时码译码器根据控制序列按照STTC译码方法将输出信号接收并直接加入到空时码译码器，或根据控制序列先将接收到的信号恢复出真实发射信号，再将恢复出的真实发射信号加入到空时码译码器。

2.根据权利要求1所述的物理层STTC变形码与上层密钥流协作实现MIMO跨层安全通信的系统，其特征在于：所述的控制序列为合法通信双方预先共享的上层密钥流。

3.根据权利要求1所述的物理层STTC变形码与上层密钥流协作实现MIMO跨层安全通信的系统，其特征在于：所述的发射通路包括星座图映射模块、脉冲成形模块和上变频器，星座图映射模块的输出端依次通过脉冲成形模块和上变频器与发射天线连接。

4.根据权利要求1所述的物理层STTC变形码与上层密钥流协作实现MIMO跨层安全通信的系统，其特征在于：所述的接收通路包括下变频器、模数转换模块和星座图解映射模块，接收天线依次通过下变频器和模数转换模块与星座图解映射模块的输入端连接。

5.物理层STTC变形码与上层密钥流协作实现MIMO跨层安全通信的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1：二进制信源序列输入空时码编码器；

S2：空时码编码器根据控制序列的控制发射空时网格码STTC或STTC变形码至发射通路，并通过发射天线发射出去；

S3：接收天线接收信号，空时码译码器检测控制序列值，判断发射端对应时刻发射的信号是按照STTC编码矩阵发射的空时网格码STTC还是按照变形码编码矩阵发射的STTC变形码：

若发射端对应时刻发射的信号是按照STTC编码矩阵发射的空时网格码STTC，则按照STTC译码方法将该时刻输出信号接收并直接加入到空时码译码器中；

若发射端对应时刻发射的信号是按照变形码编码矩阵发射的STTC变形码，则在进行译码运算之前，用户首先将接收到的信号恢复出真实发射信号，再将恢复出的真实发射信号加入到空时码译码器中。

6.根据权利要求5所述的物理层STTC变形码与上层密钥流协作实现MIMO跨层安全通信的方法，其特征在于：所述的控制序列为合法通信双方预先共享的上层密钥流，将密钥流作为控制序列控制发射端何时发射空时网格码STTC，何时发射STTC变形码。

7.根据权利要求5所述的物理层STTC变形码与上层密钥流协作实现MIMO跨层安全通信的方法，其特征在于：对于两根发射天线QPSK调制4态系统，发射天线根数N_t＝2，它包括以下步骤：

SS1：每根发射天线发射的信号在星座图上分别找到欧拉距离最远的信号：

$\begin{array}{c}{\stackrel{\·\·}{x}}_t^1=\arg \underset{{\stackrel{\·\·}{x}}_t^1\∈S}{\max }\left\{d^2({\stackrel{\·\·}{x}}_t^1,x_t^1)\right\}\\ {\stackrel{\·\·}{x}}_t^2=\arg \underset{{\stackrel{\·\·}{x}}_t^{\text{2}}\∈S}{\max }\left\{d^2({\stackrel{\·\·}{x}}_t^2,x_t^2)\right\}\end{array};$

S＝{0,1,2,3}是QPSK调制星座信号集合，代表t时刻天线发射的真实信号，即为扭曲信号；

SS2：跨层方案变形码编码矩阵：

${\mathrm{encoder}\_\mathrm{transmit}}^{\′}=\left[\begin{array}{cccc}\left(\mathrm{3,3}\right)& \left(\mathrm{3,2}\right)& \left(\mathrm{3,1}\right)& \left(\mathrm{3,0}\right)\\ \left(\mathrm{2,3}\right)& \left(\mathrm{2,2}\right)& \left(\mathrm{2,1}\right)& \left(\mathrm{2,0}\right)\\ \left(\mathrm{1,3}\right)& \left(\mathrm{1,2}\right)& \left(\mathrm{1,1}\right)& \left(\mathrm{1,0}\right)\\ \left(\mathrm{0,3}\right)& \left(\mathrm{0,2}\right)& \left(\mathrm{0,1}\right)& \left(\mathrm{0,0}\right)\end{array}\right];$

SS3：变形码方案的状态矩阵与传统STTC状态矩阵相同：

${\mathrm{State}}^{\′}=\mathrm{State}=\left[\begin{array}{cccc}1& 2& 3& 4\\ 1& 2& 3& 4\\ 1& 2& 3& 4\\ 1& 2& 3& 4\end{array}\right];$

SS4：利用发射端和用户之间共享的已知密钥流作为控制序列，控制发射端发射空时码的具体形式：

控制序列Q_control＝(q₁,q₂,...,q_n) q_n∈GF(2)；

q_n＝0时，第n个时刻发射端按照STTC编码矩阵encoder_transmit发射信号；

q_n＝1时，第n个时刻发射端按照变形码编码矩阵encoder_transmit′发射信号；

SS5：合法接收方与发送方共享控制序列Q_control，所以首先检测n时刻的控制序列值；

若检测到q_n＝0，用户判断出此时刻发射端按照STTC编码矩阵encoder_transmit发射STTC信号，故按照STTC译码方法将该时刻输出信号接收并直接加入到维特比译码器中；

若检测到q_n＝1，用户判断出此时刻发射端按照变形码编码矩阵encoder_transmit′发射STTC变形码信号，进行维特比译码算法之前，用户首先把接收到的信号利用式 $\begin{array}{c}{\stackrel{\·\·}{x}}_t^1=\arg \underset{{\stackrel{\·\·}{x}}_t^1\∈S}{\max }\left\{d^2({\stackrel{\·\·}{x}}_t^1,x_t^1)\right\}\\ {\stackrel{\·\·}{x}}_t^2=\arg \underset{{\stackrel{\·\·}{x}}_t^{\text{2}}\∈S}{\max }\left\{d^2({\stackrel{\·\·}{x}}_t^2,x_t^2)\right\}\end{array}$ 恢复出真实发射信号，然后将恢复出的信号加入到维特比译码器中。