CN107359892B - 一种基于分布式天线系统实现物理层安全的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于分布式天线系统实现物理层安全的方法，步骤包括：合法用户通过公共信道发送上行参考信号；射频拉远单元接收信号，并获得下行信道系数；根据接收信号的信噪比和信号的调制方式，对合法用户信息进行信道编码；选择圆形区域内的射频拉远单元作为合法用户的发送单元；射频拉远单元根据获得的合法用户信道信息进行空域预编码，将信号能量汇聚，发送信息信号；在发送信息信号的同时，发送人工干扰信号；合法用户在收到信息信号后，首先进行信号解调，然后通过信道译码获得正确的传输信息。本发明在不知道窃听者位置以及窃听信道特性等情况下，能够对合法用户的传输信息进行有效保护，最大限度地提高传输的保密性与可靠性。

Description

一种基于分布式天线系统实现物理层安全的方法
技术领域
本发明涉及移动通信中信息安全的技术领域，尤其涉及一种基于分布式天线系统实现物理层安全的方法。
背景技术
随着无线通信技术在民用军事等方面的广泛应用，人们对信息通信的安全和保障提出了更高的要求。而近年来伴随着5G概念的兴起，为了实现更广泛的信号覆盖面积以及更快的数据传输速率，大规模分布式天线系统已经开始崭露头角。由于更多射频拉远单元的引入，使得分布式天线系统的网络开放性更强，结构更加复杂，从某种意义上来说自由度也更大，这使得人们可在其中获得更好的服务功能。
在无线通信系统中，由于无线信道的开放性，信号极易被除去合法用户以外的窃听者获取。而传统的信息安全是建立在高层对信源采用的密钥加密以及身份认证方法，其安全有效性主要依赖于破解密码学方法的计算复杂度，这需要通信双方具有相同或相关联的密钥，并且其安全性受到现代计算机日益强大的处理能力的威胁。因此要进一步提高安全性能，除了经典的密码学方法外，还需要结合其他技术来保障信息安全。建立在香农信息论基础上的物理层安全从降低窃听者信道质量的角度出发，可利用包括波束成形技术，在合法用户方向的波束中发送信息，而在其他波束中发送干扰信号，在保证合法用户的接收性能前提下达到降低窃听用户信道质量的效果，从而实现信息的安全传输。此前已有的物理层安全方法大多针对集中式多天线系统的工作环境，本文基于分布式天线系统，结合波束成形技术，提出一种保护合法用户信息安全的方法。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于分布式天线系统实现物理层安全的方法，在包括不知道窃听者位置以及窃听信道特性等情况下，也能够对合法用户的传输信息进行有效保护，最大限度地提高传输的保密性与可靠性。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于分布式天线系统实现物理层安全的方法，所述分布式天线系统包括若干基带处理单元和若干射频拉远单元，所述射频拉远单元通过有线方式汇集到一个基带处理单元，所述射频拉远单元完成射频信号的发送与接收，所述基带处理单元负责基带信号的处理并对射频拉远单元实施调度；所述一种基于分布式天线系统实现物理层安全的方法包括如下步骤：
S1、合法用户通过公共信道发送上行参考信号；
S2、射频拉远单元接收到合法用户发送的上行参考信号，并根据上行参考信号和信道互易性获得下行信道系数；
S3、基带处理单元根据射频拉远单元接收的合法用户信号的信噪比和信号传输过程中的调制方式，对合法用户信息进行信道编码；
S4、根据信道特性选择部分区域内的射频拉远单元作为服务该合法用户的发送单元；
S5、区域内被选择的射频拉远单元根据获得的合法用户信道信息进行空域预编码，将信号能量汇聚到合法用户，在合法用户所在的方向上发送信息信号；
S6、在发送信息信号的同时，区域内被选择的射频拉远单元剩余的天线自由度以相对于合法用户信道正交的方向上发送人工干扰信号；其他未被选中的射频拉远单元则根据实际需要，向合法用户所在位置外其他可接收到合法用户信号的区域发送人工干扰信号；
S7、合法用户在收到信息信号后，首先进行信号解调，然后通过信道译码获得正确的传输信息。
进一步地，所述步骤S4中部分区域内，其为以合法用户为中心且半径为r的圆形区域内。
进一步地，所述步骤S6的人工干扰信号，其具体使用方式为：
区域内的射频拉远单元在获得信道hB后，令为hB零空间的一组标准正交基，并满足假定合法用户为单天线配置，而每个射频拉远单元有N个天线，所以hB的秩为1，而中含有N-1个正交矢量，在n时刻，区域内的射频拉远单元按以下方式在发射端产生位于hB零空间的噪声向量Q(n)：
噪声向量Q(n)是由中列向量经过线性组合得到的，线性组合系数a(n)随时间而独立变化且服从Gauss分布显然，Q(n)中的元素也符合零均值Gauss分布；射频拉远单元发送叠加了噪声向量的信息信号：
上式表示成矩阵的形式为：
其中s(n)是需要保密传输的信息比特符号，ω是波束形成向量；
上述发射过程表明，区域内被选择的射频拉远单元在指向合法用户的波束ω上发射信息信号，而在有潜在窃听者的方向β1、β2、…、βN-1上发射人工干扰信号；由于hB与βk正交，所以这些人工干扰信号并不影响合法用户的接收性能；又因为窃听用户和合法用户的地理位置不同，窃听信道hE与合法用户信道hB的相关性很小，hE中的矢量与βk没有明确的正交性，所以在波束β1、β2、…、βN-1上发射的噪声信号将恶化窃听者的接收信噪比，使得窃听者在信道译码时产生译码错误，使窃听者误比特率出现在0.5附近，实现了合法用户通信的安全。
进一步地，所述步骤S5-S6中，分布式天线系统利用基站端发送无线信号的波束成形技术，将信号能量汇聚到合法用户，在合法用户的方向上发送信息信号，从而提高能效，降低窃听节点截获信息的可能性；基站将发送的干扰信号指向窃听者潜在可能出现的方位，同时避免对合法用户方位发送干扰。
进一步地，所述步骤S6中，发送干扰信号的射频拉远单元，是能够根据需要进行选择的，既能够选择靠近用户的拉远单元，也能够选择其他拉远单元；射频拉远单元在无法预知窃听者位置和信道特性等先验知识的情况下，对所有窃听者可能能够截取到信息的位置，实施干扰，降低其接收信号时的信噪比，尽可能增大网络中合法用户通信时的安全容量；此外，从迷惑窃听者的考虑出发，在网络其他位置的射频拉远单元发送干扰窃听者判断的信号，造成窃听者无法判断网络中哪些单元在发送信息，哪些单元在发送干扰信号，达到进一步提高网络安全性能的目的。
进一步地，所述步骤S6中，通过射频拉远单元发送的干扰信号，既能够是预先设定的伪随机信号，也能够是随机信号；射频拉远单元发送约定的伪随机干扰信号，有利于合法用户消除拉远单元发送的对窃听者的干扰信号对其接收信息的影响。
进一步地，所述步骤S5中，利用合法用户附近的射频拉远单元波束成形方法最大限度保证了合法用户的接收信噪比，当合法用户处于运动中时，基站通过不断地获取信道的状态信息，使空域预编码参数和被选择的射频拉远单元随着用户位置的改变而改变。
进一步地，在射频拉远单元接收用户信号的同时，利用全双工通信中自干扰抑制技术，边接收上行信号边发干扰，虽然射频拉远单元的天线间会相互干扰，但是它们之间的信道特性是可获知的，发送的干扰信号可以在基带处理单元经过事先的协调，这使得射频拉远单元对自干扰的抑制能力比窃听者对干扰的抑制能力大，从而保证了上行传输过程中的物理层安全。
采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：
1、传统的基于密码学体制基础的网络安全在计算机处理能力不断增强的今天已无法保证“绝对的安全”，在一些对于信息通信安全性要求较高的场合，往往需要结合其他的安全技术；本发明基于物理层安全技术，即通过网络中分布的射频拉远单元对潜在的窃听者发送干扰信号，降低其接收信号的信噪比，从而显著提高安全容量；
2、本发明的分布式天线系统并不需要知道窃听者的具体位置，射频拉远单元向可接收到合法用户信号的区域发送人工干扰信号，使得窃听者无法判断哪些射频拉远单元在传输有用信息，这在很大程度上提高了系统的适用性；若是提前知晓窃听者的位置，则可以将干扰波束对准窃听者，不仅可以提供更好的安全性能，也有效提高了系统的能量效率；
3、本发明由于网络内的射频拉远单元经过基带处理单元统一管理，所以射频拉远单元发送的干扰信号在射频拉远单元之间可以是已知的，而对于窃听者来讲却是未知的，这样合法接收者很容易消除额外干扰对其接收信息的影响，一方面保障了合法用户的通信质量，另一方面恶化了窃听者的信道质量；
4、本发明在合法用户为中心的区域内，通过射频拉远单元波束成形的方法最大限度保证了合法用户的接收信噪比，即使当合法用户处于运动中时，基站通过不断地获取信道的状态信息，使空域预编码参数和被选择的射频拉远单元也能随着用户位置的改变而改变，分布式天线系统的小区覆盖方式为小区内物理层安全技术的实施提供了更大的自由度；
5、本发明对比传统的集中式天线系统，当网络中有多个窃听者且相互之间存在关联时，可能存在若干点的干扰信号较弱，窃听者可以通过合作式的干扰抑制恢复出有用信息；但是当多个窃听者存在于分布式天线系统时，每个窃听者周围都存在有射频拉远单元，它们发送的干扰信号覆盖于整个可能接收到合法用户信息的区域，此时窃听者之间的协作将变得非常困难；
6、本发明考虑窃听者与合法用户地理位置非常近的极端情况，窃听者可能也处于信息信号波束的指向范围之内，此时简单的波束成形并汇聚到一点的方法对保密传输的作用有限；这时所述的附加方法，即利用同时同频全双工技术，合法用户在接收信号的同时，发送同时同频的干扰信号，利用全双工技术中对自干扰抑制能力远大于一般接收器抑制随机干扰能力的特点，可实现对合法用户所在位置附近的有效保护；
7、上述的物理层安全技术和措施，可以进一步与传统的密码学安全方法结合，达到强化通信系统安全性能的目的。
附图说明
图1为本发明实施例中分布式天线系统的结构示意图；
图2为本发明一种基于分布式天线系统实现物理层安全的方法的步骤流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。
实施例
本实施例所述的分布式天线系统中保护信息安全传输的方法，是一种基于物理层安全技术的方案，通过对网络中潜在的窃听者施加干扰降低其接收信号的信噪比，并结合波束成形技术对合法用户发送保密信息，以实现对网络中传输的有用信息的安全保护，防止其在无线传输的过程中被窃听。在无法预知窃听者位置和其信道特性等先验知识的情况下，对所有窃听者可能能够截取到信息的位置实施干扰，降低其接收信号的信噪比，以尽可能增大网络中合法用户通信时的安全容量。此外，从迷惑窃听者的考虑出发，在网络其他位置的射频拉远单元发送干扰窃听者判断的信号，造成窃听者无法判断网络中哪些单元在发送信息，哪些单元在发送干扰信号。
本发明主要应用于无线通信网络的工作场景。网络中由若干个基带处理单元下属的多个射频拉远单元互联而成的。在网络工作过程中可能存在一个或多个窃听者，窃听者利用无线信号在开放空间传播的特性，设法截取射频拉远单元发送的有用信号。
本发明的主要思想是系统根据用户信道特性选择以合法用户为中心的区域内的射频拉远单元作为服务该用户的信息信号发送单元，这里为了方便阐述，将此实施例的区域划定为一个半径为r的圆形，本发明阐述的方法也同样涵盖其他有效形状的划分。在以用户为中心的圆内的射频拉远单元将信号能量汇聚到合法用户，向其发送保密信息，其他射频拉远单元发送干扰信号，使窃听者的接收信号信噪比下降，从而提高了系统的安全容量，保证了通过安全编码后的信息传输安全。位于圆外的窃听者，由于不在传输保密信息的波束路径范围内，再加上周围干扰信号的影响，使其截取到的信号信噪比过低，无法合并出有用信息。为了防止窃听者有可能位于圆内传输保密信息的波束路径上截取信号，圆内的射频拉远单元除了发送保密信息，还将一部分天线用于在合法用户信道正交的方向上发送干扰信号，恶化窃听信道，使得窃听者的信噪比降低，不能准确解调出有用信息。对于合法用户来讲，圆外的射频拉远单元距离合法用户较远，且干扰信号是事先预定相互已知的，因此对合法用户的信息信号接收影响很小；而圆内发送的噪声方向和合法用户信道正交，所以这些波束上的噪声不影响合法用户的接收性能。
无线通信网络如图1所示，图中的A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8以及C9都是分布式天线系统中的射频拉远单元，它们由上层连接的基带处理单元统一调度和管理。E1、E2、E3、E4、E5和E6是潜伏在网络中的窃听者，它们的具体位置对于网络中的射频拉远单元一般来说是不知道的。B1是网络中的合法用户。
根据本发明提出的方法，首先由合法用户通过公共信道向射频拉远单元发送上行参考信号根据信道互易性原理，射频拉远单元可以获得它到合法用户的下行信道hB。然后根据上行参考信号中的信道特性，选定以合法用户为中心半径为r的圆内的射频拉远单元作为信息信号发送单元。接着基带处理单元根据射频拉远单元接收的合法用户信号的信噪比和信号传输过程中的调制方式，对合法用户信息进行实现物理层安全的信道编码。最后被选定的拉远单元根据合法用户信道信息hB进行空域预编码，将信号能量汇聚到合法用户并发送信息信号，使得合法用户无需估计信道即可直接通过信道译码与判决完成信号解调。
为了防止网络中潜在的窃听者截取到有用信息，射频拉远单元还可在网络中发送干扰信号。具体的策略是：
圆外的射频拉远单元C1-C9采用以全向的方式发送干扰，使得圆外的窃听者E3-E6非但无法截取圆内的有用信息，还受到干扰的影响，保证了合法用户通信的安全性能。
在本实施例中，假定E1位于发送信息信号的射频拉远单元和合法用户之间，为了消除这种潜在的不安全因素的影响，并利用剩余的天线自由度以相对于合法用户信道正交的方向上发送人工干扰信号。圆内的射频拉远单元在获得信道hB后，令为hB零空间的一组标准正交基，满足假定合法用户为单天线配置，而每个射频拉远单元有N个天线。所以hB的秩为1，而中含有N-1个正交矢量，在n时刻，圆内的射频拉远单元按下面的方式在发射端产生位于hB零空间的人工噪声：
噪声向量Q(n)是由中列向量经过线性组合得到的，线性组合系数a(n)随时间而独立变化且服从Gauss分布显然，Q(n)中的元素也符合零均值Gauss分布。射频拉远单元发送叠加了人工噪声的信号：
表示成矩阵形式为：
其中s(n)是需要保密传输的信息比特符号，ω是波束形成向量。
上述发射模型表明，圆内的射频拉远单元在指向合法用户的波束ω上发射信息信号，而在有潜在窃听者的方向如β1、β2、…、βN-1上发射人工噪声。由于hB与βk正交，所以这些噪声并不影响合法用户的接收性能。又因为窃听用户和合法用户的地理位置不同，窃听信道hE与合法用户信道hB的相关性很小，hE中的矢量与βk没有明确的正交性，所以在波束β1、β2、…、βN-1上发射的噪声信号将恶化窃听者的接收信噪比，使得窃听者在信道译码时产生译码错误，使窃听者误比特率出现在0.5附近，实现了合法用户通信的安全。
如图2所示，本实施例所述的分布式天线系统实现物理层安全的方法可以简化为以下步骤：
步骤S101：合法用户通过公共信道发送上行参考信号；
步骤S102：射频拉远单元接收到合法用户发来的上行参考信号，并根据信道互易性获得下行信道系数；
步骤S103：根据信道特性选定以合法用户为中心半径为r的圆形区域内的射频拉远单元作为服务该用户的发送单元；
步骤S104：基带处理单元根据射频拉远单元接收的合法用户信号的信噪比和信号传输过程中的调制方式，对合法用户信息进行信道编码；
步骤S105：圆内被选中的射频拉远单元根据获得的合法用户信道信息进行空域预编码，将信号能量汇聚到合法用户，在该方向上发送信息信号；
步骤S106：在发送信息信号的同时，利用被选中的射频拉远单元剩余的天线自由度以相对于合法用户信道正交的方向上发送人工干扰，其他未被选中的射频拉远单元则可根据需要，向合法用户所在位置外其他可接收到合法用户信号的区域发送人工干扰信号；
步骤S107：合法用户在收到信息信号后，首先进行信号解调，然后通过信道译码获得正确的传输信息。
本发明可结合同时同频全双工技术中接收端对自身发送的信号有很强抑制比的特点，进一步提高系统的安全性。合法用户一侧在接收基站发送的下行信号时，同时发射同时同频的干扰信号，干扰在其附近的窃听者；在基站接收用户发送的上行信号时，同时发射同时同频的干扰信号，对窃听者实施干扰。从而对上行或下行信息传输均实现有效的加强保护。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (8)

1.一种基于分布式天线系统实现物理层安全的方法，所述分布式天线系统包括若干基带处理单元和若干射频拉远单元，所述射频拉远单元通过有线方式汇集到一个基带处理单元，所述射频拉远单元完成射频信号的发送与接收，所述基带处理单元负责基带信号的处理并对射频拉远单元实施调度；其特征在于，所述一种基于分布式天线系统实现物理层安全的方法包括如下步骤：
S1、合法用户通过公共信道发送上行参考信号；
S2、射频拉远单元接收到合法用户发送的上行参考信号，并根据信道互易性获得下行信道系数；
S3、基带处理单元根据射频拉远单元接收的合法用户信号的信噪比和信号传输过程中的调制方式，对合法用户信息进行信道编码；
S4、根据信道特性选择部分区域内的射频拉远单元作为服务该合法用户的发送单元；
S5、区域内被选择的射频拉远单元根据获得的合法用户信道信息进行空域预编码，将信号能量汇聚到合法用户，在合法用户所在的方向上发送信息信号；
S6、在发送信息信号的同时，区域内被选择的射频拉远单元剩余的天线自由度以相对于合法用户信道正交的方向上发送人工干扰信号；其他未被选中的射频拉远单元则根据实际需要，向合法用户所在位置外其他可接收到合法用户信号的区域发送人工干扰信号；
S7、合法用户在收到信息信号后，首先进行信号解调，然后通过信道译码获得正确的传输信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于分布式天线系统实现物理层安全的方法，其特征在于，所述步骤S4中部分区域内，其为以合法用户为中心且半径为r的圆形区域内。
3.根据权利要求1所述的一种基于分布式天线系统实现物理层安全的方法，其特征在于，所述步骤S6的人工干扰信号，其具体使用方式为：
区域内的射频拉远单元在获得信道hB后，令为hB零空间的一组标准正交基，并满足假定合法用户为单天线配置，而每个射频拉远单元有N个天线，所以hB的秩为1，而中含有N-1个正交矢量，在n时刻，区域内的射频拉远单元按以下方式在发射端产生位于hB零空间的噪声向量Q(n)：
噪声向量Q(n)是由中列向量经过线性组合得到的，线性组合系数a(n)随时间而独立变化且服从Gauss分布显然，Q(n)中的元素也符合零均值Gauss分布；射频拉远单元发送叠加了噪声向量的信息信号：
上式表示成矩阵的形式为：
其中s(n)是需要保密传输的信息比特符号，ω是波束形成向量；
上述发射过程表明，区域内被选择的射频拉远单元在指向合法用户的波束ω上发射信息信号，而在有潜在窃听者的方向β1、β2、…、βN-1上发射人工干扰信号；由于hB与βk正交，所以这些人工干扰信号并不影响合法用户的接收性能；又因为窃听用户和合法用户的地理位置不同，窃听信道hE与合法用户信道hB的相关性很小，hE中的矢量与βk没有明确的正交性，所以在波束β1、β2、…、βN-1上发射的噪声信号将恶化窃听者的接收信噪比，使得窃听者在信道译码时产生译码错误，使窃听者误比特率出现在0.5附近，实现了合法用户通信的安全。
4.根据权利要求1所述的一种基于分布式天线系统实现物理层安全的方法，其特征在于，所述步骤S5-S6中，分布式天线系统利用基站端发送无线信号的波束成形技术，将信号能量汇聚到合法用户，在合法用户的方向上发送信息信号，从而提高能效，降低窃听节点截获信息的可能性；基站将发送的干扰信号指向窃听者潜在可能出现的方位，同时避免对合法用户方位发送干扰。
5.根据权利要求1所述的一种基于分布式天线系统实现物理层安全的方法，其特征在于，所述步骤S6中，发送干扰信号的射频拉远单元，是能够根据需要进行选择的，既能够选择靠近用户的拉远单元，也能够选择其他拉远单元；射频拉远单元在无法预知窃听者位置和信道特性等先验知识的情况下，对所有窃听者可能能够截取到信息的位置，实施干扰，降低其接收信号时的信噪比，尽可能增大网络中合法用户通信时的安全容量；此外，从迷惑窃听者的考虑出发，在网络其他位置的射频拉远单元发送干扰窃听者判断的信号，造成窃听者无法判断网络中哪些单元在发送信息，哪些单元在发送干扰信号，达到进一步提高网络安全性能的目的。
6.根据权利要求1所述的一种基于分布式天线系统实现物理层安全的方法，其特征在于，所述步骤S6中，通过射频拉远单元发送的干扰信号，既能够是预先设定的伪随机信号，也能够是随机信号；射频拉远单元发送约定的伪随机干扰信号，有利于合法用户消除拉远单元发送的对窃听者的干扰信号对其接收信息的影响。
7.根据权利要求1所述的一种基于分布式天线系统实现物理层安全的方法，其特征在于，所述步骤S5中，利用合法用户附近的射频拉远单元波束成形方法最大限度保证了合法用户的接收信噪比，当合法用户处于运动中时，基站通过不断地获取信道的状态信息，使空域预编码参数和被选择的射频拉远单元随着用户位置的改变而改变。
8.根据权利要求1所述的一种基于分布式天线系统实现物理层安全的方法，其特征在于，在射频拉远单元接收用户信号的同时，利用全双工通信中自干扰抑制技术，边接收上行信号边发干扰，虽然射频拉远单元的天线间会相互干扰，但是它们之间的信道特性是可获知的，发送的干扰信号可以在基带处理单元经过事先的协调，这使得射频拉远单元对自干扰的抑制能力比窃听者对干扰的抑制能力大，从而保证了上行传输过程中的物理层安全。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109150333B (zh) * 2018-08-08 2021-02-12 广西师范大学 基于能量共享的分布式基站远程天线单元选择方法
CN109728841A (zh) * 2019-01-04 2019-05-07 北京邮电大学 一种多天线系统中基于接收天线激活模式的安全传输方法
CN109802903B (zh) * 2019-03-13 2021-04-13 哈尔滨工业大学 基于全双工信号对消的物理层安全传输方法
CN109996231A (zh) * 2019-04-22 2019-07-09 北京邮电大学 一种多天线系统中的保密通信方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104270227A (zh) * 2014-10-16 2015-01-07 中国人民解放军理工大学 多输入单输出系统中基于空移键控的物理层安全传输方法
GB2539465A (en) * 2015-06-17 2016-12-21 Kathrein Werke Kg A method and system for producing a jammer signal
CN106571837A (zh) * 2016-11-07 2017-04-19 华南理工大学 一种无线通信系统基于干扰强度的干扰发射机选择方法
CN106656217A (zh) * 2016-12-02 2017-05-10 华南理工大学 一种多射频单元基站系统的全双工传输方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104270227A (zh) * 2014-10-16 2015-01-07 中国人民解放军理工大学 多输入单输出系统中基于空移键控的物理层安全传输方法
GB2539465A (en) * 2015-06-17 2016-12-21 Kathrein Werke Kg A method and system for producing a jammer signal
CN106257850A (zh) * 2015-06-17 2016-12-28 凯瑟雷恩工厂两合公司 用于产生干扰信号的方法和系统
CN106571837A (zh) * 2016-11-07 2017-04-19 华南理工大学 一种无线通信系统基于干扰强度的干扰发射机选择方法
CN106656217A (zh) * 2016-12-02 2017-05-10 华南理工大学 一种多射频单元基站系统的全双工传输方法

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