CN109714087A - 基于最大化窃听方误码率的人工噪声生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信抗干扰技术领域，涉及一种基于最大化窃听方误码率的人工噪声生成方法。本发明提出了添加人工噪声的GSM‑MIMO系统中一种基于最大化窃听方误码率的人工噪声生成算法。该算法通过最大化干扰GSM‑MIMO系统的窃听方欲解调出的信号为人工噪声的生成准则，寻找人工噪声的最佳逼近解，在保证原发送信号向量不受影响的前提下，有效实现了对窃听方的误码率性能的干扰。相比于传统的人工噪声系统，既在合法接收方产生了一定的性能增益，又大大恶化了窃听方的性能，使得系统的安全性进一步提升。

Description

基于最大化窃听方误码率的人工噪声生成方法

技术领域

本发明属于通信抗干扰技术领域，涉及一种基于最大化窃听方误码率的人工噪声生成方法。

背景技术

MIMO系统的基本原理是在无线通信传输系统的收发设备上均采用多根天线进行数据的发送传输与接收，使空间成为一种可以提高系统性能的资源，通过对传输空间的自由度进行了挖掘形成空间并行传输通道，从而实现高的通信容量和频谱利用率。相比传统的SISO系统，MIMO系统通过对空间自由度的充分利用，可以带来额外的分集，复用和波束成型增益。

出于提升频谱效率的目的，GSM作为一种新型的MIMO技术而提出，其在每个时隙激活多于1根发射天线用以传输更多的符号，保留了SM的主要优势。因此，GSM采用的策略是选择天线组合，并在每根天线上传输不同的符号，进而提升了整体的频谱效率。GSM拥有接收方解调复杂度低的优势，但同时也有向窃听方泄露信息的风险。人工噪声技术作为一个新型的物理层技术而提出可以较好地提升空间调制的安全性。但是传统的人工噪声采取的生成方式为独立的高斯白噪声，不仅造成了发射功率的浪费，而且对窃听方的干扰程度不尽理想。

发明内容

针对传统人工噪声系统的对窃听方干扰程度不尽理想的问题，本发明提出一种基于最大化窃听方误码率的人工噪声生成方法。

为更好地对本发明进行说明，先介绍本发明技术方案所用到的术语和系统结构。

MIMO：MIMO技术指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。

AN：人工噪声技术指人为在发送信号向量中添加不影响合法接受方解调的噪声，使窃听方受到人为添加的噪声的干扰，从而提高安全性的物理层技术。

图1所示为本发明添加最大化窃听方误码率的人工噪声的GSM-MIMO系统框图：

发射机结构大致分为如下几步：

步骤1：确定要选择的系统的参数，即确定发射天线个数N_t，激活天线个数N_a，接收天线个数N_r，调制方式。

步骤2：对发射信号比特进行广义空间调制，得到发送信号向量。利用信道信息和发送信号向量计算生成的人工噪声，并与发送信号向量相加，然后发射信号，接收端再进行检测。

本发明采用的技术方案为：

初始化

GSM-MIMO系统中，发送天线，激活天线，合法方接收天线和窃听方接收天线的数目分别为N_t，N_a，N_r和N_e，且考虑到人工噪声的生成条件，有N_a>N_r。发送信号向量表示为则合法方接收信号向量和窃听方接收信号分别为

y＝HS_i+u，

z＝GS_i+v。

其中，和分别表示合法方和窃听方的信道矩阵,H和G的每个元素都是均值为0方差为1的复高斯随机变量，和表示加性高斯白噪声向量，u和v的每个元素都是均值为0的复高斯随机变量，方差分别为和S_i表示发送信号向量，其生成方式为发送方从N_t根天线中选出N_a根，这N_a根天线的选择方式有(N_t,N_a)^T种，因此，通过激活天线索引所传输的信息量为比特，此外，通过每根激活天线上传输的符号为M阶星座图中的一个幅度/相位调制符号，所以总的每时隙传输比特数为

在本发明中，接收方使用极大似然解调(ML)规则。在窃听方已知其信道矩阵G的情况下，可完全正确的解调出发送的信号。故采取在发送信号向量中添加人工噪声的技术来干扰窃听方。

人工噪声生成：

S1.计算H的0空间V₀

考虑到人工噪声只能添加在激活天线的符号上，故按照如下方式生成V₀:

取H中的N_a个列向量构成新矩阵所取的列向量的位置一一对应于激活天线的位置。对进行奇异值分解

利用的0空间可以进一步得到H的0空间V₀

因此新的发送信号向量可以构造为原发射向量与人工噪声相加

其中为一个发射方生成的矩阵，V₀R则为生成的人工噪声。由于上述方法生成的V₀R的非零元与S_i的非零元位置相同，故人工噪声只会添加在激活的天线上，不会增加需要激活的射频链数量。

由于V₀是H的零空间，故人工噪声不会对合法接收方造成干扰，合法方接收信号向量y和窃听方接收信号z分别为

y＝HS_i+u,

z＝GS_i+GV₀R+v。

S2.计算基于最大化窃听方误码率的人工噪声生成算法

在本发明中，发送方不知道窃听方的信道矩阵G，这与大多数现实情况相吻合。为了最大化窃听方误码率，发射方选择改变生成矩阵R，使得S_i+V₀R尽可能地逼近另一个发送信号向量S_j,为了保证R的随机性，S_j可以从不同于S_i的其他可能的发送信号向量中随机选择。则问题转化为寻找下式的最佳逼近解

V₀R＝S_j-S_i，

不失一般性，上式方程为不相容方程，R的最佳逼近解为

其中为V₀的M-P广义逆矩阵。由于故新的发射信号满足功率归一化。

S3.将S1和S2中求解出的生成矩阵R带入到新的发送信号向量中

S＝S_i+V₀R,

即完成了所有操作。

本发明的有益效果为：

本发明提出了添加人工噪声的GSM-MIMO系统中一种基于最大化窃听方误码率的人工噪声生成算法。该算法通过最大化干扰GSM-MIMO系统的窃听方欲解调出的信号为人工噪声的生成准则，寻找人工噪声的最佳逼近解，在保证原发送信号向量不受影响的前提下，有效实现了对窃听方的误码率性能的干扰。相比于传统的人工噪声系统，既在合法接收方产生了一定的性能增益，又大大恶化了窃听方的性能，使得系统的安全性进一步提升。

附图说明

图1：本发明提出的最大化窃听方人工噪声的GSM-MIMO系统框图；

图2：采用传统的人工噪声生成算法和本发明提出的人工噪声生成算法时的BER性能比较示意图。

具体实施方式

在发明内容部分已经对本发明的技术方案进行了详细描述，下面结合附图和仿真示例说明本发明的实用性。

如图2所示，(a)和(b)分别给出了N_t＝4，N_a＝3，N_r＝4，N_e＝32，采用BPSK调制的添加传统人工噪声的GSM-MIMO系统在功率分配系数分别为0.5，0.8时与本发明提出的最大化窃听方误码率的人工噪声生成算法的BER性能比较。从图2(a)可以看出，当功率分配系数θ＝0.5时，即分配给有效信号的功率占总功率的0.5时，本发明提出的方法相比于传统算法在合法接收方产生了4dB左右的增益，且同时将窃听发的可达误码率从0.1左右增大到了0.3左右。图2(b)中的结果表明，当功率分配系数θ＝0.8时，本发明提出的方法相比于传统算法在合法接收方产生了1dB左右的增益，且同时将窃听发的可达误码率从0.01左右增大到了0.3左右。可见，本发明提出的最大化窃听方误码率的人工噪声生成算法既在合法接收方产生了一定增益，又很大程度上增大了窃听方可达的误码率，使得系统的安全性得到巨大的提升。

Claims (1)

1.基于最大化窃听方误码率的人工噪声生成方法，该方法用于GSM-MIMO系统，定义系统中发送天线，激活天线，合法方接收天线和窃听方接收天线的数目分别为N_t，N_a，N_r和N_e，且N_a>N_r；发送信号向量为则合法方接收信号向量和窃听方接收信号分别为：

y＝HS_i+u

z＝GS_i+v

其中，和分别表示合法方和窃听方的信道矩阵，H和G的每个元素都是均值为0方差为1的复高斯随机变量，和表示加性高斯白噪声向量，u和v的每个元素都是均值为0的复高斯随机变量，方差分别为和S_i表示发送信号向量，其生成方式为发送方从N_t根天线中选出N_a根，这N_a根天线的选择方式有(N_t,N_a)^T种，因此，通过激活天线索引所传输的信息量为比特，令通过每根激活天线上传输的符号为M阶星座图中的一个幅度/相位调制符号，所以总的每时隙传输比特数为其特征在于，所述人工噪声生成方法包括：

S1、生成H的0空间V₀：

取H中的N_a个列向量构成新矩阵所取的列向量的位置一一对应于激活天线的位置；对进行奇异值分解

利用的0空间进一步得到H的0空间V₀

将新的发送信号向量构造为原发射向量与人工噪声相加

S＝S_i+V₀R

其中为一个发射方生成的矩阵，V₀R为生成的人工噪声；合法方接收信号向量y和窃听方接收信号z分别为

y＝HS_i+u

z＝GS_i+GV₀R+v

S2、基于最大化窃听方误码率，求解生成矩阵R：

改变生成矩阵R，使得S_i+V₀R逼近另一个发送信号向量S_j,S_j为从不同于S_i的其他可能的发送信号向量中随机选择，则问题转化为寻找下式的最佳逼近解

V₀R＝S_j-S_i

上式方程为不相容方程，R的最佳逼近解为

其中为V₀的M-P广义逆矩阵，

S3、将求解出的生成矩阵R带入到新的发送信号向量中，获得添加人工噪声后的发送信号向量：

S＝S_i+V₀R。