CN108988923A - 安全空间调制系统中基于信号泄露的天线选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种安全空间调制系统中基于信号泄露的天线选择方法。与传统的多输入多输出系统不同的是，在空间调制系统中发射机只有一根天线被激活发射调制信号，因此信道间干扰和符号同步的问题可以被有效解决，发射机和接收机的实现复杂度大大降低，同时激活天线的序号也携带比特信息，从而提高了系统的频谱效率和能量效率。为提高空间调制系统物理层的安全性能，在发射机发射人工噪声和天线选择，其中人工噪声信号位于期望用户信道的零空间上，利用信号泄露的概念，通过天线选择来最大化信泄噪比，从而提高系统的安全速率性能。本方法与传统的基于欧式距离最大化的天线选择方法相比在安全速率和计算复杂度方面都具有较大的优势。

Description

安全空间调制系统中基于信号泄露的天线选择方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及安全空间调制系统中基于信号泄露的天线选择方法。

背景技术

近些年来，随着移动互联网和智能终端技术的飞速发展，高速无线通信的流量需求急剧增加。空前的移动数据需求极大地促使通信研究人员发展新的传输技术来提高频谱效率，同时降低系统的设计复杂度。空间调制技术通过只激活一根发射天线，因此发射机结构被极大地简化，同时该激活天线序号携带比特信息，一定程度上带来频谱效率的提升。

然而，无线通信信道具有开放性、广播性，极易受到第三方的窃听和干扰。随着计算机的计算能力大幅度地提升，在协议层采用密钥加密的安全传输方法并不能保证安全通信，窃听者仍能通过破解密钥窃取保密信息。物理层安全技术通过利用无线信道的差异性，使得窃听者无法接收到保密信息或无法从噪声中有效恢复保密信息，从而确保了无线通信的安全性。空间调制系统通过天线序号传输部分比特信息，在某种程度上能进一步提高安全性。

针对安全空间调制系统，采用基于信号泄露的天线选择方法，提高系统的安全速率性能，从而在不增加系统的硬件配置的情况下，使通信网络实现更安全的信息传输。传统的空间调制系统中基于最大化最小的欧式距离的天线选择方法可以提高系统的分集增益，可以被轻易的扩展到安全的空间调制系统，但是该方法的复杂度较高，在发射机的天线数目趋于大规模时，该方法在实际应用中难以实现。因此，本发明提出安全空间调制系统中基于信号泄露的天线选择方法，通过最大化信泄噪比和结合人工噪声的方法，提高系统的安全速率，从物理层上实现了信息安全可靠地传输。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供安全空间调制系统中基于信号泄露的天线选择方法。先利用信道估计获得的信道状态信息计算出每根天线信泄噪比，通过最大化信泄噪比选择所需要的天线集合；根据选择的天线集合，将其中的天线序号映射为二进制的比特信息；同时在该天线集合下计算人工噪声投影矩阵，该投影矩阵将人工噪声投影到期望用户的零空间；另外，发射机将天线集合信息通过一个低速率的反馈信道反馈给期望接收机，以便期望接收机正确译码天线序号上携带的比特信息，但窃听接收机却无法获得选择的天线集合信息，因此窃听用户无法恢复天线序号上携带的比特信息，从而进一步提高了安全性能。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案包括：在获得信道状态信息(ChannelState Information,CSI)后，充分利用期望信道与窃听信道的差异性，使用基于信号泄露的天线选择方法选择一个天线集合，使其对于期望接收机是较好信道，同时对于窃听接收机是较差信道，具体过程包括：

S1.利用已知的信道状态信息和统计噪声功率，根据信号泄露的概念可以写出所有可能的天线集合下的信泄噪比，通过最大化信泄噪比表示出优化问题；S2.计算每根发射天线其对应的信噪比，将上述的优化问题转化成低复杂度的排序问题，也就是将所有发射天线对应的信泄噪比从大到小排序后，选择对应具有最大信噪比的所需数目的天线集合；S3.利用空间调制的基本原理，将选择天线集合映射为二进制的比特信息，通过激活天线序号携带比特信息，同时该激活天线发射调制符号；S4.利用已选择的天线集合对应的信道矩阵，计算人工噪声投影矩阵，将人工噪声投影到期望信道的零空间上。

进一步地，所述的基于信号泄露的天线选择方法，与传统基于最大化最小的欧式距离的天线选择方法相比具有更低的计算复杂度，同时提高了系统的安全速率性能，实现了更加安全的信息传输。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1示出了一种安全空间调制系统中基于信号泄露的天线选择方法实现流程图。

具体实施方式

下面结合附图1和具体实例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

给定一个三个用户的安全空间调制系统模型，即合法发射机、期望接收机、窃听接收机，其中合法发射机配置N根发射天线，期望接收机配置N_b根接收天线和窃听接收机配置N_e接收天线。不失一般性，我们假设发射机的发射天线数不满足2的指数次方，根据空间调制的基本原理，天线序号被映射成比特信息，因此只有2的指数次方数目的天线被使用，也就是需要从N根发射天线中选择根发射天线，式中表示取整数下界操作。根据排列组合的基本知识，总共有种可供选择的天线集合，表示为Ω_k∈{Ω₁,Ω₂,…,Ω_Q}，式中Ω_k,k∈{1，2，…,Q}表示第k种天线集合所包含的天线序号集合。空间调制中的天线选择问题主要在于如何选择一个最优的天线集合，来提高系统的分集增益，从而提高系统的误码率和速率性能。当然，对于安全空间调制系统模型，也可以通过天线选择方法选择一部分信道条件较好的信道，从而提高系统的安全速率性能，下面介绍安全空间调制的系统模型。

对于安全空间调制系统，发射机的发射的基带信号向量可以表示为：

式中，P_s表示总发射功率；β₁和β₂分别表示有用信号和人工噪声之间的功率分配因子，并且满足e_n,n∈{1,2,…N_t}表示单位矩阵的第n列，s_m,m∈{1,2,…M}表示发射的M阶幅度相位调制(amplitude phase modulation,APM)信号，s_m等概率地从星座点中取出，并将其功率归一化使其满足表示求期望操作；表示随机产生的人工噪声向量且服从复高斯分布表示人工噪声投影矩阵，其将发射的人工噪声投影到期望信道的零空间上，从而干扰非法用户的窃听。

信道建模为瑞利衰落信道，因此期望接收机和窃听接收机的接收信号向量可分别写成：

其中，和分别表示期望接收机和窃听接收机的加性高斯白噪声(additive gaussian white noise,AWGN)向量，两者分别服从复高斯分布和 和分别表示期望信道矩阵和窃听信道矩阵，假设均为平坦的瑞利衰落信道，其每个元素均服从假设发射机获得理想的H和G信息；k∈{1,2,…,Q}为对应于第k种天线组合的天线选择实矩阵，T_k由单位矩阵的N_t列组成，其所选择的N_t列是由Ω_k中的元素决定的。为了表示简便，让H_k＝HT_k、G_k＝GT_k分别表示选择第k种天线集合情况下的期望信道和窃听信道。

为了使得人工噪声信号位于期望信道的零空间上，从而只干扰窃听用户，采用零空间投影方法，零空间投影矩阵P_AN如下式：

式中μ为归一化因子，使得tr(P_ANHP_AN)＝1，也就是投影矩阵不改变总的噪声功率，

式中||·||_F表示矩阵的Frobenius范数，由上式(4-5)可知，

H_kP_AN＝0 (6)

式中0为零矩阵，因此，式(2)中的期望接收机的接收信号向量可重新写成下式：

发射机根据基于信号泄露的天线选择方法，选择最优的天线集合后，将其反馈给期望接收机，期望接收机在已知H和T_k的情况下可以采用最大似然检测(maximum-likelihood detection,MLD)的方法恢复源信息，如下式：

然而，窃听用户无法获知正确的T_k信息，也就无法采用MLD算法有效地恢复出天线序号上携带的比特信息，从而具有很好的安全性能，但我们考虑最恶劣的情况，也就是窃听端已知发射机的天线选择矩阵，其MLD算法如下式：

因此，如何在上述最恶劣的情况下，保证信息的安全传输，是本发明的研究重点。

本发明主要通过基于最大化信泄噪比的方法选择一种天线集合，同时结合人工噪声进一步提高系统的安全速率。

采用平均安全速率来量化系统的安全性能，其定义为安全速率对信道的期望，如下式：

式中表示求期望操作，R_s为安全速率，其被定义为期望信道的速率与窃听信道的速率的差值，表示为：

R_s＝[I(x；y_b|H,T_k)-I(x；y_e|G,T_k)]⁺ (11)

上式中，[a]⁺＝max(a,0)；I(x；y_b|H,T_k)和I(x；y_e|G,T_k)分别表示对于期望信道和窃听信道的互信息量，考虑有限符号输入的空间调制系统，其互信息量分别如下式：

和

上中W是窃听端的干扰信号和噪声信号的协方差矩阵，W可看作窃听用户的白化滤波器，其将人工噪声造成的干扰和噪声白化为均值为0方差为1的高斯白噪声，也就是

为了提高系统的安全速率，通过选择一组最优的天线集合使得系统的安全速率最大化，优化问题可以写成下式：

明显地，上式优化问题是整数优化或二进制优化问题，是一个NP-hard问题，故难以找到直接的或相近形式的解析解。为此，基于信号泄露的概念，可将上述优化问题转换成最大化信泄噪比优化问题。通过该方式的转化，可有效降低上述优化问题的计算复杂度，同时提高系统的安全性能。

在进行天线选择之前，发射机先获得相应的信道状态信息，在(Time DivisionDuplex,TDD)模式下，发射机可利用上下行信道的互易性估计信道状态信息，在获得准确的H和G信息之后，具体天线选择过程如下：

S1.利用已知的信道状态信息和统计噪声功率，根据信号泄露的概念，可以写出所有可能的天线组合下的信泄噪比，通过最大化信泄噪比表示出优化问题；

利用信号泄露的概念，即发射的保密信号泄露到窃听端的信号功率，在选定第k种天线集合情况下，其中的第n,n∈{1,2,…,N_t}根天线对应的信泄噪比可以表示为：

对于每一种天线集合，包含N_t根发射天线，不失一般性，假定其中的每根天线等概率地被激活，考虑每根发射天线是独立不相关的，选择一个天线集合，使其信泄噪比之和最大，该优化问题描述为：

由于总的天线集合的数目为Q，其数值随发射天线数的增加而增大。P2优化问题可以通过全局搜索的方法解决，也就是搜索每一种天线集合，计算相应的信泄噪比之和，但是当天线数目很大时，该方法计算复杂度很高，不适合实际的应用场景。

S2.计算每根发射天线对应的信噪比，将上述的优化问题转化成低复杂度的排序问题，也就是将所有发射天线对应的信泄噪比从大到小排序后，选择具有较大信泄噪比的所需数目的天线；

对所有N根发射天线，按下式计算其相应的信泄噪比：

式中{π₁,π₂,…π_N}是{1,2,…N}的一种有序排列，和分别是信道矩阵H和G的第π_n列。因为每根发射天线具有不同的信泄噪比，因此P2优化问题等价于从N个信泄噪比选择N_t个具有较大信泄噪比的天线，因此，将N个信泄噪比计算出来后，再将从大到小依次排序，选择前N_t个信噪比对应的天线即可，如下式所示：

S3.利用空间调制的基本原理，将选择的天线集合中N_t根天线映射为二进制的比特信息，通过激活天线序号发射比特信息；

S4.利用选择的天线集合，根据式(4)计算人工噪声投影矩阵，将人工噪声投影到期望信道的零空间上。

Claims (2)

1.安全空间调制系统中基于信号泄露的天线选择方法，其特征在于：为了提高系统的安全性能，在获得信道状态信息后，充分利用期望信道与窃听信道的差异性，基于信号泄露的天线选择方法选择一部分天线集合，使其对于期望接收机是较好信道，同时对于窃听接收机是较差信道。在获得选择的天线集合后，将选择天线序号映射为二进制的比特信息，同时利用选择的所有天线发射人工噪声信号。该人工噪声信号位于期望信道的零空间上，所以对期望接收机的正常译码不会产生影响，但对于窃听用户有较大的干扰，其具体过程包括：

S1.利用已知的信道状态信息和统计噪声功率，根据信号泄露的概念可以写出所有可能的天线集合下的信泄噪比，通过最大化信泄噪比表示出优化问题；

S2.计算每根发射天线其对应的信噪比，将上述的优化问题转化成低复杂度的排序问题，也就是将所有发射天线对应的信泄噪比从大到小排序后，选择对应具有最大信噪比的所需数目的天线集合；

S3.利用空间调制的基本原理，将选择的天线集合映射为二进制的比特信息，通过激活天线序号携带比特信息，同时该激活天线发射调制符号；

S4.利用已选择的天线集合对应的信道矩阵，计算人工噪声投影矩阵，将人工噪声投影到期望信道的零空间上。

2.根据权利要求1所述的安全空间调制系统中基于信号泄露的天线选择方法，其特征在于：利用信号泄露的概念选择信噪比最大的天线集合，同时利用简单的排序算法，使得该算法具有较低的计算复杂度。