CN105577329A - 基于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空间调制的物理层安全传输方法，包括以下步骤：发端将待传输信息分为两部分，一部分将用于根据映射规则选择发端激活天线；其余部分进行幅度相位调制。发端和合法接收端同时对合法信道进行估计，由合法信道信息列向量的2范数升序对用于映射信息的天线序号重新定义，然后发送端由映射规则激活一根天线传输调制符号。合法接收端根据检测的调制符号和发端激活天线序号，利用天线序号定义规则和映射规则可完整的检测出发端信息。而窃听端由于无法破解发端天线序号定义规则，故而无法正确恢复发端的完整信息，因此提升了系统安全性。

Description

基于空间调制的物理层安全传输方法

技术领域：

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种多天线系统中物理层安全传输方法，具体涉及一种基于空间调制的物理层安全传输方法。

背景技术：

空间调制(SpatialModulation,SM)技术利用天线位置信息携带部分信息，提高了系统的频谱效率。由于SM技术每次只需要激活一根天线，故而避免了信道间干扰与多天线间的同步问题，而且每次只需一个射频链路，有效降低了接收端的实现复杂度和成本，且有助于环保，因此受到广泛的关注。由于无线通信信道的开放性，通信中的信息安全性受到越来越多的关注，目前无线通信中的安全保障技术基本上是继承有线通信中的密钥加密措施，这类加密方法一般复杂度较高，且随着计算机处理能力的提升，是可以被破解的。无线信道除了具有开放性，还具有随机性、时变性、互易性等特点，这些特性都是作为信息安全密钥的所必备的基本要求。物理层安全正是在物理层充分利用无线信道的上诉特征，根据不同的通信环境进行特定的编码、调制及传输技术来保障通信的安全，由于物理层安全具有较明确的评价指标，且算法复杂度较低，因此受到广泛关注。

现有的物理层安全研究一般是从基于信息论的安全通信理论出发，研究实现物理层安全通信的信号处理和编码技术。这类方法一般以获得大于零的保密容量为目标，但计算安全容量需要已知窃听用户的信道信息，与实际情况不相符。添加人工噪声是一种常见的物理层安全技术，原理是在发送端添加位于合法信道零空间内的噪声，由于合法信道与窃听信道间的差异，人工噪声会对窃听用户产生较大的干扰。但这类方法需要额外的功率去提升安全性，且在多天线系统中需要额外的天线维度去发射人工噪声，浪费了天线资源。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，在不增加额外发射功率的情况下，提供了一种基于空间调制的物理层安全传输方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案来实现的：

基于空间调制的物理层安全传输方法，发送端采用空间调制，配有N_t根天线，将部分待传输信息根据映射规则映射成待激活的天线序号，称之为空间比特信息；其余待传输信息称之为调制比特信息，由M阶幅度相位调制得到调制符号，因此空间调制系统的频谱效率为R＝log₂N_t+log₂M；该方法包括以下步骤：

1)发送端根据合法链路信道状态信息通过天线序号扰乱算法对发送端用于映射空间比特信息的天线序号重新定义，再根据映射规则和重新定义后的天线序号选择一根激活天线传输调制符号；

2)接收端根据检测的调制符号恢复出调制比特信息，再根据检测的发送端天线序号及映射规则和天线序号扰乱算法恢复出空间比特信息。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中天线序号扰乱算法具体为：

$H_D=\[h_{1,D},h_{2,D},...,h_{i,D},...,h_{N_t,D}\]$

其中H_D表示发送端到合法接收端的信道状态信息，h_i,D表示根据物理位置规定的发送端第i根天线与合法用户间信道增益向量，i＝1,2,…,N_t；

首先计算H_D中每一个列向量的2范数大小，然后将2范数最小的h_i,D定义为h₁，2范数第二小的h_j,D定义为h₂，以此按升序类推重新定义发端天线序号，即满足：

$\left|\right|h_1|{|}_F^2\≤|\left|h_2\right|{|}_F^2\≤...\≤\left|\right|h_l|{|}_F^2\≤|\left|h_{N_t}\right|{|}_F^2$

重新排序后得到此时列向量的下标序号定义为映射规则中的序号。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中当合法用户接收端检测出发端调制符号和发端激活天线后，根据主信道状态信息解调出天线序号扰乱算法，由映射规则恢复出调制比特信息，并由调制符号得到调制比特信息，完整恢复出发送端信息。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明所述的基于空间调制的物理层安全传输方法，根据合法信道状态信息列向量的2范数升序排序对用于映射空间比特信息的天线序号进行重新定义，当窃听用户不知道发送端与合法用户之间的信道状态信息时，即使窃听用户能够正确检测到发端的调制信息和激活天线序号，也无法得知用于映射空间比特信息的天线序号，故而无法正确恢复空间比特信息。该方法不会牺牲合法用户的传输性能，只需合法用户在接收端根据合法信道状态信息列向量2范数升序得到用于映射空间比特信息的天线序号，根据映射规则恢复出空间比特信息，因此本发明方案提升了系统的安全性。

附图说明：

图1为本发明中采用的安全模型；

图2为本发明中基于空间调制的物理层安全传输方法的系统模型；

图3为本发明中合法用户与窃听用户在接收端的比特误码率(BER)性能图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

假设网络中有一个源节点Alice，配有N_t根天线，一个合法目的节点Bob，配有N_d根天线，一个窃听节点Eve，配有N_e根天线，H_D为源节点到合法节点链路的信道状态信息，H_E为源节点到窃听节点链路的信道状态信息。

参考图1和图2，本发明所述的基于空间调制的物理层安全传输方法，包括以下步骤：

1)发送端采用空间调制，配有N_t根天线，一部分待传输信息根据映射规则映射成激活的天线序号，称之为空间比特信息；其余待传输信息称之为调制比特信息，由M阶幅度相位调制得到调制符号x。然后由空间比特信息选择的激活天线携带调制符号进行传输。发射端的信号表示成一个N_t×1维的向量，可以写成可知x中只有一个非零元素，非零元素所在的位置表示选择激活的天线序号，非零元素的值表示激活天线携带的调制符号x。由无线信道的特性可知映射规则对于合法用户是可知的，而对于窃听用户是动态且未知的。当由空间比特信息和映射规则选择待激活天线序号时，此时的天线序号不是由物理位置序号定义的，而是经过扰乱算法重新定义的，由于天线序号扰乱算法是依赖合法链路信道状态信息生成的，由无线信道的互易性可知，合法用户可以通过估计合法信道状态信息来破解天线序号扰乱算法，因此可知映射规则。而由无线信道的空间唯一性、快速时变性可知空间比特信息与发送端天线序号间映射规则对于窃听用户是动态且未知的。

表1：为本发明中发送端空间比特信息与天线序号间映射规则举例(假设N_t＝4)。

B1＝[b1,b2]	选择激活的天线序号l,l＝1,2,…,Nt
		b1＝0,b2＝0	1
b1＝0,b2＝1	2
		b1＝1,b2＝0	3
b1＝1,b2＝1	4

2)假设发送端到合法接收端的信道状态信息向量为h_i,D表示根据物理位置规定的发送端第i根天线与合法用户间信道增益。如果直接将按照物理位置定义的天线序号作为映射表中的序号，则对于窃听用户是可以破译的，因此不具有保密作用。这里采用如下天线序号扰乱算法重新定义用于映射空间比特信息的天线序号。

首先计算H_D中每一个列向量的2范数大小(i＝1,2,…,N_t)，然后将2范数最小的h_i,D定义为h₁，2范数第二小的h_j,D定义为h₂，，以此按升序类推重新定义发端天线序号，即满足： $\left|\right|h_1|{|}_F^2\≤|\left|h_2\right|{|}_F^2\≤...\≤\left|\right|h_l|{|}_F^2\≤|\left|h_{N_t}\right|{|}_F^2$

重新排序后得到此时天线的下标序号定义为表1中的序号l。

根据上诉算法命名映射表中的天线序号，合法用户可以破译此加密算法，即可根据映射关系完整的恢复发端信号；由于窃听用户不知道发端到合法接收端的信道状态信息H_D,所以窃听用户无法对天线序号扰乱算法进行破译，自然无法解调出映射在天线序号中的信息。

3)在接收端，合法用户接收信号可以写成：

$Y_D=\sqrt{P}{H}_{D}x+n_D=\sqrt{P}{h}_{i,D}x+n_D,i=1,2,...,N_t$

窃听用户的接收信号可以写成：

$Y_E=\sqrt{P}{H}_{E}x+n_E=\sqrt{P}{h}_{i,E}x+n_E,i=1,2,...,N_t$

P表示发端每符号的发射功率，H_D(N_d×N_t维)，H_E(N_e×N_t维)分别表示发端到合法用户和窃听用户间的复值信道矩阵；h_i,D表示合法链路选择第i根天线传输调制符号对应的列向量，h_i,e表示窃听链路选择第i根天线传输调制符号对应的列向量。n_D,n_E分别表示N_d×1维合法链路上的加性白噪声和N_e×1维窃听链路上的加性白噪声，且都服从均值为0，方差为1的复高斯分布。Y_D,Y_E分别表示N_d×1维的合法链路接收向量和N_e×1维的窃听链路接收向量。

在接收端假设已知完美的信道状态信息时，可以利用最大似然检测进行检测，合法用户检测为：

$\[\hat{i},\hat{x}\]=\underset{i\∈I,x\∈X}{\arg \min }pr\left(Y_D\right|x,H_D)=\underset{i\∈I,x\∈X}{\arg \min }\left|\right|Y_D-\sqrt{P}\left(h_{i,D}x\right)|{|}_F^2$

窃听用户检测为：

$\[\hat{j},\hat{x}\]=\underset{j\∈J,x\∈X}{\arg \min }\mathrm{Pr}\left(Y_E\right|x,H_E)=\underset{j\∈J,x\∈X}{\arg \min }\left|\right|Y_E-\sqrt{P}\left(h_{j,E}x\right)|{|}_F^2$

其中I＝{1,2,…,N_t},J＝{1,2,…,N_t}分别表示发送端天线序号集合，X是调制符号的集合。

对于合法用户，检测到天线序号i后，再根据天线序号扰乱算法计算出映射表1中天线序号l，然后由映射规则恢复出空间比特信息，这样就可正确检测出发送端信息。而由于窃听用户未知天线序号扰乱算法，故而无法根据检测到的天线序号j得到映射表1中对应的天线序号l，从而无法正确检测出发端的完整信息。

仿真实验和效果分析：

为了验证本发明基于空间调制的物理层安全传输方法的性能，仿真最大似然检测下合法用户与窃听用户在接收端的比特误码率(biterrorrate,BER)性能。参数为：发端每符号发射功率P＝1,发端天线数目为N_t＝4,采用4-QAM(M＝4)调制，所以频谱效率为R＝log₂N_t+log₂M＝4bit/s/Hz，合法用户接收端天线数目为N_d＝4，窃听用户接收端天线数目为N_e＝4。

由图3可以看出，采用本发明提出的方法后，合法用户的BER性能并没有受到影响，随着信噪比的的增加而下降，但窃听用户的BER性能出现严重恶化，趋于一个较大的数值。主要原因是窃听用户无法得知发送端用于映射空间比特信息的天线序号定义规则，无法解调空间比特信息，造成系统的BER较高。。因此本方法可以明显提升系统的安全性。

因此综上可知，本发明提出的基于空间调制的物理层安全传输方法能有效提升系统传输的安全性。

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的专利保护范围。

Claims (3)

1.基于空间调制的物理层安全传输方法，其特征在于，发送端采用空间调制，配有N_t根天线，将部分待传输信息根据映射规则映射成待激活的天线序号，称之为空间比特信息；其余待传输信息称之为调制比特信息，由M阶幅度相位调制得到调制符号，因此空间调制系统的频谱效率为R＝log₂N_t+log₂M；该方法包括以下步骤：

1)发送端根据合法链路信道状态信息通过天线序号扰乱算法对发送端用于映射空间比特信息的天线序号重新定义，再根据映射规则和重新定义后的天线序号选择一根激活天线传输调制符号；

2)接收端根据检测的调制符号恢复出调制比特信息，再根据检测的发送端天线序号及映射规则和天线序号扰乱算法恢复出空间比特信息。

2.根据权利要求1所述的基于空间调制的物理层安全传输方法，其特征在于，步骤1)中天线序号扰乱算法具体为：

$H_D=\[h_{1,D},h_{2,D},...,h_{i,D},...,h_{N_t,D}\]$

其中H_D表示发送端到合法接收端的信道状态信息，h_i,D表示根据物理位置规定的发送端第i根天线与合法用户间信道增益向量，i＝1,2,…，N_t；

首先计算H_D中每一个列向量的2范数大小，然后将2范数最小的h_i,D定义为h₁，2范数第二小的h_j,D定义为h₂，以此按升序类推重新定义发端天线序号，即满足：

$\left|\right|h_1|{|}_F^2\≤|\left|h_2\right|{|}_F^2\≤...\≤\left|\right|h_l|{|}_F^2\≤|\left|h_{N_t}\right|{|}_F^2$

重新排序后得到此时列向量的下标序号定义为映射规则中的序号。

3.根据权利要求1所述的基于空间调制的物理层安全传输方法，其特征在于，步骤2)中当合法用户接收端检测出发端调制符号和发端激活天线后，根据主信道状态信息解调出天线序号扰乱算法，由映射规则恢复出调制比特信息，并由调制符号得到调制比特信息，完整恢复出发送端信息。