CN108683443B - 一种基于零空间的空间调制物理层安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于零空间的空间调制物理层安全传输方法。在本发明中，合法发送方和合法接收方在进行数据传输前规定好合法接收方的每条天线代表的信息，发送方根据要传送的信息来选中合法接收方的某一根天线作为目标接收天线，发送方随机生成位于发送天线到目标接收天线信道的零空间内的发送信号，使得目标接收天线所接收到的信号为零或很小的条件，合法接收方通过测量各天线上接收到信号的强弱来识别出目标接收天线，进而翻译出发送的信息。本发明发送信号具有随机性，大大增加了窃听方的破解难度，提升了安全性，同时生成方法简单，复杂度很低。

Description

一种基于零空间的空间调制物理层安全传输方法

1.应用领域

本发明涉及无线通信安全中的物理层安全问题，特别涉及一种基于零空间的空间调制物理层安全传输方法。

2.背景技术

近年来，各种无线通信技术层出不穷，这些技术的出现使计算机、手机、传感器等终端设备具有了移动接入的能力，解决了传统有线接入的连线制约，为用户提供了更加高效高速的接入方法。随着无线通信系统支持的数据传输速率的不断提高，无线用户的规模不断扩大，无线通信系统在很多方面逐步取代传统有线通信系统已经成为通信发展的必然趋势。随着通信应用的不断发展，人们对信息的安全传输越来越关注。

信息在通信过程中一般会经过信源编码、信道编码、信道传输、信道解码和信源解码等阶段，传统的有线通信在信道传输过程中要求通信双方必须“有线连接”，第三方如果没有“有线连接”就不能获取信息，而一旦连接就有可能完全窃取通信双方的数据。因此，有线通信必须在信道以外通过数据加密的方法来保障信息安全，这其实是通过信源编码保障信息安全。然而，在无线通信系统中，由于电磁信号传播的广播特性和无线信道的开放性，信号通过无线电波在空间中任意传播，失去了“有线”的束缚，使得任意处于覆盖范围内的接收机不需要使用任何连线，便可接收到发射机所发射的信息，通信信息极易被合法的期望用户以外的其他非法用户获取。因此从这种意义上说，无线通信系统比传统有线系统具有更大的安全隐患。因此在无线通信中，如何保障信息的安全性，防止信息的无线泄露，也变得日益重要。

因此总的来说，虽然无线通信摆脱了有线的束缚，但是其开放的通信媒介给无线通信的安全带来了巨大的隐患。在发展过程中，人们不断设计出各种复杂的加密技术对信息进行保护。但是除了传统基于密钥的安全方法外，近年来学术界也越来越关注基于物理层特性来实现安全传输的问题。围绕物理层安全，已经有很多研究成果，其中很多都是基于多天线，主要包括基于预编码、人工噪声等方法。

通信的安全性一直是衡量通信质量的重要手段，随着无线通信的迅猛发展，网络通信对安全性提出了更高的要求。近年来，无线通信系统物理层资源不断丰富，通过利用物理层资源的多样性和唯一性来保证无线通信的安全成为关注的热点，使物理层安全技术得以不断发展。物理层安全(physical-layer secrecy)是Wyner从信息论角度首次提出的。实现物理层安全，主要是利用信道的物理特性。

空间调制是多天线技术的一种，主要思想是通过选择发送天线的不同子集来传输信息，籍此来降低对MIMO系统的同步要求，并通过降低天线间干扰来降低接收端的复杂度。天线的空间位置不同则信道特性矩阵也不同，且对于不同的接收者来说，信道特性与发送或者接收天线子集、与接收者的物理位置都有密切的关系。这一点说明，空间调制具有空间位置敏感性。合法接收者和窃听者在物理层的差别就是空间位置不同，由此可以启发我们借助空间调制中的思想来实现物理层安全传输。

3.发明内容及特征

本发明提出了一种基于零空间的空间调制物理层安全传输方法。

本发明中，正常通信双方为发送方和合法接收方，非法第三方即窃听者。发送方根据拟发送的信息内容选择接收方的一个接收天线，通过随机的方式进行预编码使接收方在该接收天线上的能量为零或尽可能小。接收方测量每个天线上的接收能量，进而识别出发送方所选择的天线，获得发送方拟发送的信息。

具体步骤如下：

a)在进行数据传输前通信双方需要规定好合法接收方的每条天线代表的信息。

b)发送方根据要传送的信息去选中合法接收方的天线序号k为目标接收天线。

c)发送方随机生成一个位于发送天线到目标接收天线信道的零空间内的向量作为发送信号x，通过发送方至接收方的信道H_ab传输，发送信号的到达接收方的信号是y＝H_abx+z，其中y是一个向量，其第i个元素代表第i个接收天线收到的信号值；z是一个向量，其第i个元素代表第i个接收天线收到的噪声值。发送信号x的设计能使y的第k个元素是零或接近零。

d)合法接收方接收到信号向量y后，测量每根天线收到的能量的大小，最小者即为发送方所选中的天线k，进而翻译出发送的信息。

由于发送方的信号通过无线空间传播，窃听者可能截获发送信号。窃听者获得的信号可以表示为w＝H_aex+n，其中H_ae是发送方至窃听者的空间信道；w是一个向量，其第i个元素代表窃听者在其第i个接收天线收到的信号值；n是一个向量，其第i个元素代表窃听者的第i个接收天线上的噪声值。发送信号x仅发送方知晓，无论是合法接收方还是窃听者都不知道x的内容。由于x的设计指向合法接收方的第k个天线的零空间，窃听者无法通过测量其接收天线的能量来获知k。即便窃听者完全知晓发送方和接收方的信道H_ab，由于x的具有一定的随机性，窃听方无法使用最大似然等手段进行检测，以及由于噪声的作用及空间维数的限制，窃听者也很难获知k或者x。基于此，本发明实现了包含发送者的信息不被窃听者截获的目的。

本发明与目前常用的物理层安全技术相比，发送信号的产生方法简单，复杂度很低，同时，其随机性保证了安全性。此外，本发明也可以与目前已有的一些技术重叠使用，例如上层安全中的密码技术、物理层安全中的人工噪声技术等。

4.附图说明

(1)图一为本发明的场景示意图。

(2)图二为本发明方法的流程示意图。

(3)图三为一种发送信号生成的实施例示意图。

5.具体实施方法举例

为了进一步说明本发明的实施方法，下面给出一个实施范例。此示例仅表示对本发明的原理性说明，不代表本发明的任何限制。

假设某发送方为Alice，有四根天线，接收方为Bob，也有四根天线。发送方Alice想要将010011的信息通过无线信道发送给接收方Bob。依据本发明，具体做法将是：

a)Alice与Bob事前约定好天线序号与信息的对应关系。例如规定选中Bob的第一根天线代表信息00，第二根天线代表01，第三根代表10，第四根代表11。

b)现假设Alice需要发送两比特信息01。Alice将要选中Bob的第二根天线。

c)假设Alice至Bob的信道矩阵为H_ab(4*4)，Alice将随机生成信号向量x＝[x₁,x₂,x₃,x₄]^T，该向量与H_ab的第二行正交，即位于H_ab第二行的零空间内，由于零空间是个无限集合因此发送信号向量可以有无限种可能。Alice可以采用任何方法达到这个目的，例如下面叙述了Alice可以采用的一种方法(如图三所示)。

Alice先求出该信道特性矩阵H_ab第二行的零空间的标准正交基矩阵为A(4*3)，对该正交基矩阵A的每一列进行随机的相位旋转并线性组合，即(其中θ均为随机生成)，然后归一化生成发送信号x。为了使其他天线接收到的信号不会过低，所以增加一步筛选，当H_abx除第二个元素外其他元素大于设定门限时，x则作为发送信号，否则重复生成新的x，并设定最大循环上限。

d)Alice通过这四根天线发出信号x，通过无线信道传送给Bob。Bob接收到信息y＝H_abx+z，其中z为噪声向量。Bob将逐一测量四根天线接收到的能量大小，发现第二根天线接收到的最小，从而获知发送方所发送的信息是01。

Claims (6)

1.一种基于零空间的空间调制物理层安全传输方法，发送方和合法接收方均配置多天线，发送方和接收方通过本发明的方法传输数据，可防止窃听方截获合法信息。本发明的特征在于如下步骤：

a)在进行合法信息传输前，合法发送方及合法接收方需要规定好合法接收方的每条天线代表的信息。

b)发送方根据要传送的信息去选中合法接收方的目标接收天线。

c)发送方随机生成一个位于发送天线到目标接收天线信道的零空间内的发送信号向量，该信号到达接收方时，可以使被选中的天线上的能量为零或充分小。

d)合法接收方测量每根天线收到的信号的大小，最小者即为发送方所选中的天线，进而翻译出发送的信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述合法发送方、合法接收方、窃听方，是指可进行无线传输的设备或者使用该设备的人或物。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述合法信息，是指发送方拟传送给接收方的信息。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a)中发送方将待发送信息与天线索引建立映射关系，信息则通过天线索引进行传送。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤c)中发送信号向量是位于主信道零空间内的向量，这个向量随机生成，满足在目标天线处形成零陷。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信号最小者，是指具有最低能量或模值的接收天线。