CN105812037B - 基于接收端空间调制的噪声消除安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于接收端空间调制的噪声消除安全传输方法，包括步骤：发端将待传输信息分为两部分，一部分根据映射规则映射成合法用户接收端天线序号l；另一部分进行幅度相位调制。发端选择一根信道质量最好的天线先发送调制符号和噪声α_l，同时选择一根信道质量最差的天线发送噪声β_l，设计噪声α_l和噪声β_l满足在合法用户接收端第l根天线上相消。合法用户在接收端用最大似然检测解调出调制符号和检测性能最好的一根天线，放弃其他接收天线，根据检测的天线序号和调制符号可以完整的检测出发送端的源信息；而由于无线信道之间的差异性，窃听用户在接收端无法获得和合法用户相同的接收形式，而且受到噪声的干扰，所以失去窃听的能力。因此，本发明方法提升了系统安全性。

Description

基于接收端空间调制的噪声消除安全传输方法

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方法，具体涉及一种基于接收端空间调制的噪声消除安全传输方法。

背景技术：

空间调制(Spatial Modulation,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，避免了信道间干扰与多天线间的同步问题，而且每次只需要一个射频链路，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。

由于无线信道的开放性，通信过程中信息的安全越来越受到关注，目前无线通信中的安全保障技术基本上是继承于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。物理层安全正是在物理层充分利用无线信道的上诉特性，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，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，且发送端的天线数目需要大于合法用户接收端的天线数目才能才生不唯一的人工噪声，而且当窃听用户的天线数目大于发送端天线数目时，可采用盲均衡估计的方法检测出源信号。现有结合空间调制的物理层安全技术研究并没有利用空间调制本身的特殊性来提高安全性，只是把现有的物理层安全技术运用到空间调制系统中。传统的空间调制在发端选择天线的过程只是物理位置上的切换，并不能阻止窃听用户的窃听，而基于接收端空间调制的安全传输方法可以利用合法用户与窃听用户信道间的差异性来提升系统的安全性，到目前为止，还没有针对利用接收端空间调制和噪声消除相结合的物理层安全技术研究。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于接收端空间调制的噪声消除安全传输方法，该方法可在发送端天线数目和接收端天线数目无约束条件，且无需激活发端所有天线的情况下，提供了一种多天线无线通信系统中的物理层全方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案来实现的：

基于接收端空间调制的噪声消除安全传输方法，包括以下步骤：

1)发送端配有N_T根天线，合法用户和窃听用户接收端分别配有N_R、N_E根天线；发送端将待传输的比特信息B分为空间比特信息和调制比特信息，空间比特信息由映射规则映射成合法用户接收端天线序号l，调制比特信息由传统的M阶幅度相位调制成符号x，其中，N_T≥2，N_R＞1，N_E＞1；

2)发送端选择信道质量最好的天线传输调制符号x和干扰噪声α_l，同时选择信道质量最差的天线传输干扰噪声β_l，并设计干扰噪声α_l,β_l使得其在合法用 户接收端第l根天线上消除；

3)合法用户接收端采用选择合并比和最大似然方法检测出检测性能最好的天线l和调制符号，由调制符号解调出调制比特信息，再根据天线序号l和映射规则解调出空间比特信息。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中发送端将待传输的比特信息分为空间比特信息和调制比特信息空间比特信息B₁由映射规则映射成合法用户接收端天线序号l，调制比特信息B₂由传统的M阶幅度相位调制成符号x，故其频谱效率为R＝log₂N_R+log₂Mbit/s/Hz；

其中，表示N_R×N_T维发送端到合法接收端的信道状态信息矩阵，h_i,j表示发送端第j根天线到合法用户第i根接收天线的信道增益，j＝1,2,L,N_T，i＝1,2,L,N_R；表示N_E×N_T维发送端到窃听端的信道状态信息矩阵，g_i,j表示发送端第j根天线到窃听用户第i根接收天线的信道增益，j＝1,2,L,N_T，i＝1,2,L,N_E。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中发送端选择信道质量最好的第p根天线传输调制符号_x和干扰噪声α_l，同时选择信道质量最差的第k根天线传输干扰噪声β_l，并设计干扰噪声α_l和β_l，使得其在合法用户接收端第l根天线上消除，即满足：

h_l,pα_l+h_l,kβ_l＝0,l＝1,2,L,N_R

本发明进一步的改进在于，由于无线信道之间的差异性，有：

h_i,pα_l+h_i,kβ_l≠0,i＝1,2L,N_R,i≠l

同理，由于窃听信道与合法接收信道具有差异性，所以窃听用户接收天线上无法消除噪声，即：

g_j,pα_l+g_j,kβ_l≠0,j＝1,2,L。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中合法用户接收端对每根接收天线采用最大似然方法检测，找出检测性能最好的天线，放弃其他接收天线，并在该根天线上解调出调制符号；再由检测出的接收天线序号和映射规则解调出调制比特信息，从而完整的检测出发送端的源信息。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明所述的基于接收端空间调制的噪声消除安全传输方法，首先由空间比特信息映射成接收端天线序号l，并设计干扰噪声使得添加的噪声在合法用户接收端第l根天线消除，然后发送端选择两根天线分别发送符号和噪声。由于无线信道的差异性，窃听用户无法检测出映射在合法用户接收端天线序号中的空间比特信息，而且干扰噪声降低了窃听用户检测调制符号的准确率。虽然合法用户接收天线会受到噪声干扰，但合法用户只需检测出噪声消除的第l根接收天线，并在该根天线上检测出调制符号，即可完整检测发送端源信息。因此，本文所发明的方法可提升系统的安全性。

附图说明：

图1为本发明中采用的安全模型；

图2为本发明中基于接收端空间调制的噪声消除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_R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，G_E为源节点到窃听节点链路的信道状态信息。

参考图1至图3，本发明所述的基于接收端空间调制的噪声消除安全传输方法，包括以下步骤：

1)将发送端待传输的比特流信息分为两部分和B₁称之为空间比特信息，B₁映射由如表1的映射规则映射成合法用户接收端天线序号l，B₂进行M阶幅度相位调制成符号x，称之为调制比特信息故本发明方案的频谱效率为R＝log₂N_R+log₂M bit/s/Hz。发送端每次激活两根天线，选择一根信道质量最好的(定义为第p根)天线发送调制符号x和干扰噪声α_l，另选一根信道质量最差的(定义为第k根)天线发送干扰噪声β_l；则发送向量可以表示成N_T×1维向量：x＝[0,L,x+α_l,L,β_l,L,0]^T，x中只有两个非零元素，非零元素的值表示发送的符号，非零元素的位置表示发送符号选用的天线序号。

假设合法信道信息为:

窃听信道信息为：

表1：为本发明中发送端空间比特信息与合法用户接收端天线序号间映射规 则举例(假设N_R＝4)。

B<sub>1</sub>＝[b<sub>1</sub>,b<sub>2</sub>]	选择激活的天线序号l,l＝1,2,L,N<sub>R</sub>
		b<sub>1</sub>＝0,b<sub>2</sub>＝0	1
b<sub>1</sub>＝0,b<sub>2</sub>＝1	2
		b<sub>1</sub>＝1,b<sub>2</sub>＝0	3
b<sub>1</sub>＝1,b<sub>2</sub>＝1	4

2)设计干扰噪声α_l,β_l,使得其在合法用户接收端第l根天线上消除，即满足：

h_l,pα_l+h_l,kβ_l＝0,l＝1,2,L,N_R

由于无线信道之间的差异性，会有：

h_i,pα_l+h_i,kβ_l≠0,i＝1,2L,N_R,i≠l

同理，由于窃听信道与合法接收信道具有差异性，所以窃听用户接收天线无法消除噪声，即：

g_j,pα_l+g_j,kβ_l≠0,j＝1,2,L N_E

可知满足所提方案的干扰噪声组合(α_l,β_l)有无数组，因此可以看做随机噪声。由于窃听用户接收机不会呈现与合法用户相似的结构，所以窃听用户无法检测出映射在接收端天线序号中的空间比特信息，而且由于噪声的干扰，窃听用户检测调制符号的准确率也会降低。

3)在接收端，合法用户的接收信号可以写成:

则窃听用户的接收信号可以写成:

其中，H_D(N_R×N_T维)，G_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表示发端第i根天线到合法用户的信道列向量，g_j表示发端第j根天线到窃听用户的信道列向量。n_D,n_E分别表示N_R×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_R×1维的合法链路接收向量和N_E×1维的窃听链路的接收向量。

虽然干扰噪声会使合法用户的接收检测性能有所下降，但由于合法用户接收端第l根天线上的噪声相互抵消，所以第l根天线上检测性能会明显好于其他接收天线。对于合法用户，对接收端每一根接收天线采用最大似然方法检测，得到检测性能最好的天线l，放弃其他接收天线，在该根天线上解调出调制符号x后，再根据接收端天线序号和映射规则可以检测出空间比特信息。这里假设窃听用户采用与合法用户相同的检测方法。

则合法用户检测为：

窃听用户检测为：

其中，Y_l,D,Y_j,E分别表示合法用户第l根接收天线上的符号，窃听用户第j根接收天线上的符号，L＝{1,2,L,N_R},J＝{1,2,L,N_E}分别表示合法链路和窃听链路接收端的天线序号集合，X表示调制符号的集合，表示向量2范数。

仿真实验和效果分析：

为了验证本发明基于接收端空间调制的噪声消除安全传输方法的性能，仿真在最大似然检测下接收端合法用户与窃听用户的比特误码率(bit error rate,BER)性能。参数为：发端调制符号发射功率P_x＝1,噪声α_l的功率为发端天线数目为N_T＝4，采用4-QAM(M＝4)调制，所以频谱效率为R＝log₂N_R+log₂M＝4bit/s/Hz，合法用户接收端天线数目为N_R＝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性能随着信噪比的的增加明显下降，在信噪比约等于34dB处误码率可以达到10^-3，满足无线通信的要求。但窃听用户的BER性能出现严重恶化，不随信噪比的增加而明显下降，而是趋于一个较大的数值。主要原因是窃听用户无法检测出映射在合法用户接收端天线序号中的空间比特信息，且干扰噪声也降低了窃听用户检测调制符号的准确率。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.基于接收端空间调制的噪声消除安全传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)发送端配有N_T根天线，合法用户和窃听用户接收端分别配有N_R、N_E根天线；发送端将待传输的比特信息B分为空间比特信息和调制比特信息，空间比特信息由映射规则映射成合法用户接收端天线序号l，调制比特信息由传统的M阶幅度相位调制成符号x，其中，N_T≥2，N_R＞1，N_E＞1；发送端将待传输的比特信息分为空间比特信息和调制比特信息空间比特信息B₁由映射规则映射成合法用户接收端天线序号l，调制比特信息B₂由传统的M阶幅度相位调制成符号x，故其频谱效率为R＝log₂N_R+log₂Mbit/s/Hz；

其中，表示N_R×N_T维发送端到合法接收端的信道状态信息矩阵，h_i,j表示发送端第j根天线到合法用户第i根接收天线的信道增益，j＝1,2,…,N_T，i＝1,2,…,N_R；表示N_E×N_T维发送端到窃听端的信道状态信息矩阵，g_i,j表示发送端第j根天线到窃听用户第i根接收天线的信道增益，j＝1,2,…,N_T，i＝1,2,…,N_E；

2)发送端选择信道质量最好的天线传输调制符号x和干扰噪声α_l，同时选择信道质量最差的天线传输干扰噪声β_l，并设计干扰噪声α_l,β_l使得其在合法用户接收端第l根天线上消除；具体来说，发送端选择信道质量最好的第p根天线传输调制符号x和干扰噪声α_l，同时选择信道质量最差的第k根天线传输干扰噪声β_l，并设计干扰噪声α_l和β_l，使得其在合法用户接收端第l根天线上消除，即满足：

h_i,pα_l+h_i,kβ_l＝0,i＝l

3)合法用户接收端采用最大似然方法检测出检测性能最好的天线l和调制符号，由调制符号解调出调制比特信息，再根据天线序号l和映射规则解调出空间比特信息。

2.根据权利要求1所述的基于接收端空间调制的噪声消除安全传输方法，其特征在于，由于无线信道之间的差异性，有：

h_i,pα_l+h_i,kβ_l≠0,i＝1,2,…,N_R，i≠l

同理，由于窃听信道与合法接收信道具有差异性，所以窃听用户接收天线上无法消除噪声，即：

g_j,pα_l+g_j,kβ_l≠0,j＝1,2,…N_E。

3.根据权利要求1所述的基于接收端空间调制的噪声消除安全传输方法，其特征在于，步骤3)中合法用户接收端对每根接收天线采用最大似然方法检测，找出检测性能最好的天线，放弃其他接收天线，并在该根天线上解调出调制符号；再由检测出的接收天线序号和映射规则解调出调制比特信息，从而完整的检测出发送端的源信息。