CN107820241A - 一种基于信道特性的协作安全传输方法 - Google Patents

一种基于信道特性的协作安全传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于信道特性的协作安全传输方法，所述协作安全传输方法包括以下步骤：构建带窃听节点的协作通信系统模型，分别获取源节点与目的节点之间、源节点与中继节点、以及中继节点与目的节点之间的信道传输参数；第一个时隙，源节点发送编码后的信号；第二时隙中，中继节点接收信号并进行转发；目的节点对收到的两路信息进行合并处理，并使用源节点与目的节点之间信道传输参数、与中继节点与目的节点之间的信道传输参数对合并后的信息进行解密。本方法利用信道参数的随机特性，实现了无线协作通信网络中数据的安全与稳定传输。

Description

一种基于信道特性的协作安全传输方法
技术领域
本发明涉及无线网络物理层安全领域，尤其涉及一种基于信道特性的协作安全传输方法，利用信道的特性作为信息传输密钥，保证信息不被非法节点解码的物理层安全加密技术。
背景技术
无线通信具有开放性，任何人都能接收到信源广播到的无线信号，信息的传播暴露在视野之下、暴露在空中，保密性远远不如有线通信。在通信加密技术的使用上，通常的做法是发送信息前对信息本身进行加密，最后在接收端解密。
但是对于无线通信，信息在传输过程中更加容易让第三方获取，随着密码学的发展以及设备运算能力的提高，这样的加密方式被破解的机率也越来越高。
发明内容
本发明提供了一种基于信道特性的协作安全传输方法，本方法利用信道参数的随机特性，实现了无线协作通信网络中数据的安全与稳定传输，详见下文描述：
一种基于信道特性的协作安全传输方法，所述协作安全传输方法包括以下步骤：
构建带窃听节点的协作通信系统模型，分别获取源节点与目的节点之间、源节点与中继节点、以及中继节点与目的节点之间的信道传输参数；
第一个时隙，源节点发送编码后的信号；第二时隙中，中继节点接收信号并进行转发；
目的节点对收到的两路信息进行合并处理，并使用源节点与目的节点之间信道传输参数、与中继节点与目的节点之间的信道传输参数对合并后的信息进行解密。
其中，所述源节点与目的节点之间信道传输参数为：
用估算解出源节点与目的节点之间信道传输参数Hsd；
其中，y1,y2,…,yt为目的节点接收的源节点发送的t个符号；x1,x2,…,xt为源节点发送的t个符号；htt为源节点发送第t个符号到目的节点接收到第t个符号时的信道参数。
其中，所述源节点与中继节点、以及中继节点与目的节点之间的信道传输参数具体为：
[y1′,y2′,…,yt′]T＝Hrd·[x′1,x′2,…,xt′]T+nrd
[x′1,x′2,…,xt′]T＝Hsr·[x1,x2,…,xt]T+nsr
其中，nrd为中继节点与目的节点之间的噪声；nsr为源节点到中继节点之间的噪声。
其中，所述目的节点对收到的两路信息进行合并处理，并使用源节点与目的节点之间信道传输参数、与中继节点与目的节点之间的信道传输参数对合并后的信息进行解密具体为：
ycomb＝A·ysd+B·yrd
＝(A·Hsd+B·β·Hrd·Hsr)·x+ncomb
＝Hcomb·x+ncomb
ncomb＝A·nsd+B·β·nsr+nrd
ysd为第一个时隙中目的节点收到的信号；yrd为第二个时隙中目的节点收到的信号；A和B为合并时的权重系数；ycomb为；Hcomb为；Hsd为；Hsr为；Hrd为中继节点到目的节点的信道传输参数，β为中继节点放大转发的放大系数；ncomb为总体噪声。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本发明通过使用信道特性作为数据传输过程中的加密密钥，以此对数据进行处理发送；
2、本发明通过中继转发提升通信系统稳定性，从而达到无线通信系统的更稳定和更安全传输的目的。
附图说明
图1为带窃听节点的协作通信系统模型的示意图；
图2为一种基于信道特性的协作安全传输方法的流程图；
图3为MATLAB仿真实验结果图。
其中，(a)为源节点所发送的原图像；(b)为目的节点接收到源节点与中继节点发送数据合并处理后最终重构的图像；(c)为目的节点接收到中继节点发送数据重构的图像；(d)为目的节点接收到源节点发送数据重构的图像；(e)为窃听节点最终重构图像。
具体实施方式
物理层加密利用了无线传输的信道特性，利用信道传输特性对信息进行加密，其他节点无法得知通信双方之间的信道特性，因此也就无法获取到发送方发出的信息，从而达到保密的目的。
在无线通信中，协作通信被用来提升系统的稳定性，基本思想是通过中继或者与其他用户协作来完成相互之间的通信，利用无线信道中的广播特性，使得多个终端能够通过互相的协作来改善传输的质量。对于接收端，将多个来自不同路径的信号进行合并，形成类似空间分集天线接收的效果，从而改善系统性能。
上述方法中节点首先测定信道参数，通过测得的参数对信息进行加密处理，最终数据通过中继节点转发，接收节点对接收到的两路信号进行合并处理解码，由于信道参数的测定环节在源节点、中继节点与目的节点之间进行，非法窃听节点无法得知他们之间的信道状况因此无法对窃听到的信息进行解密处理，从而实现传输的稳定与安全。
实施例1
一种基于信道特性的协作安全传输方法，参见图1和图2，该协作安全传输方法包括以下步骤：
101：构建带窃听节点E的协作通信系统模型，分别获取源节点S与目的节点D之间、源节点S与中继节点R、以及中继节点R与目的节点D之间的信道传输参数；
102：第一个时隙，源节点S发送编码后的信号；第二时隙中，中继节点R接收信号并进行转发；
103：目的节点D对收到的两路信息进行合并处理，并使用源节点S与目的节点D之间信道传输参数、与中继节点R与目的节点D之间的信道传输参数对合并后的信息进行解密。
综上所述，本发明实施例提供了一种基于信道特性的协作安全传输方法，通过将合法节点之间的信道参数信息运用在信息加密过程中，并通过协作通信增强系统稳定性，以保证数据的稳定安全传输。
实施例2
下面结合图1、图2、以及具体的计算公式对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：
201：构建带窃听节点的协作通信系统模型；
参见图1，该协作通信系统模型包含：源节点S、中继节点R、目的节点D与窃听节点E。
202：信道参数的测量阶段；
其中，源节点S和目的节点D互相发送一段已知的信息，并经过中继节点R转发，测定源节点S与目的节点D之间、源节点S与中继节点R，中继节点R与目的节点D之间的信道传输参数Hsd、Hsr与Hrd。
假定在一段时间内，源节点S共发送了t个符号，分别为x1,x2,…,xt，相应的，在目的节点D接收到了源节点S发送来的t个符号，分别为y1,y2,…,yt，目的节点D随后转发了源节点S所发送的t个符号x′1,x′2,…,xt′，目的节点D接收到的信号表示为y1′,y2′,…,yt′，设定这次传输过程的源节点S到目的节点D、以及中继节点R到目的节点D之间的信道传输参数分别为Hsd与Hrd，可得：
[y1,y2,…,yt]T＝Hsd·[x1,x2,…,xt]T+nsd，即
其中，nsd为源节点与目的节点之间的噪声；htt为源节点发送第t个符号到目的节点接收到第t个符号时的信道参数。。
用估算解出信道参数Hsd。
同理对于中继节点R转发给目的节点D的信息，[y1′,y2′,…,yt′]T＝Hrd·[x′1,x′2,…,xt′]T+nrd，可以测量出Hrd。其中，nrd为中继节点与目的节点之间的噪声。
对于源节点S发送给目的节点D的信息，[x′1,x′2,…,xt′]T＝Hsr·[x1,x2,…,xt]T+nsr，可测量出源节点S与中继节点R之间的信道参数Hsr。其中，nsr为源节点与中继节点之间的噪声。
203：数据通信过程分成两个时隙进行，第一个时隙，源节点S发送编码后的信号；第二时隙中，中继节点R接收信号并进行转发；
其中，在第一个时隙中，源节点S发送编码后的信号x，目的节点D、窃听节点E、以及中继节点R收到的信号分别为ysd，yse和ysr：
ysd＝Hsd*x+nsd
yse＝Hse*x+nse
ysr＝Hsr*x+nsr
其中，Hsd，Hse，Hsr分别为源节点S到目的节点D、窃听节点E、以及中继节点R的信道传输参数；nse为源节点与窃听节点之间的噪声；x为编码后的信号。
其中，在第二个时隙中，中继节点R对接收到的信号xr进行转发，目的节点D、窃听节点E收到的信号分别为yrd，yre：
yrd＝β·Hrd*xr+nrd
yre＝β·Hre*xr+nre
其中，Hrd，Hre分别为中继节点R到目的节点D、窃听节点E的信道传输参数，β为中继节点R放大转发的放大系数，xr为中继节点R接收到源节点S发送的信号。
204：目的节点D对数据的合并与处理；
最终，目的节点D对收到的两路信息ysd和yrd进行合并处理，并使用信道传输参数Hsd与Hrd对收到的信息进行解密。
假定一段时间内信道的参数保持不变，即信道传输参数Hsd、Hsr与Hrd均已知。
其中，xr＝ysr，所以：
yrd＝β·Hrd*xr+nrd
＝β·Hrd(Hsr*x+nsr)+nrd
＝β·Hrd·Hsr·x+β·nsr+nrd
最终，目的节点D将两路信号ysd与yrd进行合并，
ycomb＝A·ysd+B·yrd
＝(A·Hsd+B·β·Hrd·Hsr)·x+ncomb
＝Hcomb·x+ncomb
其中，ycomb为目的节点将源节点与中继节点两路信号合并后的信号，Hcomb为推算出的从源节点和目的节点一起发送源信号的等效传输矩阵，A和B为合并时的权重系数，可根据不同情况调整，ncomb为总体噪声，即：
ncomb＝A·nsd+B·β·nsr+nrd。
由于对于目的节点D，A、B、Hsd、Hsr与Hrd均为已知参数，因此Hcomb已知，最终可以解得源节点D发送的信息x。
205：安全性分析。
对于窃听节点E，在信道参数的测量阶段，无法参与合法节点之间信道参数的测量，因此无法获取信道参数信息，即使窃听节点E能够单方面进行估算，也只能估算出源节点S与自身、中继节点R与自身之间的信道传输参数Hse与Hre。
由无线信道特性可知，由于位置或者其他外界条件的不同，两个节点之间的信道参数不可能完全相同，因此信道传输参数Hse与Hre对窃听节点E恢复所窃听信息合法信息的解密没有帮助，因此无法获取消息内容。
同时，由于信道特性随时间不是一成不变的，在合法节点进行一段时间的传输后，需要重新测量信道参数并重新对发送数据进行处理，才能保证合法节点接收信息的准确。
因此窃听节点E不能通过长期监听源节点S和中继节点R转发的消息来获取到合法节点之间的信道信息，避免了传统密钥加密当窃听节点接收到大量传输样本破解加密密钥的风险。
综上所述，本发明实施例提供了一种基于信道特性的协作安全传输方法，通过将合法节点之间的信道参数信息运用在信息加密过程中，并通过协作通信增强系统稳定性，以保证数据的稳定安全传输。
实施例3
下面结合具体的实验数据、图3对实施例1和2中的方案进行可行性验证，详见下文描述：
实验采用如图1所示的通信模型，使用MATLAB仿真了512×512维度的灰度Lenna图像使用本说明书方法的发送与重构过程。
首先将灰度图像的0～255灰度值转化为8位的二进制格式，源节点S所发送的数据为维度为512×4096的0-1比特流，使用维度为512×512的随机高斯矩阵作为传输矩阵H，源节点S将图像数据按列发送，共发送4096次。
对于一次发送过程，共有t＝512个符号，第一时隙，源节点S将信号以10-3W的功率发送，源节点S与中继节点R之间的传输矩阵为Hsr，源节点S与目的节点D之间的传输矩阵为Hsd，源节点S与中继节点R之间的噪声为nsr，源节点S与目的节点D之间的噪声为nsd。
第二个时隙，中继节点R转发收到的信号，中继节点R与目的节点D之间的传输矩阵为Hrd，噪声为nrd。实验中所有噪声功率设定为10-6W。
实验时采用的源节点S与目的节点D两路发送信号的权重系数为0.5，目的节点D接收到的合并后的信号为：
对于目的节点D，Hsd、Hrd、Hsr均已知，通过估计使用矩阵方程组求解可从ycomb恢复重建原始信号
最后将4096组数据合并，重新转化为0～255灰度值，恢复成图像。
窃听节点E通过源节点S与窃听节点E、中继节点R与窃听节点E、以及估算的源节点S与目的节点D之间的信道参数通过窃听到的ycomb使用同样方式尝试重构数据最终通过同样的操作恢复图像数据，结果如图3中结果所示。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于信道特性的协作安全传输方法，其特征在于，所述协作安全传输方法包括以下步骤：
构建带窃听节点的协作通信系统模型，分别获取源节点与目的节点之间、源节点与中继节点、以及中继节点与目的节点之间的信道传输参数；
第一个时隙，源节点发送编码后的信号；第二时隙中，中继节点接收信号并进行转发；
目的节点对收到的两路信息进行合并处理，并使用源节点与目的节点之间信道传输参数、与中继节点与目的节点之间的信道传输参数对合并后的信息进行解密。
2.根据权利要求1所述的一种基于信道特性的协作安全传输方法，其特征在于，所述源节点与目的节点之间信道传输参数为：
用估算解出源节点与目的节点之间信道传输参数Hsd；
其中，y1，y2，...，yt为目的节点接收的源节点发送的t个符号；x1，x2，...，xt为源节点发送的t个符号；htt为源节点发送第t个符号到目的节点接收到第t个符号时的信道参数。
3.根据权利要求1所述的一种基于信道特性的协作安全传输方法，其特征在于，所述源节点与中继节点、以及中继节点与目的节点之间的信道传输参数具体为：
[y′1，y′2，...，y′t]T＝Hrd·[x′1，x′2，...，x′t]T+nrd
[x′1，x′2，...，x′t]T＝Hsr·[x1，x2，...，xt]T+nsr
其中，nrd为中继节点与目的节点之间的噪声；nsr为源节点到中继节点之间的噪声。
4.根据权利要求1所述的一种基于信道特性的协作安全传输方法，其特征在于，所述目的节点对收到的两路信息进行合并处理，并使用源节点与目的节点之间信道传输参数、与中继节点与目的节点之间的信道传输参数对合并后的信息进行解密具体为：
ycomb＝A·ysd+B·yrd
＝(A·Hsd+B·β·Hrd·Hsr)·x+ncomb
＝Hcomb·x+ncomb
ncomb＝A·nsd+B·β·nsr+nrd
ysd为第一个时隙中目的节点收到的信号；yrd为第二个时隙中目的节点收到的信号；A和B为合并时的权重系数；ycomb为；Hcomb为；Hsd为；Hsr为；Hrd为中继节点到目的节点的信道传输参数，β为中继节点放大转发的放大系数；ncomb为总体噪声。
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