CN105119645A - Mimo系统中接收天线跳空的保密通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了MIMO系统中接收天线跳空的保密通信方法，其特征在于：待发送的二进制消息序列充当伪随机噪声(PN)序列，随机选择激活合法用户接收机多根天线中的单根接收天线。基站Alice通过迫零预编码使得发射信号聚集在合法用户Bob被激活的那根接收天线上，并在预编码中故意加入扰动使得潜在的窃听者Eve收到很强的人工干扰，抑制窃听者Eve侦听私密信息。合法用户Bob被激活的那根接收天线序号实现空间调制并和传统幅相调制结合共同传递二进制信息，合法用户Bob可以使用低复杂度的检测算法解调该信息。而窃听者Eve由于每根接收天线都被激活并且收到人工干扰，即使采用高复杂度的最大似然检测算法也无法解调数据。

Description

MIMO系统中接收天线跳空的保密通信方法

技术领域

本发明涉及一种MIMO无线系统中的保密通信方法，特别是发射机和接收机均配备多根天线时,根据待发送消息随机激活接收天线的MIMO系统中接收天线跳空的保密通信方法。

背景技术

无线通信技术的飞速发展极大地改变了人类生产、生活方式。无线电波作为传播媒介可以使人们摆脱有线电缆的束缚，随时随地接入因特网获取所需要的信息。这种电磁波的广播特性，一方面使得期望用户获取信息更方便，另一方面也使得位于无线网络覆盖范围之内的恶意用户更容易窃听到发射机传递给期望用户的私密信息。因此，提高无线网络信息传输的安全性是一个急需解决的课题。传统的基于上层数据加密协议(例如WIFI中广泛使用的WPA数据加密标准)假定窃听者计算能力有限，不能在有效时间内破译密码，但随着现代超级计算机的快速发展，这种计算意义上的安全已被打破。此外，一旦用于数据加密的密钥泄露，则会造成不可估量的损失。为了进一步提高无线网络的安全性，无线通信中独有的多径传播和信道衰落特性可以被充分利用以获得信息传输的物理层安全。这种物理层安全具体说来就是要确保当窃听者收到电磁信号时，他无法像合法用户那样正确的解调数据。

扩频技术，包括跳频扩频和直接序列扩频，是基于密码学的上层加密技术之外，一项行之有效的典型物理层保密通信技术。跳频通信广泛应用于军事通讯系统中以保证低截获率(LPI)的无线传输。然而，跳频通信中，收发双方需要预共享一个伪随机(PN)序列作为跳频图案，只有预先知道跳频图案的合法接收机，才能跟踪到当前的载波频率以顺利解调数据。从这个意义上来讲，跳频通信的安全性也是基于PN序列的私密性，一旦该PN序列泄露，窃听者则可以解调私密信息。要突破这种预先共享PN序列的保密通信机制，就需要采用新的无线通信技术。最近十几年来，多输入多输出(MIMO)技术被广泛研究并已在4G蜂窝网和最新的WIFI标准中得到应用。MIMO系统中，收发机均配置多根天线，不但可以提高无线传输的速率也能够增强系统的传输安全性。本发明就是基于MIMO系统设计一种保密通信方法。

通过检索可知，中国专利CN102970068A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”，提出了根据收发双方约定好的跳空图案随机选择发射天线来实现保密通信，但没有采用随机选择接收天线，而且该专利需收发双方约定跳空图案，其实用性较差，频谱效率较低。目前，尚未见无需收发双方约定跳空图案，并且利用被选择激活的接收天线序号作为空域星座点来传递二进制信息的MIMO通信方法的报道。

发明内容

本发明的目的在于设计一种MIMO系统中接收天线跳空的保密通信方法，该MIMO系统无需基站与合法用户之间预先共享密钥或PN序列，并且利用合法用户被激活的接收天线序号传递二进制信息；通过基站预编码，随机激活合法用户的多根接收天线中的某一根，使得合法用户可以采用一种低复杂度的检测算法可靠的解调基站发送过来的私密数据信息，而窃听者无法从其接收信号中破译私密信息。

为了达到以上目的，本发明所采用的技术方案是：该MIMO系统中接收天线跳空的保密通信方法，采用的通信系统模型为一个装配N_T根发射天线的基站Alice与一个配置N_R(N_R<N_T)根接收天线的合法用户Bob构成一条下行传输链路，基站Alice和合法用户Bob之间的通信内容被一个潜伏的装有N_E根天线的窃听者Eve侦听；其特征在于：包括以下步骤实现保密通信：

(1)、合法用户Bob的接收天线根数N_R设置为2的整数次幂，即N_R＝2^k，且合法用户Bob的接收天线根数N_R小于基站Alice的天线根数N_T，即N_R<N_T；当基站Alice向合法用户Bob发起通信时，根据待发送的k位二进制数据选择激活合法用户Bob的N_R根接收天线中的某一根；这样，被激活的这根接收天线序号i与k位二进制数据构成一一映射，通过检测合法用户Bob被激活的天线序号i就可以实现k比特信息传输；

(2)、与步骤(1)同时，基站Alice还向合法用户Bob被激活的这根天线发送一个传统的M阶幅相调制符号，该M阶幅相调制符号可另外传递m＝log₂(M)比特信息；这样，基站Alice与合法用户Bob之间的一次通信就总共传递k+m比特信息；因此，基站Alice的发射机可以将待发送的二进制数据流以每k+m比特分成一组；每组数据通过一次通信被完全发送到合法用户Bob处,其中，前k位比特负责选定合法用户Bob被激活的接收天线的序号i，后m位比特负责从星座图集合S中选择某一时域星座点s_j，由空域星座点e_i和时域星座点s_j合成的发射信号记为x＝e_is_j，其中e_i是一个N_R维列向量，除第i个元素为1外，其余全为0；由于决定i取值的前k位二进制消息是随机的，因此，合法用户Bob被激活的接收天线序号i也是随机跳动的，顾名思义，本方法取名为接收天线跳空；

(3)、基站Alice根据信息反馈或者信道互易得到的下行信道信息H_b设计发射预编码矩阵P，该发射预编码矩阵P能够激活合法用户Bob的第i根接收天线，同时确保合法用户Bob的其它接收天线保持静默状态；基于此要求，基站Alice采用迫零(ZF)算法，设计发射预编码矩阵P，其设计方案如下：

$P=\stackrel{\&OverBar;}{P}+\tilde{P}={\mathrm{\&beta;H}}_b^H{\left(H_b{H}_b^H\right)}^{-1}+V_{0}R,$

其中β是一个功率调整系数，V₀是信道Η_b的零空间，R是一个(N_T-N_R)×N_R的随机矩阵，其元素服从零均值方差为的复高斯分布；由于预编码矩阵中特意引入的随机干扰不会对合法用户Bob造成影响，但严重削弱窃听者Eve窃听接收信号的质量；

(4)、合法用户Bob收到的信号为y＝βe_is_j+n_b，因此，除被激活的第_i根天线收到星座符号s_j外，其余天线上仅有热噪声n_b；合法用户Bob采用一种简单的非相干检测相继解调载有信息的符号i和s_j，具体检测方法表达为 $\hat{i}=\arg \underset{i\&Element;\&lsqb;1,N_R\&rsqb;}{\max }|y_i{|}^2,{\hat{s}}_j=\arg \underset{s_j\&Element;S}{\min }|y_{\hat{i}}/\mathrm{\&beta;}-s_j{|}^2;$

(5)、窃听者Eve收到的信号为由于窃听者Eve的每根天线都被激活，无法像合法用户Bob那样简地检测出信息符号i和s_j；考虑一种对窃听者Eve最有利的情形，窃听者Eve偷听到合法用户Bob的信道信息H_b并算出这样窃听者Eve采用高复杂度的最大似然(ML)检测，如下所示：

$<\hat{i},{\hat{s}}_j>=\arg \underset{i\&Element;\&lsqb;1,N_R\&rsqb;,s_j\&Element;S}{\min }\left|\right|Z-H_e\stackrel{\&OverBar;}{P}{e}_i{s}_j|{|}^2;$

由于干扰项R的随机高斯噪声特性，使得窃听者Eve进行上述检测时除了受到天线固有热噪声n_e的影响外，还受到时变色噪声V₀Re_is_j的干扰；如果基站Alice让干扰项R中的方差足够大，窃听者Eve就很难检测出i和s_j，得不到任何私密信息；这样，本发明就能实现预定的保密通信目的。

本发明还通过如下措施实施：所述的步骤(1)和(2)中的分别实现了N_R阶空间调制和M阶时域幅相调制，并且时域幅相调制可以为M阶相位调制(MPSK)或M阶正交振幅调制(MQAM)中的一种。

所述步骤(3)中基站Alice的下行信道信息H_b在采用频分双工(FDD)模式时由合法用户Bob反馈得到；在采用时分双工(TDD)模式时根据信道互易原理由合法用户Bob发送训练序列基站Alice自己进行信道估计得到；所述的发射预编码矩阵P需要满足功率约束：trace(PP^H)＝N_R。

设分配给发射预编码矩阵P的功率为θN_R，而分配的功率为(1-θ)N_R，那么步骤(3)中，参数β和的计算公式分别为：

$\mathrm{\&beta;}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\&theta;N}}_R}{trace\&lsqb;{\left(H_b{H_b}^H\right)}^{-1}\&rsqb;}},{\mathrm{\&sigma;}}_r^2=\frac{1-\mathrm{\&theta;}}{N_T-N_R}.$

所述步骤(5)中，对窃听者Eve的窃听能力特意做了较强假设，以充分说明本方案能够有效确保私密信息不被非法的第三方截获。

本发明的有益效果在于：该MIMO系统中接收天线跳空的保密通信方法，与目前的MIMO无线通信方法相比，其突出优点是：

1、待传输的随机二进制01序列扮演了PN序列的角色，每组二进制数据传输时隙内随机选择激活合法用户Bob的某一根接收天线。不同组的二进制数据将激活合法用户Bob不同的接收天线，取得一种在合法用户Bob处跳空通信的效果。

2、本保密通信方法无需收发双方事先预共享私密PN序列，突破了传统跳频通信中的收发需要共享PN序列这一瓶颈。

3、设计的预编码矩阵能够使得合法用户采用非相干接收机以低计算复杂度解调数据。

4、本保密通信方法无需知道窃听者Eve的信道信息，对窃听者Eve的侦听能力特意做了过高估计，即假定Eve知道合法用户Bob的信道信息并采用高复杂度的最大似然接收机。在此情况下，本发明仍然能有效削弱窃听者的译码能力，确保基站Alice能够传送私密信息给合法用户Bob。

附图说明

图1为本发明的基站Alice发射机到合法用户Bob接收机整个MIMO通信系统的原理示意框图。

图2为本发明的两种功率分配因子θ＝0.5和θ＝0.8的误码率效果对比图。

图3为本发明比较窃听者Eve拥有不同数量的接收天线时的通信保密性的误码率效果图。

具体实施方式

实施例1

图1、图2给出了本发明的一个实施例。参照图1、图2作进一步说明。基站Alice配置多根发射天线，合法用户Bob和窃听者Eve也都装置多根发射天线，但合法用户Bob和窃听者Eve的发射天线根数不超过基站Alice的天线根数。在本实例中，基站Alice天线数设为N_T＝20，合法用户Bob的接收天线数设为N_R＝4，窃听者Eve的天线数可以从N_E＝4增加到10根，甚至20根。由于合法用户Bob的天线根数为4，合法用户Bob的天线序号可以传递k＝2比特信息。比如，如果合法用户Bob检测到自己的第一根接收天线被激活，则译码为00，第二根接收天线被激活则译码为01，依此类推。与此同时，基站Alice还采用16QAM作为幅相调制，每一个QAM符号又可以传递m＝4比特信息。这样，一次通信时，基站Alice总共可以发送k+m＝6比特信息给合法用户Bob。整个保密通信的信号处理步骤按图1描述如下：

(1)、正式通信前，基站Alice估计他与合法用户Bob之间的下行信道信息H_b；

(2)、待传输的二进制序列分组进入基站Alice发射机，每组长度为6；

(3)、进入基站Alice发射机的这组二进制序列分成两路：前2位组成一路，对应的十进制数预选合法用户Bob的第i根天线被激活，相应地生成空域星座符号向量e_i，e_i是N_R＝4维列向量，除第i个元素为1外，其余全为0；

(4)、后4位构成另一路，从16QAM星座集合S中选取与其对应的时域星座符号s_j作为幅相调制符号。两路二进制序列生成的星座符号相乘得到消息符号e_is_j进入基站Alice发射机的发射预编码模块；

(5)、基站Alice发射机对消息符号进行预编码，选取好功率分配因子θ(0<θ≤1)后，得到发射预编码矩阵P，其中，V₀是下行信道信息Η_b的零空间，R是一个复高斯分布的随机矩阵，该矩阵的元素均值为0，方差为β的取值为：通过选取不同的功率分配因子θ可以调整合法用户Bob和窃听者Eve接收性能，图2说明了这一效果；

(6)、基站Alice发射机将预编码后的基带信号经上变频到射频后通过天线辐射出去，经历无线信道传输后分别到达合法用户Bob和窃听者Eve处；

(7)、由于基站Alice发射机对合法用户Bob做了迫零预编码，合法用户Bob只有第i根天线接收到的信号功率特别大(被激活)，其余天线均没有收到有用信号。因此，合法用户Bob可以通过比较每根接收天线上的信号功率对i进行非相干检测，检测式表达式为：由解映射得到2比特信息输出。同时，根据检测得到的对第根天线收到的信号检测QAM符号，检测准则为：解映射得到另外4比特信息输出；这样，一个分组长度为6比特的二进制信息全部被传递给Bob；

(8)、由于基站Alice的发射预编码并没有对窃听者Eve迫零，所以窃听者Eve的每根天线都收到信号，因此窃听者Eve无法像合法用户Bob那样简单地通过比较接收信号功率而检测出符号i。考虑一种对窃听者Eve最有利的情形，假定窃听者Eve偷听到合法用户Bob的信道信息而且计算出发射预编码矩阵P中依赖信道信息H_b的那一部分窃听者Eve的最佳窃听策略便是根据最大似然准则联合检测空域符号i和时域符号s_j： $<\hat{i},{\hat{s}}_j>=\arg \underset{i\&Element;\&lsqb;1,N_R\&rsqb;,s_j\&Element;S}{\min }\left|\right|z-H_e\stackrel{\&OverBar;}{P}{e}_i{s}_j|{|}^2.$

图2通过计算机仿真展示了本发明的所能达到的效果，图2中横坐标为信噪比(SNR)，纵坐标是误码率(BER)。从图2中可以看出，当基站Alice发射功率增大到一定的信噪比以后，合法用户Bob的误码率非常低，能够保证可靠通信，而窃听者Eve的误码率即是在高信噪比下也保持较高水平，在4×10^-2以上。另外，当基站Alice发射机调整功率分配因子从θ＝0.8减小至θ＝0.5时，合法用户Bob的误码率曲线只是向右平移10log₁₀(0.8/0.5)≈2dB，而窃听者Eve的误码率水平被推高到0.2左右。因此，合理调整θ的取值可以在满足合法用户Bob的误码率要求的前提下，基站Alice发射更多的人工干扰给窃听者Eve，最大程度地限制窃听者Eve的译码能力。

实施例2

图3给出了本发明中窃听者Eve拥有不同数量的接收天线时的通信保密性能的误码率效果图。在完成实施例1的步骤的基础上，图3进一步演示了窃听者Eve不断增加窃听天线个数时，本发明所能达到的保密通信效果。图3中，窃听者Eve的天线根数从N_E＝4增加到N_E＝10和N_E＝20，其侦听能力也越来越强。由于本发明中采用的发射预编码矩阵P包含了向潜在的窃听者Eve发射了一定的随机干扰窃听者Eve的误码率在时变色噪声V₀Re_is_j的干扰下在高信噪比处会出现地板情况，而不会随信噪比增加而一直下降，从而保证窃听者Eve即使在高信噪比下也不能侦听到私密信息。图3的效果还展示了即使窃听者Eve比合法用户Bob多出很多的接收天线，窃听者Eve的误码率水平相对合法用户Bob仍然很高。

至此，本发明从技术方案和仿真效果两方面都说明了本发明能够保证MIMO通信系统中基站Alice发送给合法用户Bob的信息的保密性，不会被窃听者Eve截获。

Claims (3)

1.MIMO系统中接收天线跳空的保密通信方法，采用的通信系统模型为一个装配N_T根发射天线的基站Alice与一个配置N_R(N_R<N_T)根接收天线的合法用户Bob构成一条下行传输链路，基站Alice和合法用户Bob之间的通信内容被一个装有N_E根天线的潜伏的窃听者Eve侦听；其特征在于，包括以下步骤实现保密通信：

(1)、合法用户Bob的接收天线根数N_R设置为2的整数次幂，即N_R＝2^k，且合法用户Bob的接收天线根数N_R小于基站Alice的天线根数N_T，即N_R<N_T；当基站Alice向合法用户Bob发起通信时，根据待发送的k位二进制数据选择激活合法用户Bob的N_R根接收天线中的某一根；这样，被激活的这根接收天线序号i与k位二进制数据构成一一映射，通过检测合法用户Bob被激活的天线序号i就可以实现k比特信息传输；

(2)、与步骤(1)同时，基站Alice还向合法用户Bob被激活的这根天线发送一个传统的M阶幅相调制符号，该M阶幅相调制符号可另外传递m＝log₂(M)比特信息；这样，基站Alice与合法用户Bob之间的一次通信就总共传递k+m比特信息；因此，基站Alice的发射机可以将待发送的二进制数据流以每k+m比特分成一组；每组数据通过一次通信被完全发送到合法用户Bob处,其中，前k位比特负责选定合法用户Bob被激活的接收天线的序号i，后m位比特负责从星座图集合S中选择某一时域星座点s_j，由空域星座点e_i和时域星座点s_j合成的发射信号记为x＝e_is_j，其中e_i是一个N_R维列向量，除第i个元素为1外，其余全为0；由于决定i取值的前k位二进制消息是随机的，因此，合法用户Bob被激活的接收天线序号i也是随机跳动的；

(3)、基站Alice根据信息反馈或者信道互易得到的下行信道信息H_b设计发射预编码矩阵P，该发射预编码矩阵P能够激活合法用户Bob的第i根接收天线，同时确保合法用户Bob的其它接收天线保持静默状态；基于此要求，基站Alice采用迫零(ZF)算法，设计发射预编码矩阵P，其设计方案如下：

$P=\stackrel{\&OverBar;}{P}+\tilde{P}={\mathrm{\&beta;H}}_b^H{\left(H_b{H}_b^H\right)}^{-1}+V_{0}R,$

其中β是一个功率调整系数，V₀是信道Η_b的零空间，R是一个(N_T-N_R)×N_R的随机矩阵，其元素服从零均值方差为的复高斯分布；由于预编码矩阵中特意引入的随机干扰不会对合法用户Bob造成影响，但严重削弱窃听者Eve窃听接收信号的质量；

(4)、合法用户Bob收到的信号为y＝βe_is_j+n_b，除被激活的第i根天线收到星座符号s_j外，其余天线上仅有热噪声n_b；合法用户Bob采用一种简单的非相干检测相继解调载有信息的符号i和s_j，具体检测方法表达为： $\begin{array}{cc}\hat{i}=\arg \underset{i\&Element;\&lsqb;1,N_R\&rsqb;}{\max }|y_i{|}^2,& {\hat{s}}_j=\arg \underset{s_j\&Element;S}{\min }|y_{\hat{i}}/\mathrm{\&beta;}-s_j{|}^2\end{array};$

(5)、窃听者Eve收到的信号模型为：由于窃听者Eve的每根天线都被激活，无法像合法用户Bob那样简地检测出信息符号_i和s_j；考虑一种对窃听者Eve最有利的情形，窃听者Eve偷听到合法用户Bob的信道信息H_b并算出这样窃听者Eve采用高复杂度的最大似然(ML)检测，如下所示：

$<\hat{i},{\hat{s}}_j>=\arg \underset{i\&Element;\&lsqb;1,N_R\&rsqb;,s_j\&Element;S}{min}\left|\right|z-H_e\stackrel{\&OverBar;}{P}{e}_i{s}_j|{|}^2;$

由于干扰项R的随机高斯噪声特性，使得窃听者Eve进行上述检测时除了受到天线固有热噪声n_e的影响外，还受到时变色噪声V₀Re_is_j的干扰；如果基站Alice让干扰项R中的方差足够大，窃听者Eve就很难检测出i和s_j，也就不能解调私密信息。

2.根据权利要求1所述的MIMO系统中接收天线跳空的保密通信方法，其特征在于：所述的步骤(1)和(2)中的分别实现了N_R阶空间调制和M阶时域幅相调制，并且时域幅相调制可以是M阶相位调制(MPSK)或M阶正交振幅调制(MQAM)中的一种。

3.根据权利要求1所述的MIMO系统中接收天线跳空的保密通信方法，其特征在于：所述步骤(3)中基站Alice的下行信道信息H_b在采用频分双工(FDD)模式时由合法用户Bob反馈得到；在采用时分双工(TDD)模式时根据信道互易原理由合法用户Bob发送训练序列基站Alice自己进行信道估计得到；所述的发射预编码矩阵P需要满足功率约束：trace(PP^H)＝N_R。