CN109088696A - 一种基于人工噪声的mbm物理层安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于人工噪声的MBM物理层安全传输方法，该方法基于MBM技术的特点，利用合法信道与窃听信道的统计独立性，对相邻两个时隙传输的符号进行预编码并加入人工噪声，使得目的节点能够顺利解码源节点发送的信息，而窃听节点无法抵消人工噪声的干扰而不能正确译码，从而达到防止窃听节点窃取信息的目的。仿真结果表明，本发明能使得窃听节点的误比特率始终接近0.5，亦即窃听节点几乎只能猜测源节点信息。与现有基于MBM技术的安全方案相比，本发明不仅在使用的场景上限制更小，而且能获得更为稳定有效的安全性。

Description

一种基于人工噪声的MBM物理层安全传输方法

技术领域

本发明属于无线多输入多输出系统的物理层安全技术领域，具体涉及一种基于人工噪声的MBM(mediabasedmodulationMBM)物理层安全传输方法。

背景技术

媒介调制(mediabasedmodulationMBM)技术作为新提出的天线技术之一，由于其在系统容量和能量效率上存在着巨大的潜为，有望成为第五代通信系统的关键技术。MBM的基本思想是在发射机人为的改变发射天线周围的射频特性，影响发射机天线周围的传输环境，从而在发射机和接收机之间制造多个可能的信道状态，将不同的信息比特映射到不同的信道状态上，接收机通过检测信道状态来恢复传输的信息。与传统的射频调制技术相比，MBM技术不仅能够在不增加能耗的前提下增加接收星座图维度的大小，在通信质量和节省能耗上优势很大，而且还可以以较低复杂度的方式传输较高速率的数据。

随着无线通信技术的飞速发展以及多种无线通信网络的泛在共存，用户对无线通信系统传输性能的需求不断提升，同时也对安全性能提出了越来越高的要求。无线通信物理层安全具有十分丰富的内涵，它以信息论为根本出发点，可充分利用无线通信本身的信号格式和无线信道的物理特征，实现保密通信。国内外已有大量关于物理层安全的研究例如基于人工噪声技术、保密波束赋形技术、扩频和跳频加密技术、信道编码加密技术和调制方式加密技术等。关于MBM物理层安全传输的研究正处于起步阶段。浙江大学的赵民建等基于多天线系统的保密MBM技术，利用在源节点各天线产生人工噪声对窃听节点进行干扰，从而达到物理层安全的目的。伊斯坦布尔科技大学的I.Yildirim等针对单天线系统提出一种通过预编码使得窃听者不可分辨发送信道的安全传输方法，然而，此方法要求源接点和目的节点均知道源-窃听节点的信道状态信息，并且此方法只能保证信道比特的安全并不能保证其传输符号比特的安全。

发明内容

本发明提供了一种基于人工噪声的MBM物理层安全传输方法，该方法采用预编码以及人工噪声技术，基于源节点-目的节点的信道状态信息，在源节点处添加人工噪声，在不影响目的节点解码的同时使得窃听节点不能正确解码，从而达到防止窃听节点进行窃听的目的。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种基于人工噪声的MBM物理层安全传输方法，该方法基于一个三节点的网络系统，系统为SISOSE系统，源节点配备R_m个射频反射镜，能够通过控制射频发射镜的开关状态来改变射频特性从而生成个独立的端对端无线信道，调制方式为M-QAM调制；

其中，每次传输分为两个时隙，每个时隙需要选择一个信道来传输，第一个时隙传输待发送信号的实部和人工噪声，第二个时隙传输待发送信号的虚部和人工噪声，在目的节点处将两个时隙接收到的信号相加抵消人工噪声进行最大似然解调。

本发明进一步的改进在于，该方法具体包括以下步骤：

1)在每次传输开始的时候，源节点通过控制射频反射镜遍历前l个信道状态，源节点和目的节点在不同信道状态下依次发送训练序列，这样源节点和目的节点都能够估计到源-目的节点的前l个信道状态信息，将第个信道叫检测信道h_test，其中

2)源节点将待发送的数据比特进行编码，得到待发送的符号以及发送该符号的信道的序号；

3)为了达到安全传输的目的，对窃听节点产生人为的随机干扰，源节点根据估计到的信道状态信息，对待发送的符号进行预编码以及加上人工噪声；

4)源节点用选择的发送信道传输编码后的待发送符号；

5)目的节点在接收到信号后根据估计到的源-目的节点的信道状态信息进行解调得到原始比特。

本发明进一步的改进在于，在步骤2)中，源节点选择发送符号和发送信道包括如下步骤：

201)系统每次发送log₂(M)+2(R_m-1)比特数据，对第1位到第log₂(M)位数据采用M-QAM调制方式进行调制，得到待发送的符号x；

202)对第log₂(M)+1位数据到第log₂(M)+R_m-1位数据，根据二进制到十进制的映射关系，选择序号为的信道传输待发送符号x的实部x_re；

203)对第log₂(M)+R_m位数据到第log₂(M)+2(R_m-1)位数据，根据二进制到十进制的映射关系，选择序号为k的信道传输待发送符号x的虚部jx_im，若d＝k，则用检测信道进行发送，为了防止当d＝k时，在窃听节点处能够通过两个时隙接收信号相加的处理抵消人工噪声，因此当目的节点通过最大似然解调得到时隙2的发送信道为检测信道时，将时隙2的信道比特解调为时隙1的信道比特。

本发明进一步的改进在于，在步骤3)中，在源节点对待发送符号进行预编码与添加人工噪声包括如下步骤：

301)根据对数据进行编码后得到的时隙1的发送信道序号，得到时隙1的发送信道h_j,1，h_j,1表示源节点在j次传输的时隙1中选择的发送信道，服从均值为零方差为σ²的复高斯分布；

302)对待发送符号按照如下方式进行预编码以及添加人工噪声，即

x_j,1＝x_re+h_j,2V

其中，V为所添加的人工噪声，服从均值为零方差为的复高斯分布,h_j,2表示表示源节点在j次传输的时隙2中选择的发送信道，服从均值为零方差为σ²的复高斯分布，x_re为待发送符号的实部；

303)根据对数据进行编码后得到的时隙2的发送信道序号，得到时隙2的发送信道h_j,2，若h_j,1＝h_j,2，则用检测信道进行发送，因为当h_j,1＝h_j,2时，人工噪声在窃听节点处的影响通过求和抵消；

304)对时隙2的待发送符号按照如下方式进行预编码以及添加人工噪声，即

x_j,2＝x_im-h_j,1V

其中，x_im为待发送符号的虚部。

本发明进一步的改进在于，在步骤5)中，目的节点在接收到信号后根据估计到的源-目的节点的信道状态信息进行解调得到原始比特，具体如下：

501)目的节点收到的信号为：

其中，n_b是均值为零，方差为σ²的复高斯白噪声，目的节点在接收到信号以后，对信号进行简单的处理，将两个时隙接收到的信号全部相加，即可得到

由于目的节点已有源节点-目的节点之间的信道状态信息h_d，因此目的节点根据已有的信道状态信息进行最大似然译码，目的节点的最大似然译码器写成：

如果h_j,2＝h_test，那么h_j,2＝h_j,1；

502)窃听节点接收到的信号为：

其中，g_j,1表示源节点在j次传输的时隙1中选择的发送信道，服从均值为零方差为σ²的复高斯分布，g_j,1表示源节点在j次传输的时隙2中选择的发送信道，服从均值为零方差为σ²的复高斯分布，n_e是均值为零，方差为σ²的复高斯白噪声；由于窃听节点由于不知道当前符号的源发射天线及源节点-目的节点的信道状态信息，不能对接收符号进行译码；当窃听节点按照目的节点的方式处理接收到的信号时，得到如下的形式：

但是如果当时隙1和时隙2选择发送信道相同，即h_j,1＝h_j,2，g_j,1＝g_j,2时，上式简化为：

这意味着当时隙1和时隙2选择发送信道相同时，在窃听节点通过将两个时隙的接收信号相加抵消人工噪声，为了避免时隙1和时隙2中的发送信道相同，当一次传输中两个时隙的信道比特相同时，用检测信道来发送符号信息；

窃听节点只知道自己的本地信道信息，并且在窃听节点处无法消除人工噪声V的干扰，窃听节点只能对所有源天线的可能性进行穷举，进行如下的译码操作：

如果g_j,2＝g_test，那么g_j,2＝g_j,1。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种基于人工噪声的MBM物理层安全传输方法，该方法每次传输数据，随机的使用一个信道发送数据，将人工噪声直接加在所传输的符号上，通过预编码，在目的节点处将人工噪声的影响消除，同时，在窃听节点处无法消除人工噪声的影响，达到了安全传输的目的。

仿真证明该方法能够有效抵抗窃听节点的窃听，使得窃听节点处的误比特率接近0.5，这就意味着窃听节点几乎只能猜测源节点的信息。

附图说明

图1为传输过程示意图；

图2为三节点的SISOSE-MBM系统模型示意图；

图3为采用4QAM调制，系统为SISOSE系统，在保证窃听节点的误码率均接近0.5的功率分配下，当源节点配备的射频反射镜数为2、3或4时，本发明在目的节点的BER曲线；

图4为本发明与基于空间调制技术方案的性能比较，源节点配备的射频反射镜数为3，其余参数设置与3相同。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1和图2，本发明提供的一种基于人工噪声的MBM物理层安全传输方法，该方法基于一个三节点的网络系统，系统为SISOSE系统，源节点配备R_m个射频反射镜，可通过控制射频发射镜的开关状态来改变射频特性从而生成个独立的端对端无线信道，调制方式为M-QAM调制。整个传输过程如图1所示。

每次传输分为两个时隙，每个时隙需要选择一个信道来传输，时隙1传输待发送信号的实部和人工噪声，时隙2传输待发送信号的虚部和人工噪声，在目的节点处将两个时隙接收到的信号相加抵消人工噪声进行最大似然解调。具体传输过程如下：

首先，在每次传输开始的时候，源节点通过控制射频反射镜遍历前个信道状态，源节点和目的节点在不同信道状态下依次发送训练序列，这样源节点和目的节点都能够估计到源-目的节点的前l个信道状态信息，将第个信道叫检测信道h_test。

其次，源节点将待发送的数据比特进行编码，得到待发送的符号以及发送该符号的信道的序号。

再次，为了达到安全传输的目的，我们对窃听节点产生人为的随机干扰，源节点根据估计到的信道状态信息，对待发送的符号进行预编码以及加上人工噪声。

然后，源节点用选择的发送信道传输编码后的待发送符号。

最后，目的节点在接收到信号后根据估计到的源-目的节点的信道状态信息进行解调得到原始比特。

在传输开始的时候，源节点需要将待发送比特数据进行编码。编码包括如下步骤：

步骤1：系统每次可以发送log₂(M)+2(R_m-1)比特数据，对第1位到第log₂(M)位数据采用M-QAM调制方式进行调制，得到待发送的符号x。

步骤2：对第log₂(M)+1位数据到第log₂(M)+R_m-1位数据，根据二进制到十进制的映射关系，选择序号为的信道传输待发送符号x的实部x_re。

步骤3：对第log₂(M)+R_m位数据到第log₂(M)+2(R_m-1)位数据，根据二进制到十进制的映射关系，选择序号为k的信道传输待发送符号x的虚部jx_im，若d＝k，则用检测信道进行发送。这是为了防止当d＝k时，在窃听节点处可通过两个时隙接收信号相加的处理抵消人工噪声，公式推导见上式(10)。所以当目的节点通过最大似然解调得到时隙2的发送信道为检测信道时，将时隙2的信道比特解调为时隙1的信道比特。

通过这样的编码方式，可以使得信道的索引也承载了一定的信息，从而可以提升传输的效率。

对待发送符号进行预编码与添加人工噪声包括如下步骤：

步骤1：根据对数据进行编码后得到的第一时隙的发送信道序号，得到第一时隙的发送信道h_j,1，h_j,1表示源节点在j次传输的时隙1中选择的发送信道，服从均值为零方差为σ²的复高斯分布。

步骤2：对待发送符号按照如下方式进行预编码以及添加人工噪声，即

x_j,1＝x_re+h_j,2V (1)

其中，x_j,1为源节点在第j次传输中时隙1发送的信号，发送V为所添加的人工噪声，服从均值为零方差为的复高斯分布,h_j,2表示表示源节点在j次传输的时隙2中选择的发送信道，服从均值为零方差为σ²的复高斯分布，x_re为待发送符号的实部。

步骤3：根据对数据进行编码后得到的时隙2的发送信道序号，得到时隙2的发送信道h_j,2，若h_j,1＝h_j,2，则用检测信道进行发送。因为当h_j,1＝h_j,2时，人工噪声在窃听节点处的影响可以通过求和抵消，公式推导如下式(10)所示。

步骤4：对时隙2的待发送符号按照如下方式进行预编码以及添加人工噪声，即

x_j,2＝x_im-h_j,1V (2)

其中，x_j,2为源节点在第j次传输中时隙2发送的信号，x_im为待发送符号的虚部。

目的节点与窃听节点之间的信道可以认为是独立的。即源节点-目的节点之间的信道与源节点-窃听节点之间的信道是不相同的，因此窃听节点无法通过信道之间的相关性来估计出源节点-目的节点之间的信道，所以，在待发送符号经过源节点-目的节点信道后，在目的节点处可以将人工噪声消除，在经过源节点-窃听节点这条信道后在窃听节点处无法消除人工噪声。

目的节点收到的信号为：

其中，n_b是均值为零，方差为σ²的复高斯白噪声。目的节点在接收到信号以后，对信号进行简单的处理，将两个时隙接收到的信号全部相加，即可得到

由于目的节点已有源节点-目的节点之间的信道状态信息h_d，因此目的节点可以根据已有的信道状态信息进行最大似然译码，目的节点的最大似然译码器可以写成：

如果h_j,2＝h_test，那么h_j,2＝h_j,1。

窃听节点接收到的信号为：

其中，g_j,1表示源节点在j次传输的时隙1中选择的发送信道，服从均值为零方差为σ²的复高斯分布，g_j,1表示源节点在j次传输的时隙2中选择的发送信道，服从均值为零方差为σ²的复高斯分布，n_e是均值为零，方差为σ²的复高斯白噪声。由于窃听节点由于不知道当前符号的源发射天线及源节点-目的节点的信道状态信息，不能对接收符号进行译码。当窃听节点按照目的节点的方式处理接收到的信号时，它只能得到如下的形式：

但是如果当时隙1和时隙2选择发送信道相同，即h_j,1＝h_j,2，g_j,1＝g_j,2时，式(9)可以简化为：

这意味着当时隙1和时隙2选择发送信道相同时，在窃听节点也可以通过将两个时隙的接收信号相加抵消人工噪声。所以为了避免时隙1和时隙2中的发送信道相同，当一次传输中两个时隙的信道比特相同时，用检测信道来发送符号信息。

窃听节点只知道自己的本地信道信息，并且在窃听节点处无法消除人工噪声V的干扰，窃听节点只能对所有源天线的可能性进行穷举，进行如下的译码操作：

如果g_j,2＝g_test，那么g_j,2＝g_j,1，其中g_test为序号为的源-窃听节点信道。

仿真结果表明，窃听节点解码源节点发送的信息比特错误概率接近0.5，这就意味着窃听节点几乎只能猜测源节点的信息。

2)为了验证本发明提出的物理层安全传输方法的性能，我们进行了如下仿真：

情况1：假设信道参数服从标准单位复高斯随机分布。源节点发射功率为P_s，发射人工噪声的功率为P_d，在目的节点处的噪声方差为在窃听节点处的噪声方差为系统为SISOSE系统，源节点配备R_m个射频反射镜，采用4-QAM调制。假设源节点和目的节点进行了精确的信道估计，图3给出了采用本发明传输之后目的节点和窃听节点的误比特率(BER)曲线。由图3可见，对比R_m＝2和R_m＝3的对应曲线，当射频反射镜数R_m增加时，速率会增加，误码率会变好。这是因为在射频反射镜数R_m为2时，为了保证Eve的误码率接近0.5，需要将大部分的功率分配给AN,而在射频反射镜数R_m为3时，由于增加了射频反射镜数，在相同功率分配情况下，Eve和Bob的误码率均高于R_m为2的情况，所以在R_m为3时，可以将大部分功率分配给发送信号，所以R_m＝3时的误码率反而低于R_m＝2的误码率。对比R_m＝3和R_m＝4的曲线，在都是大部分功率分配给发送信号的情况下，R_m＝4的误码率要高于R_m＝3的误码率。所以在分配功率相同的情况下，R_m越大，速率越高，误码率也越高。

并且可以看出无论信噪比多大，窃听节点的BER始终接近0.5，意味着通过采用本发明提出的物理层安全传输方法，窃听节点只能猜测源节点发送的信息。

情况2：在利用MBM保障物理层安全的方案中，一种现有的方法是在发端利用源-窃听节点的信道状态信息通过预编码，使得窃听节点不可分辨发送信道，而目的节点已知源-窃听节点信道状态信息可以解调出发送信号，这样就可以保证在不影响合法节点的同时干扰窃听节点。为了验证本发明的有效性，将本发明与现有方法(后面称为比较方法)进行了比较。考虑的网络场景为SISOSE系统，源节点配备3个射频反射镜，采用4-QAM调制。假设源节点和目的节点都精确的信道估计。比较方法在传输之前，源节点估计到源-窃听节点的信道信息g_d，信号的传输过程分为两个阶段，阶段1，源节点需要将待发送的比特数据进行编码，每次可以发送R_m+log₂(M)比特的数据，对第1位到第R_m位数据按照二进制到十进制的映射选择序号为N的信道来发送待发送信号x_i，最后log₂(M)采用M-QAM调制方式进行调制，得到待发送的符号x_i。阶段2，源节点根据之前估计出的源节点-窃听节点的信道g_d进行预编码，在每次发送信号的时候，利用发送信道状态信息使得窃听节点收到信号为δx_i，即要求满足下式：

ρ_mg_dx_i＝δx_i (12)

其中，是预编码常数。因此，我们可以得到目的节点以及窃听节点的接收信号：

y_e＝g_dρ_mx_i＝δx_i (14)

通过使得窃听节点不可分辨发送信道来达到安全传输的目的。图4给出了本发明与比较方法在目的节点和窃听节点处的BER性能曲线。由仿真结果可见，本发明比对比方法性能更好。首先，对比方法对使用的场景有限制，对比方法要求源接点和目的节点均知道源-窃听节点的信道状态信息。本发明则没有这种限制。其次，从仿真结果图上能看出，对比方法的窃听节点的误码率在0.3左右，而本发明所提的方案方法始终能保证窃听节点的BER接近0.5。

因此综上可知，本发明提出的物理层安全传输方法能有效抵抗窃听节点的窃听。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (5)

1.一种基于人工噪声的MBM物理层安全传输方法，其特征在于，该方法基于一个三节点的网络系统，系统为SISOSE系统，源节点配备R_m个射频反射镜，能够通过控制射频发射镜的开关状态来改变射频特性从而生成个独立的端对端无线信道，调制方式为M-QAM调制；

其中，每次传输分为两个时隙，每个时隙需要选择一个信道来传输，第一个时隙传输待发送信号的实部和人工噪声，第二个时隙传输待发送信号的虚部和人工噪声，在目的节点处将两个时隙接收到的信号相加抵消人工噪声进行最大似然解调。

2.根据权利要求1所述的一种基于人工噪声的MBM物理层安全传输方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

1)在每次传输开始的时候，源节点通过控制射频反射镜遍历前l个信道状态，源节点和目的节点在不同信道状态下依次发送训练序列，这样源节点和目的节点都能够估计到源-目的节点的前l个信道状态信息，将第个信道叫检测信道h_test，其中

2)源节点将待发送的数据比特进行编码，得到待发送的符号以及发送该符号的信道的序号；

3)为了达到安全传输的目的，对窃听节点产生人为的随机干扰，源节点根据估计到的信道状态信息，对待发送的符号进行预编码以及加上人工噪声；

4)源节点用选择的发送信道传输编码后的待发送符号；

5)目的节点在接收到信号后根据估计到的源-目的节点的信道状态信息进行解调得到原始比特。

3.根据权利要求2所述的一种基于人工噪声的MBM物理层安全传输方法，其特征在于，在步骤2)中，源节点选择发送符号和发送信道包括如下步骤：

201)系统每次发送log₂(M)+2(R_m-1)比特数据，对第1位到第log₂(M)位数据采用M-QAM调制方式进行调制，得到待发送的符号x；

202)对第log₂(M)+1位数据到第log₂(M)+R_m-1位数据，根据二进制到十进制的映射关系，选择序号为的信道传输待发送符号x的实部x_re；

203)对第log₂(M)+R_m位数据到第log₂(M)+2(R_m-1)位数据，根据二进制到十进制的映射关系，选择序号为k的信道传输待发送符号x的虚部jx_im，若d＝k，则用检测信道进行发送，为了防止当d＝k时，在窃听节点处能够通过两个时隙接收信号相加的处理抵消人工噪声，因此当目的节点通过最大似然解调得到时隙2的发送信道为检测信道时，将时隙2的信道比特解调为时隙1的信道比特。

4.根据权利要求3所述的一种基于人工噪声的MBM物理层安全传输方法，其特征在于，在步骤3)中，在源节点对待发送符号进行预编码与添加人工噪声包括如下步骤：

301)根据对数据进行编码后得到的时隙1的发送信道序号，得到时隙1的发送信道h_j,1，h_j,1表示源节点在j次传输的时隙1中选择的发送信道，服从均值为零方差为σ²的复高斯分布；

302)对待发送符号按照如下方式进行预编码以及添加人工噪声，即

x_j,1＝x_re+h_j,2V

其中，V为所添加的人工噪声，服从均值为零方差为的复高斯分布,h_j,2表示表示源节点在j次传输的时隙2中选择的发送信道，服从均值为零方差为σ²的复高斯分布，x_re为待发送符号的实部；

303)根据对数据进行编码后得到的时隙2的发送信道序号，得到时隙2的发送信道h_j,2，若h_j,1＝h_j,2，则用检测信道进行发送，因为当h_j,1＝h_j,2时，人工噪声在窃听节点处的影响通过求和抵消；

304)对时隙2的待发送符号按照如下方式进行预编码以及添加人工噪声，即

x_j,2＝x_im-h_j,1V

其中，x_im为待发送符号的虚部。

5.根据权利要求4所述的一种基于人工噪声的MBM物理层安全传输方法，其特征在于，在步骤5)中，目的节点在接收到信号后根据估计到的源-目的节点的信道状态信息进行解调得到原始比特，具体如下：

501)目的节点收到的信号为：

其中，n_b是均值为零，方差为σ²的复高斯白噪声，目的节点在接收到信号以后，对信号进行简单的处理，将两个时隙接收到的信号全部相加，即可得到

由于目的节点已有源节点-目的节点之间的信道状态信息h_d，因此目的节点根据已有的信道状态信息进行最大似然译码，目的节点的最大似然译码器写成：

如果h_j,2＝h_test，那么h_j,2＝h_j,1；

502)窃听节点接收到的信号为：

其中，g_j,1表示源节点在j次传输的时隙1中选择的发送信道，服从均值为零方差为σ²的复高斯分布，g_j,1表示源节点在j次传输的时隙2中选择的发送信道，服从均值为零方差为σ²的复高斯分布，n_e是均值为零，方差为σ²的复高斯白噪声；由于窃听节点由于不知道当前符号的源发射天线及源节点-目的节点的信道状态信息，不能对接收符号进行译码；当窃听节点按照目的节点的方式处理接收到的信号时，得到如下的形式：

但是如果当时隙1和时隙2选择发送信道相同，即h_j,1＝h_j,2，g_j,1＝g_j,2时，上式简化为：

这意味着当时隙1和时隙2选择发送信道相同时，在窃听节点通过将两个时隙的接收信号相加抵消人工噪声，为了避免时隙1和时隙2中的发送信道相同，当一次传输中两个时隙的信道比特相同时，用检测信道来发送符号信息；

窃听节点只知道自己的本地信道信息，并且在窃听节点处无法消除人工噪声V的干扰，窃听节点只能对所有源天线的可能性进行穷举，进行如下的译码操作：

如果g_j,2＝g_test，那么g_j,2＝g_j,1。