CN106850012A - 一种利用空间调制技术的物理层安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用空间调制技术的物理层安全传输方法，假设发送者能获得合法用户和窃听用户的信道状态信息，发送者利用预编码辅助的广义正交空间调制技术，根据待传输的比特数据，得到接收天线的索引号以及待发送符号，再利用发送者和合法用户间的信道状态信息获得迫零预编码矩阵，并在发送者和合法用户间的信道的零空间添加人工噪声，最后通过最大化保密容量来求得最优功率分配；利用发送者和合法用户间的信道状态信息，合法用户能够顺利解码发送者发送的信息，而窃听用户受到人工噪声的干扰，不能正确译码，从而实现物理层安全，本发明在相同的信噪比下能稳定获得更高的安全容量。

Description

一种利用空间调制技术的物理层安全传输方法

【技术领域】

本发明属于通信领域，涉及一种利用空间调制技术的物理层安全传输方法。

【背景技术】

近年来，无线通信技术的持续发展使得人们可以随时随地接入通信网络。然而，无线传播的广播特性意味着传输范围内的所有节点都能够接收到信源发送的信号，合法用户的信息容易被窃听用户获取。因此，保证无线通信的安全传输变得尤为重要[1]。相对于传统的加密方法，物理层安全旨在利用无线通信的物理层特性，如噪声、衰落等，以信息论中的理论为基础保证无线通信的安全性。

1975年Wyner首次定义了含噪的窃听信道模型，并且证明当窃听信道的信噪比比主信道低时可以实现完全的保密通信，并将不依靠密钥仍可以保证主信道信息可靠传输的速率定义为保密速率[2]。进入20世纪末，MIMO技术的出现极大推动了无线通信技术的发展，多天线技术为无线通信物理层安全带来了新的机遇与挑战，近年来，已有大量文献研究利用多天线技术提高物理层安全的保密速率[3]-[5]。空间调制[6]是近年来新提出的多天线传输技术，该技术在信息比特调制过程中引入空间维度，从而根据输入信息改变激活天线的序号。预编码辅助的广义正交空间调制[7]。在继承了空间调制优点的基础上，又提高了整个系统的频谱效率。空间调制的天线间干扰程度低，接收端的信号处理也较为简单，正逐渐成为MIMO传输技术研究的热点之一。

但是，关于空间调制方向的物理层安全研究还非常少[8]，目前，利用预编码辅助的正交空间调制技术的物理层安全传输方法，还没有人进行过研究和讨论。

参考文献：

[1]Chen X,Li F,Xue Z,et al.Research on the Security of MISO WirelessChannel with Artificial Noise[C]//International Conference on Computational&Information Sciences.2013:1533-1536.

[2]Wyner A D.The wire-tap channel[J].Bell System Technical Journal,1975,54(8):1355-1387.

[3]Zhang,Haiyang,Wang,et al.The achievable secrecy rate of MISOwiretap channels[C]//Wireless Communications and Signal Processing(WCSP),2011International Conference on.IEEE,2011:1-4.

[4]Xiong Q,Gong Y,Liang Y C.Achieving secrecy capacity of MISO fadingwiretap channels with artificial noise[J].2013:2452-2456.

[5]Li,Q,Ma,et al.Optimal and Robust Transmit Designs for MISO ChannelSecrecy by Semidefinite Programming[J].IEEE Transactions on SignalProcessing,2011,59(8):3799-3812.

[6]Mesleh R Y,Haas H,S,et al.Spatial Modulation[J].IEEETransactions on Vehicular Technology,2008,57(4):2228-2241.

[7]Li J,Wen M,Cheng X,et al.Generalised Pre-coding Aided QuadratureSpatial Modulation[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2016:1-1.

[8]Wu F,Yang L L,Wang W,et al.Secret Precoding-Aided SpatialModulation[J].IEEE Communications Letters,2015,19(9):1544-1547.

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种利用空间调制技术的物理层安全传输方法，该方法采用预编码，信号空间分集以及人工噪声技术，在不影响合法用户的同时，对窃听用户造成影响，从而提高安全容量。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种利用空间调制技术的物理层安全传输方法，利用预编码辅助的广义正交空间调制技术，发送者将待发送的数据比特进行编码，得到原始待发送符号s以及接收天线的序号；对原始待发送符号s进行信号空间分集，得到待发送符号，再按照接收天线序号映射为预编码前的发送符号x；利用发送者和合法用户间的信道状态信息获得迫零预编码矩阵；利用发送者和合法用户间的信道状态信息，在其零空间添加人工噪声并进行最优功率分配。

进一步，对原始待发送符号s进行信号空间分集，得到待发送符号其中：N_a为发送者的天线数，是N_a点的快速傅里叶逆变换矩阵，其(m,n)元素为

进一步，利用发送者和合法用户间的信道矩阵H求得迫零预编码矩阵，在合法用户信道的零空间添加人工噪声并进行最优功率分配，具体步骤如下：

在发送端，利用待发送的数据比特进行编码，得到预编码前的发送符号x，再利用发送者和合法用户间的信道矩阵H求得迫零预编码矩阵θ为功率分配系数；

然后，对信道矩阵H进行SVD分解，H＝U[D 0][V₁ V₀]^H，求出其零空间V₀，并在其零空间添加人工噪声V₀r，r中元素为均值为0，方差为的复高斯随机变量，N_a和N_b分别为发送者和合法用户的天线数；

最后，通过对θ进行一维搜索以最大化保密容量求得最优的功率分配θ，其中：

R_sec(θ)＝[R_b(θ)-R_e(θ)]⁺，

N_p是激活的接收天线数，M是星座点数，n_b和n_e为发送者和窃听用户的接收噪声，G为发送者和窃听用户之间的信道。

本发明假设发送者能获得合法用户和窃听用户的信道状态信息，利用发送者和合法用户间的信道状态信息获得迫零预编码矩阵，然后在发送者和合法用户间的信道零空间添加人工噪声，为了最大化保密容量，并进行最优功率分配，利用发送者和合法用户间的信道状态信息，合法用户能够顺利解码发送者发送的信息，而窃听用户受到人工噪声的干扰，不能正确译码，在不影响合法用户的同时，对窃听用户造成影响，发明在相同的信噪比下能稳定获得更高的安全容量。

进一步，通过一维搜索求出最优功率分配，降低了设计的复杂性，提高了传输的安全性，实现了该方案下的物理层安全。

【附图说明】

图1系统模型示意图

图2预编码辅助的广义正交空间调制示意图

【具体实施方式】

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明在预编码辅助的广义正交空间调制技术的基础上，进行了物理层安全传输方法的设计，发送者将待发送的数据比特进行编码，得到原始待发送的符号s以及接收天线的序号，对原始待发送符号s进行信号空间分集(SSD)，得到待发送符号再按照接收天线序号映射为预编码前的发送符号x；利用发送者和合法用户间的信道状态信息获得迫零预编码矩阵，然后在发送者和合法用户间的信道零空间添加人工噪声，以最大化保密容量为目标，提出最优功率分配方案，并得到相应一维搜索算法。

本发明考虑一种如图1所示的场景，即发送者配置有N_a根发射天线，合法用户配置有N_b根接收天线，窃听用户配置有N_e根接收天线，N_a＞N_b。发送者与合法用户直接进行通信，在此过程中，窃听用户尝试窃听发送者向合法用户发送的信息。

本发明基于如图2所示的预编码辅助的广义正交空间调制技术及信号空间分集技术。传输开始时，发送者将待发送的数据比特进行编码，得到原始待发送的符号s以及接收天线的序号，对原始待发送符号s进行信号空间分集(SSD)，得到待发送符号再按照接收天线序号映射为预编码前的发送符号x。

发送者对数据比特的编码过程包括如下步骤：

步骤1：系统每次可以发送比特数据，其中对第1位到第N_plog₂M位数据采用M-QAM/M-PSK调制方式进行调制，得到原始待发送的N_p个符号其中N_p是激活的接收天线数目，M是星座点数。

步骤2：对原始待发送符号s进行信号空间分集(SSD)，得到待发送符号 其中：N_a为发送者的天线数，是N_a点的快速傅里叶逆变换(IFFT)矩阵，其(m,n)元素为将分为同相分量和正交分量

步骤3：对第N_plog₂M+1位数据到第位数据，采用二进制到天线组合的映射关系，激活对应的天线组合则

步骤4：对第位数据到第位数据，采用二进制到天线组合的映射关系，激活对应的天线组合则

步骤5：利用发送者和合法用户间的信道矩阵H求得迫零预编码矩阵P＝βH^H(HH^H)^-1，其中θ为功率分配系数；

通过这样的编码方式，可以使得天线的索引也承载了一定的信息，从而可以提升传输的效率。

至此，描述了本发明如图2所示的预编码辅助的广义正交空间调制技术及信号空间分集技术。

下面重点说明利用该技术的物理层安全传输方法。

为了达到安全传输的目的，将在发送者和合法用户间信道的零空间添加人工噪声。

物理层安全传输设计：

在上述预编码辅助的广义正交空间调制技术的基础上，首先求出发送者和合法用户间信道矩阵H的零空间V₀，可以表示为：

H＝U[D 0][V₁ V₀]^H (1)

在发送者和合法用户间信道矩阵H的零空间添加人工噪声V₀r，r中元素为均值为0，方差为的复高斯随机变量，

合法用户和窃听用户接收到的信号可以表示为：

其中，G为发送者和窃听用户之间的信道。

由此可得：

R_sec(θ)＝[R_b(θ)-R_e(θ)]⁺ (3)

其中：

保密容量C_sec可以表示为：

最后，对θ进行一维搜索求得最优的功率分配θ。

以上所述是本发明的优选实施方式，通过上述说明内容，本技术领域的相关工作人员可以在不偏离本发明技术原理的前提下，进行多样的改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种利用空间调制技术的物理层安全传输方法，其特征在于：利用预编码辅助的广义正交空间调制技术，发送者将待发送的数据比特进行编码，得到原始待发送符号s以及接收天线的序号；对原始待发送符号s进行信号空间分集，得到待发送符号再按照接收天线序号映射为预编码前的发送符号x；利用发送者和合法用户间的信道状态信息获得迫零预编码矩阵；利用发送者和合法用户间的信道状态信息，在其零空间添加人工噪声并进行最优功率分配。

2.如权利要求1所述的利用空间调制技术的物理层安全传输方法，其特征在于：对原始待发送符号s进行信号空间分集，得到待发送符号 其中：N_a为发送者的天线数，是N_a点的快速傅里叶逆变换矩阵，其(m,n)元素为

3.如权利要求1所述的利用空间调制技术的物理层安全传输方法，其特征在于：利用发送者和合法用户间的信道矩阵H求得迫零预编码矩阵，在合法用户信道的零空间添加人工噪声并进行最优功率分配，具体步骤如下：

在发送端，利用待发送的数据比特进行编码，得到预编码前的发送符号x，再利用发送者和合法用户间的信道矩阵H求得迫零预编码矩阵θ为功率分配系数；

然后，对信道矩阵H进行SVD分解，H＝U[D 0][V₁ V₀]^H，求出其零空间V₀，并在其零空间添加人工噪声V₀r，r中元素为均值为0，方差为的复高斯随机变量，N_a和N_b分别为发送者和合法用户的天线数；

最后，通过对θ进行一维搜索以最大化保密容量求得最优的功率分配θ，其中：

R_sec(θ)＝[R_b(θ)-R_e(θ)]⁺，

$R_b\left(\mathrm{\θ}\right)=\log \left(M^{N_p}{N}^2\right)-\frac{1}{M^{N_p}{N}^2}\underset{\mathrm{\τ}=1}{\overset{M^{N_p}{N}^2}{\Σ}}{E}_{n_b}\[\log \underset{\mathrm{\ϵ}=1}{\overset{M^{N_p}{N}^2}{\Σ}}\exp \left(\frac{-\left|\right|\mathrm{\θ}(x_{\mathrm{\τ}}-x_{\mathrm{\ϵ}})+n_b|{|}^2+|\left|n_b\right|{|}^2}{{\mathrm{\σ}}_{n_b}^2}\right)\],$

$R_e\left(\mathrm{\θ}\right)=\log \left(M^{N_p}{N}^2\right)-\frac{1}{M^{N_p}{N}^2}\underset{\mathrm{\τ}=1}{\overset{M^{N_p}{N}^2}{\Σ}}{E}_{H,G,{\stackrel{\‾}{n}}_e}\[\log \underset{\mathrm{\ϵ}=1}{\overset{M^{N_p}{N}^2}{\Σ}}\exp \left(\frac{-\left|\right|GP(x_{\mathrm{\τ}}-x_{\mathrm{\ϵ}})+{\stackrel{\‾}{n}}_e|{|}^2+|\left|{\stackrel{\‾}{n}}_e\right|{|}^2}{{\mathrm{\σ}}_{{\stackrel{\‾}{n}}_e}^2}\right)\]$

N_p是激活的接收天线数，M是星座点数，n_b和n_e为发送者和窃听用户的接收噪声，G为发送者和窃听用户之间的信道。