CN109361440A - 物联网下行网络的物理层安全预编码方法及解码方法 - Google Patents

Abstract

一种物联网下行网络的物理层安全预编码方法及解码方法。本发明的控制器在连续的K+1个时隙中，在空间和时间两个维度上对每一个激励器所传私密信息进行预编码处理。本发明同时将各激励器所传私密信息分配至M根天线，使每根天线在每个时隙对私密信号进行加权处理，即，通过预编码矩阵W_k，使解码过程可对全部信号进行合并接收，去除各私密信息之间的干扰。因而，本发明所提供的物理层安全编码方法及解码方法计算简单、干扰少。适用于计算能力弱，设备之间信号干扰大，接收端信号检测和解码复杂度大的物联网环境。具有高安全性和低复杂度。

Description

物联网下行网络的物理层安全预编码方法及解码方法

技术领域

本发明涉及通讯安全领域，尤其涉及物联网下行网络中的物理层安全技术。

背景技术

物联网为未来互联网描绘了一幅崭新的宏图，即万物相连。在该网络下，只要物理设备拥有计算和感知能力，就能够与其他设备进行通信。通过部署数以万计的物理设备，例如感知器、控制器和激励器，物联网普遍的感知和控制能力将会给人们的日常生活带来翻天覆地的改变。

由于物联网应用范围涉及到商业、工业、政府部门以及军方设备，信息通信安全无疑成为物联网亟待解决的基本问题之一。传统上，信息安全问题主要通过应用于物理层以上的高层的加密算法来解决，然而，随着物联网中设备数量的爆发式增长，密钥分发和管理成为加密算法推广的瓶颈。

针对此问题，A.D.Wyner在“The wire-tap channel.Bell Syst.Tech.J.,Jan.1975,pp.1355-1387.”一文指出：通过物理层安全手段，无需安全密钥也能实现信息的安全传输。A.D.Wyner进一步提出了“安全容量”这一概念，即源节点到目的节点的信道容量减去源节点到窃听节点的信道容量。只要系统安全速率小于安全容量，则信息传输是安全且可靠的。

现有的改善物理层安全、提升安全容量的信号处理方法主要包括预编码和人工噪声两种技术手段。预编码技术通过调整和控制天线的波束朝向，重塑源节点到目的节点以及源节点到窃听节点的等效信道，进而增大目的节点和窃听节点的接收信号质量差。而人工噪声技术则通过发送干扰信号以混淆窃听节点接收的数据，从而达到进一步提升系统安全容量的目的。

物联网相较于传统网络，主要差别主要表现为以下两个方面：其一，物联网中感知器和激励器的数量庞大；其次，这些物理设备具有电池寿命短和计算能力弱等特点。

这些差异为物联网下行网络的物理层安全传输方案设计带来了新的挑战。首先，物理设备之间的信号干扰随着设备数量的增加而急剧恶化；其次，物理设备之间的信号干扰也增加了接收端的信号检测和解码复杂度。因此，安全性和低复杂度是物联网下行网络物理层安全通信的两大性能指标，然而相关研究却极少见诸报道。

发明内容

为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种低复杂度的物联网下行网络物理层安全预编码方法。

首先，为实现上述目的，提出一种物联网下行网络的物理层安全预编码方法，该方法应用于1个控制器、K个激励器{A₁,A₂,...,A_k,...,A_K}和1个窃听节点构成的物联网下行网络；其中，所述K个激励器分别标记为{A₁,A₂,...,A_k,...,A_K}，A_k表示第k个激励器，1≤k≤K，每个所述激励器均分别包含一根天线；所述控制器包含有M根天线；所述窃听节点包含有N根天线。当网络中激励器数量或窃听节点数量发生变化，并不影响信道估计和控制器预编码策略：如果控制器数量发生变化，则将激励器按就近原则分配给各个控制器，每个控制器按照下述的步骤来实行预编码策略；或者可以将多个控制器的天线进行联合，将所有控制器的天线视为一个整体，为所有的激励器服务。其具体的物理层安全预编码步骤包括：第一步，分别为每一个所述激励器{A₁,A₂,...,A_k,...,A_K}生成其训练码字{p₁,…,p_k,…,p_K}；其中，任一所述训练码字p_f均满足：(p_f)^Tp_f＝F，(p_f)^Tp_k＝0，f≠k，f≤F；每一个所述训练码字p_f的长度均为F，F为2的指数，并满足F≥K。第二步，分别为每一个所述激励器{A₁,A₂,...,A_k,...,A_K}生成其接收码字{r₁,…,r_k,…,r_K}；其中，任一所述接收码字r_l均为K+1维复数空间域的标准正交基R中的一个基向量，l≤K+1。第三步，所述K个激励器{A₁,A₂,...,A_k,...,A_K}分别同时在F个时隙内向所述控制器发送其各自的训练码字{p₁,…,p_k,…,p_K}；而后，根据所述控制器接收到的信号Y，分别估计所述K个激励器{A₁,A₂,...,A_k,...,A_K}和所述控制器的M根天线之间的传输信道衰落向量{h₁,…,h_k,…,h_K}，其中任一所述传输信道衰落向量h_k均为M×1维向量。第四步，记所述控制器需要发送给第k个激励器A_k的私密信息为x_k，分别为每一个所述私密信息x_k建立其对应的预编码矩阵其中||·||指代Frobenius范数，W_k为M×(K+1)维矩阵，所述预编码矩阵W_k中的第j列元素指代第j时隙控制器对私密信息x_k的波束赋形向量，j≤K+1。第五步，所述控制器对所述私密信息x_k进行预编码，并通过所述控制器的M根天线在(K+1)个时隙中发送预编码信号，所述预编码信号为：其中，b为所述控制器的发射功率；Q为M×(K+1)维的人工噪声预编码矩阵，所述人工噪声预编码矩阵Q的每一列元素均为向量r_K+1，人工噪声预编码矩阵其中，向量e为元素全为1的列向量，所述向量e为M×1维，元素均为1；η为人工噪声，所述人工噪声η服从均值为0、方差为1的复高斯分布。

可选的，如上所述的物联网下行网络的物理层安全预编码方法，其中，所述各激励器的训练码字p_f采用Walsh码，其生成步骤如下：步骤P1，记所述训练码字p_f的长度为F＝2^L,L＝1时，所述Walsh码包含有2个码字，分别为和所述Walsh码矩阵为步骤P2，根据Walsh码公式依次令直至计算出所述训练码字p_f的长度为F＝2^L+1时所述Walsh码矩阵步骤P3，所述训练码字{p₁,…,p_k,…,p_K}分别为所述Walsh码矩阵的第1至第K列。

可选的，如上所述的物联网下行网络的物理层安全预编码方法，其中，所述各激励器{A₁,A₂,...,A_k,...,A_K}均采用BPSK调制方式调制其发送的数据。

可选的，如上所述的物联网下行网络的物理层安全预编码方法，其中，，任一所述传输信道衰落向量h_k通过最小二乘信道估计方式计算获得。

可选的，如上所述的物联网下行网络的物理层安全预编码方法，其中，任一所述传输信道衰落向量h_k通过以下步骤计算获得：其中，α为所述第k个激励器的发射功率。所述K个激励器的发射功率均为α。

可选的，如上所述的物联网下行网络的物理层安全预编码方法，其中，所述预编码矩阵W_k的第i行第j列元素为所述控制器第i根天线在第F+j个时隙时发送私密信息x_k的功率加权系数。

其次，为实现上述目的，还提出一种针对上述物联网下行网络的物理层安全预编码方法的解码方法，应用于1个控制器、K个激励器{A₁,A₂,...,A_k,...,A_K}和1个窃听节点构成的物联网下行网络，步骤包括：步骤S1，所述第k个激励器A_k在K+1个时隙中接收信号z_k，接收信号的标号k为1到K的整数。步骤S2，对接收信号z_k转置为(z_k)^T再右乘向量(r_k)^*，获得合并接收信号所述合并接收信号(z_k)^T(r_k)^*的相位信息θ_k为所述私密信息x_k的相位信息。步骤S3，将相位信息θ_k与私密信息x_k的星座图进行比对，以最小欧式距离为原则进行解码，获得所述相位信息θ_k所对应的私密信息x_k。所述私密信息x_k的星座图即为控制器给激励器发送私密信号时所采用的星座图。

可选的，上述的解码方法，其中，所述合并接收信号(z_k)^T(r_k)^*的相位信息θ_k，其计算步骤如下：步骤t1，提取所述合并接收信号(z_k)^T(r_k)^*的实部值和虚部值，分别记为Re{(z_k)^T(r_k)^*}和Im{(z_k)^T(r_k)^*}，根据Re{(z_k)^T(r_k)^*}和Im{(z_k)^T(r_k)^*}确定象限。步骤t2，所述私密信息x_k的相位信息记为θ_k，下标k指代1到K的整数，其值为

可选的，上述的解码方法，其中，所述接收信号z_k的转置为其中，下标i为1到K的任意整数，其中ξ_k为加性高斯白噪声，为(K+1)×1维向量，表示K+1个时隙里第k个激励器A_k处的热噪声所对应的向量，下标k为1到K的整数，向量ξ_k其中的每一个元素均服从均值为零、方差为σ²的复高斯分布，其中σ²表示热噪声的功率谱密度。

有益效果

1、本发明能够有效消除信号间相互干扰，降低激励器(或感知器)信号检测运算的复杂度。本发明所采用的预编码技术，将多路信号通过加权的形式叠加在一起形成预编码信号，解码时，可结合接收码字进行合并接收。解码过程，通过对接收信号z_k转置为(z_k)^T再右乘向量(r_k)^*，激励器处只会保留自己的私密信息。也就是说，通过上述的预编码方法，在于其对应的解码步骤中，各激励器可通过简单的右乘运算消除各私密信息之间的相互干扰。因此，各个激励器能够对私密信息进行独立的相位检测和解码，无需对所有私密信息进行联合检测。如此，本发明明显降低了信号检测和解码复杂度。

2、安全性能好。本发明对私密信息进行预编码设计时，引入人工噪声η来恶化窃听节点的接收性能。通过对人工噪声按照人工噪声预编码矩阵进行预编码，使人工噪声η在解码过程中被解码运算抵消，不影响接收节点对私密信息的获取。另一方面，接收码字是由复数域中的任意一组正交基构成，其复数域正交基的种类数目无穷大，即使窃听节点获取到部分接收码字，窃听节点也无法根据其获得的接收码字推算出其它剩余正交基所对应的接收码字。

3、实现简单。本发明充分考虑了物联网中激励器(或感知器)电池寿命短、计算能力弱等特点，简化了激励器(或感知器)的信号处理能力。例如，本申请中激励器在信道估计阶段选用最简单的BPSK调制；其次，本申请检测解码过程中，激励器通过合并接收可消除私密信号之间的相互干扰，只计算保留自己所需的私密信号。由此，本申请中，激励器只需要进行单独的单用户检测，大大降低了检测图样的范围。本发明将主要信号处理工作集中在控制器，并且预编码矩阵设计简单，易于实现本发明，

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本发明的实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明所述物联网下行网络安全通信场景示意图；

图2是本发明所述训练序列发送过程示意图；

图3是本发明所述物联网下行网络预编码设计和广播私密信息示意图；

图4是本发明所述专利流程框图；

图5是本发明所述物联网下行网络中控制器与激励器的通信流程图；

图6是本发明中激励器的信号检测复杂度比较图；

图7是本发明中第一个激励器和窃听节点的误码率比较图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为根据本发明所应用的物联网下行网络安全通信场景。该场景为一个由单一控制器，K个激励器{A₁,A₂,...,A_k,...,A_K}和一个窃听节点所构成的物联网下行网络，其中下标k取值范围为1到K的整数，A_k指代第k个激励器。所述物联网下行网络中的激励器由于电池寿命短以及设备成本的限制，只配备单根天线；而控制器和窃听节点分别配备M和N根天线。

该场景下，物理层安全预编码方案如下：

第一步：生成训练码字：为了实现信息的安全传输，系统为每个激励器分别分配两个固定码字，分别记为训练码字和接收码字。训练码字用来估计信道，而接收码字用来检测和解码。其训练码字可采用Walsh码。Walsh训练码字生成方法简单，而且生成的训练码字只包含+1和-1两种值，激励器可以直接采用二进制相移键控(BPSK)的方式进行调制，而不需要对码字进行量化处理。训练码字也可以采用其他方式。只要保证每个激励器之间发送的码字保持正交，控制器能够从接收信号中将每个激励器的发送信息进行区分。传统的训练码字对应发送正交导频信号，但是传统方法使用的可能是伪随机PN序列，PN序列生成比较复杂，而且随着激励器数目的增多，PN序列长度加长，搜索复杂度加大，不太适合物联网激励器这种低复杂度设备。而本发明所采用的Walsh码生成方式简单，而且复杂度不会随着激励器数目的增多而加大。其生成方法如下：

步骤101：Walsh码的长度为2^L，所述L指代大于零的整数。当L＝1时，Walsh码的长度为2，包含2个码字，分别为和将长度为2的所有Walsh字记作矩阵H₂，其下标2表示Walsh码的长度为2，矩阵H₂的组成为所述长度为2^L的Walsh码字记为矩阵则矩阵的每一列元素是一个长度为2^L的Walsh码字。如果系统只包含4个激励器时，Walsh码生成矩阵为则第一个激励器分配码字为[1,1,1,1]，第二个激励器分配码字为[1,-1,1,-1]，第三个激励器分配码字为[1,1,-1,-1]，第四个激励器分配码字为[1,1,-1,1]。类似地，所述长度为2^L+1的Walsh码字记为其中下标2^L和2^L+1分别表示Walsh码字的长度为2^L和2^L+1。长度为2^L+1的Walsh码字与长度为2^L的Walsh码字之间的关系式或Walsh码公式为

步骤102：根据上述关系式，生成长度为F的Walsh码字，其中F为2的指数，并满足F≥K，以保证每个激励者都拥有不同的Walsh码字。将所述长度为F的所有Walsh码字记为矩阵H_F，下标F指代Walsh码的长度为F。记符号f表示1到F的任意整数，将矩阵H_F中的第f列元素记为向量p_f，其中p_f是第f个长度为F的Walsh码字，下标f用来指代所有长度为F的Walsh码字中的第f个Walsh码字。因此，第f个Walsh码字p_f与自身的内积为F，而与其他码字的内积为零。以第一个和第二个Walsh码字为例，满足(p₁)^Tp₁＝F，(p₂)^Tp₂＝F，(p₁)^Tp₂＝0和(p₂)^Tp₁＝0，其中上标(·)^T指代矩阵或者向量的转置操作；

步骤103：将所述长度为F的Walsh码字矩阵H_F中的前K列元素依次作为训练码字分配给K个激励器，即将矩阵H_F的第一列元素p₁分配给第一个激励器，将矩阵H_F的第二列元素p₂分配给第二个激励器，等等，将矩阵H_F的第K列元素p_K分配给第K个激励器。

第二步：生成接收码字：所述接收码字生成方法如下：

步骤201：构造一组K+1维复数空间域的标准正交基，并记为集合R，所述标准正交基由K+1个基向量组成，所有基向量均为(K+1)×1维复数向量；

步骤202：将所述标准正交基记为R＝{r₁,r₂,...,r_l,...,r_K+1}，其中下标l的取值范围为从1到K+1的整数，指代向量r_l为所述标准正交基中的第l个基向量，向量r_l是所述标准正交基R中的第l个基向量。类似地，第l个基向量r_l与自身的内积为1，而与其他基向量的内积为零。以第一个和第二个基向量为例，满足(r₁)^Hr₁＝1，(r₂)^Hr₂＝1，(r₁)^Hr₂＝0和(r₂)^Hr₁＝0，其中上标(·)^H指代矩阵或者向量的共轭转置操作；

步骤203：将所述标准正交基R中的前K个基向量依次作为接收码字分配给K个激励器，即第一个激励器分配的接收码字为r₁，第二个激励器分配的接收码字为r₂，等等，第K个激励器的接收码字为r_K。

第三步：信道估计：所述第k个激励器A_k与控制器之间的传输信道衰落向量记为h_k，其中下标k的取值范围为从1到K的整数，h_k为M×1维向量，包含控制器M根天线到第k个激励器A_k的所有信道衰落系数。所述控制器与窃听节点之间的窃听信道衰落矩阵记为G，其中G为N×M维矩阵，包含窃听者N根天线到控制器M根天线的所有信道衰落系数；信道估计的具体步骤如下：

步骤301：所述K个激励器采用BPSK调制方式，同时向控制器发送各自的训练码字，Walsh方式的训练码字长度为F，即每个激励器都要发送F个数据出去，假设激励器一个时隙只发送一个数据，此过程耗时F个时隙。BPSK是最简单的调制方式，只包含+1和-1两种发送信号，降低了激励器设计的复杂度。另一方面，本发明采用的Walsh训练码字只包含+1和-1两种值，刚好与BPSK调制方式相契合，激励器可以直接将Walsh码字作为BPSK调制的输出信号。此过程，将控制器的接收到的信号记为Y，其中Y为M×M维矩阵，其组成为其中下标i取值范围为1到K的整数，标量a指代激励器的发射功率，矩阵D为M×M维矩阵，指代M个时隙控制器M根天线热噪声构成的矩阵，矩阵D中的每一个元素均服从均值为零，方差为σ²的复高斯分布，σ²表示热噪声的功率谱密度。本申请中，时隙在这里为一个基本的时间单元，一个时隙只发送一个数据；

步骤302：针对第k个激励器A_k与控制器之间的传输信道衰落向量h_k，其估计过程如下：首先，对所述控制器接收到的信号Y右乘向量p_k，则可以将接收信号简化为进一步将Yp_k除以因子可以得到第k个激励器A_k与控制器之间的信道向量的估计值，并记为下标k取值范围为1到K的整数，其表达式为假设激励器的发射功率a足够大，以致于可以忽略噪声的影响，因此，信道向量估计值等于h_k。这种方式为最小二乘(LS)信道估计,其优势在于实现简单，无需信道的统计信道状态信息。其他方式包括最小均方误差信道估计(MMSE)，但是最小均方误差信道估计需要用到信道的均值和协方差等统计信息，这些信息一般难以获取。因此，实现起来比较复杂，而且其算法估计性能会随着信道统计信息的误差而加大。

第四步：预编码设计与下行广播：所述控制器采取相位键控调制方式，向每一个激励器发送不同的私密信息，来调度和操控每个激励器协同完成任务。将所述控制器发送给第k个激励器A_k的私密信息记为x_k，其中下标k指代信息x_k是控制器传达给第k个激励器A_k的私密信息。即x₁是控制器传达给第1个激励器A₁的私密信息，x_k是控制器传达给第k个激励器A_k的私密信息，x_K是控制器传达给第K个激励器A_K的私密信息。控制器在激励器发送完Walsh码字之后的K+1个时隙中，即第F+1个时隙到第F+K+1个时隙，控制器在空间和时间两个维度上对所传私密信息进行预编码处理。所述控制器对私密信息x_k的预编码矩阵记为W_k，下标指代预编码矩阵W_k仅用来对私密信号x_k进行信号处理，其中W_k为M×(K+1)维矩阵。在下行通信过程中，矩阵W_k中的第1列元素指代第1时隙控制器对私密信号x_k的波束赋形向量(即控制器每根天线对私密信号x_k的加权因子构成的向量)，矩阵W_k中的第2列元素指代第2时隙控制器对私密信号x_k的波束赋形向量，等等，矩阵W_k中的第K+1列元素指代第K+1时隙控制器对私密信号x_k的波束赋形向量。预编码矩阵W_k的构造方法如下：

步骤401：预编码矩阵W_k的结构为其中||·||指代Frobenius范数，即矩阵元素绝对值的平方和再开平方。

步骤402：为了提升系统的安全性能，所述控制器将功率进行平均分配用来发送私密信号和人工噪声，以达到混淆窃听节点的目的。将所述控制器M根天线在(K+1)个时隙中发送的预编码信号表示为所述b为控制器的发射功率，所述Q为M×(K+1)维矩阵，其意义为人工噪声的预编码矩阵，矩阵Q的每一列元素均为向量r_K+1。人工噪声预编码矩阵Q的设计结构为所述向量e为M×1维向量，其元素均为1；变量η为人工噪声，随机取自均值为零方差为1的复高斯分布。

第五步：检测解码：所述第k个激励器A_k在K+1个时隙中接收的信号记作向量z_k，向量z_k为(K+1)×1维向量，下标k取值范围为1到K的整数。向量z_k的组成为下标i指代1到K的任意整数，其中ξ_k为(K+1)×1维向量，指代K+1个时隙里第k个激励器A_k处的热噪声构成的向量，下标k为1到K的整数，向量ξ_k中的每一个元素均服从均值为零，方差为σ²的复高斯分布，σ²表示热噪声的功率谱密度。

因为预编码矩阵结构为则接收信号可等价为

以第k个激励器A_k为例，每个激励器单独完成如下的检测过程：首先，对接收信号(z_k)^T右乘向量(r_k)^*，即，获得合并接收信号其中的结果是大于零的实数值，因此合并接收信号(z_k)^T(r_k)^*的相位信息就是私密信息x_k的相位信息。所述第k个激励器的接收信号消除了多用户干扰，并且无人工噪声。因此，第k个激励器可以采取单用户信号检测进行解码。首先，提取合并接收信号(z_k)^T(r_k)^*的实部和虚部值，分别记为Re{(z_k)^T(r_k)^*}和Im{(z_k)^T(r_k)^*}，所述Re{·}表示该复数的实部操作，所述Im{·}表示该复数的虚部操作，根据Re{(z_k)^T(r_k)^*}和Im{(z_k)^T(r_k)^*}确定象限；然后，所述私密信号x_k的相位信息记为θ_k，下标k指代1到K的整数，其值为其中arctan(·)表示反正切运算；最后，将相位信息θ_k与私密信号x_k的星座图进行比对，以最小欧式距离为原则进行解码。

如此，场景中的窃听节点在试图获取私密信息时，会受到以下两方面干扰：包括传输给各个激励器私密信号的相互干扰以及人工噪声的影响，这严重降低了窃听节点的接收性能，有效保证了信息的安全传输。也就是说，私密信号在传输过程中会受到噪声(人工噪声和接收设备热噪声)的干扰，并且，由于控制器采取广播的形式将每个激励器的私密信号同时发送，因此在接收端，私密信号之间存在多用户信号干扰，即第五步的检测解码过程中，接收信号组成是私密信号的叠加求和的形式，私密信号叠加在一起后会影响接收端的整体解码性能。

在另一种更为具体的实施环境下：

图1所示的物联网下行网络，包括一个控制器，K个激励器{A₁,A₂,...,A_k,...,A_K}和一个窃听节点，其中下标k取值范围为1到K的整数，A_k指代第k个激励器。控制器和窃听者分别配备M根和N根天线，而所有激励器均配备单根天线。所述第k个激励器A_k与控制器之间的传输信道衰落向量记为h_k，其中下标k的取值范围为从1到K的整数，h_k为M×1维向量，包含控制器M根天线到第k个激励器A_k的所有信道衰落系数。所述控制器与窃听节点之间的信道矩阵记为G，其中G为N×M维矩阵，包含窃听者N根天线到控制器M根天线的所有信道衰落系数。G是控制器与窃听节点之间的信道矩阵表示，与控制器预编码设计过程无关，控制器不需要知道G，所以不需要获取。G的存在只是为了便于表示窃听节点接收信号的组成，以及仿真验证中用于计算窃听节点的误码率。

第一步：图2所示为训练码字发送过程，假设有2个激励器，即K＝2，控制器和窃听节点均配备两根天线，即M＝2，N＝2。因此，给第一个激励器分配训练码字给第二个激励器分配训练码字

第二步：随机构造一组3维复数域标准正交基其中给第一个激励器分配接收码字r₁，给第二个激励器分配接收码字r₂，保留r₃用来对人工噪声进行预编码设计。

第三步：如图2所示，所有激励器均采用低阶的BPSK调制方式，同时将各自的训练码字发送给控制器。假设有2个激励器，即K＝2，控制器和窃听节点均配备两根天线，即M＝2，N＝2。第一个激励器到控制器的传输信道衰落向量假设为第二个激励器到控制器的传输信道衰落向量假设为

步骤301：所有激励器均采用低阶的BPSK调制方式，同时将各自的训练码字发送给控制器。由于训练码字和都含有2比特信息，采用BPSK调制后，需要2个时隙来传输训练码字。因此，控制器的接收到的信号记为Y，其中Y为2×2维矩阵，其组成为标量a指代激励器的发射功率，上标(·)^T指代矩阵或者向量的转置操作，矩阵D为2×2维矩阵，指代2个时隙控制器2根天线热噪声构成的矩阵。其接收信号Y的计算结果为

步骤302：针对第一个激励器与控制器之间的信道向量h₁，其估计过程如下：首先，对所述控制器接收到的信号Y右乘向量p₁，则可以将接收信号简化为传输信道衰落向量h₁估计值为假设激励器的发射功率a足够大，以致于可以忽略噪声的影响，因此，传输信道衰落向量估计值等于h₁。

针对第二个激励器与控制器之间的传输信道衰落向量h₂，其估计过程如下：首先，对所述控制器接收到的信号Y右乘向量p₂，则可以将接收信号简化为传输信道衰落向量h₂的估计值为假设激励器的发射功率a足够大，以致于可以忽略噪声的影响，因此，传输信道衰落向量的估计值等于h₂。

第四步：预编码设计与下行广播：所述控制器采取相位键控调制方式(PSK)，向每一个激励器发送不同的私密信息，来调度和操控每个激励器协同完成任务。如图3所示，控制器向第一个激励器发送私密信号x₁，其中下标1指代信息x₁是控制器传达给第一个激励器的私密信息。控制器向第二个激励器发送私密信号x₂，下标2指代信息x₂是控制器传达给第二个激励器的私密信息。η为人工噪声，随机取自均值为零方差为1的复高斯分布，用来干扰窃听节点的正常接收。控制器在后续3个时隙中，利用2根天线在空间和时间两个维度上对所传私密信息进行预编码处理。私密信息x₁的预编码矩阵记为W₁，其中W₁为2×3维矩阵。私密信息x₂的预编码矩阵记为W₂，其中W₂为2×3维矩阵。人工噪声η的预编码矩阵记为Q，其中Q为2×3维矩阵。

步骤401：预编码矩阵W₁的结构为所述预编码矩阵W₁的具体数值为

预编码矩阵W₂的结构为所述预编码矩阵W₂的具体数值为

预编码矩阵Q的结构为所述第一向量e为2×1维向量，其元素均为1，所述预编码矩阵Q的具体数值为

步骤402：为了提升系统的安全性能，所述控制器将功率进行平均分配用来发送私密信号和人工噪声，以达到混淆窃听节点的目的。将所述控制器2根天线在3个时隙中发送信号表示为所述b为控制器的发射功率。

第五步：检测解码：所述第一个激励器在这3个时隙中接收的信号记作向量z₁，接收信号z₁为3×1维向量，下标1指代z₁是第一个激励器的接收信号。接收信号z₁的组成为其中ξ₁为3×1维向量，指代这3个时隙中第一个激励器处的热噪声构成的向量，下标1指ξ₁是第一个激励器处的热噪声。对接收信号(z₁)^T右乘向量(r₁)^*，上标(·)^*表示向量的共轭操作，获得合并接收信号，其计算结果为然后，提取所述合并接收信号(z₁)^T(r₁)^*的实部和虚部值，分别记为Re{(z₁)^T(r₁)^*}和Im{(z₁)^T(r₁)^*}，所述Re{·}表示该复数的实部，所述Im{·}表示该复数的虚部，再根据Re{(z₁)^T(r₁)^*}和Im{(z₁)^T(r₁)^*}确定象限；最后，所述私密信号x₁的相位信息记为θ₁，下标1指代θ₁为私密信号x₁的相位信息，其值为最后，将相位信息θ₁与私密信号x₁的星座图进行比对，以最小欧式距离为原则进行解码。

所述第二个激励器在这3个时隙中的接收信号记作向量z₂，接收信号z₂为3×1维向量，下标2指代z₂是第二个激励器的接收信号。接收信号z₂的组成为其中ξ₂为3×1维向量，指代这3个时隙中第二个激励器处的热噪声构成的向量，下标2指代ξ₂是第二个激励器处的热噪声。对接收到的信号(z₂)^T右乘向量(r₂)^*，即，其计算结果为然后，提取接收信号(z₂)^T(r₂)^*的实部和虚部值，分别记为Re{(z₂)^T(r₂)^*}和Im{(z₂)^T(r₂)^*}，再根据Re{(z₂)^T(r₂)^*}和Im{(z₂)^T(r₂)^*}确定象限；最后，所述私密信号x₂的相位信息记为θ₂，下标2指代θ₂为私密信号x₂的相位信息，其值为其中arctan(·)表示反正切运算；最后，将相位信息θ₂与私密信号x₂的星座图进行比对，以最小欧式距离为原则进行解码。

由此获得的接收信号，其在所述窃听节点被接收时会受到以下两方面干扰：包括传输给各个激励器私密信号的相互干扰以及人工噪声的影响，这严重降低了窃听节点的接收性能，有效保证了信息的安全传输。

图4和图5给出了控制器和激励器之间的整个通信流程。

综上：

本发明采用预编码技术，并结合接收码字进行合并接收，在激励器处只保留了各自的私密信息，消除了各个私密信号之间的相互干扰。本发明所述的合并接收是指将多路信号通过加权的形式叠加在一起，再进行解码，这种方式有效避免了个别衰落较大路径接收信号的影响。现有的接收方式中：最大比合并接收是按照信号增益比例进行叠加。其相对于本发明将接收信号(z_k)^T右乘向量(r_k)^*的过程。传统的最大比合并接收是将接收信号(z_k)^T右乘即，右乘最大比合并接收的权重向量，其中，(z_k)^*是(z_k)^T的共轭转置。但这种最大比合并方式中并没有提炼出只属于激励器的私密信号，因此，私密信号相互干扰仍然存在。

本发明在对私密信号进行预编码设计时，引入人工噪声η，并通过矩阵Q对人工噪声η进行预编码，来恶化窃听节点的接收性能，同时保证激励器正常接收不受干扰。

本发明简化了激励器(或感知器)的信号处理能力。信号处理主要包过调制、解调、检测解码等过程。本申请中激励器在信道估计阶段采用最简单的BPSK调制，其次，检测解码过程中，激励器通过合并接收消除了私密信号的相互干扰，只保留了自己所需的私密信号，因此，激励器只需要进行单独的单用户检测，大大降低了检测图样的范围。

由图6给出的第一个激励器的信号检测复杂度可知，本发明方法消除了信号之间的相互干扰，减少了接收信号的检测样本数目，明显降低了激励器的信号检测复杂度。图7给出了第一个激励器和窃听节点的误码率性能。由图7可知，本发明方法利用私密信号间的相互干扰以及人工加噪技术，有效恶化了窃听节点的误码率性能。

由此，本发明能够通过使控制器在连续的K+1个时隙中，在空间和时间两个维度上对每一个激励器所传私密信息进行预编码处理。本发明通过同时将各激励器所传私密信息分配至M根天线，使每根天线在每个时隙对私密信号进行加权处理，即，通过预编码矩阵W_k，使解码过程可对全部信号进行合并接收，去除各私密信息之间的干扰。其中，所述的预编码矩阵W_k，其维度为M×(K+1)，W_k的第i行第j列元素表示控制器第i根天线在第F+j个时隙对私密信号x_k的加权系数。本发明所提供的物理层安全编码方法及解码方法计算简单、干扰少。适用于计算能力弱，设备之间信号干扰大，接收端信号检测和解码复杂度大的物联网环境。具有高安全性和低复杂度。

本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种物联网下行网络的物理层安全预编码方法，

应用于1个控制器、K个激励器{A₁,A₂,...,A_k,...,A_K}和1个窃听节点构成的物联网下行网络；其中，所述K个激励器分别标记为{A₁,A₂,...,A_k,...,A_K}，A_k表示第k个激励器，1≤k≤K，每个所述激励器均分别包含一根天线；所述控制器包含有M根天线；所述窃听节点包含有N根天线；

其特征在于，步骤包括：

第一步，分别为每一个所述激励器{A₁,A₂,...,A_k,...,A_K}生成其训练码字{p₁,…,p_k,…,p_K}；其中，任一所述训练码字p_f均满足：(p_f)^Tp_f＝F，(p_f)^Tp_k＝0，f≠k，f≤F；每一个所述训练码字p_f的长度均为F，F为2的指数，并满足F≥K；

第二步，分别为每一个所述激励器{A₁,A₂,...,A_k,...,A_K}生成其接收码字{r₁,…,_k,…,_K}；其中，任一所述接收码字r_l均为K+1维复数空间域的标准正交基R中的一个基向量，l≤K+1；

第三步，所述K个激励器{A₁,A₂,...,A_k,...,A_K}分别同时在F个时隙内向所述控制器发送其各自的训练码字{p₁,…,p_k,…,p_K}；而后，根据所述控制器接收到的信号Y，分别估计所述K个激励器{A₁,A₂,...,A_k,...,A_K}和所述控制器的M根天线之间的传输信道衰落向量{h₁,…,_k,…,_K}，其中任一所述传输信道衰落向量h_k均为M×1维向量；

第四步，记所述控制器需要发送给第k个激励器A_k的私密信息为x_k，分别为每一个所述私密信息x_k建立其对应的预编码矩阵其中||·||指代Frobenius范数，W_k为M×(K+1)维矩阵，所述预编码矩阵W_k中的第j列元素指代第j时隙控制器对私密信息x_k的波束赋形向量，j≤K+1；

第五步，所述控制器对所述私密信息x_k进行预编码，并通过所述控制器的M根天线在(K+1)个时隙中发送预编码信号：其中，b为所述控制器的发射功率；Q为M×(K+1)维的人工噪声预编码矩阵，所述人工噪声预编码矩阵Q的每一列元素均为向量r_K+1，人工噪声预编码矩阵其中，向量e为元素全为1的列向量，所述向量e为M×1维，元素均为1；η为人工噪声，所述人工噪声η服从均值为0、方差为1的复高斯分布。

2.如权利要求1所述的物联网下行网络的物理层安全预编码方法，其特征在于，所述各激励器的训练码字p_f采用Walsh码，其生成步骤如下：

步骤P1，记所述训练码字p_f的长度为F＝2^L,L＝1时，所述Walsh码包含有2个码字，分别为和所述Walsh码矩阵为

步骤P2，根据Walsh码公式依次令L＝1，直至计算出所述训练码字p_f的长度为F＝2^L+1时所述Walsh码矩阵

步骤P3，所述训练码字{p₁,…,p_k,…,p_K}分别为所述Walsh码矩阵的第1至第K列。

3.如权利要求2所述的物联网下行网络的物理层安全预编码方法，其特征在于，所述各激励器{A₁,A₂,...,A_k,...,A_K}均采用BPSK调制方式调制其发送的数据。

4.如权利要求2所述的物联网下行网络的物理层安全预编码方法，其特征在于，任一所述传输信道衰落向量h_k通过最小二乘信道估计方式计算获得。

5.如权利要求2所述的物联网下行网络的物理层安全预编码方法，其特征在于，任一所述传输信道衰落向量h_k通过以下步骤计算获得：其中，α为所述第k个激励器的发射功率。

6.如权利要求2所述的物联网下行网络的物理层安全预编码方法，其特征在于，所述预编码矩阵W_k的第i行第j列元素为所述控制器第i根天线在第F+j个时隙时发送私密信息x_k的功率加权系数。

7.一种针对权利要求1至6任一所述物联网下行网络的物理层安全预编码方法的解码方法，应用于1个控制器、K个激励器{A₁,A₂,...,A_k,...,A_K}和1个窃听节点构成的物联网下行网络，

其特征在于，步骤包括：

步骤S1，所述第k个激励器A_k在K+1个时隙中接收信号z_k，接收信号的标号k为1到K的整数；

步骤S2，对接收信号z_k转置为(z_k)^T再右乘向量(r_k)^*，获得合并接收信号所述合并接收信号(z_k)^T(r_k)^*的相位信息θ_k为所述私密信息x_k的相位信息；

步骤S3，将相位信息θ_k与私密信息x_k的星座图进行比对，以最小欧式距离为原则进行解码，获得所述相位信息θ_k所对应的私密信息x_k。

8.如权利要求7所述的解码方法，其特征在于，所述合并接收信号(z_k)^T(r_k)^*的相位信息θ_k，其计算步骤如下：

步骤t1，提取所述合并接收信号(z_k)^T(r_k)^*的实部值和虚部值，分别记为Re{(z_k)^T(r_k)^*}和Im{(z_k)^T(r_k)^*}，根据Re{(z_k)^T(r_k)^*}和Im{(z_k)^T(r_k)^*}确定象限；

步骤t2，所述私密信息x_k的相位信息记为θ_k，下标k指代1到K的整数，其值为

9.如权利要求7所述的解码方法，其特征在于，所述接收信号z_k的转置为其中，下标i为1到K的任意整数，其中ξ_k为加性高斯白噪声，为(K+1)×1维向量，表示K+1个时隙里第k个激励器A_k处的热噪声所对应的向量，下标k为1到K的整数，向量ξ_k其中的每一个元素均服从均值为零、方差为σ²的复高斯分布，其中σ²表示热噪声的功率谱密度。