CN106953819A - 基于多无线电协作预编码的物理层保密通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多无线电协作预编码的物理层保密通信方法，适用于异构无线网络中用户终端与基站之间的安全信息传输。在异构无线网络环境中，用户终端充分利用多无线电接入技术，实现不同通信模式间的协作安全信息传输。本发明分别考虑了源节点到窃听节点之间的窃听信道的瞬时信道状态信息已知和未知的两种情况，通过多模协作预编码对源节点信号进行预处理，并将预编码后的数据信息发送给目的节点。通过与传统的多模切换选择方法比较，本发明提出的多模协作方法显著改善了无线传输的安全传输速率，有助于解决多模通信场景中存在窃听节点所带来的安全问题。

Description

基于多无线电协作预编码的物理层保密通信方法

技术领域

本发明涉及一种对抗窃听攻击的方法，特别涉及一种基于多无线电协作预编码的物理层保密通信方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

随着无线网络通信技术的不断发展，为了满足不同无线终端的通信需要，当今无线通信网络发展成一个多种无线电接入技术并存的异构无线网络，比如无线个域网(如Bluetooth)、无线局域网(如Wi-Fi)、公众移动通信网(2G、3G、4G)、卫星通信网以及Ad Hoc网络等。如果这些异构网络之间不能互联互通，那么无线用户终端很难根据自己的业务需要进行相应的网络模式切换。由此，多无线电协作技术应运而生。多无线电协作技术指的是通过多模系统之间的协作以及对多无线电接口的管理和资源分配以使异构无线网络之间相互协同工作。现有多无线电协作技术主要用于异构无线网络的融合以减少多模切换延时；扩大无线通信网络覆盖范围；提高信道容量、降低能耗等。

由于无线媒介的广播特性，合法用户之间的信息传递容易受到非法用户的窃听，这使得无线传输容易受到潜在窃听攻击。随着计算机运算速度的不断提升，传统的应用在网络层和网络层以上的加密防窃听方法不能保证信息传递的绝对安全。人们越来越重视对物理层信道特性的研究，来提升无线通信的安全性。目前考虑较多的是用合法传输信道容量与窃听信道容量的差值大小来表现无线通信的保密性能，即差值越大保密性越好，反之保密性越差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于多无线电协作预编码的物理层保密通信方法，在考虑实际异构网络场景情况下，将多无线电协作应用于提升物理层安全。通过多模协作预编码对源节点信号进行预处理，并将预编码后的数据信息通过源节点的多无线电模式发送到目的节点，实现保密通信。本发明既考虑到实际异构网络场景，又能实现以低功耗最大程度提升无线通信的安全性能。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种基于多无线电协作预编码的物理层保密通信方法，该方法应用于通过多无线电接口进行数据传输的系统，所述系统在异构网络环境下包括一个发送节点、一个目的节点和一个窃听节点。

该方法包括以下步骤：初始化时隙t，给定时隙t的总发射功率P；将发送节点的信号进行串并转换；获取多无线电通信模式在时隙t的信道状态信息，根据所得的时隙t的信道状态信息，对发送节点将要传输的信息进行多模协作预编码；将预编码后的信息通过发送节点的多无线电通信模式发送出去。

作为本发明的进一步优化方案，目的节点接收到的发送节点发送的预编码后的信号为：

y_m＝w^Ths_t+n_m

其中，w表示预编码系数矢量，w_i表示第i个接口信号的预编码系数，i＝1,2,…,N，N表示异构无线网络所支持的无线电模式数目；h＝[k₁h₁,k₂h₂,…,k_Nh_N]^T表示从发送节点到目的节点的瞬时信道状态信息，即主信道的瞬时状态信息，h_i表示第i种无线电模式的瞬时信道增益系数，G_r表示接收端天线增益，G_s表示发射端天线增益，c表示光速，f_i表示第i种无线电模式的工作频率，d示无线用户终端至基站的距离，n_i示第i种无线电模式的路径损耗因子；s_t表示各接口在时隙t发出的相同的数据信息，t＝1,2,…,T_s，T_s表示最大的传输时隙；n_m表示目的节点处的噪声。

作为本发明的进一步优化方案，窃听节点接收到的发送节点发送的预编码后的信号为：

y_e＝w^Tgs_t+n_e

其中，g＝[k₁g₁,k₂g₂,…,k_Ng_N]^T表示从发送节点到窃听节点的瞬时信道状态信息，即窃听信道的瞬时状态信息，g_i为第i种无线电模式的瞬时信道增益系数；n_e为窃听节点处的噪声。

作为本发明的进一步优化方案，在已知窃听信道瞬时状态信息的条件下，预编码系数矢量w的计算方法如下：

首先，系统的安全传输速率为：

其中，表示主信道的输出信噪比，P为发射信号功率，N₀为噪声功率；表示窃听信道的输出信噪比；

其次，建立最大化系统安全传输速率的优化问题：

进一步转化为：

其中，

最后，求解上述优化问题，得到：

最优的预编码系数向量w^*为(I+Υgg^H)^-1(I+Υhh^H)的最大特征值λ_max所对应的特征向量；

系统的最大安全传输速率即系统安全容量为：

作为本发明的进一步优化方案，在未知窃听信道瞬时状态信息的条件下，预编码系数矢量w的计算方法如下：

首先，系统的安全传输速率为：

其中，表示主信道输出信噪比，N₀为噪声功率，P为发射信号功率；不是窃听信道输出信噪比；

其次，在窃听信道瞬时状态信息未知的条件下，考虑使主信道容量最大，由柯西不等式知得到即为最优的预编码系数矢量；则主信道最大输出信噪比为此时窃听信道输出信噪比为则系统的最大安全传输速率即系统安全容量为：

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明在考虑实际异构网络场景下，将多无线电协作应用于提升物理层安全。通过与传统的多模切换方法比较，多模协作方法有效的防止窃听者非法获取保密信息，最大程度提升安全容量。

附图说明

图1为本发明实施例基于多无线电协作预编码的物理层保密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无线电协作预编码的物理层保密通信方法的流程图；

图3为图1中的实施例在已知窃听信道瞬时状态信息的条件下，逐渐增大发射功率,本发明提出的多模协作预编码方法与传统的多模切换选择方法的安全容量仿真对比图；

图4为图1中的实施例在未知窃听信道瞬时状态信息的条件下，逐渐增大发射功率,本发明提出的多模协作预编码方法与传统的多模切换选择方法的安全容量仿真对比图。

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，对本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出一种基于多无线电协作预编码的物理层保密通信方法，应用于通过多无线电接口进行数据传输的系统，适用于异构无线网络中用户终端与基站之间的安全信息传输。在异构无线网络环境中，用户终端充分利用多无线电接入技术，实现不同通信模式间的协作安全信息传输。本发明分别考虑了源节点到窃听节点之间的窃听信道的瞬时信道状态信息已知和未知的两种情况，通过多模协作预编码对源节点信号进行预处理，并将预编码后的数据信息发送给目的节点。通过与传统的多模切换选择方法比较，本发明提出的多模协作方法显著改善了无线传输的安全传输速率，有助于解决多模通信场景中存在窃听节点所带来的安全问题。

本发明中，根据多无线电通信模式在时隙t的信道状态信息，对发送节点将要传输的信息进行多模协作预编码，将预编码后的数据信息通过发送节点的多无线电模式发送到目的节点。目的节点的接收信号表示为y_m＝w^Ths_t+n_m，其中，预编码系数矢量w＝[w₁,w₂,…,w_N]^T，w_i表示第i个接口信号的预编码系数，其中i＝1,2,…,N，N表示异构无线网络所支持的无线电模式数目；n_m为目的节点处的噪声；s_t为各接口在时隙t发出的相同的数据信息，其中t＝1,2,…,T_s，T_s表示最大的传输时隙；h＝[k₁h₁,k₂h₂,…,k_Nh_N]^T表示从发送节点到目的节点的瞬时信道状态信息(即主信道的瞬时状态信息)，h_i为第i种无线电模式的瞬时信道增益系数；c为光速，G_r为接收端天线增益，G_s为发射端天线增益，f_i为第i种无线电模式的工作频率，d为无线用户终端至基站的距离，n_i为第i种无线电模式的路径损耗因子。同时，窃听节点接收的信号表示为y_e＝w^Tgs_t+n_e，其中，g＝[k₁g₁,k₂g₂,…,k_Ng_N]^T表示从发送节点到窃听节点的瞬时信道状态信息(即窃听信道的瞬时状态信息)，g_i为第i种无线电模式的瞬时信道增益系数；n_e为窃听节点处的噪声。

在已知窃听信道瞬时状态信息的条件下，相应的多模协作预编码系数向量的计算方法如下：

首先，所述无线通信系统的安全传输速率为：

其中，表示主信道的输出信噪比，表示窃听信道的输出信噪比，N₀为噪声功率，P为发射信号功率。

其次，通过调整优化预编码系数矢量w，最大化所述系统的安全传输速率R_s，即得到相应的优化问题为：

将约束条件代入目标函数中，上述优化问题可进一步转化为：

其中，

最后，通过求解，得到最优的预编码系数w^*为(I+Υgg^H)^-1(I+Υhh^H)的最大特征值λ_max所对应的特征向量，同时λ_max即为问题(1)的解，进一步可以得到系统的最大安全传输速率(即为系统安全容量)：

在未知窃听信道瞬时状态信息的条件下，相应的多模协作预编码系数向量的计算方法如下：

首先，所述无线通信系统的安全传输速率为：

其中，为主信道输出信噪比，为窃听信道输出信噪比，N₀为噪声功率，P为发射信号功率。

其次，由于窃听信道瞬时状态信息未知，则考虑使主信道容量最大。

由柯西不等式知当取“＝”时即为最优的预编码系数矢量，则主信道最大输出信噪比为此时窃听信道输出信噪比为

进一步得到最大安全传输速率(即为安全容量)为：

以包含多种载波无线电通信模式的系统为例，本实施例系统模型如图1所示，包含1个发送节点、1个目的节点以及1个窃听节点。

本实施例的基于多无线电协作预编码的物理层保密通信方法，适用于蜂窝异构无线网络中无线用户终端与基站之间的数据传输，如图2所示，具体步骤包括：

1)初始化时隙t，将发射功率设为P，并设置主要参数值：c为光速，取3*10⁸米每秒；G_r为接收端天线增益，即基站的接收天线增益，取5dBi；G_s为发射端天线增益，即无线用户终端的发射天线增益，取0dBi；f_i为第i种无线通信制式的工作频率，GSM为900MHz，WCDMA为1900MHz，FDD-LTE为2300MHz，TDD-LTE为2600MHz；d为无线用户终端至基站的距离，取200m；n_i为第i种无线电模式的路径损耗因子，取2.8，i＝1,2,…,N。

2)将发送节点信号进行串并转换；

3)选择信道模式数目，对发送信号将要发出的信息进行多模协作预编码，然后进行数据

传输。

4)传输结束进入下一个时隙，重新执行步骤1)。

图3为在已知窃听信道瞬时状态信息的条件下，逐渐增大发射功率,本发明提出的多模协作预编码方法与传统的多模切换选择方法的安全容量仿真对比图。从图3可以明显看出，本发明提出的多模协作预编码方法得到的安全容量远大于传统的多模切换选择方法得到的安全容量。

图4为在未知窃听信道瞬时状态信息的条件下，逐渐增大发射功率,本发明提出的多模协作预编码方法与传统的多模切换选择方法的安全容量仿真对比图。从图4可以明显看出，本发明提出的多模协作预编码方法在相同条件下得到的安全容量大于多模切换选择方法得到的安全容量。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.基于多无线电协作预编码的物理层保密通信方法，该方法应用于通过多无线电接口进行数据传输的系统，所述系统在异构网络环境下包括一个发送节点、一个目的节点和一个窃听节点，其特征在于，该方法包括以下步骤：初始化时隙t，给定时隙t的总发射功率P；将发送节点的信号进行串并转换；获取多无线电通信模式在时隙t的信道状态信息，根据所得的时隙t的信道状态信息，对发送节点将要传输的信息进行多模协作预编码；将预编码后的信息通过发送节点的多无线电通信模式发送出去。

2.根据权利要求1所述的基于多无线电协作预编码的物理层保密通信方法，其特征在于，目的节点接收到的发送节点发送的预编码后的信号为：

y_m＝w^Ths_t+n_m

其中，w＝[w₁,w₂,…,w_N]^T表示预编码系数矢量，w_i表示第i个接口信号的预编码系数，i＝1,2,…,N，N表示异构无线网络所支持的无线电模式数目；h＝[k₁h₁,k₂h₂,…,k_Nh_N]^T表示从发送节点到目的节点的瞬时信道状态信息，即主信道的瞬时状态信息，h_i表示第i种无线电模式的瞬时信道增益系数，G_r表示接收端天线增益，G_s表示发射端天线增益，c表示光速，f_i表示第i种无线电模式的工作频率，d表示无线用户终端至基站的距离，n_i示第i种无线电模式的路径损耗因子；s_t表示各接口在时隙t发出的相同的数据信息，t＝1,2,…,T_s，T_s表示最大的传输时隙；n_m表示目的节点处的噪声。

3.根据权利要求2所述的基于多无线电协作预编码的物理层保密通信方法，其特征在于，窃听节点接收到的发送节点发送的预编码后的信号为：

y_e＝w^Tgs_t+n_e

其中，g＝[k₁g₁,k₂g₂,…,k_Ng_N]^T表示从发送节点到窃听节点的瞬时信道状态信息，即窃听信道的瞬时状态信息，g_i为第i种无线电模式的瞬时信道增益系数；n_e为窃听节点处的噪声。

4.根据权利要求3所述的基于多无线电协作预编码的物理层保密通信方法，其特征在于，在已知窃听信道瞬时状态信息的条件下，预编码系数矢量w的计算方法如下：

首先，系统的安全传输速率为：

$R_s={\log }_2\left(\frac{1+{\mathrm{SNR}}_m}{1+{\mathrm{SNR}}_e}\right),$

其中，表示主信道的输出信噪比，P为发射信号功率，N₀为噪声功率；表示窃听信道的输出信噪比；

其次，建立最大化系统安全传输速率的优化问题：

$\begin{array}{cc}\underset{w}{max}& \frac{1+{\mathrm{SNR}}_m}{1+{\mathrm{SNR}}_e}\end{array}$

$\begin{array}{cc}s.t& \left|\right|w|{|}_2^2=1\end{array}$

进一步转化为：

其中，

最后，求解上述优化问题，得到：

最优的预编码系数向量w^*为(I+Υgg^H)^-1(I+Υhh^H)的最大特征值λ_max所对应的特征向量；

系统的最大安全传输速率即系统安全容量为：

5.根据权利要求4所述的基于多无线电协作预编码的物理层保密通信方法，其特征在于，在未知窃听信道瞬时状态信息的条件下，预编码系数矢量w的计算方法如下：

首先，系统的安全传输速率为：

$R_s={\log }_2\left(\frac{1+{\mathrm{SNR}}_m}{1+{\mathrm{SNR}}_e}\right)$

其中，表示主信道输出信噪比，N₀为噪声功率，P为发射信号功率；不是窃听信道输出信噪比；

其次，在窃听信道瞬时状态信息未知的条件下，考虑使主信道容量最大，由柯西不等式知得到即为最优的预编码系数矢量；则主信道最大输出信噪比为此时窃听信道输出信噪比为则系统的最大安全传输速率即系统安全容量为：