CN105657700A - 基于多个源节点协作的无线防窃听通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多个源节点协作的无线防窃听通信方法，各源节点通过蓝牙方式进行数据交互，以使所有源节点同步发送相同的数据信息给目的节点；根据主信道状态信息，各源节点对将要传输的数据信息进行预编码；各源节点将各自预编码后的信息同时传输给目的节点，接着目的节点和窃听节点分别计算主信道和窃听信道的信道容量，进一步得出无线信道传输的安全容量及窃听概率。本发明通过源节点间协作以及预编码的方式，显著改善了无线传输的安全容量，有效地降低了无线传输的窃听概率，有助于解决实际的无线通信场景中存在多窃听节点所带来的安全问题。

Description

基于多个源节点协作的无线防窃听通信方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其是在对抗窃听时所采取的算法。

背景技术

随着无线通信技术的发展，用户对安全性能提出了更高的要求。传统的加密方法通常是应用在网络层和网络层以上，并且这些加密手段是以庞大的计算量为基础。但是，随着计算机运算能力的快速提升，传统的加密方法不能保证信息传输的绝对安全，这激发了广大研究工作者开始寻求利用物理层信道特征来进行数据信息加密。物理层作为开放式系统互联网络OSI(OpenSystemInterconnection)模型中的最底层，其安全是整个系统安全的基础。随后，Wyner证明了在安全容量(即主信道容量与窃听信道容量之差)大于零的条件下，可以实现完美的保密通信。目前，考虑较多的是在窃听用户相互独立的场景下，选择一个最佳用户发送数据信息或者在发射端利用人工噪声来提高安全容量，改善安全性能。但在具体应用时会有以下一些不足：

首先，在实际场景中，窃听节点为了非法获取更多的有用信息，他们可以选择相互协作的方式进行联合窃听。这样，仅靠一个最佳用户对抗窃听，并不能很好地提高安全性能。其次，在发射端利用人工噪声的方法虽然会降低窃听信道的质量，但是如果发射功率一定，同样会导致发送有用信号的功率减小，主信道质量也降低，这样就很难保证安全容量的提升。另外，如果增加发射功率，就会造成额外的功率浪费。

发明内容

本发明的目的是提供一种无线防窃听通信方法，既考虑到实际场景中窃听用户不同的窃听方式，又能实现低功耗提升无线通信的安全性能。

基于多个源节点协作的无线防窃听通信方法，应用于通过无线信道进行数据传输的系统，所述系统包括至少两个源节点、一个目的节点和至少两个窃听节点，该方法包括以下步骤：各源节点通过蓝牙方式进行数据交互，以使所有源节点同步发送相同的数据信息给目的节点；根据主信道状态信息，各源节点对将要传输的数据信息进行预编码；各源节点将各自预编码后的信息同时传输给目的节点，接着目的节点和窃听节点分别计算主信道和窃听信道的信道容量，进一步得出无线信道传输的安全容量及窃听概率。

所述各源节点对将要传输的数据信息进行预编码具体为：取最优预编码矩阵其中W＝[w₁,w₂,…,w_M]^T，w_k表示第k个源节点的预编码系数，k＝1,2,…,M，M为源节点个数；H＝[h₁,h₂,…,h_M]^T，H表示主信道转移矩阵，h_k为第k个源节点到目的节点之间的瞬时信道增益系数，k＝1,2,…,M；则预编码后的数据信息为其中表示共轭转置运算，s_t为各源节点在时隙t发送给目的节点的相同的数据信息，其中t＝1,2,3,…,T_s，T_s表示最大的传输时隙。

所述无线信道传输的安全容量及窃听概率的计算过程为：

1)源节点到目的节点间主信道容量其中，P为M个源节点的总发射功率，N₀为目的节点处的噪声功率，h_m为第m个源节点到目的节点之间的瞬时信道增益系数，下标mc表示主信道；

当N个窃听节点独立窃听时，窃听信道的信道容量其中g_m,j表示第m个源节点到第j个窃听节点间的瞬时信道增益系数，*表示共轭运算，ε表示由N个窃听节点组成的集合，下标ec表示窃听信道，上标i表示窃听节点间相互独立；当N个窃听节点协作窃听时，窃听信道的信道容量表示为上标c表示窃听节点间相互协作；

2)进一步计算N个窃听用户独立和N个窃听用户协作的情况下无线信道的安全容量和窃听概率，

N个窃听用户独立时：

安全容量

窃听概率

N个窃听用户相互协作时：

安全容量

窃听概率

其中{a}⁺＝max{a,0}，C_s为安全容量，p_int为窃听概率，上标i、c分别表示窃听节点独立和协作。

1、所述最优预编码矩阵W的计算过程为：目的节点接收到的信号y＝W^THs_t+n_d，其中n_d表示目的节点处的噪声；目的节点接收到信号的瞬时信噪比为：当且仅当时信噪比最大，即取最优预编码矩阵为此时信噪比可以表示成

主信道容量和窃听信道容量的具体求法如下：信道信噪比为利用香农容量公式，计算出主信道的信道容量为当N个窃听节点相互独立窃听时，第j(j＝1,2,3,…,N)个窃听节点窃听到的信号为：其中表示第j个窃听节点处的噪声，窃听能力最强的窃听节点处的信噪比为其中N₀表示第j个窃听节点处噪声信号功率；当N个窃听节点协作窃听时，N个窃听节点采用最大比值合并，则窃听节点接收信号的总信噪比为每个窃听节点接收信号的信噪比之和窃听信道容量

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.通过源节点间的相互协作能有效防止多窃听节点非法获取保密信息，提升无线系统的安全容量，降低无线通信的窃听概率；

2.多源节点之间通过蓝牙进行信息交互，这种低功耗的协作思想既能提升系统的安全性能，又符合绿色通信的理念；

3.多个窃听节点相互协作的模型，更符合实际场景，并且能更好地为研究无线通信的安全提供理论基础。

附图说明

图1为本发明实施例基于多个源节点协作的无线防窃听通信方法所应用的系统模型图；

图2为本发明实施例基于多个源节点协作的无线防窃听通信方法流程图；

图3为图1中的实施例源节点数及窃听节点数对安全容量的影响；

图4为图1中的实施例源节点数及窃听节点数对窃听概率的影响。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本实施例系统模型包含4个源节点U₁～U₄，1个目的节点D，2个窃听节点E₁和E₂，各源节点间通过蓝牙进行数据信息的协作交互，这样可以保证每个源节点同步发送数据信息；窃听节点间虚线表示窃听节点既可相互独立窃听，也可相互协作进行窃听。

本实施例的流程如图2所示，

1)该系统模型中包含4个协作源节点U₁～U₄，1个目的节点D，2个窃听节点E，协作源节点在发送第1时隙的数据信息前，源节点间通过蓝牙进行数据信息的协作交互，这样可以保证每个源节点都能发送数据信息s₁；

2)根据已知的主信道转移矩阵H＝[h₁,h₂,h₃,h₄]^T(T表示转置运算，h_m表示第m个源节点到目的节点之间的瞬时信道增益系数,m＝1,2,3,4,)，源节点对通过蓝牙交互得到的数据信息s₁进行预编码，假设预编码矩阵W＝[w₁,w₂,w₃,w₄]^T(w_k表示第k个源节点的预编码系数，其中k＝1,2,3,4)，为了最大化源节点到目的用户间的主信道容量，取最优预编码矩阵(表示共轭转置运算)，则预编码后的信息为

3)4个协作源节点同时发送所述步骤2)中的预编码信息，相应的协作源节点到目的节点间的主信道容量可以表示为：其中下标mc代表主信道,P为4个协作源节点的总发射功率，N₀为目的节点处的噪声功率。在实际场景中，2个窃听节点之间可以采取独立窃听和协作窃听两种不同的窃听方式。当2个窃听节点独立窃听时，窃听信道的信道容量可以表示为其中上标i表示窃听节点间相互独立，下标ec表示协作源节点到窃听节点间的窃听信道,g_m,j表示第m个源节点到第j个窃听节点间的瞬时信道增益系数，*表示共轭运算，以及ε＝{1,2}表示由2个窃听节点组成的集合。当2个窃听节点间协作窃听时，窃听节点接收信号的信噪比窃听信道容量

4)根据步骤3所述的信道容量)，分别求出2个窃听用户独立和2个窃听用户相互协作时的安全容量和窃听概率分别为：

$C_S^i={\log }_2{\&lsqb;\frac{1+\frac{P}{N_0}{\left(\underset{m=1}{\overset{4}{\&Sigma;}}\right|h_m{|}^2)}^2}{1+\underset{j\&Element;\mathrm{\&epsiv;}}{\max }\frac{P}{N_0}|\underset{m=1}{\overset{4}{\&Sigma;}}{g}_{m,j}{h}_m^{*}{|}^2}\&rsqb;}^{+},P_{\mathrm{int}}^i=\mathrm{Pr}\&lsqb;\underset{m=1}{\overset{4}{\&Sigma;}}|h_m{|}^2<\underset{j\&Element;\mathrm{\&epsiv;}}{\max }|\underset{m=1}{\overset{4}{\&Sigma;}}{g}_{m,j}{h}_m^{*}{|}^2\&rsqb;;$

$C_S^c={\log }_2{\&lsqb;\frac{1+\frac{P}{N_0}{\left(\underset{m=1}{\overset{4}{\&Sigma;}}\right|h_i{|}^2)}^2}{1+\frac{P}{N_0}\underset{j=1}{\overset{2}{\&Sigma;}}|\underset{m=1}{\overset{4}{\&Sigma;}}{h}_m^{*}{g}_{m,j}{|}^2}\&rsqb;}^{+},P_{\mathrm{int}}^i=\mathrm{Pr}\&lsqb;\underset{j=1}{\overset{2}{\&Sigma;}}{\left(\underset{m=1}{\overset{4}{\&Sigma;}}\right|h_m{|}^2)}^2<\underset{j=1}{\overset{2}{\&Sigma;}}|\underset{m=1}{\overset{4}{\&Sigma;}}{h}_m^{*}{g}_{m,j}{|}^2\&rsqb;.$

下面给出在计算机上利用MATLAB语言仿真实现本发明的一个实例。在仿真中设定所有的无线信道独立同分布且是瑞利衰落的，|h_m|²，|g_m,j|²分别服从均值为的指数分布，各节点处的噪声都是均值为0，方差为N₀的平稳高斯白噪声。变量MER(表示主信道与窃听信道均值之比，单位为dB)从-10开始，步长为2，到20结束，P＝N₀＝0dBm。

图3为在不同协作源节点和窃听节点数的情况下，不同MER对应的安全容量曲线图；从图3可知，无论是直传链路还是用户间协作，安全容量均随MER的增加而增加；这也说明当主信道的信道质量相对于窃听信道逐渐变好时，安全容量越来越大，无线信道的安全性能越来越好。MER增加到一定程度时，窃听信道的信道质量相对于主信道变得越来越差，此时的安全容量几乎由主信道来决定，因此不管是直传还是源节点间相互协作，当MER大到一定值时，安全容量均趋于平缓。图3表明当窃听节点数一样时，源节点协作时的安全容量要大于直传链路的安全容量；另外，协作源节点数越多，可得到的安全容量越大。在MER较低并且相互协作的窃听节点数N＝4，而协作源用户数M＝2时,此时无线信道的安全容量会比直传链路下的安全容量低。在协作源节点数相同的情况下，窃听节点数增加或者窃听节点由独立窃听转为协作窃听都会降低无线信道的安全容量；而在实际情况中，可能会出现多个窃听节点相互协作来非法获取源节点传输的数据信息。因此为了更好的对抗窃听行为，在发送数据信息前，源节点可以采取相互协作并根据主信道状态信息进行预编码的方式共同发送同一数据信息。

图4为在不同协作源节点和窃听节点数的情况下，不同MER对应的窃听概率曲线图；从图4可知，在协作源节点比窃听节点多时，源节点相互协作时的安全性能要比直传链路下的安全性能好很多；协作源节点数目越多，窃听概率越小，安全性能越好。在协作源节点数一定的情况下，窃听节点由独立获取转为协作获取源节点传输的数据信息时，窃听概率变大，安全性能变差。当MER小于0dB，M＝2,N＝3时，仅含有2个协作源节点的无线通信系统的安全性能要比直传链路的差，此时就无法进行保密通信，从这一点来看，考虑窃听用户的协作对研究无线安全是很有必要的；但是当MER不断增加时，该无线通信系统的安全性能要比直传的好，这是因为，窃听信道相对于主信道的信道质量变差，窃听节点并不能成功窃听到有用信息，这样就能保证源节点欲目的节点间的通信安全。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (5)

1.基于多个源节点协作的无线防窃听通信方法，应用于通过无线信道进行数据传输的系统，其特征是，所述系统包括至少两个源节点、一个目的节点和至少两个窃听节点，该方法包括以下步骤：

各源节点通过蓝牙方式进行数据交互，以使所有源节点同步发送相同的数据信息给目的节点；

根据主信道的相位与幅度衰落信息，各源节点对将要传输的数据信息进行预编码；

各源节点将各自预编码后的信息同时传输给目的节点，接着目的节点和窃听节点分别计算主信道和窃听信道的信道容量，进一步得出无线信道传输的安全容量及窃听概率。

2.根据权利要求1所述的基于多个源节点协作的无线防窃听通信方法，其特征是，所述各源节点对将要传输的数据信息进行预编码具体为：取最优预编码矩阵其中W＝[w₁，w₂，…，w_M]T，w_k表示第k个源节点的预编码系数，k＝1,2,…,M，M为源节点个数；H＝[h₁,h₂,…,h_M]^T，H表示主信道转移矩阵，h_k为第k个源节点到目的节点之间的瞬时信道增益系数，k＝1,2,…,M；则预编码后的数据信息为其中表示共轭转置运算，s_t为各源节点在时隙t发送给目的节点的相同的数据信息，其中t＝1,2,3,…；T_s，T_s表示最大的传输时隙。

3.根据权利要求1所述的基于多个源节点协作的无线防窃听通信方法，其特征是，所述无线信道传输的安全容量及窃听概率的计算过程为：

1)源节点到目的节点间主信道容量其中，P为M个源节点的总发射功率，N₀为目的节点处的噪声功率，h_m为第m个源节点到目的节点之间的瞬时信道增益系数，下标mc表示主信道；

当N个窃听节点独立窃听时，窃听信道的信道容量其中g_m,j表示第m个源节点到第j个窃听节点间的瞬时信道增益系数，*表示共轭运算，ε表示由N个窃听节点组成的集合，下标ec表示窃听信道，上标i表示窃听节点间相互独立；当N个窃听节点协作窃听时，窃听信道的信道容量表示为上标c表示窃听节点间相互协作；

2)进一步计算N个窃听用户独立和N个窃听用户协作的情况下无线信道的安全容量和窃听概率，

N个窃听用户独立时：

安全容量

窃听概率

N个窃听用户相互协作时：

安全容量

窃听概率

其中{a}⁺＝max{a,0}，C_s为安全容量，p_int为窃听概率，上标i、c分别表示窃听节点独立和协作。

4.根据权利要求2所述的基于多个源节点协作的无线防窃听通信方法，其特征是，所述最优预编码矩阵W的计算过程为：目的节点接收到的信号y＝W^THs_t+n_d，其中n_d表示目的节点处的噪声；目的节点接收到信号的瞬时信噪比为：当且仅当时信噪比最大，即取最优预编码矩阵为此时信噪比可以表示成 $\mathrm{SNR}=\frac{P}{N_0}{\left(\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|h_m\right|}^2\right)}^2.$

5.根据权利要求3所述的基于多个源节点协作的无线防窃听通信方法，其特征是，主信道容量和窃听信道容量的具体求法如下：信道信噪比为利用香农容量公式，计算出主信道的信道容量为当N个窃听节点相互独立窃听时，第j(j＝1,2,3,…,N)个窃听节点窃听到的信号为：其中表示第j个窃听节点处的噪声，窃听能力最强的窃听节点处的信噪比为其中N₀表示第j个窃听节点处噪声信号功率；当N个窃听节点协作窃听时，N个窃听节点采用最大比值合并，则窃听节点接收信号的总信噪比为每个窃听节点接收信号的信噪比之和窃听信道容量 $C_{\mathrm{ec}}^c={\log }_2(1+\frac{P}{N_0}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{h}_m^{*}{g}_{m,j}\right|}^2).$