CN107911191A - 基于时间反演技术的信息安全传输方法 - Google Patents

基于时间反演技术的信息安全传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及无线通信技术领域，公开了一种基于时间反演技术的信息安全传输方法；采用导频图案对合法信道和窃听信道进行信道估计；通过探测信道以获取信道状态信息；把信道状态信息进行时间反演；在发送端发送抗干扰噪声和有用信息；本发明采用了时间反演技术，利用其空间聚焦性，减小了信息被截获的可能性，增强了信息传输过程的安全性，由于信息聚焦于接收方，信息容易在接收点附近被窃听，在发送序列中加入干扰信息，所述干扰信息对接收方没有影响，对窃听方造成自干扰，从而有效降低了接收方误比特率，提高了保密容量，改善了系统的安全性能。

Description

基于时间反演技术的信息安全传输方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种基于时间反演技术的信息安全传输方法。
背景技术
无线通信依靠的是开放的自由空间，所有传输的信号都开放在信道之中。非法用户可能在信息传输过程对信息进行监听/捕获，因此，如何更有效的保证信息传输的安全成为日益突出的问题。
近年来对于无线信道的研究越来越深入，人们可以利用合法信道的唯一性以及互易性，来实现加密信息，产生密码，辨识合法用户的特性，增强物理层传输的安全性。时间反演技术在实现物理层安全方面有着独有的优势。它具有时间和空间聚焦性，使得信号只有在特定的时间和特定的空间内才可以被检测出来，而超出这个范围的信号很难被检测出来，从而提高信息传输安全。
信息的安全传输固然重要，但是信息的高效传输也是未来无线通信研究的主要方向。宽带无线通信系统与其它通信系统相比，具有高通信容量、高多径分辨率、不需要新频谱、保密性好等独特优点，成为下一代无线通信的关键技术之一。
目前相关文献已经提出了一些用于增强信息传输安全性的方法，其中零空间人工噪声方法和天线阵列随机加权方法是增强信息传输安全性的有效手段。另外，有人提出一种在合法信道的零空间内加人工噪声的方法，具体步骤为：发送者利用天线阵列冗余在合法信道的零空间内加入人工噪声，在合法信道方向上发送保密信号。当发送信号经过合法信道后，合法信道的零空间内人工噪声在自然信道中消除，合法信道方向上的保密信号被正常接收，因此人工噪声对合法接收者不产生影响。由于不同接收者的无线信道具有差异性，发送者所发送的人工噪声经过窃听者的信道后不会自然消除，导致窃听者接收信号的信噪比下降，进而保证了无线保密通信系统的低截获概率。
在现有技术中，上述安全传输方法都是利用多天线技术，但是随着天线数的增加，其计算复杂度也会急剧增加，使得该方法在实际传输过程中很难使用；同时，宽带通信网络同样面临许多挑战，比如多径能量的收集，接收机复杂度的降低，符号间干扰(InterSymbol Interference，简称ISI)的抑制等。而物理层中Wyner窃听信道模型是研究信息传输安全性的一个重要模型，因而如何将时间反演技术与物理层安全技术相结合，是需要亟待研究和解决的问题。
发明内容
鉴于以上问题，本发明讨论了针对Wyner窃听信道模型的宽带网络中的物理层安全问题，提出一种多天线系统中基于时间反演时间聚焦性的在发送端加人工噪声干扰的安全传输方案，具体为一种基于时间反演技术的信息安全传输方法，可以有效地反信源截获和抗干扰噪声，并能实现信息的安全传输，降低合法用户被窃听的概率，本发明提出的一种基于时间反演技术的信息安全传输方法：包括以下步骤：
S101：采用导频图案对合法信道和窃听信道进行信道估计；
S102：通过探测信道以获取信道状态信息；
S103：把所述信道状态信息进行时间反演；
S104：将抗干扰噪声和有用信息在发送端发送。
本发明的有益效果在于：本发明针对物理层安全研究中的窃听信道问题，提出了一种基于时间反演技术的信息安全传输方法。首先，在一个典型窃听信道模型中采用时间反演技术，利用其时空聚焦性提高信息传输过程中的安全性；其次，由于信息在聚焦点附近容易被窃听，在发送端加入人工噪声来扰乱窃听用户对保密信息的窃听。本发明采用的方案可以有效地提高保密信干噪比和可达保密速率，降低合法用户的误比特率。
附图说明
图1为本发明的一种基于时间反演技术的信息安全传输方法流程图；
图2为本发明多径信道下保密SINR随SNR变化的仿真比较图；
图3为本发明功率分配因子随可达保密速率变化的仿真比较图；
图4为本发明QAM调制下合法用户和窃听用户的平均误比特率随SNR变化的仿真比较图。
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，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，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。
下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步说明：
本发明提出了一种基于时间反演技术的信息安全传输方法，包括：
S101：采用导频图案对合法信道和窃听信道进行信道估计；
S102：通过探测信道以获取信道状态信息；
S103：把所述信道状态信息进行时间反演；
S104：将抗干扰噪声和有用信息在发送端发送；
进一步的，采用导频图案和人工噪声对干扰进行抑制包括：
考虑信道估计误差，进行窃听信道和合法信道两次信道估计，具体包括：
作为一种可选方式，合法接收方把导频发送长度Tp平均分为n段，每段长度为：ΔT＝Ti＝Tp/n,i＝1,…n，选取其中的m段发送导频信号，剩余的n-m段不发送导频信号；
在n-m段导频发送空间里，合法接收方不发送导频信号，窃听方发送导频干扰信号，发送方利用n-m段导频空间对应的接收信号获取窃听信道的近似信道估计所述近似信道估计为第一次信道估计。在m段导频发送区间里，合法接收方增大导频发送功率，窃听方继续发送导频干扰，发送方进行第二次信道估计得用所述窃听信道的第一次信道估计消除m段导频信号对应的第二次信道估计中的窃听信道部分。
作为另一种可选方式，在m段导频发送区间里，合法接收方增大导频发送功率，窃听方还是发送导频干扰，发送方进行第二次信道估计，在第二次信道估计结果中减去窃听信道，获取最终的信道估计结果；其中，第二次信道估计为：
其中，PB是导频信号发送功率，Tp是导频信号的长度，NB是合法接收方天线数，HBA为主信道状态矩阵，HEA为窃听信道状态矩阵，βBA表示发送方和合法接收方之间的大尺度路径损耗衰减系数，βEA表示发送方和窃听方之间的大尺度路径损耗衰减系数，PEp2为m段区间里的导频干扰功率，nA是发送方的独立加性复高斯噪声，对发送方来说，它无法区分窃听方的导频干扰功率和系统噪声功率，所以只能将作为干扰功率；NE为窃听方天线数，CP为归一化后的导频信号，为CP对应的共轭转置信号，满足 为导频信号的单位矩阵，为发送方处的噪声功率。
于是在第二次信道估计结果中减去窃听信道，最终的信道估计结果可以表示为：
进一步的，发送方或接收方首先发送探测脉冲以获取信道状态信息，发送探测脉冲的限制条件包括：接收信号中的噪声较小或无噪声；接收信号的多径分量之间不相互重叠、可以分辨。
进一步的，作为一种可选方式，发射天线上的发射信号为pm(t)，接收天线上的接收信号为rmn(t)，t表示时间；其具体实现过程包括：
①：参数输入：输入信号pm(t)，输出信号rmn(t)，阈值β；
②：初始化clean谱：令c(t)＝0和迭代次数记录i＝0；
③：建立方程；
④：搜索峰值Γi，并记录其在Γ(t)的位置τi；
⑤：清除对应分量，也即：rmn(t)＝rmn(t)-Γipm(t)；
⑥：更新clean谱：c(t)＝c(t)+Γiδ(t-τi)，更新迭代次数i＝i+1；
⑦：如果Γi>β，返回③，如果Γi<β，则停止；
⑧：所得hmn(t)＝c(t)即为时域信道脉冲响应。
进一步的，将人工噪声和有用信息在发送端发送包括：
采用基于马尔科夫块的维纳编码方案，生成抗干扰噪声；得到基于零空间的抗干扰噪声；将所述基于零空间的抗干扰噪声和有用信息同时按照系统安全速率从发送端发送。
进一步的，生成抗干扰噪声包括采用基于马尔科夫块的维纳编码方案，在最小误差准则下编码，通过同时对空域干扰和噪声做优化，使接收信号的最小均方误差最小化，同时保证最大信道容量和最低错误符号率，从而生成抗干扰噪声。
优选的，基于零空间的抗干扰噪声包括：将所述抗干扰噪声通过基于合法信道矩阵的零空间和窃听信道，求得所述基于零空间的抗干扰噪声；其中，所述合法信道矩阵和基于零空间的抗干扰噪声满足：HW＝0，其中，H为合法信道矩阵，W为基于零空间的抗干扰噪声。
对合法信道：合法用户接收信号为rr＝HS+nr，S为有用信号向量，nr表示合法用户接收到的高斯白噪声矩阵。
对窃听信道：窃听用户接收信号为re＝HeS+HeW+ne，He为窃听信道矩阵，ne表示窃听用户接收到的高斯白噪声矩阵，S为有用信号向量。可以看出，抗干扰噪声对窃听信道造成了干扰，对合法信道没有影响，从而达到保密通信的效果。
进一步的，所述系统安全速率包括：使用连续零和博弈的方法反信源截获，具体包括：
作为一种可选方式，建立发送方和恶意干扰者之间的连续零和博弈模型；发送方在各个子载波上进行功率控制，利用博弈中的最大最小方法和逆向回溯方法，分别得到在策略博弈场景下和扩展式博弈场景下的均衡条件及结果，以及最大化系统安全速率。
进一步的，作为另一种可选方式，在恶劣的干扰窃听环境下，利用中继选择算法，通过混合策略均衡选择中继，以系统的保密速率作为收益，分别在策略博弈和扩展式博弈的场景中，详细分析恶意干扰和中继两者可能产生的局势，从而提高系统安全性能。
进一步的，优选的，发送方同时发送人工噪声和有用信息，扰乱窃听信道的窃听，由于时间反演聚焦性，发送端把能量聚焦于接收端处，而窃听方无法解调出有用信息，达到保密传输的效果，实现了抗非法窃听。
优选的，在MISO窃听信道下，发送方的发送信号向量为：
X＝S+W
S为要发送的保密信息向量，W为基于零空间的抗干扰噪声向量，且满足HW＝0，H为合法信道矩阵。系统整体功率为P，α为功率分配因子，即设定：
E(SHS)＝αP
E(WHW)＝(1-α)P
其中，E(·)表示期望，(·)H表示转置。
复杂多径信道中，用n∈{r,e}分别表示合法用户和窃听用户，合法信道和窃听信道为维数为2M×L的矩阵HI＝[h1,r…hM,rh1,e…hM,e]T，L为可分辨的多径的数目，其中H＝[h1,r…hM,r]表示合法信道矩阵，He＝[h1,e…hM,e]表示窃听信道矩阵。
进一步的，发送天线m(0≤m≤M)和用户之间的信道冲激响应(Channel ImpulseResponse，简称CIR)可以表示为：
其中，αmn,l和τmn,l分别表示第l条多径的幅度和时延，且0≤l≤L-1，CIR在时域上离散化后的矩阵为：对每条链路，hmn[l]表示CIR在时域上离散化后的矩阵的第l个矩阵元素，hmn[l]是循环对称复高斯随机变量(Circular Symmetric Complex Gaussian，简称CSCG)，hm,n∈CL×1，CL×1表示为L行1列的复数矩阵，即满足E[hmn[l]]＝0，E(·)表示期望，其中，TS为系统采样周期，σT为信道均方根延迟扩展。
信息序列由时间反演镜(Time Reversal Mirror，简称TRM)的向量gm,r∈CL×1调制，gm,r的每个分量记为：
上式中，|| ||表示Frobenius范数，表示共轭，hm,r表示发送方m根天线与合法用户天线之间的信道矩阵，hm,r∈CL×1：hm,r是CSCG，hm,r表示合法信道矩阵hm,r的一个分量。
合法用户的接收信号为：
窃听用户接收信号为：
合法用户的等效CIR表示：
其中，nr表示合法用户接收到的高斯白噪声矩阵，ne表示窃听用户接收到的高斯白噪声矩阵。
代表处于非聚焦区域r1处的窃听用户的CIR，对窃听用户，忽略ISI和IUI，所述窃听用户的等效CIR为：
进一步的，实现抗非法窃听包括：建立发送方和恶意干扰者的连续零和博弈模型，推导模型的系统安全速率；对于一个高斯窃听信道模型，由物理层零空间法，可达保密速率计算公式为：
其中，P表示发送方的发射功率，α表示功率分配因子，定义为信号占发射功率的比值(0≤α≤1)，分别为合法用户和窃听用户的信道噪声，h∈CM×1表示Hr的零空间的标准正交基，即HrH＝0，且|h|2＝1，分配给噪声的功率为(1-α)P，所述可达保密速率等效为所述系统安全速率，采用TR技术后的可达保密速率为：
γart(r)和γart(e)分别表示采用人工噪声后的合法用户和窃听用户的SINR，且：
|nr[L]|2和|ne[L]|2分别表示采用TR技术后的合法用户和窃听用户的信道噪声最大值的平方，PSig(r)表示合法用户接收到的信号功率，PISI(r)表示合法用户符号间干扰功率，PIUI(r)表示合法用户与窃听用户之间的干扰功率，PSig(e)表示窃听用户接受到的信号功率，PISI(e)表示窃听用户符号间干扰功率，PIUI(e)表示窃听用户与合法用户之间的干扰功率。
作为一种可选方式，所述在发送端加人工噪声和有用信息一起传输后还包括S105：对信息传输的结果进行安全性能分析，包括：分析合法信道和窃听信道的误码率，分析保密信干噪比、可达保密速率和误码率，具体包括：通过理论分析和推导，得出保密信干噪比和可达保密速率的解析式，根据已有误比特率推导方式，采用QAM调制，具体分析合法信道和窃听信道的误码率，并进行仿真验证。
在满足上述信息传输过程的前提下，分析系统的保密信干噪比，对于一个窃听信道模型，保密SINR可以衡量该系统的安全性能，记为：
γr表示合法用户的SINR，γe表示窃听用户的SINR。误比特率也是衡量系统安全性的一个指标，分别讨论合法信道和窃听信道的误比特率，合法用户平均误比特率：
其中，M为发射端天线数目，为平均比特信噪比，i∈[0,M-1]。则对窃听用户而言，平均接收功率：
窃听用户的平均信噪比为由于窃听用户信道状态已知，窃听用户平均误比特率也可根据公式获得。
图2是多径信道下保密SINR随SNR变化的仿真结果，发送天线数设为4和2，用户数为2，功率分配因子α＝0.3。从图2中看出，保密SINR随SNR的增加而增大，天线数越多，保密SINR越大。对比文献《Time-Reversal Division Multiple Access over Multi-PathChannels》(图2-4中文献[12])和文献《Digital Communication over Fading Channels》(图2-4中文献[15])，本发明采用人工噪声和TR技术相结合的方法的保密SINR更高，安全性能更好，且三种方案理论分析和仿真结果一致。
图3是功率分配因子随可达保密速率变化的仿真结果，发送方总功率固定为P＝20dB，天线数M＝4和M＝2。可达保密速率由10000次独立的蒙特卡洛仿真结果取平均得到。从图3可以看出，天线数越多，可达保密速率越大。相同条件下，本发明得到的可达保密速率始终大于已有文献只采用人工噪声时的可达保密速率，且两种方案理论分析和仿真结果一致。在P和M一定的条件下，随着增大，可达保密速率先增大后减小，并且两种方案的差异越来越小。由可达保密速率表达式可以看出，当α＝1时，即全部发送有用信号，可达保密速率为0，图3正好反映了这一点。已有文献(图3中文献[12])只采用了TR技术，此时的可达保密速率如图中箭头所示，也即是对比文献《Time-Reversal Division Multiple Access overMulti-Path Channels》中的可达保密速率均为0。该结果表明，信号和人工噪声功率的分配影响可获得的可达保密速率，存在一个最佳的功率分配方案使可达保密速率最大。当α较小时，发送人工噪声的功率较多，本文方案利用TR时间聚焦性在发端加干扰对合法接收方性能改善较大，而随着α的增大，人工噪声功率逐渐减小，本发明对合法接收端信噪比的改善作用也逐渐提高，因此对可达保密速率的提升也相应减小。
图4是QAM调制下合法用户和窃听用户的平均误比特率随SNR变化的结果，发送端天线M＝8，合法用户和窃听用户均采用最大似然译码。从仿真结果曲线可以看出，合法用户误比特率的仿真结果与理论分析结果一致。与传统人工噪声方案和只采用TR技术方案比较，本发明提出的方案在保证窃听用户误比特率基本不变的条件下，降低了合法用户的误比特率，提高了系统安全性能。
本发明以上实施例对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所举实施方式或者实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于时间反演技术的信息安全传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101：采用导频图案对合法信道和窃听信道进行信道估计；
S102：通过探测信道以获取信道状态信息；
S103：把所述信道状态信息进行时间反演；
S104：将抗干扰噪声和有用信息在发送端发送。
2.根据权利要求1所述的一种基于时间反演技术的信息安全传输方法，其特征在于，所述采用导频图案对合法信道和窃听信道进行信道估计包括：根据信道估计误差进行窃听信道估计和合法信道估计，并获取最终的信道估计结果，具体包括：
合法接收方把导频发送长度Tp平均分为n段，选取其中的m段向发送方发送导频信号，剩余的n-m段不发送导频信号；
在n-m段导频发送空间里，合法接收方不发送导频信号，窃听方发送导频干扰信号，发送方利用n-m段导频空间对应的接收信号获取窃听信道的近似信道估计所述近似信道估计为第一次信道估计，在m段导频发送区间里，合法接收方增大导频发送功率，窃听方继续发送导频干扰，发送方进行第二次信道估计得用所述窃听信道的第一次信道估计消除m段导频信号对应的第二次信道估计中的窃听信道部分。
3.根据权利要求1所述的一种基于时间反演技术的信息安全传输方法，其特征在于，所述通过探测信道以获取信道状态信息包括：信道冲激响应被假定至少在一个固定的探测和传输周期中，用clean算法对信道进行探测，具体包括：发送方或接收方发送探测脉冲以获取信道状态信息，发送探测脉冲的限制条件包括：接收信号中的噪声较小或无噪声，以及接收信号的多径分量之间不相互重叠。
4.根据权利要求1所述的一种基于时间反演技术的信息安全传输方法，其特征在于，所述把所述信道状态信息进行时间反演包括：
所述时间反演包括时域时间反演和频域时间反演，所述频域时间反演包括：分别探测传输函数的幅值传输函数与相位传输函数，在所述幅值传输函数不变的情况下，将所述相位传输函数共轭转置后，得到时间反演函数；所述时域时间反演包括：直接将信道冲激响应在二维坐标系上的图像关于y轴对称，得到所述时域时间反演后的时间反演函数图像，从而得到时间反演函数。
5.根据权利要求1所述的一种基于时间反演技术的信息安全传输方法，其特征在于，所述将抗干扰噪声和有用信息在发送端发送，具体包括：采用基于马尔科夫块的维纳编码方案，生成抗干扰噪声；计算基于零空间的抗干扰噪声；将所述基于零空间的抗干扰噪声和有用信息同时按照系统安全速率从发送端发送。
6.根据权利要求5所述的一种基于时间反演技术的信息安全传输方法，其特征在于，所述采用基于马尔科夫块的维纳编码方案，生成抗干扰噪声包括：采用基于马尔科夫块的维纳编码方案，在最小误差准则下编码，同时对空域干扰和噪声做优化，使接收信号的最小均方误差最小化，同时保证最大信道容量和最低错误符号率，从而生成抗干扰噪声。
7.根据权利要求5所述的一种基于时间反演技术的信息安全传输方法，其特征在于，所述计算基于零空间的抗干扰噪声包括：将所述抗干扰噪声通过基于合法信道矩阵的零空间和窃听信道，求得所述基于零空间的抗干扰噪声；其中，所述合法信道矩阵和基于零空间的抗干扰噪声满足：HW＝0，其中，H为合法信道矩阵，W为基于零空间的抗干扰噪声；
对合法信道：合法用户接收信号为rr＝HS+nr，S为有用信号向量，nr表示合法用户接收到的高斯白噪声矩阵；
对窃听信道：窃听用户接收信号为re＝HeS+HeW+ne，He为窃听信道矩阵，ne表示窃听用户接收到的高斯白噪声矩阵，S为有用信号向量。
8.根据权利要求5所述的一种基于时间反演技术的信息安全传输方法，其特征在于，所述系统安全速率包括：采用连续零和博弈的方法反信源截获，具体为：建立发送方和恶意干扰者之间的连续零和博弈模型；发送方在各个子载波上进行功率控制，利用博弈中的最大最小方法和逆向回溯方法，分别得到在策略博弈场景下和扩展式博弈场景下的均衡条件及结果，以及最大化的系统安全速率。
9.根据权利要求1-8中任一所述的一种基于时间反演技术的信息安全传输方法，其特征在于，所述将抗干扰噪声和有用信息在发送端发送还包括:对信息传输的结果进行安全性能分析具体包括：
分析保密信干噪比、可达保密速率和误码率，包括：通过理论分析和推导，得出保密信干噪比和可达保密速率的解析式，根据已有误比特率推导方式，采用QAM调制，分析合法信道和窃听信道的误码率，并进行仿真验证。
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