CN108337675A - 一种适用于单天线系统的基于波形设计的物理层安全通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于单天线系统的基于波形设计的物理层安全通信方法，设单天线包括一个信号发送端、一个信号接收端和非法偷听端，信号发送端和偷听端进行点对点的直接扩频通信，非法偷听端对发送端的信号进行偷听，基于波形设计的物理层安全通信方法中，发送端首先对偷听端的信道信息进行自适应判断，并分别针对已知偷听端信道的情况和未知偷听端信道的情况对发送端的扩频通信波形进行优化。本发明通过的两种偷听者信道假设下的扩频波形设计方案可以有效的弱化非法偷听者的接收，增强合法通信双方的通信安全性，并同时具有易于实现，计算复杂度低的特点。

Description

一种适用于单天线系统的基于波形设计的物理层安全通信 方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种适用于单天线系统的基于波形设计的物理层安全通信方法。

背景技术

移动通信和卫星通信与光线通信一起，并称为现代通信技术中的三大新兴通信手段。在现今阶段，无线通信已经得到了广泛的普及，在无线通信领域，最主要的技术指标主要有有效性和可靠性。然而，随着信息化演进的逐渐深入，人们对于自身信息的安全性的需求也越发的重视起来。

传统的通信安全性主要依赖与通信网络上层的加密和认证算法实现，加密算法主要利用特定运算的复杂性，如数论中的RSA源于整数因数分解问题和DSA源于离散对数问题。加解密的具体操作主要由两个部分组成，即算法和密钥。密钥是用于进行加密和解密的秘密参数，通常仅为合法通信双方所知。按照密钥分配管理方式的不同，可以把加密分为对称加密算法和非对称加密算法两种。但是在无线通信中，现有的加密算法面临着如下的挑战：对称加密算法的密钥分配管理问题和非对称加密算法的计算复杂问题。除此之外，现有的加密算法的安全理论基础为计算复杂性理论，即对某些特定问题的求解需要占用大量的资源，因而达到规定时间内的破解不可能性。然而，基于计算复杂度的算法并没有严格的数学证明，针对算法采用数论的理论研究层面上的突破将降低加密算法安全性。近年来，超级计算机的快速发展和并行计算的研究的进展也从技术角度上对现有加密的算法带来了新的挑战。与此相对的，信息论的研究早已经揭示也可以在通信的下层，即物理层，通过一定的信号处理方法或者编码手段来保证通信安全，即物理层安全。和传统的方法相比，基于物理层方法的保密性有更为严格的证明，是可证的完备的安全。此外，物理层安全的方法还具有实现复杂度低的优点，因此，成为无线通信中的一个热门研究领域。

物理层安全的理论基础最早可以追述到香农针对保密系统的研究，随后，维纳针对不完美信道研究进一步表明，可以利用非理想信道的差异性来实现完美的保密性。香农和维纳对于安全性的定义都是基于概率学上的不能恢复性，也就是对于偷听者而言，接收信号和发送信号的互信息为零。从这个意义上而言，物理层安全比加密安全更为严格。现有的实用性的物理层安全技术研究主要针对多天线(MIMO)系统，利用多天线系统在空间上自由度，利用波束成形和人工噪声的方法实现偷听者接收困难的物理层安全。或者利用中继系统(Cooperative Relay)多跳上的自由度，通过协作的方式进行安全的增强。现有技术中Mukherjee等人(参考文献:A.Mukherjee and A.L.Swindlehurst.Robust Beamformingfor Security in MIMO Wiretap Channels With Imperfect CSI[J].IEEE IEEETrans.on Signal Proc.,第59卷,第1期,pp.351-361,2010)给出了MIMO系统中在不完全信道信息一种鲁棒性的波束成形方法。Jing Huang等人(参考文献:J.Huang andA.L.Swindlehurst.Cooperative Jamming for Secure Communications in MIMO RelayNetworksp[J].IEEE Trans.on Signal Proc.,第59卷,第10期，pp.4871–4884，2011)研究了在MIMO中继网络中一种通过协作干扰方式实现中继网络的安全通信的方法。现有的物理层方法主要针对利用无线通信中的空域上的自由度，通过波束成形或多跳选择等的方法来弱化偷听端的偷听。而基于扩频通信的时域上的自由度来增强通信的安全性的方法仍然有待研究。在无线通信网络中，存在着大量的单天线系统。在这些单天线系统中，无法利用多天线系统的空域特性，针对于此，需要采用新方法对单天线系统的安全性进行进一步的提升。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种适用于单天线系统的基于波形设计的物理层安全通信方法，设单天线包括一个信号发送端、一个信号接收端和非法偷听端，信号发送端和偷听端进行点对点的直接扩频通信，非法偷听端对发送端的信号进行偷听，基于波形设计的物理层安全通信方法中，发送端首先对偷听端的信道信息进行自适应判断，并分别针对已知偷听端信道的情况和未知偷听端信道的情况对发送端的扩频通信波形进行优化：

S1:判断偷听端的信道信息进行自适应判断：

S1a:若发送端已知偷听端的信道信息，则采用基于信道特性的单天线波形设计方法优化发送端发送波形和功率实现保密通信；

S1b:若发送端未知偷听端的信道信息，则采用基于人工噪声的波形设计方法方式优化发送端的发送波形和功率实现保密通信。

在已知偷听端信道信息的情况下，基于信道特性的单天线波形设计方法包括以下步骤：

S1：对信号发送端和信号接收端之间的信道进行估计：发送端和接收端通过导频信号训练方式估计信道信息H_b，并假设偷听端的信道信息H_e为发送端获知；

S2：计算信道的Q矩阵：估计信道的干扰噪声的自相关矩阵R_b和R_e,并计算对应的和

S3：设计扩频波形：首先取扩频波形s为矩阵(Q_e,Q_b)的对应特征值最小的特征向量q_L，并验证其是否满足功率限制条件若满足条件，取s＝q_L为最终的发送波形E为发送功率，并跳过S4，直接结束；若不满足条件，那么执行S4；

S4：在不满足能量限制的条件下，采用KKT条件下的二分法确定最终的扩频波形；

在未知偷听端信道信息的情况下，基于基于人工噪声的波形设计方法方式包括以下步骤：

S11：计算信道的Q矩阵：估计信道的干扰噪声的自相关矩阵R_b,并计算对应的

S21：设计扩频波形：取Q_b对应特征值最大的特征向量q₁作为扩频波形s，使得满足合法接收者QoS要求情况下，发送能量达到最小，此时，发送信号能量为

S31：采用剩余的能量生产人工噪声AN，设计人工噪声AN信号通过自相关矩阵产生，其中，W＝[q₂,...,q_L]，是由Q_b的与扩频发送波形s＝q₁,相正交的其他L-1个特征向量组成。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种适用于单天线系统的基于波形设计的物理层安全通信方法，本方法利用无线信道自在的随机性，借鉴物理层安全的思想，通过对合法收发方的扩频波形进行设计，为单天线(SISO)系统的提供了一种实用化的安全增益解决方案，本方法针对偷听者信道已知的情况，提出了一种基于信道和干扰噪声的特征矩阵Q_b和Q_e波形分解的扩频波形设计方法，在保证合法通信能够正常进行的前提下，最小化偷听者接收信号的SINR，针对窃听信道未知的情况下，提供了一种最小化发送能量和添加人工噪声AN的扩频波形设计的联合方案。最小化发送能量能够有效地减小非法偷听者的接收，而添加人工噪声将进一步恶化偷听者的接收。因此本发明通过的两种偷听者信道假设下的扩频波形设计方案可以有效的弱化非法偷听者的接收，增强合法通信双方的通信安全性，并同时具有易于实现，计算复杂度低的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中基本的单天线通信系统模型示意图；

图2为本发明中扩频码长度L取为8时得到SINR仿真图；

图3为本发明中扩频码长度L取为8时得到BER仿真图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面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的描述：

如图1所示的一种适用于单天线系统的基于波形设计的物理层安全通信方法，本方法依据无线信道的独一性，利用用户在扩频波形空间上的自在性，依据发送端和接收端之间信道与发送端和偷听者信道之间信道的特性，对发送端的波形进行优化，具体方案是：单天线系统包含一个基本的信号发送端，信号接收端和一个单天线的非法偷听端。通过非法偷听端尝试对接收并恢复偷听端的信号。发送端，通过直接序列扩频对要发送的01信号进行扩频，扩频信号表示为s,扩频后的信号经过无线空间传输到接收端，并在接收端进行恢复。受到无线空间的衰落和遮蔽等影响，收发双方的无线信道会表现出衰落和多径等现象，在被发明中，采用H_b表示合法通信双方的信道，H_e表示非法偷听端的无线信道。在合法用户接收端和非法用户接收端的高斯白噪声信号功率表示为：和

在该方法中讨论了在偷听者信道已知和未知的两种情况下，提供了一套基于单天线的发送波形优化的物理层安全方法，针对上面两种情况分别给出下面两个下属的技术方案：

情况1：假设偷听者信道可以为发送端获知的情况。

S1:信道估计：发送端和接收端通过导频信号训练方式估计信道信息H_b，并假设偷听者的信道信息H_e也可以为发送端获知。

S2:计算信道的Q矩阵：估计信道的干扰噪声的自相关矩阵R_b和R_e,并计算对应的和

S3:一般情况下的扩频波形设计：首先取扩频波形s为矩阵(Q_e,Q_b)的对应特征值最小的特征向量q_L，并验证其是否满足的功率限制的条件若满足条件，取s＝q_L为最终的发送波形E为发送功率，并跳过S4，直接结束程序。若不满足条件，那么继续执行S4。

S4:不满足能量限制条件下，扩频波形设计：在不满足能量限制的条件下，可以采用KKT(Karush-Kuhn-Tucker)条件下的二分法快速确定最终的扩频波形。

进一步的研究表明，通过以上方法确定的扩频波形可以有效的在保证合法通信前提的情况下，最大化的恶化偷听者信道，达到保密通信的目的。

情况2：假设偷听者信道不能为发送端获知的情况。

S1:信道估计：发送端和接收端通过导频信号训练方式估计信道信息H_b。

S2:计算信道的Q矩阵：估计信道的干扰噪声的自相关矩阵R_b,并计算对应的

S3:扩频波形设计:取Q_b的对应特征值最大的特征向量q₁作为扩频波形s，使得满足合法接收者QoS要求情况下，发送能量达到最小，此时，发送信号能量为

S4:利用剩余的能量生产人工噪声AN，设计的AN信号可以通过自相关矩阵产生，其中，W＝[q₂,...,q_L]，是由Q_b的与扩频发送波形s＝q₁,相正交的其他L-1个特征向量组成的。

实施例：

实施例1：假设偷听者信道可以为发送端获知的情况的实施例。

S1:信道估计：首先合法通信双方对信道进行估计，通过发送导频信号，在双方已知导频信号的情况下，对信道信息进行估计，假设收发双方的无线信道为常见的瑞利多经衰落信道，估计的发送端和接收端的多径信道的参数向量为：h_b＝[h_b,1,h_b,2,...,h_b,M]，其中，M为可分解多径的数目。假设可以获知偷听者的位置可以获知或者规划的情况下，那么可以假设偷听者的信道信息可以为合法用户所获得，假设其信道参数向量为h_e＝[h_e,1,h_e,2,...,h_e,M]。下面为详细地展示本发明的具体实施步骤的原理，现对系统模型进行简单的介绍：

在此情况下，可以将发送信号表示为如下公式：

公式中，E表示发送端信号的比特能量，而b(n)∈{±1}表示发送端的第n个比特信号，表示简单的调制上变频。而表示发送信号的扩频波形，其中，l＝0,1,...,L-1是需要进行设计的数字化(离散化)波形，ψ(t)表示经过周期为T_c＝T/L的发送脉冲形成器(比如理想方波、升余弦等)进行脉冲成形。

之后，经过载波解调和对应的ψ(·)脉冲匹配滤波与长度为L_M＝L+M-1(M为可分解的多径数目)的多径扩展数据采样后，那么合法用户的接收信号可以表示为：

其中是多径无线信道的离散矩阵，并具有如下的一般形式：

其中，z_b代表来自其他用户的干扰，n_b是高斯白噪声。

在假设合法接收者的信息比特恢复采用一般的线性最大信干噪比(SINR)滤波的进行滤波情况下，接收信号恢复表示为：

其中,c>0表示最大信干噪比滤波器，为干扰和噪声的自相关相关矩阵，可以采用上式进行估计。在该情况下，使用最大SINR滤波后的输出SINR可以表示为如下的公式

由于无线信道的广播特性，偷听者也可以获得类似于(2)的接收信号，并假设其可以获知信道信息H_e和发送端采用的扩频码s，则其同样用最大SINR滤波处理接收信号来恢复原始的信息。对于偷听者，输出最大SINR为

由上面的推导可以知道，通过设计扩频信号可以使得合法用户在满足一定QoS要求的情况下，进一步地恶化偷听者信道。综上，给出如下目标方程的形式：

s.t.Es^HQ_bs≥γ (8)

s^Hs＝1 (9)

E≤E_max (10)

其中，γ表示合法用户信道的QoS要求，E_max表示发送端的最大可用能量。下面给出求解该信道假设情况下的扩频波形的具体过程。

S2:计算信道的Q矩阵：由上面的目标方程可以知道，为了进一步求解，需要估计信道的干扰噪声的自相关矩阵R_b和R_e,在实际系统中可以通过在没有发送信号的情况下，对接收信号取平均进行估计得到干扰和噪声的自相关矩阵。具体地，对于R_b而言，可以通过进行估计。同样地可以对R_e进行估计，并计算对应的和

S3:一般情况下的扩频波形设计：参照目标方程(7)-(10)，可以通过设计发送端信号的扩频波形s使得合法在满足一定QoS要求下，偷听者的SINR最小。

假设通过上一步骤，已经获知发送端信道和偷听者信道，和对应的估计多径信道矩阵和干扰联合Q矩阵，Q_b和Q_e。

首先取发送波形s为矩阵(Q_e,Q_b)的对应特征值最小的特征向量q_L，求得此时对应的发送能量为如果此时得到的能量E满足发送功率的限制E≤E_max，那么，可以选取发送的扩频波形为s＝q_L，发送功率为在此情况下，可以跳过S4。

S4:不满足能量限制条件下，扩频波形设计:若得到的能量E不满足发送功率的限制，可以采用KKT条件下的二分法得到任意精度下的数值解。KKT条件下的二分法的具体操作过程给出如下:

在不满足能量限制的情况下，该问题的KKT条件由如下公式给出，：

其中,取值范围为[0,1]。应当指出的是，KKT条件给出了扩频波形达到最小化偷听者信干噪比时，需要满足必要的条件。假设满足条件的扩频波形s为矩阵的对应特征值最小的特征向量可以得到随着单调递增，因此，对μ在[0,1]范围内进行二分法搜索可以得到任意精度下的满足能量限制数值解。当满足条件时停止算法(此时近似满足能量限制)并输出此时的作为最佳的扩频波形。在已知合法用户信道信息和偷听者信道的情况下，可以设计扩频波形使得主信道和偷听信道之间的差异达到最大，恶化偷听者信道，增强系统的安全性。

实施例2：假设偷听者信道不能为发送端获知的情况的实施例。

S1:信道估计：同样采用上面情况1中步骤一的方法进行信道的参数估计，具体步骤在此省略并假设得到的合法用户的多径信道矩阵为H_b。

S2:计算信道的Q矩阵：同样地，对没有发送信号情况下的接收信号取平均可以得到矩阵R_b。具体地，可以利用下式进行估计。

S3:扩频波形设计:在未知偷听者信道的情况下，首先设计扩频波形s使得发送端的发送能量最小化以达到减小发送端信号泄漏的可能性的目的。对应的此时的目标方程给出如下：

s.t.Es^HQ_bs≥γ (12)

s^Hs＝1 (13)

E≤E_max (14)

此时可以取扩频波形s为Q_b的对应特征值最大的特征向量q₁，使得此时的发送功率最小。在该情况下，对应的发送功率为：如果满足发送能量的限制条件E≤E_max。那么取可以取扩频波形s＝q₁。否则，可以选择不发送信号，(此时不能保证最基本的通信服务质量)。

S4:人工噪声的添加:通过添加人工噪声进一步提升系统的安全性，利用剩余的能量发送人工噪声信号进一步恶化偷听者的接收信号，降低偷听者接收端的SINR。AN的设计原则之一是不干扰合法接收端信号的正常接收。为了保证添加的人工噪声信号不干扰合法用户通信，可以通过下面的自相关矩阵产生产生，其中,W＝[q₂,...,q_L]，是由Q_b的与扩频发送波形s＝q₁,相正交的其他L-1个特征向量组成的。

在两种情况下，本发明采用的方法都可以有效地保证合法用户的正常接收的前提下，恶化偷听者的对信号的接收，增大其误码率。为了证明上面技术方案的可行性，在图2和图3中展示了扩频码长度取为8时仿真结果，仿真中的具体参数设置请参照表1。如仿真结果中所展示的，在已知的偷听者信道信息的情况下，所采用的一般特征向量法设计的扩频波形可以降低偷听者的信干噪比大约6dB,与此相对的，在合法用户的误码率小于10^-3的情况下，偷听者的低误码率仍在10^-1量级。在未知偷听者信道信息情况下，采用最小功率传输和人工噪声方法可以降低偷听者的信干噪比大于2dB和3dB，在合法用户的误码率下降到10^-3量级的同时，仍然保证偷听者的误码率在10^-1量级以上。证明了本发明提出的波形设计方法的有效性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种适用于单天线系统的基于波形设计的物理层安全通信方法，其特征在于：设单天线包括一个信号发送端、一个信号接收端和非法偷听端，信号发送端和偷听端进行点对点的直接扩频通信，非法偷听端对发送端的信号进行偷听，基于波形设计的物理层安全通信方法中，发送端首先对偷听端的信道信息进行自适应判断，并分别针对已知偷听端信道的情况和未知偷听端信道的情况对发送端的扩频通信波形进行优化：

S1:判断偷听端的信道信息进行自适应判断：

S1a:若发送端已知偷听端的信道信息，则采用基于信道特性的单天线波形设计方法优化发送端发送波形和功率实现保密通信；

S1b:若发送端未知偷听端的信道信息，则采用基于人工噪声的波形设计方法方式优化发送端的发送波形和功率实现保密通信。

2.根据权利要求1所述的单天线系统的基于波形设计的物理层安全通信方法，其特征还在于，在已知偷听端信道信息的情况下，基于信道特性的单天线波形设计方法包括以下步骤：

S1：对信号发送端和信号接收端之间的信道进行估计：发送端和接收端通过导频信号训练方式估计信道信息H_b，并假设偷听端的信道信息H_e为发送端获知；

S2：计算信道的Q矩阵：估计信道的干扰噪声的自相关矩阵R_b和R_e,并计算对应的和

S3：设计扩频波形：首先取扩频波形s为矩阵(Q_e,Q_b)的对应特征值最小的特征向量q_L，并验证其是否满足功率限制条件若满足条件，取s＝q_L为最终的发送波形E为发送功率，并跳过S4，直接结束；若不满足条件，那么执行S4；

S4：在不满足能量限制的条件下，采用KKT条件下的二分法确定最终的扩频波形。

3.根据权利要求1所述的单天线系统的基于波形设计的物理层安全通信方法，其特征还在于，在未知偷听端信道信息的情况下，基于基于人工噪声的波形设计方法方式包括以下步骤：

S11：计算信道的Q矩阵：估计信道的干扰噪声的自相关矩阵R_b,并计算对应的

S21：设计扩频波形：取Q_b对应特征值最大的特征向量q₁作为扩频波形s，使得满足合法接收者QoS要求情况下，发送能量达到最小，此时，发送信号能量为

S31：采用剩余的能量生产人工噪声AN，设计人工噪声AN信号通过自相关矩阵产生，其中，W＝[q₂,...,q_L]，是由Q_b的与扩频发送波形s＝q₁,相正交的其他L-1个特征向量组成。