CN105916139A - 无线通信系统中利用星座转换提高用户信息安全性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种无线通信系统中利用星座转换提高用户信息安全性的方法，包括以下步骤：1)通过对实际传输符号进行相位旋转，使得实际传输符号所对应的星座图发生变化，完成星座转换；2)在星座转换的基础上，利用信息发送端和目标用户之间的信道，将与星座转换相关的信息发送到目标用户端，使得目标用户端能够恢复出星座转换前的符号，非目标用户端或窃听者不能恢复出该符号。针对通信过程中实际传输的符号，通过信息发送端利用角度旋转方法，在每一个传输符号上附加相位旋转角，传输符号所对应的星座图发生变化，完成了星座转换。使得目标用户顺利获取自身的信息，而非目标用户或窃听者会受到星座旋转的干扰从而降低了正确获取信息的概率。

Description

无线通信系统中利用星座转换提高用户信息安全性的方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体为无线通信系统中利用星座转换提高用户信息安全性的方法。

背景技术

随着通信技术的发展，无线通信已经成为实际生活中不可或缺的组成部分。在无线通信系统中，信号通过开放的无线通信环境到达目的端，无需借助任何有线载体，因而大大扩展了通信范围，提高了通信灵活性，并使得全球性通信成为可能。

然而，开放的无线通信环境使得信号可以被很多设备截获，因此一个用户的信息就存在被其他用户或窃听者窃听的可能。为解决这一问题，许多方案已经被提出。其中，基于高层的加密技术可以有效对抗窃听，然而其保密性并没有被严格证明，并且还可能受到外部攻击的影响。此外，也有许多物理层安全技术来解决这一问题。这些技术一般都以提高安全速率作为目标，并假设通信中所发送的符号服从高斯分布。但是，在实际的传输过程中，由于传输符号是以非高斯分布的星座点的方式发送的，因此上述技术所得到的安全速率很难实现。在这种情况下，研究针对实际传输符号的安全方案就变得很有必要。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种无线通信系统中利用星座转换提高用户信息安全性的方法，通过星座转换技术，可以使得目标用户顺利获取自身的信息，而非目标用户或窃听者会受到星座旋转的干扰从而降低了正确获取信息的概率。

本发明是通过以下技术方案来实现：

无线通信系统中利用星座转换提高用户信息安全性的方法，包括以下步骤：

1)通过对实际传输符号进行相位旋转，使得实际传输符号所对应的星座图发生变化，完成星座转换；

2)在星座转换的基础上，利用信息发送端和目标用户之间的信道，将与星座转换相关的信息发送到目标用户端，使得目标用户端能够恢复出星座转换前的符号，非目标用户端或窃听者不能恢复出该符号。

优选的，所述无线通信系统包括均配置单天线的信息发送端，目标用户，以及非目标用户或窃听者；一个信息发送端服务一个目标用户，同时存在一个非目标用户或窃听者；信息发送端和目标用户采用时分双工方式发送导频进行信道估计，并且他们估计的信道满足信道互易性。

进一步，步骤1)具体包括以下步骤：

1a、选择一个星座图对目标用户需要的信息进行调制，并把调制后的符号作为待传输的符号；

1b、对待传输的符号实施星座转换，将上述待传输的符号进行相位旋转后，待传输的符号对应转换为另一个星座图中的一个点，完成对待传输的符号的星座转换。

再进一步，步骤1a中，采用相移键控法对目标用户需要的信息进行调制，并把调制后的符号作为待传输的符号，记作，

s_u(t)∈Φ_M-PSK；

式中，s_u(t)表示在时刻t调制后待传输的符号，Φ_M-PSK表示M阶PSK星座点组成的集合，即M-PSK星座图。

再进一步，步骤1b中，将上述待传输的符号，进行相位旋转，得到，

$x_u\left(t\right)=e^{j{\mathrm{\θ}}_u\left(t\right)}{s}_u\left(t\right);$

式中，x_u(t)表示在时刻t相位旋转后的符号，θ_u(t)表示对应于时刻t的相位旋转角，j表示虚数单位，e表示自然指数的底数；

相位旋转角为，

其中，N表示一个正整数，并且满足N＝kM，k表示正整数，p表示一个正整数，并且它的值可以是1到N中的任意一个，经过这一相位旋转操作后，原符号s_u(t)转换为N阶PSK星座图中的一个点，即，

x_u(t)∈Φ_N-PSK；

其中，Φ_N-PSK表示N阶PSK星座点组成的集合，即N-PSK星座图；就完成了对符号的星座转换。

再进一步，步骤2)具体包括以下步骤：

2a、信息发送端对信道进行处理，信息发送端将获得信道重新排列为，

其中，H_b表示一个K×K阶的方形矩阵，K表示该矩阵的行数或者列数，即一行或一列中h_b的个数，在得到上述矩阵之后，对该矩阵进行特征值分解得到，

$H_b=U_b{\mathrm{\Σ}}_b{U}_b^H;$

其中，U_b表示一个K×K阶的酉矩阵，∑_b表示一个K×K阶的对角矩阵，H表示共轭转置运算；在得到U_b后，利用U_b传递与星座转换相关的信息；

2b、传递与星座转换相关的信息时，需要传递的信息包括：

第一信息，实际的星座调制阶数M；

第二信息，相位旋转的方向，即顺时针或者逆时针；

第三信息，每个相位旋转角的值。

再进一步，步骤2b中，首先定义数值1到N的一系列排列，并将这些排列编号；然后从中选择若干排列，令p循环使用这些排列以确定它的值，并把所选排列的编号作为第三信息中的信息；设计相应的信息携带机制为，

${\left({\tilde{u}}_b\right)}_{rc}={\left(u_b\right)}_{rc}\·i_t,r,c\∈\{1,...,K\},i_t\∈{\mathrm{\Φ}}_{\left(1\right)-\left(3\right)};$

式中，(u_b)_rc表示U_b的第r行第c列元素，i_t表示第一、二和三信息中所含的任意信息；Φ_(1)-(3)表示第一、二和三信息的信息集合，表示经过处理后的元素；

通过上式处理，矩阵U_b转化为根据上述信息携带机制，定义定位向量g_u，并将其表示为，

(g_u)_v＝a(v)+j·b(v)，v∈{1，...，L_g}；

式中，L_g表示向量的长度，a(v)和b(v)分别表示对应元素的行号和列号；g_u记录了所有携带信息的元素在中的位置；

在获得了和g_u后，将g_u和N值以高功率传输出去，保证目标用户能够精确地接收，从而目标用户能够构建H_b，获得全部的相关信息；而非目标用户或窃听者未知h_b，因此无法处理和g_u中所含的信息；

在第一、二和三信息的传递过程后，信息发送端再将各时刻的符号x_u(t)发送出去，目标用户能够恢复出s_u(t)而非目标用户或窃听者无法恢复s_u(t)，从而提高了目标用户信息安全性。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明主要针对通信过程中实际传输的符号，通过信息发送端利用角度旋转方法，在每一个传输符号上附加相位旋转角。经过这一处理，传输符号所对应的星座图发生变化，即完成了星座转换。在星座转换处理的基础上，本发明还设计了配套的机制，即信息发送端和目标用户利用他们之间的信道，将与星座转换相关的信息从信息发送端发送到目标用户端。

由于本发明采取了相应的提高信息安全性的措施，目标用户可以根据所获得的信息恢复出星座转换前的符号，而非目标用户或窃听者由于未知信息发送端和目标用户之间的信道，所以不能恢复出该符号。这样，当非目标用户或窃听者试图通过接收符号解出目标用户信息时，星座转换就会影响该用户或窃听者，使其正确解出信息的概率明显降低，从而提高了目标用户信息的安全性。

附图说明

图1为本发明实例中所述方法使用时的系统结构示意图。

图2为本发明实例中采用本方法后目标用户和采用一次解调时非目标用户误符号率的对比图。

图3为本发明实例中采用本方法后目标用户和采用二次解调时非目标用户误符号率的对比图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明提出的提高信息安全性的方法中，信息发送端利用角度旋转方法，在每一个传输符号上附加相位旋转角。经过这一处理，传输符号所对应的星座图发生变化，即完成了星座转换。在星座转换处理的基础上，本发明还设计了配套的机制，即信息发送端和目标用户利用他们之间的信道，将与星座转换相关的信息从信息发送端发送到目标用户端。

考虑无线通信场景，如图1所示，一个信息发送端服务一个目标用户，同时存在一个非目标用户或窃听者。信息发送端，目标用户，以及非目标用户或窃听者均配置单天线。信息发送端和目标用户采用时分双工(TimeDivision Duplex，TDD)方式，发送导频进行信道估计，并且他们估计的信道满足信道互易性；即其中h_b表示信号发送端估计的信道，h_u表示目标用户估计的信道，“*”表示共轭运算。

在上述通信场景中，所述方法的技术手段为：

1)通过对实际传输符号进行相位旋转，使得实际传输符号所对应的星座图发生变化，即实现了星座转换；

2)在星座转换的基础上，利用信息发送端和目标用户之间的信道将与星座转换相关的信息发送到目标用户端，使得目标用户端可以恢复出星座转换前的符号，而非目标用户端或窃听者不能恢复出该符号。

其中，步骤1)的执行过程如下：

(a)选择合适的星座图对目标用户需要的信息进行调制；

实际中采用相移键控(Phase Shift Keying，PSK)法对目标用户需要的信息进行调制，并把调制后的符号作为待传输的符号，记作

s_u(t)∈Φ_M-PSK

式中，s_u(t)表示在时刻t调制后待传输的符号，“∈”表示属于某个集合，Φ_M-PSK表示M阶PSK星座点组成的集合，即M-PSK星座图。

(b)对待传输的符号实施星座转换；

针对上述待传输的符号，进行相位旋转，得到，

$x_u\left(t\right)=e^{j{\mathrm{\θ}}_u\left(t\right)}{s}_u\left(t\right)$

式中，x_u(t)表示在时刻t相位旋转后的符号，θ_u(t)表示对应于时刻t的相位旋转角，“j”表示虚数单位，“e”表示自然指数的底数。将相位旋转角设计为，

${\mathrm{\θ}}_u\left(t\right)=(p-1)\frac{2\mathrm{\π}}{N},p\∈\{1,...,N\}$

式中，“N”表示一个正整数，并且满足N＝kM，即N为M的倍数(“k”表示正整数)。“p”表示一个正整数，并且它的值可以是1到N中的任意一个({1，...，N}表示包含从1到N这N个数的集合)。“π”表示180°角对应的弧度值。经过这一相位旋转操作后，原符号s_u(t)转换为N阶PSK星座图中的一个点，即

x_u(t)∈Φ_N-PSK

式中，Φ_N-PSK表示N阶PSK星座点组成的集合，即N-PSK星座图。这样就完成了对符号的星座转换。

在步骤1)的基础上，步骤2)的执行过程如下：

(a)信息发送端对信道进行处理

信息发送端将获得信道重新排列为

式中，H_b表示一个K×K阶的方形矩阵。“K”表示该矩阵的行数或者列数，即一行或一列中h_b的个数，并且“K”的具体数值可以根据需要进行调节。在得到上述矩阵之后，对该矩阵进行特征值分解，可以写为，

$H_b=U_b{\mathrm{\Σ}}_b{U}_b^H$

式中，U_b表示一个K×K阶的酉矩阵，∑_b表示一个K×K阶的对角矩阵，“H”表示共轭转置运算。在得到U_b后，利用U_b传递与星座转换相关的信息。

(b)传递与星座转换相关的信息

需要传递的信息包括：

(1)实际的星座调制阶数M；

(2)相位旋转的方向，即顺时针或者逆时针；

(3)每个相位旋转角的值。

上述信息中每个相位旋转角的值无法直接传输。因此实际中首先定义数值1到N的一系列排列，并将这些排列编号。然后从中选择若干排列，令“p”循环使用这些排列以确定它的值，并把所选排列的编号作为(3)中的信息。基于这些信息，设计相应的信息携带机制为

${\left({\tilde{u}}_b\right)}_{rc}={\left(u_b\right)}_{rc}\·i_t,r,c\∈\{1,...,K\},i_t\∈{\mathrm{\Φ}}_{\left(1\right)-\left(3\right)}$

式中，(u_b)_rc表示U_b的第r行第c列元素，i_t表示(1)-(3)中所含的任意信息，Φ_(1)-(3)表示(1)-(3)的信息集合，表示经过处理后的元素。上式表示从U_b中选取若干个元素，并将(1)-(3)中所含的信息以相乘的形式附加到相应元素上。通过这一处理，矩阵U_b转化为根据上述信息携带机制，定义定位向量g_u，并将其表示为，

(g_u)_v＝a(v)+j·b(v)，v∈{1，...，L_g}

式中，“L_g”表示向量的长度，a(v)和b(v)分别表示对应元素的行号和列号。因此，g_u记录了所有携带信息的元素在中的位置。

在获得了和g_u后，将g_u和N值以高功率传输出去，以保证目标用户精确地接收到它们。在此基础上，由于目标用户也可以构建H_b，所以可获得全部的相关信息。而非目标用户或窃听者未知h_b，因此无法处理和g_u中所含的信息。在该信息传递过程后，信息发送端再将各时刻的符号x_u(t)发送出去，这样目标用户就可以恢复出s_u(t)而非目标用户或窃听者无法恢复s_u(t)，从而提高了目标用户信息安全性。

下面给出上述方法的仿真及效果对比：

仿真中的参数如下表所示

仿真参数	参数取值
		原始调制阶数M	4
星座转换后的阶数N	16
		矩阵整合行列数K	8
所采用“p”值排列数的个数	46

此外，仿真中的信噪比为针对目标用户的发射信噪比，非目标用户或窃听者的位置可以变化。非目标用户或窃听者还可以采取最大似然检测(maximum likelihood detection，MLD)的方法获取信号。

图2中非目标用户直接采用16PSK解调接收到的符号。由于传输符号经过了星座旋转，当采用错误的星座图解调时，得到的符号与原始的调制符号之间会产生很大差异。在这种情况下，非目标用户会产生很大的误符号率。

与之相对，图3中非目标用户首先采用16PSK星座图解调出实际传输符号，然后利用4PSK星座图降低星座旋转的影响。此时非目标用户的误符号率相对图2有所降低。然而，由于实际传输中使用了若干有关“p”的排列，使得非目标用户很难获取精确的相位旋转信息，如果非目标用户通过遍历搜素的方式获取信息，发送端可以适当调节传输符号的总数使得这一遍历无法实现。此时，非目标用户只能采用随机选择的方式判定原始符号，这样也会产生明显的符号错误。综上所述。本发明所提方法可提高目标用户信息的安全性。

Claims (7)

1.无线通信系统中利用星座转换提高用户信息安全性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过对实际传输符号进行相位旋转，使得实际传输符号所对应的星座图发生变化，完成星座转换；

2)在星座转换的基础上，利用信息发送端和目标用户之间的信道，将与星座转换相关的信息发送到目标用户端，使得目标用户端能够恢复出星座转换前的符号，非目标用户端或窃听者不能恢复出该符号。

2.根据权利要求1所述的无线通信系统中利用星座转换提高用户信息安全性的方法，其特征在于，所述无线通信系统包括均配置单天线的信息发送端，目标用户，以及非目标用户或窃听者；一个信息发送端服务一个目标用户，同时存在一个非目标用户或窃听者；信息发送端和目标用户采用时分双工方式发送导频进行信道估计，并且他们估计的信道满足信道互易性。

3.根据权利要求2所述的无线通信系统中利用星座转换提高用户信息安全性的方法，其特征在于，步骤1)具体包括以下步骤：

1a、选择一个星座图对目标用户需要的信息进行调制，并把调制后的符号作为待传输的符号；

1b、对待传输的符号实施星座转换，将上述待传输的符号进行相位旋转后，待传输的符号对应转换为另一个星座图中的一个点，完成对待传输的符号的星座转换。

4.根据权利要求3所述的无线通信系统中利用星座转换提高用户信息安全性的方法，其特征在于，步骤1a中，采用相移键控法对目标用户需要的信息进行调制，并把调制后的符号作为待传输的符号，记作，

s_u(t)∈Φ_M-PSK；

式中，s_u(t)表示在时刻t调制后待传输的符号，Φ_M-PSK表示M阶PSK星座点组成的集合，即M-PSK星座图。

5.根据权利要求4所述的无线通信系统中利用星座转换提高用户信息安全性的方法，其特征在于，步骤1b中，将上述待传输的符号，进行相位旋转，得到，

$x_u\left(t\right)=e^{{\mathrm{j\θ}}_u\left(t\right)}{s}_u\left(t\right);$

式中，x_u(t)表示在时刻t相位旋转后的符号，θ_u(t)表示对应于时刻t的相位旋转角，j表示虚数单位，e表示自然指数的底数；

相位旋转角为，

其中，N表示一个正整数，并且满足N＝kM，k表示正整数，p表示一个正整数，并且它的值可以是1到N中的任意一个，经过这一相位旋转操作后，原符号s_u(t)转换为N阶PSK星座图中的一个点，即，

x_u(t)∈Φ_N-PSK；

其中，Φ_N-PSK表示N阶PSK星座点组成的集合，即N-PSK星座图；就完成了对符号的星座转换。

6.根据权利要求5所述的无线通信系统中利用星座转换提高用户信息安全性的方法，其特征在于，步骤2)具体包括以下步骤：

2a、信息发送端对信道进行处理，信息发送端将获得信道重新排列为，

其中，H_b表示一个K×K阶的方形矩阵，K表示该矩阵的行数或者列数，即一行或一列中h_b的个数，在得到上述矩阵之后，对该矩阵进行特征值分解得到，

$H_b=U_b{\mathrm{\Σ}}_b{U}_b^H;$

其中，U_b表示一个K×K阶的酉矩阵，∑_b表示一个K×K阶的对角矩阵，H表示共轭转置运算；在得到U_b后，利用U_b传递与星座转换相关的信息；

2b、传递与星座转换相关的信息时，需要传递的信息包括：

第一信息，实际的星座调制阶数M；

第二信息，相位旋转的方向，即顺时针或者逆时针；

第三信息，每个相位旋转角的值。

7.根据权利要求6所述的无线通信系统中利用星座转换提高用户信息安全性的方法，其特征在于，步骤2b中，首先定义数值1到N的一系列排列，并将这些排列编号；然后从中选择若干排列，令p循环使用这些排列以确定它的值，并把所选排列的编号作为第三信息中的信息；设计相应的信息携带机制为，

${\left({\tilde{u}}_b\right)}_{rc}={\left(u_b\right)}_{rc}\·i_t,r,c\∈\{1,\mathrm{...},K\},i_t\∈{\mathrm{\Φ}}_{\left(1\right)-\left(3\right)};$

式中，(u_b)_rc表示U_b的第r行第c列元素，i_t表示第一、二和三信息中所含的任意信息；Φ_(1)-(3)表示第一、二和三信息的信息集合，表示经过处理后的元素；

通过上式处理，矩阵U_b转化为根据上述信息携带机制，定义定位向量g_u，并将其表示为，

(g_u)_υ＝a(υ)+j·b(υ)，υ∈{1，...，L_g}；

式中，L_g表示向量的长度，a(υ)和b(υ)分别表示对应元素的行号和列号；g_u记录了所有携带信息的元素在中的位置；

在获得了和g_u后，将g_u和N值以高功率传输出去，保证目标用户能够精确地接收，从而目标用户能够构建H_b，获得全部的相关信息；而非目标用户或窃听者未知h_b，因此无法处理和g_u中所含的信息；

在第一、二和三信息的传递过程后，信息发送端再将各时刻的符号x_u(t)发送出去，目标用户能够恢复出s_u(t)而非目标用户或窃听者无法恢复s_u(t)，从而提高了目标用户信息安全性。