CN104994496B - 基于分布式空间调制的物理层安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分布式空间调制的物理层安全传输方法，首先，中继节点和目的节点分别广播一定长度的已知符号序列，源节点和窃听节点分别估计出自己与中继之间的信道及自己到目的节点之间的信道；然后，源节点根据中继个数，将信息比特分成两组，第一组用来进行星座调制，第二组用来空间调制。最后，源节点利用空间调制比特及源与中继的信道信息对调制符号进行处理得到发送符号，空间调制的中继参与译码转发。目的节点利用已有的信道信息对源信息进行解码。由于空间调制的作用，窃听节点收到的等效信道状态随时间发生独立变化，使得窃听节点无法对阶段1及阶段2的信息进行解码，从而达到防止窃听的目的。

Description

基于分布式空间调制的物理层安全传输方法

技术领域

本本发明属于无线中继系统的物理层安全技术领域，具体涉及一种基于分布式空间调制的物理层安全传输方法。

背景技术

无线中继技术利用地理上分散的无线节点形成一种虚拟的多天线系统，获得空间分集增益。放大转发协议和译码转发协议是无线中继系统中两种常用的协议。由于现有的通信系统一般都是数字通信系统，译码转发协议得到了广泛的应用。译码转发中继传输包括两个阶段：阶段1，源节点向中继广播自己的信息；阶段2，译码正确的中继将译码后的信息重新编码调制并发给目的节点。由于无线传输的开放性，无线中继传输的阶段1和阶段2都面临着被窃听的危险。

空间调制技术是一种减少多天线系统信道间干扰的新技术。已有的多天线系统在发射机和接收机处需配置多个射频链路，因此带来了较大的硬件开销和复杂度，增大了天线之间同步的复杂度。空间调制技术每次只激活一个天线，因此只需要一个射频链路，避免了上述的问题。采用空间调制，数据被分成两组发送，一组用来构成常用的信号星座，一组用来选择特定的天线来进行此次传输。利用空间调制的概念，可以为分布式的多中继系统设计分布式空间调制，并利用空间调制带来的传输链路变化，设计抵抗窃听的中继传输技术。

目前针对中继系统的空间调制技术的研究处于起步阶段，国内学者将空移键控(Space Shift Keying)技术与空间调制技术结合应用在双向中继系统中，但是该方法要求中继节点的天线数不小于源节点的天线数。国外学者提出一种利用坐标交织编码的空间调制技术，但是方法只适用于中继节点具有2个天线的情况，而且没有利用发射天线序号承载信息，因此并不是真正意义上的空间调制技术。针对中继系统的物理层安全问题，现有方法主要分为波束赋形和人工干扰。这些方法要么需要知道窃听节点的信道信息，而实际中窃听节点的信道是很难获得的；要么需要有专门的节点发射干扰，导致额外的系统开销。本发明首次为单天线的多中继系统提出分布式空间调制技术，并基于该技术提出一种抵抗窃听的物理物理层安全传输技术，该技术不需要知道窃听节点的信道信息或额外的干扰功率。

发明内容

针对上述缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种基于分布式空间调制的物理层安全传输方法，能够保证目的节点成功解码的同时使得窃听节点不能正确译码，达到防止窃听的目的。

为达到以上目的，本发明的技术方案为：

包括以下步骤：

1)对每个中继进行编号，然后中继向源节点发送训练序列，以使得源节点根据中继发送的训练符号估计出自己与中继之间的第一信道信息；同时，中继接收目的节点发送的训练序列，并根据目的节点发送的训练符号估计出自己到目的节点的第二信道信息；

2)源节点将源信息比特除以第一信道信息，得到发送信号，然后再将包含第一信道信息的发送信号发送给中继；

3)激活中继对接收到的信号成功进行解码，将解码后的信号除以第二信道信息，然后再将包含第二信道信息的信号发送到目的节点；

4)目的节点对接收到的信号进行解码，得到源信息比特。

所述步骤2)具体包括:

在第k次传输的阶段1，源节点首先将待发送的比特随机分成两组,设每次传输b_t个比特的信息，b_t＝b_s+b_r，其中b_s是用来进行调制的信息比特，设采用的星座为A，经调制后得到的调制符号为s_k，b_r是空间调制比特，用来选择激活中继，对于K个中继的系统，其中表示向下取整；

第k次传输，设激活中继序号为t_k，发送调制符号为s_k，对调制符号进行如下处理得到发射符号：x_k＝s_k/h_srk，其中h_srk是源节点和激活中继之间的信道系数，则任意中继t_i及窃听节点接收到的信息分别为：

其中，P_s是源节点的发射功率，h_sri是源到中继t_i的信道系数，h_es是源到窃听节点的信道系数，n_i和n_e1分别是中继t_i和窃听节点处的高斯白噪声，均值为0，方差为σ²。

所述星座为A为PSK或QAM。

所述步骤3)具体为：

3.1)激活中继t_k对接收信号进行解码，解码如下：

3.2)激活中继t_k将正确解码的比特重新进行调制，采用星座A，得到调制符号c_k，然后利用自己到目的节点的信道产生发送符号x_rk＝c_k/h_rdk，这样目的节点和窃听节点接收的符号分别为：

由上式可见，目的节点能对调制信息进行解码，解码如下：

与现有技术比较，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种基于分布式空间调制的物理层安全传输方法，针对存在窃听节点的多中继系统，基于分布式空间调制的概念，在不同的中继序号上传输部分源信息比特，利用：(1)授权节点和目的节点的信道信息不对称性；(2)两次传输中源信息比特的统计独立性，设计物理层安全传输技术，使得目的节点能够完全解码源节点的信息，而窃听节点不能对源节点信息进行正确解码，降低了信息被窃听的概率，保护了信息传输的安全性。

附图说明

图1是本发明的性能及信道估计误差对本方法的性能影响示意图；

图2是本发明与中继协作干扰方法的性能比较示意图；

图3是本发明的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

本发明具体提供了一种基于分布式空间调制的物理层安全传输方法。考虑具有一个源节点S，K个中继节点，一个目的节点及一个窃听节点E的无线中继网络，假设所有节点有单个天线，且不能同时进行收发。每对节点之间的链路是瑞利块衰落信道。每个信道相干时间的间隔里，各节点首先进行部分信道信息估计，然后再进行中继传输。阶段1和阶段2的信息都有可能被窃听节点窃听。现有的方法通常只能保证阶段2的安全性，本发明所提供的方案能同时保证阶段1和阶段2的安全性。具体传输过程描述如下：

1)对每个中继进行编号，然后中继向源节点发送训练序列，以使得源节点根据中继发送的训练符号估计出自己与中继之间的第一信道信息；同时，中继接收目的节点发送的训练序列，并根据目的节点发送的训练符号估计出自己到目的节点的第二信道信息；

首先，将所有中继编号，每个中继知道自己的编号。在中继传输之前，中继和目的节点分别发送训练序列，源节点根据中继的训练符号能估计出自己与中继之间的信道信息，中继根据目的节点发送的训练符号能估计出自己到目的节点的信道信息。窃听节点也能分别利用中继和目的节点的训练符号估计出自己与中继及自己与目的节点的信道信息。但是窃听节点无法获得源到中继及中继到目的节点的信道信息。

2)源节点将源信息比特除以第一信道信息，得到发送信号，然后再将包含第一信道信息的发送信号发送给中继；

中继传输过程开始，源节点先把信息比特随机分成两组，第一组采用传统的调制方式产生发送的符号，第二组用来空间调制。第二组比特确定由哪个中继参与转发，因此这组的比特个数为其中表示向下取整。传统多天线的空间调制技术每次传输只激活一个天线，激活天线的序号用来传递信息。因此，类似于多天线的空间调制技术，这里的中继系统每次传输只激活一个中继，中继序号传递源信息，即第二组比特。我们称这种技术为分布式空间调制技术。

源节点知道每次激活的中继序号，且知道所有中继到自己的信道信息。阶段1，源节点先将发送符号除以自己到激活中继的信道，然后再将包含信道信息的符号发送出去；阶段2，所有中继对接收到的信号进行解码，由于中继并不知道源节点到自己的信道信息，只有被源节点信息选中的中继能够正确解码。利用CRC校验或信道编码检错，被源节点选中的中继正确解码后知道自己将作为激活中继参与阶段2的转发。窃听节点不知道源节点到自己的信道信息，并且对于它而言，每次接收到的调制信号经历了独立的等效信道衰落，因此它不能对阶段1传输的信息进行正确解码。所述星座为A为PSK或QAM

所述步骤2)具体包括:

在第k次传输的阶段1，源节点首先将待发送的比特分成两组,设每次传输b_t个比特的信息，b_t＝b_s+b_r，其中b_s是用来进行调制的信息比特，设采用的星座为A，经调制后得到的调制符号为s_k，b_r是空间调制比特，用来选择激活中继，对于K个中继的系统，其中表示向下取整；

第k次传输，设激活中继序号为t_k，发送调制符号为s_k，对调制符号进行如下处理得到发射符号：x_k＝s_k/h_srk，其中h_srk是源节点和激活中继之间的信道系数，则任意中继t_i及窃听节点接收到的信息分别为：

其中，P_s是源节点的发射功率，h_sri是源到中继t_i的信道系数，h_se是源到窃听节点的信道系数，n_i和n_e1分别是中继t_i和窃听节点处的高斯白噪声，均值为0，方差为σ²。

由于中继并不知道自己与源节点之间的信道信息，因只有激活中继t_k能对接收信号进行解码，信息比特采用了CRC校验，则激活中继能知道自己是否译码正确，如果译码正确则开始阶段2的转发。对于其他中继和窃听节点，他们并不知道自己与源节点之间的信道信息，并且每次传输的b_r都是独立随机生成的，对他们来说每次传输的等效信道h_sri/h_srk或h_se/h_srk都是独立变化的，这就阻止了他们采用盲检测的尝试，因此他们很难对阶段1的传输进行正确解码。

3)激活中继对接收到的信号成功进行解码，将解码后的信号除以第二信道信息，然后再将包含第二信道信息的信号发送到目的节点；

阶段2，激活中继将正确解码的比特重新进行调制，采用星座A，得到调制符号c_k，然后利用自己到目的节点的信道产生发送的符号x_rk＝c_k/h_rdk，这样目的节点和窃听节点接收的符号分别为

由上式可见，目的节点能对调制信息进行解码，窃听节点不知道中继到目的节点的信道，并且每次激活中继到目的节点的信道都由源信息b_r确定，而b_r比特每次传输都是独立变化，所以对窃听节点来说每次传输的等效信道h_rek/h_rdk都是独立变化的，它很难对阶段2的传输进行正确解码。

阶段2的传输之后，各节点可采用最大似然解码，对于激活中继和目的节点，他们的解码分别为

对于窃听节点，由于其接收信号受源到激活中继、激活中继到目的节点的信道影响，而这些信道信息是不能获得的，且随着源信息b_r的变化而随机变化，因此其只能对源节点的信息进行猜测，例如

实际上，其他未被源节点信息b_r选中的中继也只能对源信息进行猜测。

为了验证本发明提出的基于分布式空间调制的抗窃听传输方法的性能，我们进行了如下仿真，仿真中源节点和中继节点采用相同的发射功率P_t，接收机处的高斯白噪声方差为σ²。各链路是统计独立的瑞利衰落，各链路信道方差为1，源节点采用QPSK调制，中继个数为4，则每次传输的比特数为4，通过采用汉明码检错，中继能知道自己是否译码正确，译码正确的中继进行阶段2的转发。如果没有中继译码正确，则此次传输无效。

情况1：图1给出了所提方法在目的节点及窃听节点处的BER性能及信道估计误差对本方法性能的影响。首先，由仿真结果可见，通过采用基于分布式空间调制的抗窃听技术，目的节点随着发射信噪比P_t/σ²的增大能成功对源信息解码，而窃听节点无论源节点发射功率如何，其BER曲线在0.3和0.4之间出现了误码率平台。因此本方法能有效抵抗窃听节点的对源信息的解码。当信道估计出现误差时，目的节点性能会出现相应的恶化。当信道估计误差较小时，目的节点性能与理想信道估计下的性能差别很小。

情况2：图2比较了所提方法与中继协作干扰方法的性能比较。现有的采用DF协议的中继系统中，中继协作干扰是一种比较常见的物理层安全方法。大部分文献基于全局信道信息通过最大化安全速率来进行干扰中继的选择或干扰功率的优化。我们假设窃听节点信道未知，从BER的角度对本方法及中继协作干扰的方法进行比较。采用与本方法相同的系统设置和仿真条件，为了获得相同的比特传输速率，中继协作干扰采用16QAM。仿真中我们首先考虑中继干扰1，即假设窃听节点无法利用盲检测技术获得源信息，源节点和中继节点利用信道信息对调制符号进行处理以得到发射符号，所有功率都用来发送信息符号，中继干扰功率为0，这是中继协作干扰的极限情况。但是实际上当信道在一定时间不变时，窃听节点有能力通过盲检测技术得到源节点信息。因此需要加入人工干扰。当干扰功率逐渐增大，中继协作干扰方法的目的节点性能会相应恶化。中继干扰2中源信息功率与干扰功率的比值为0.99:0.01。由仿真结果可见，中继干扰的方法导致窃听节点的BER平台在0.4到0.5之间，目的节点的性能比本方法的目的节点性能差很多。

因此综上可知，本发明提出的基于分布式空间调制的物理层安全方法在保证源节点成功解码的同时窃听节点无法正确解码。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (4)

1.一种基于分布式空间调制的物理层安全传输方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)对每个中继进行编号，然后中继向源节点发送训练序列，以使得源节点根据中继发送的训练符号估计出自己与中继之间的第一信道信息；同时，中继接收目的节点发送的训练序列，并根据目的节点发送的训练符号估计出自己到目的节点的第二信道信息；

2)源节点将源信息比特除以第一信道信息，得到发送信号，然后再将包含第一信道信息的发送信号发送给中继；

3)激活中继对接收到的信号成功进行解码，将解码后的信号除以第二信道信息，然后再将包含第二信道信息的信号发送到目的节点；

4)目的节点对接收到的信号进行解码，得到源信息比特。

2.根据权利要求1所述的基于分布式空间调制的物理层安全传输方法，其特征在于：所述步骤2)具体包括:

在第k次传输的阶段1，源节点首先将待发送的比特随机分成两组,设每次传输b_t个比特的信息，b_t＝b_s+b_r，其中b_s是用来进行调制的信息比特，设采用的星座为A，经调制后得到的调制符号为s_k，b_r是空间调制比特，用来选择激活中继，对于K个中继的系统，其中表示向下取整；

第k次传输，设激活中继序号为t_k，发送调制符号为s_k，对调制符号进行如下处理得到发射符号：x_k＝s_k/h_srk，其中h_srk是源节点和激活中继之间的信道系数，则任意中继t_i及窃听节点接收到的信息分别为：

其中，P_s是源节点的发射功率，h_sri是源到中继t_i的信道系数，h_se是源到窃听节点的信道系数，n_i和n_e1分别是中继t_i和窃听节点处的高斯白噪声，均值为0，方差为σ²。

3.根据权利要求2所述的基于分布式空间调制的物理层安全传输方法，其特征在于：所述星座A为PSK或QAM。

4.根据权利要求2所述的基于分布式空间调制的物理层安全传输方法，其特征在于：所述步骤3)具体为：

3.1)激活中继t_k对接收信号进行解码，解码如下：

3.2)激活中继t_k将正确解码的比特重新进行调制，采用星座A，得到调制符号c_k，然后利用自己到目的节点的信道产生发送符号x_rk＝c_k/h_rdk，这样目的节点和窃听节点接收的符号分别为：

由上式可见，目的节点能对调制信息进行解码，解码如下：