CN109728841A

CN109728841A - 一种多天线系统中基于接收天线激活模式的安全传输方法

Info

Publication number: CN109728841A
Application number: CN201910010147.1A
Authority: CN
Inventors: 张璐; 杨鸿文
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2019-01-04
Filing date: 2019-01-04
Publication date: 2019-05-07

Abstract

本发明提出了一种多天线系统中基于接收天线激活模式的安全传输方法。在本发明中，系统预先设计了多种接收天线激活模式，合法发送方将拟发送的信息内容映射为某个激活模式，通过伪随机方式进行预编码来激活接收天线，合法接收方通过能量检测来识别模式,从而获得信息。本发明通过预编码的随机性增大了窃听方破解的难度，提升了信息传输的安全性。

Description

一种多天线系统中基于接收天线激活模式的安全传输方法

1.应用领域

本发明涉及无线通信安全中的物理层安全问题，特别针对多天线系统设计了一种基于接收天线激活模式的安全传输方法。

2.背景技术

近年来，各种无线通信技术层出不穷，这些技术的出现使计算机、手机、传感器等终端设备具有了移动接入的能力，解决了传统有线接入的连线制约，为用户提供了更加高效高速的接入方法。随着无线通信系统支持的数据传输速率的不断提高，无线用户的规模不断扩大，无线通信系统在很多方面逐步取代传统有线通信系统已经成为通信发展的必然趋势。随着通信应用的不断发展，人们对信息的安全传输越来越关注。

信息在通信过程中一般会经过信源编码、信道编码、信道传输、信道解码和信源解码等阶段，传统的有线通信在信道传输过程中要求通信双方必须“有线连接”，第三方如果没有“有线连接”就不能获取信息，而一旦连接就有可能完全窃取通信双方的数据。因此，有线通信必须在信道以外通过数据加密的方法来保障信息安全，这其实是通过信源编码保障信息安全。然而，在无线通信系统中，由于电磁信号传播的广播特性和无线信道的开放性，信号通过无线电波在空间中任意传播，失去了“有线”的束缚，使得任意处于覆盖范围内的接收机不需要使用任何连线，便可接收到发射机所发射的信息，通信信息极易被合法的期望用户以外的其他非法用户获取。因此从这种意义上说，无线通信系统比传统有线系统具有更大的安全隐患。因此在无线通信中，如何保障信息的安全性，防止信息的无线泄露，也变得日益重要。

因此总的来说，虽然无线通信摆脱了有线的束缚，但是其开放的通信媒介给无线通信的安全带来了巨大的隐患。在发展过程中，人们不断设计出各种复杂的加密技术对信息进行保护。但是除了传统基于密钥的安全方法外，近年来学术界也越来越关注基于物理层特性来实现安全传输的问题，物理层安全(physical-layer secrecy)是Wyner从信息论角度首次提出的。实现物理层安全，主要是利用信道的物理特性。围绕物理层安全，已经有很多研究成果，其中很多都是基于多天线，主要包括基于预编码、人工噪声等方法。

空间调制是多天线技术的一种，传统的空间调制主要思想是通过选择发送天线的不同子集来传输一部分信息，籍此来降低对MIMO系统的同步要求，并通过降低天线间干扰来降低接收端的复杂度。空间调制也包括通过其他方式选择天线索引来直接或者间接传递信息，利用天线的空间位置不同(信道特性矩阵不同)来进行信息传递。对于不同的接收者来说，信道特性与发送或者接收天线子集、与接收者的物理位置都有密切的关系。这一点说明，空间调制具有空间位置敏感性。合法接收者和窃听者在物理层的差别就是空间位置不同，由此可以启发我们借助空间调制中的思想来实现安全传输。

3.发明内容及特征

本发明提出了一种多天线系统中基于接收天线激活模式的安全传输方法。

本发明中，正常通信双方为发送方(配备N_a根天线)和合法接收方(配备N_b根天线)，非法第三方即窃听者。系统预先设计了多种接收天线激活模式，每种信息都对应着一种模式，发送方和合法接收方均已知，合法发送方根据模式映射关系将拟发送的信息内容映射为某个激活模式，通过伪随机方式进行预编码来激活接收天线，合法接收方检测每根天线上的接受能量，通过判决门限判断天线的激活状态，识别出天线激活模式,从而获得信息。

具体步骤如下：

a)系统预先设计了多种接收天线激活模式，每种有可能出现的发送信息都对应着一种模式，但是不一定每个模式都有信息与之对应，可能会存在某种模式映射为空的状态。

b)合法发送方根据模式映射关系将拟发送的信息内容映射为某个激活模式，由此获知需要被激活的天线序号。

c)已知合法发送端至合法接受端的信道信息H，通过伪随机的方式对发送信号进行预编码，使得预编码后的发送信号使得被选中要激活的接收天线收到的能量尽可能大，其他未被选中的接收天线的能量尽可能小。

d)发射机将经过预编码后的发送信号向量进行发送，在无线信道H中进行传播。

e)合法接收方的接收天线收到信号，并对每根天线的能量进行检测。

f)接收端根据预先设定的判决门限判定激活状态，当某根天线收到的能量高于判决门限，则判定该天线被激活，若低于判决门限，则判定该天线未被激活，从而识别出天线激活模式。

g)根据天线激活模式与信息的映射关系，翻译出真实的发送信息。

由于发送方的信号通过无线空间传播，窃听者可能截获发送信号。由于利用伪随机方式设计预编码，因此预编码后的发送信号仅发送方知晓，无论是合法接收方还是窃听者都不知道。由于预编码矩阵是根据发送方至接收方的信道H设计的，窃听者无法通过测量其窃听天线的能量来获知天线激活模式。不仅如此，如果窃听方无法获知系统设计好的天线激活模式与信息的映射关系，则窃听方无法破解真正的内容。即便窃听者完全知晓发送方和接收方的信道H以及全部的映射关系，由于噪声的作用及空间维数的限制，窃听者也很难获知真实发送的信息。基于此，本发明实现了包含发送者的信息不被窃听者截获的目的。

本发明与目前常用的物理层安全技术相比，步骤简单，复杂度低，利用伪随机的方式进行预编码给窃听方的破解增大难度，接收机不需要进行复杂的运算。此外，本发明也可以与目前已有的一些技术重叠使用，例如上层安全中的密码技术、物理层安全中的人工噪声技术等。此外，本发明可以通过不断优化预编码矩阵，动态调整发送功率等等方式来进一步提高传输的质量和安全性。

4.附图说明

(1)图1为本发明的场景示意图。

(2)图2为本发明方法的流程示意图。

(3)图3为一种预编码方法产生发送信号实例的示意图。

5.具体实施方法举例

为了进一步说明本发明的实施方法，下面给出一个实施范例。此示例仅表示对本发明的原理性说明，不代表本发明的任何限制。

假设某发送方为Alice，有六根天线，接收方为Bob，有四根天线。发送方Alice想要将010011001的信息通过无线信道发送给接收方Bob。依据本发明，参考图2对具体做法描述如下：

S001系统预先设计了八种接收天线激活模式，发送端每次传送3个比特，下面描述了一种该收发系统可以采用的各个模式下的映射关系的一个例子(1表示被激活天线)；

信息	天线激活模式
		000	0001
001	0011
		010	0101
011	0111
		100	1001
101	1011
		110	1101
111	1111

表一

S002从映射关系可得第一组发送的信息010对应天线激活模式为0101，即需要激活的天线序号为2、4，

S003假设Alice至Bob的信道矩阵为H(4*6)，矩阵的第i行表示从Alice到Bob的第i根接收天线的信道信息。Alice根据信道信息利用伪随机方式设计预编码，使得经过预编码后的发送信号使得被选中要激活的接收天线收到的能量尽可能大，其他未被选中的接收天线的能量尽可能小。Alice可以采用任何方法达到这个目的，例如下面叙述了Alice可以采用的一种发送信号的设计方法的步骤，此例利用判决门限值对预编码进行了优化(参考图3)：

[1]求解H去掉第2、4行后得到矩阵，记为第2、4行组成的矩阵为H₂₄；

[2]利用SVD分解，求出的零空间标准正交基Q(6*4)，初始化生成次数M为0，β＝0；

[3]M加1，若M＝31，跳到步骤[5],对Q进行列的线性组合Qr，系数矩阵r(4*1)中的元素为伪随机数(每次生成的均不同)，满足||r||＝P(原定发送功率)即可，发送信号 x_M＝Qr；

[4]将|H₂₄x_M|中最小的元素β_M与β进行比较：

[5]若β≥Δ,输出信号x；

若β＜Δ，提高发送功率，输出信号x

S004 Alice通过四根发送天线发出信号x，通过无线信道传送给Bob。

S005 Bob接收天线收到信号，并对每根天线的能量进行检测(单位时间为T)。

S006 Bob根据预先设定的门限Δ²T判断每根天线的激活状态，当某根天线收到的能量高于或等于Δ²T，则判定该天线被激活，若低于Δ²T，则判定该天线未被激活，从而得到激活天线的序号。

例如，若Δ＝1，Bob的四根天线在单位时间内收到的能量依次为0.094T、1.698T、0.480T、2.095T，则Bob判定第2、4根天线被激活，则天线激活模式为0101。

S007 Bob根据天线激活模式，查询映射关系表(表一)得到，模式0101对应的信息为 010。

Claims

1.一种多天线系统中基于接收天线激活模式的安全传输方法，发送方和合法接收方均配置多天线，合法发送方和合法接收方通过本发明的方法传输数据，可防止窃听方截获合法信息。本发明的特征在于如下步骤：

a)系统预先设计了多种接收天线激活模式，每种合法信息都对应着一种模式。

b)合法发送方根据模式映射关系将合法信息映射为某个激活模式，由此获知需要被激活的天线序号。

c)对发送信号进行预编码，经过预编码后的发送信号使得被选中要激活的接收天线收到的能量尽可能大，其他未被选中的接收天线的能量尽可能小。

d)合法发送方将经过预编码后的发送信号向量进行发送，在无线信道中进行传播。

f)接收端根据预先设定的判决门限判定激活状态，当某根天线收到的能量高于判决门限，则判定该天线被激活，若低于判决门限，则判定该天线未被激活，从而识别出天线的激活模式。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述合法发送方、合法接收方、窃听方，是指可进行无线传输的设备或者使用该设备的人或物。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述天线激活模式，是指天线被激活的状态，不同天线组合被激活代表着不同的模式。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述合法信息，是指发送方拟传送给接收方的信息。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述映射关系，是指每种可能出现的发送信息都对应着不同的天线激活模式，即接收端天线中的不同天线组合被激活的一种状态。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预编码，是指在已知信道状态信息的情况下，通过在发送端对发送的信号做一个预先的处理，以方便接收机进行信号检测。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发送信号向量，是指最终由无线通信设备经由天线发送的信号，包括由基带处理单元产生的基带向量或者通过射频电路所产生的射频信号向量。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述判决门限，是指对天线激活状态的判定标准，高于这个标准则被判定为激活，低于这个标准则是未激活状态。