CN104917558B - 基于波束成形和安全编码联合的无条件安全通信模型建立方法 - Google Patents

基于波束成形和安全编码联合的无条件安全通信模型建立方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于波束成形和安全编码联合的无条件安全通信模型建立方法，它包括：合法发送用户发送预编码和调制后的信号，窃听用户接收信号并计算窃听误码率；计算安全编码参数，合法接收用户发送导频序列，合法发送用户估计合法信道，并提取合法信道的信息对安全编码和调制后的信号进行SVD预编码，并发送；合法接收用户或窃听用户接收到信号后进行译码处理，并对译码后的信号进行判决和解调，对解调后的二进制比特流做安全译码，得到传递的信号或窃听到的信号，由于窃听用户缺乏合法信道的信息，故无法解除接收到的信号的预编码处理，误码率高。该方法能较好的做到窃听信号模型中的优势信道的建立，保证合法用户在较低误码率下接收信号。

Description

基于波束成形和安全编码联合的无条件安全通信模型建立 方法
技术领域
本发明属于信息技术安全领域，特别是一种基于波束成形和安全编码联合的无条件安全通信模型建立方法。
背景技术
由于无线通信的广播特性使得无线网络缺乏物理边界，没有物理连接无线通信对于外来的窃听者来说是开放的，在物理层解决无线通信的安全已经成为物理层的一个必要问题。物理层的安全技术是基于Shannon[1]的安全模型，它是解决无线通信边界、有效性和可靠性的理论模型。
1975年，贝尔实验室的Wyner提出的窃听信道模型首次把通信的安全技术和通信的可靠技术联合起来考虑，如图1图示，Wyner指出：只有在窃听信道比合法信道更差的条件下(即合法通信者具有优势信道的基础上)，通过“安全编码”实现无条件秘密通信是可行的，Wyner 的模型提出了“无条件秘密”通信系统实现的两步：第一步是建立合法通信者具有更好信道条件的优势窃听信道模型建立，第二步是通过“安全编码”来“扩大”合法接收者的优势。但Wyner]等都没有给出如何实现窃听信道比合法信道更差的方法，即，没有给出窃听信道模型建立的实现方法，也没有给出“安全编码”的编、译码方法，在很长的时间内Wyner等的研究成果没有得到足够的重视和进一步发展.
beamforming(波束成形)是天线技术与数字信号处理技术的结合，目的用于定向信号传输或接收。源于自适应天线的一个概念。接收端的信号处理，可以通过对多天线阵元接收到的各路信号进行加权合成，形成所需的理想信号。从天线方向图(pattern)视角来看，这样做相当于形成了规定指向上的波束。例如，将原来全方位的接收方向图转换成了有零点、有最大指向的波瓣方向图。同样原理也适用用于发射端。对天线阵元馈电进行幅度和相位调整，可形成所需形状的方向图。
如果要采用波束成形[2][3]技术，前提是必须采用多天线系统。例如，多进多出(MIMO)，不仅采用多接收天线，还可用多发射天线。由于采用了多组天线，从发射端到接收端无线信号对应同一条空间流(spatial streams)，是通过多条路径传输的,从而实现在空间流的合法用户能实现更好的接收性能。而在空间流外的窃听者只能收到噪声信号，从而达到建立合法通信双方优势信道的目的，完成Wyner模型的第一步。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于波束成形和安全编码联合的无条件安全通信模型建立方法，该方法先通过多天线的模型实现合法通信者优势信道建立，再根据窃听者和合法用户接受误码率差异给出具体的安全编码的编、译码措施，从而较好的做到窃听信号模型中的优势信道的建立以及实现安全编码，保证合法用户在较低误码率下接收信号。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：基于波束成形和安全编码联合的无条件安全通信模型建立方法，它包括如下步骤：
S1：合法接收用户发送导频序列RS给合法发送用户，RS分别经过合法信道和窃听信道到达合法发送用户，合法信道矩阵为H1，窃听信道矩阵为H2；
S2：合法发送用户接收合法接收用户发来的导频序列 YRS ，导频序列 YRS 由导频序列RS经过合法信道瑞利衰落后得到的，即：
YRS＝H1*RS+n (1)
采用LS算法做上行信道估计：
H_esti＝YRS*RS-1 (2)
得到H_esti，对H_esti做转置处理，得到H1esti；
S3：将合法发送用户即将发送的二进制比特X’_bits做调制后得到复值符号X’；
S4：提取 H1esti 中的CSI，对 H1esti 进行SVD分解：
H1esti＝UDVH (3)
取出V中对应于最大奇异值的列向量，组成预编码矩阵W；
S5：发射端对X’做SVD预编码处理得到W*X’，并发送出去；
S6：经过合法信道和窃听信道后分别被合法接收用户和窃听用户接收，其中合法接收用户接受到信号Y1’，Y1’表示为：
Y1'＝H1*WX'+n1 (4)
窃听用户接收到信号Y2’，Y2’表示为：
Y2'＝H2*WX'+n2 (5)
S7：合法接收用户和窃听用户分别在接收端对接收到的信号做判决和译码处理，恢复信号比特：
合法接收用户在接收端用矩阵He＝H1*W对接收到的Y1’做MMSE译码处理：
X1'＝(He-1He+I*σ2)-1He-1*Y1' (6)
然后对X1’做判决和解调后，得到二进制比特流X’_bits1，然后和原始比特流X’_bits对比计算误码率BER1’；
窃听用户在接收端用矩阵HE＝H2*W对接收到的Y2’做MMSE译码处理：
X2'＝(HE-1HE+I*σ2)-1HE-1*Y2' (7)
然后对X2’做判决和解调后，得到二进制比特流X’_bits2，然后和原始比特流X’_bits对比计算误码率BER2’；
S8：根据误码率BER2’，计算安全编码参数，确认安全编码秘密码；
S9：将合法发送用户即将发送的二进制比特X_bits先进行安全编码，然后做调制后得到复值符号X，而W*X即为发射端对X做预编码处理并发送出去的信号；
S10：合法发送用户发送出预处理后的信号后，经过合法信道和窃听信道后分别被合法接收用户和窃听用户接收，其中合法接收用户接受到信号Y1，Y1表示为：
Y1＝H1*WX+n3 (8)
窃听用户接收到信号Y2，Y2表示为：
Y2＝H2*WX+n4 (9)
S11：合法接收用户和窃听用户分别在接收端对接收到的信号做判决和译码处理，恢复信号比特：
合法接收用户在接收端用矩阵He＝H1*W对接收到的Y1做MMSE译码处理：
X1＝(He-1He+I*σ2)-1He-1*Y1 (10)
然后对X1做判决和解调后，得到二进制比特流X_bits1，对X_bits1做安全译码，得到传递的信号；
窃听用户在接收端用矩阵HE＝H2*W对接收到的Y2做MMSE译码处理：
X2＝(HE-1HE+I*σ2)-1HE-1*Y2 (11)
然后对X2做判决和解调后，得到二进制比特流X_bits2，对X_bits2做安全译码，得到窃听到的信号；
其中n、n1、n2、n3、n4为随机高斯白噪声，I为单位矩阵，σ为高斯噪声白的方差；
由于窃听用户缺乏合法信道H1的信息，故无法解除接收到的信号的预编码处理，误码率高。
所述的步骤S3中的调制方式为16QAM、64QAM、QPSK、8PSK和BPSK中的任意一种；步骤S7和S11中的解调方式与调制方式相对应。
所述的步骤S7和步骤S11中的判决方式为软判决。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种基于波束成形和安全编码联合的无条件安全通信模型建立方法，该方法先通过多天线的模型实现合法通信者优势信道建立，再根据窃听者和合法用户接受误码率差异给出具体的安全编码的编、译码措施，从而较好的做到窃听信号模型中的优势信道的建立以及实现安全编码，保证合法用户在较低误码率下接收信号。在信号发送方处，采用了波束成形的SVD预编码处理方案结合了安全编码措施；在信号接收处，采用了波束成形的解除预编码的处理方案结合安全译码来恢复信息比特。
附图说明
图1为Wyner窃听信道模型；
图2为波束成形和安全编码相结合的无条件安全通信模型；
图3为不同天线数目下合法接收用户和窃听用户的误码率曲线。
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。
本发明中采用了基于上行信道估计的beamforming传输方案，在方案中，假设有一个合法发送方，一个合法接收用户以及一个窃听用户。对照图1的模型，引入了安全编码来进一步扩大合法接收用户和窃听用户的误码率差距，模型图如图2所示。
基于波束成形和安全编码联合的无条件安全通信模型建立方法，它包括如下步骤：
S1：合法接收用户发送导频序列RS给合法发送用户，RS分别经过合法信道和窃听信道到达合法发送用户，合法信道矩阵为H1，窃听信道矩阵为H2；
S2：合法发送用户接收合法接收用户发来的导频序列 YRS ，导频序列 YRS 由导频序列RS经过合法信道瑞利衰落后得到的，即：
YRS＝H1*RS+n (1)
采用LS算法做上行信道估计：
H_esti＝YRS*RS-1 (2)
得到H_esti，对H_esti做转置处理，得到H1esti；
S3：将合法发送用户即将发送的二进制比特X’_bits做调制后得到复值符号X’；
S4：提取 H1esti 中的CSI，对 H1esti 进行SVD分解：
H1esti＝UDVH (3)
取出V中对应于最大奇异值的列向量，组成预编码矩阵W；
S5：发射端对X’做SVD预编码处理得到W*X’，并发送出去；
S6：经过合法信道和窃听信道后分别被合法接收用户和窃听用户接收，其中合法接收用户接受到信号Y1’，Y1’表示为：
Y1'＝H1*WX'+n1 (4)
窃听用户接收到信号Y2’，Y2’表示为：
Y2'＝H2*WX'+n2 (5)
S7：合法接收用户和窃听用户分别在接收端对接收到的信号做判决和译码处理，恢复信号比特：
合法接收用户在接收端用矩阵He＝H1*W对接收到的Y1’做MMSE译码处理：
X1'＝(He-1He+I*σ2)-1He-1*Y1' (6)
然后对X1’做判决和解调后，得到二进制比特流X’_bits1，然后和原始比特流X’_bits对比计算误码率BER1’；
窃听用户在接收端用矩阵HE＝H2*W对接收到的Y2’做MMSE译码处理：
X2'＝(HE-1HE+I*σ2)-1HE-1*Y2' (7)
然后对X2’做判决和解调后，得到二进制比特流X’_bits2，然后和原始比特流X’_bits对比计算误码率BER2’；
S8：根据误码率BER2’，计算安全编码参数，确认安全编码秘密码；
S9：将合法发送用户即将发送的二进制比特X_bits先进行安全编码，然后做调制后得到复值符号X，而W*X即为发射端对X做预编码处理并发送出去的信号；
S10：合法发送用户发送出预处理后的信号后，经过合法信道和窃听信道后分别被合法接收用户和窃听用户接收，其中合法接收用户接受到信号Y1，Y1表示为：
Y1＝H1*WX+n3 (8)
窃听用户接收到信号Y2，Y2表示为：
Y2＝H2*WX+n4 (9)
S11：合法接收用户和窃听用户分别在接收端对接收到的信号做判决和译码处理，恢复信号比特：
合法接收用户在接收端用矩阵He＝H1*W对接收到的Y1做MMSE译码处理：
X1＝(He-1He+I*σ2)-1He-1*Y1 (10)
然后对X1做判决和解调后，得到二进制比特流X_bits1，对X_bits1做安全译码，得到传递的信号；
窃听用户在接收端用矩阵HE＝H2*W对接收到的Y2做MMSE译码处理：
X2＝(HE-1HE+I*σ2)-1HE-1*Y2 (11)
然后对X2做判决和解调后，得到二进制比特流X_bits2，对X_bits2做安全译码，得到窃听到的信号；
其中n、n1、n2、n3、n4为随机高斯白噪声，I为单位矩阵，σ为高斯噪声白的方差；
由于窃听用户缺乏合法信道H1的信息，故无法解除接收到的信号的预编码处理，误码率高。
所述的步骤S3中的调制方式为16QAM、64QAM、QPSK、8PSK和BPSK中的任意一种；步骤S7和S11中的解调方式与调制方式相对应。
所述的步骤S7和步骤S11中的判决方式为软判决。
对X_bits1做安全译码，然后和原始比特流X_bits对比计算误码率BER，对X_bits2做安全译码，然后和原始比特流X_bits对比计算误码率BER2。
在不同信噪比以及不同天线数目下，重复步骤S1-S11，计算不同信噪比以及不同天线数目下的误码率，绘成误码率曲线，如图3所示。从图中可知：对于合法接收用户，信噪比越高，误比特率越低。在不同天线数目下，误码率也不同，天线数目越多，误码率越低，合法接收用户接收到信号的正确率越高。对于窃听用户，其误码率逼近0.5，对于二进制比特流而言已经接近最大错误概率，故基本接收不到有效信息。
本发明中波束成形采用的MIMO多天线技术，由于能够使得相同信息的信号通过不同的路径被发送出去，并在接收机端可以获得数据符号多个独立衰落的复制品，从而可以获得分集增益，确保更高的接收可靠性，明显降低误码率，其最大分集增益等于发射天线数Nt与接收天线数Nr的乘积，故当Nt*Nr越大，误码率越低。
另一方面，由于波束成形的模型中的合法通信双方的协商，合法发送方仅对合法接收用户发来的导频做信道估计，并且在发送信号前，用合法信道矩阵H1的CSI对要发送的信息比特做预编码处理。那么在接收端，虽然合法接收用户和窃听用户用同样构造的接收机，采用同样的MMSE译码算法，但由于窃听用户接收机缺乏信道H1的信息，故无法解除接收到的信号的预编码处理，所以其误码率会非常大，而安全编码和安全译码的处理会进一步加大两者的误码率差异，使得合法接收用户的误码率更小，而窃听用户的误码率更加逼近最大错误概率0.5。

Claims (3)

1.基于波束成形和安全编码联合的无条件安全通信模型建立方法，其特征在于：它包括如下步骤：
S1：合法接收用户发送导频序列RS给合法发送用户，RS分别经过合法信道和窃听信道到达合法发送用户，合法信道矩阵为H1，窃听信道矩阵为H2；
S2：合法发送用户接收合法接收用户发来的导频序列YRS，导频序列YRS由导频序列RS经过合法信道瑞利衰落后得到的，即：
YRS＝H1*RS+n (1)
采用LS算法做上行信道估计：
H_esti＝YRS*RS-1 (2)
得到H_esti，对H_esti做转置处理，得到H1esti；
S3：将合法发送用户即将发送的二进制比特X’_bits做调制后得到复值符号X’；
S4：提取H1esti中的CSI，对H1esti进行SVD分解：
H1esti＝UDVH (3)
其中U是l1×l1阶酉矩阵；D是半正定l1×l2阶对角矩阵；而V的共轭转置，是l2×l2阶酉矩阵，l1、l2分别为H1esti的行数和列数；
取出V中对应于最大奇异值的列向量，组成预编码矩阵W；
S5：发射端对X’做SVD预编码处理得到W*X’，并发送出去；
S6：经过合法信道和窃听信道后分别被合法接收用户和窃听用户接收，其中合法接收用户接受到信号Y1’，Y1’表示为：
Y1'＝H1*WX'+n1 (4)
窃听用户接收到信号Y2’，Y2’表示为：
Y2'＝H2*WX'+n2 (5)
S7：合法接收用户和窃听用户分别在接收端对接收到的信号做判决和译码处理，恢复信号比特：
合法接收用户在接收端用矩阵He＝H1*W对接收到的Y1’做MMSE译码处理：
X1'＝(He-1He+I*σ2)-1He-1*Y1' (6)
然后对X1’做判决和解调后，得到二进制比特流X’_bits1，然后和原始比特流X’_bits对比计算误码率BER1’；
窃听用户在接收端用矩阵HE＝H2*W对接收到的Y2’做MMSE译码处理：
X2'＝(HE-1HE+I*σ2)-1HE-1*Y2' (7)
然后对X2’做判决和解调后，得到二进制比特流X’_bits2，然后和原始比特流X’_bits对比计算误码率BER2’；
S8：根据误码率BER2’，计算安全编码参数，确认安全编码秘密码；
S9：将合法发送用户即将发送的二进制比特X_bits先进行安全编码，然后做调制后得到复值符号X，而W*X即为发射端对X做预编码处理并发送出去的信号；
S10：合法发送用户发送出预处理后的信号后，经过合法信道和窃听信道后分别被合法接收用户和窃听用户接收，其中合法接收用户接受到信号Y1，Y1表示为：
Y1＝H1*WX+n3 (8)
窃听用户接收到信号Y2，Y2表示为：
Y2＝H2*WX+n4 (9)
S11：合法接收用户和窃听用户分别在接收端对接收到的信号做判决和译码处理，恢复信号比特：
合法接收用户在接收端用矩阵He＝H1*W对接收到的Y1做MMSE译码处理：
X1＝(He-1He+I*σ2)-1He-1*Y1 (10)
然后对X1做判决和解调后，得到二进制比特流X_bits1，对X_bits1做安全译码，得到传递的信号；
窃听用户在接收端用矩阵HE＝H2*W对接收到的Y2做MMSE译码处理：
X2＝(HE-1HE+I*σ2)-1HE-1*Y2 (11)
然后对X2做判决和解调后，得到二进制比特流X_bits2，对X_bits2做安全译码，得到窃听到的信号；
其中n、n1、n2、n3、n4为随机高斯白噪声，I为单位矩阵，σ为高斯噪声白的方差；
由于窃听用户缺乏合法信道H1的信息，故无法解除接收到的信号的预编码处理，误码率高。
2.根据权利要求1所述的基于波束成形和安全编码联合的无条件安全通信模型建立方法，其特征在于：所述的步骤S3中的调制方式为16QAM、64QAM、QPSK、8PSK和BPSK中的任意一种；步骤S7和S11中的解调方式与调制方式相对应。
3.根据权利要求1所述的基于波束成形和安全编码联合的无条件安全通信模型建立方法，其特征在于：所述的步骤S7和步骤S11中的判决方式为软判决。
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