CN109286430A - 一种基于媒介调制的物理层安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于媒介调制的物理层安全传输方法，该方法首先在源节点和目的节点处估计出它们之间的信道状态信息，然后源节点和目的节点对估计出来的信道状态信息进行排序，并设计两种不同的星座，最后在源节点处利用MBM技术根据待传输的比特和排序后的信道状态，得到发送的信道序号以及待发送的符号。利用源节点‑目的节点的信道状态信息，目的节点能够顺利解码源节点发送的信息，因为窃听节点和目的节点到源节点的信道状态信息相互独立，所以窃听节点无法知道源节点到目的节点的信道状态信息而不能正确译码，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。

Description

一种基于媒介调制的物理层安全传输方法

技术领域

本发明属于无线单输入多输出系统的物理层安全技术领域，具体涉及一种基于媒介调制(media based modulation MBM)的物理层安全传输方法。

背景技术

多输入多输出技术可以提供较高的系统容量与可靠性，是无线通信领域的重要研究课题。媒介调制(media based modulation MBM)是近年来新提出的传输技术，MBM的基本思想是在发射机通过改变发射天线周围的射频特性，从而改变发射机与接收机之间的信道状态，将信息映射到发射机和接收机之间的信道状态上，传送到接收机。MBM与传统的射频调制技术相比存在很多优点：MBM能够近似的将静态衰落信道转换为高斯信道，从而实现更大的分集增益；与MIMO相比，MBM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；MBM更适合以较低复杂度的方式传输较高速率的数据。因为系统的频谱效率和能量效率高，复杂度较低，MBM正逐渐成为MIMO传输技术研究的热点之一。

随着无线终端数目的急剧增加以及网络的开放性，无线通信的安全问题面临着严重的挑战，与传统加密方法不同，无线通信物理层安全方法是从信息论的角度出发，利用无线信道的特征实现物理层安全传输。国内外已有大量关于物理层安全的研究例如人工噪声技术、保密波束赋形技术、保密预编码空间调制技术等。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针对多天线MBM系统，利用传统的人工噪声技术，在源节点各天线上设计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设计预编码使得窃听者无法分辨发送信道状态，因此保证了MBM传输的安全性。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媒介调制的物理层安全传输方法，该方法采用信道排序以及预编码技术，基于源节点-目的节点的信道状态信息，在源节点处对所有生成的信道状态信息进行排序，不同的信道使用完全相反的QAM调制，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：

一种基于媒介调制的物理层安全传输方法，该方法基于一个三节点的网络系统，分别是源节点、目的节点和窃听节点，源节点配备单根天线和R_m个射频反射镜，源节点能够通过控制射频反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，目的节点配备N_r根天线，窃听节点配备N_e根天线，符号调制方式为M-QAM调制；源节点与目的节点之间直接进行通信，在此过程中，窃听节点尝试窃听源节点向目的节点发送的信息，并进行解码。

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，源节点和目的节点依次发送训练序列，这样源节点和目的节点都能够估计到源-目的节点的信道状态信息；

2)为了达到安全传输的目的，源节点根据估计到的信道状态信息对所有信道状态信息进行二范数平方值大小排序，排序后的信道编号依次为

3)根据排序后的信道状态信息，源节点选择发送信道并对待发送的符号进行预编码；

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，步骤3)中，在传输开始的时候，源节点将待发送比特数据进行编码，编码包括如下步骤：

301)系统每次发送R_m+log₂(M)比特数据，对第1位到第R_m位数据，根据二进制到十进制的映射关系，选择排序后序号为d的信道传输待发送符号；

302)若符号部分不承载信息，则待发送符号为1；若符号部分承载信息，则对得到的信道序号进行判断，若则对第R_m+1位到第R_m+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；若则对第R_m+1位到第R_m+log₂(M)位数据采用与上面星座完全相反的M-QAM调制方式进行调制，得到待发送的符号x，其中完全相反的星座定义为：分别来自两个星座的相同符号所对应的比特逐位相反。

本发明进一步的改进在于，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：

式中，n_b是均值为零，方差为σ²的复高斯白噪声；

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_i,d，i∈{1,...,N_r}，因此目的节点的最大似然译码器写成：

502)窃听节点接收到的信号为：

其中，g_i,d表示源节点到窃听节点的第i根天线之间的第d个信道，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；由于窃听节点只知道自己的本地信道信息，并且在源-目的节点与源-窃听节点的信道相互独立，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：

由于窃听节点不知道合法信道的排序信息，所以不能对信道承载的比特进行解码，即使窃听节点对接收符号进行了解码，由于星座的设计，其并不能知道源节点的对应符号比特。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种基于媒介调制的物理层安全传输方法，该方法每次传输数据，随机的使用一个排序后的信道发送数据，并通过预编码，在目的节点处可通过最大似然准则进行解调。而窃听节点由于无法知道源-目的节点的信道状态信息并且源-目的节点的信道独立于源-窃听节点信道，从而不管是信道比特还是符号比特，窃听节点都无法正确解调，达到了安全传输的目的。

仿真证明，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。与现有的基于MBM技术加预编码的方法相比，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。

附图说明

图1为三节点的SIMOME-MBM系统模型示意图；

图2为采用符号部分不承载信息方案，源节点配备1根发射天线，当源节点配备射频反射镜数为2和3，目的节点和窃听节点配备接收天线为1和2时，本发明在目的节点及窃听节点处的BER曲线；

图3为源节点配备1根发射天线，目的节点和窃听节点配备2根接收天线，当源节点配备射频反射镜数为2和3，调制阶数为4和8时，本发明在目的节点及窃听节点处的BER曲线；

图4为符号部分不承载信息方案与基于MBM的安全方案性能比较，参数设置为源节点配备3个射频反射镜和1根发射天线，目的节点和窃听节点配备1根发射天线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明提供的一种基于媒介调制的物理层安全传输方法，该方法基于一个三节点的网络系统，分别是源节点、目的节点和窃听节点。源节点配备单根天线和R_m个射频反射镜，目的节点配备N_r根天线，窃听节点配备N_e根天线，采用M-QAM调制。源节点与目的节点之间直接进行通信，在此过程中，窃听节点尝试窃听源节点向目的节点发送的信息，并进行解码。整个信息传输的过程按照如下步骤：

1)首先，在每次传输开始的时候，源节点和目的节点依次发送训练序列，这样源节点和目的节点都能够估计到源-目的节点的信道信息；

其次，为了达到安全传输的目的，源节点根据估计到的信道状态信息对所有信道状态信息进行二范数平方值大小排序，排序后的信道编号依次为

再次，根据排序后的信道状态信息，源节点选择发送信道以及对待发送的符号进行预编码；

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R_m+log₂(M)比特数据，对第一位到第R_m位数据，根据二进制到十进制的映射关系，选择序号为d的信道传输待发送符号。

步骤2：若符号部分不承载信息，则得到待发送符号为1；若符号部分承载信息，则对得到的信道序号进行判断，若则对第R_m+1位到第R_m+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；若则对第R_m+1位到第R_m+log₂(M)位数据采用与上面星座完全相反的M-QAM调制方式进行调制，得到待发送的符号x。上述完全相反的两种M-QAM调制是指从符号到比特的映射完全相反，比如都采用4QAM，第一种QAM调制是：00→1+1j，01→1-1j，10→-1+1j，11→-1-1j；那么第二种QAM调制就是00→-1-1j，01→-1+1j，10→1-1j，11→1+1j。这两种调制星座对同一个符号解调可以得到所有位完全不同的比特数据。这样即使窃听节点解调出传输符号，由于窃听节点无法解调信道比特，同样也无法知道由信道序号决定的QAM调制，所以窃听节点只能从两种QAM调制中随机选择一种进行译码。例如窃听节点解调出传输符号为1+1j，对应两种QAM星座的比特分别是00和11，由于窃听节点不知道合法信道信息，且两种星座出现的概率均为1/2，所以窃听者会以等概率判断解调比特为0或者1，即，窃听节点不能对调制符号进行正确译码。由于从这两种QAM调制中解调出来的比特数据所有位完全不同，并且每一种QAM调制被采用的概率均等，所以符号比特的安全得到了保障。通过这样的编码方式，可以使得信道也承载了一定的信息，从而可以提升传输的效率。

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，目的节点可以通过最大似然准则得到信道索引值以及符号从而解调出信道比特以及符号比特；而窃听节点由于信道差异并不能得到正确的信道索引值，所以不管是信道比特还是符号比特，窃听节点都不能正确解调。

目的节点收到的信号为：

式中，n_b是均值为零，方差为σ²的复高斯白噪声。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_i,d，i∈{1,...,N_r}，因此目的节点的最大似然译码器可以写成：

窃听节点接收到的信号为：

其中，g_i,d表示源节点到窃听节点的第i根天线之间的第d个信道，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。由于窃听节点只知道自己的本地信道信息，并且在源-目的节点与源-窃听节点的信道相互独立，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：

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，本发明进行了如下仿真：

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，在目的节点处的噪声方差为在窃听节点处的噪声方差为源节点有1根天线，目的节点和窃听节点有N_r根天线，符号部分只发送一个实信号。假设源节点和目的节点进行了精确的信道估计，图2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2可见，无论信噪比多大，窃听节点的BER始终接近0.5，对比R_m＝2，N_r＝1和R_m＝3，N_r＝1的对应曲线，当射频反射镜数增加，即速率增多时，误码率会升高。对比R_m＝2，N_r＝1和R_m＝2，N_r＝2的对应曲线，当接收天线Nr增多时，误码率会明显降低。本发明中，对所有信道进行排序，对于源节点来说并没有增加额外的发射功率，而且由于目的节点知道所有的信道状态信息，所以排序并不影响目的节点正确解码源节点发送的信息，这提升了整个系统的安全性，也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：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，在目的节点处的噪声方差为在窃听节点处的噪声方差为源节点有1根天线，目的节点有2根天线，窃听节点有2根天线，符号部分根据信道序号从两种完全相反的QAM调制中选择其中一种调制星座。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，无论信噪比多大，窃听节点的BER始终接近0.5。对比R_m＝2,M＝4和R_m＝2,M＝8的对应曲线，当调制阶数M增加时，速率会增加，误码率会变差。对比R_m＝2,M＝4和R_m＝3,M＝4的对应曲线，当射频反射镜数R_m增加时，速率会增加，误码率会变差。对比R_m＝2，M＝8和R_m＝3,M＝4的对应曲线，两种设置的速率是相同的，R_m＝3,M＝4这种情况的误码率比R_m＝2,M＝8的误码率要好，所以在速率相同的情况下，本发明更倾向于增加射频反射镜数R_m来获得更好的误码率。本发明中，对所有信道进行排序，对于源节点来说并没有增加额外的发射功率，而且在符号部分调制星座的选择由信道序号确定，所以由于目的节点知道所有的信道状态信息，所以排序并不影响目的节点正确解码源节点发送的信息，而由于窃听节点未知源-目的节点的信道状态信息，不管是信道比特还是符号比特，窃听节点都不能正确解调，这提升了整个系统的安全性，也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3：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。由于对比方案只能保证信道比特的安全而不能保证符号比特的安全，为了比较的公平性，所以本发明与对比方法均考虑在符号部分不承载信息的情况，即发送符号为实符号1。考虑的网络场景为SISO系统，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 (5)

其中，是预编码常数。因此，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 (7)

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3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，对比方法只能保证信道比特的安全并不能保证其符号比特的安全。

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 (4)

1.一种基于媒介调制的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，分别是源节点、目的节点和窃听节点，源节点配备单根天线和R_m个射频反射镜，源节点能够通过控制射频反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，目的节点配备N_r根天线，窃听节点配备N_e根天线，符号调制方式为M-QAM调制；源节点与目的节点之间直接进行通信，在此过程中，窃听节点尝试窃听源节点向目的节点发送的信息，并进行解码。

2.根据权利要求1所述的一种基于媒介调制的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，源节点和目的节点依次发送训练序列，这样源节点和目的节点都能够估计到源-目的节点的信道状态信息；

2)为了达到安全传输的目的，源节点根据估计到的信道状态信息对所有信道状态信息进行二范数平方值大小排序，排序后的信道编号依次为

3)根据排序后的信道状态信息，源节点选择发送信道并对待发送的符号进行预编码；

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所述的一种基于媒介调制的物理层安全传输方法，其特征在于，步骤3)中，在传输开始的时候，源节点将待发送比特数据进行编码，编码包括如下步骤：

301)系统每次发送R_m+log₂(M)比特数据，对第1位到第R_m位数据，根据二进制到十进制的映射关系，选择排序后序号为d的信道传输待发送符号；

302)若符号部分不承载信息，则待发送符号为1；若符号部分承载信息，则对得到的信道序号进行判断，若则对第R_m+1位到第R_m+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；若则对第R_m+1位到第R_m+log₂(M)位数据采用与上面星座完全相反的M-QAM调制方式进行调制，得到待发送的符号x，其中完全相反的星座定义为：分别来自两个星座的相同符号所对应的比特逐位相反。

4.根据权利要求3所述的一种基于媒介调制的物理层安全传输方法，其特征在于，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：

式中，n_b是均值为零，方差为σ²的复高斯白噪声；

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_i,d，i∈{1,...,N_r}，因此目的节点的最大似然译码器写成：

502)窃听节点接收到的信号为：

其中，g_i,d表示源节点到窃听节点的第i根天线之间的第d个信道，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；由于窃听节点只知道自己的本地信道信息，并且在源-目的节点与源-窃听节点的信道相互独立，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：

由于窃听节点不知道合法信道的排序信息，所以不能对信道承载的比特进行解码，即使窃听节点对接收符号进行了解码，由于星座的设计，其并不能知道源节点的对应符号比特。