CN109802903B - 基于全双工信号对消的物理层安全传输方法 - Google Patents

基于全双工信号对消的物理层安全传输方法 Download PDF

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CN109802903B CN201910189431.XA CN201910189431A CN109802903B CN 109802903 B CN109802903 B CN 109802903B CN 201910189431 A CN201910189431 A CN 201910189431A CN 109802903 B CN109802903 B CN 109802903B
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Abstract

基于全双工信号对消的物理层安全传输方法，它属于保密通信技术领域。本发明解决了传统全双工物理层安全技术需要利用多根天线进行波束成形以及需要在发送端或接收端寻找合法信道的零空间来注入人工噪声的问题。本发明发送端与接收端都可只配备单天线，无需利用多天线的波束成形技术；在信道估计阶段接收端同时同频发送相同导频信号来对窃听端处信道估计的加扰，令窃听端无法正确估计出窃听信道状态信息；利用全双工技术发出原信号的反信号干扰形成信号对消效果，降低窃听端的信噪比；也可对反信号干扰进行可控变形，反信号就会产生类似人工噪声的效果，本发明的方法不需要寻找合法信道的零空间来注入人工噪声，本发明可以应用于保密通信技术领域。

Description

基于全双工信号对消的物理层安全传输方法
技术领域
本发明属于保密通信技术领域，具体涉及一种物理层信号安全传输方法。
背景技术
随着计算机技术的突飞猛进，例如量子计算机的发展，一些复杂的数学问题己经被解开，通过数据加密来保证信息安全的传统方法已不能完全胜任，近年来，研究人员逐渐考虑采用物理层编码和信号处理技术，以进一步提高无线通信的安全性。物理层安全是一种基于信息论的安全技术，其基本原理是利用通信信道和噪声的随机性来限制可被非认证终端所窃取的信息量。它在理论上被证明是安全的，不会受计算能力增长的影响，而且是物理层数据安全技术，可与上层安全技术兼容。
传统的无线传输系统往往工作在半双工模式，即上行数据与下行数据的传输在不同的频点或时隙来进行。倘若在同一节点可以实现同一频点上同时收发数据，那么理论上可以实现双倍的资源利用效率，因此全双工技术成为5G极具应用价值的关键技术之一被写入3GPP标准当中。同时基于全双工技术的物理层安全技术也获得了极大的关注。
虽然全双工技术有着诸多优势，但是传统全双工物理层安全技术仍然需要利用多根天线才能进行波束成形，以及需要在发送端或接收端寻找出合法信道的零空间来注入人工噪声，这样才能够有效限制被非认证终端所窃取的信息量。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统全双工物理层安全技术需要利用多根天线进行波束成形、以及需要在发送端或接收端寻找合法信道的零空间来注入人工噪声的问题。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
基于本发明的第一个方面：本发明采用的基于全双工信号对消的物理层安全传输方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、接收端利用全双工技术与发送端同时同频发送相同的导频信号Xpilot；
步骤二、接收端利用自干扰消除技术去掉自干扰，获得导频序列接收信号Ypilot；
步骤三、将步骤二获得的导频序列接收信号Ypilot与导频信号Xpilot的逆相乘进行信道估计；
步骤四、发送端产生待发送的比特序列，比特序列经过处理后发射至信道；
步骤五、接收端接收信道中的信号，并对接收到的信号进行处理获得基带数字信号S′；
步骤六、接收端对基带数字信号S′进行最小均方误差均衡，得到均衡后的基带数字信号
Figure BDA0001993921180000021
步骤七、根据步骤六获得的基带数字信号
Figure BDA0001993921180000022
进行最大似然判决确定发送数字信号X；
步骤八、将步骤七确定的发送数字信号X取反或进行欺骗信号叠加，得到干扰信号e；利用接收端的全双工技术，干扰信号e经过数/模转换与上变频处理后由接收端发送天线进行广播，实施对窃听端的干扰；
步骤九、将步骤七确定的发送数字信号X进行星座解映射，恢复出比特数据流；完成收发两端的通信传输。
基于本发明的第二个方面：本发明采用的基于物理层安全传输的接收端信号接收方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、接收端接收信道中的信号，并对接收到的信号进行处理获得基带数字信号S′；
步骤2、接收端对基带数字信号S′进行最小均方误差均衡，得到均衡后的基带数字信号
Figure BDA0001993921180000023
步骤3、根据步骤2获得的基带数字信号
Figure BDA0001993921180000024
进行最大似然判决确定发送数字信号X；
步骤4、将步骤3确定的发送数字信号X取反或进行欺骗信号叠加，得到干扰信号e；利用接收端的全双工技术，干扰信号e经过数/模转换与上变频处理后由接收端发送天线进行广播，实施对窃听端的干扰；
步骤5、将步骤3确定的发送数字信号X进行星座解映射，恢复出步骤1接收信号的原始数据；完成接收端信号的接收。
基于本发明的第三个方面：本发明采用的基于物理层安全传输的信道估计方法，该方法通过以下过程来实现：
步骤A、接收端利用全双工技术与发送端同时同频发送相同的导频信号Xpilot；
步骤B、接收端利用自干扰消除技术去掉自干扰，获得导频序列接收信号Ypilot；
步骤C、将步骤B获得的导频序列接收信号Ypilot与导频信号Xpilot的逆相乘进行信道估计。
本发明的有益效果是：本发明的基于全双工信号对消的物理层安全传输方法，本发明的发送端与接收端都可只配备单天线，无需利用多天线的波束成形技术；通过在信道估计阶段采用接收端同时同频发送相同导频的方法来实施对窃听端处信道估计的加扰，令窃听端无法正确估计出窃听信道状态信息；在信号发送阶段利用全双工技术发出原信号的反信号干扰，可在窃听端处叠加发送信号形成“信号对消”的效果，大大降低窃听端的信噪比，在信号波形上，还可以对施加的反信号干扰进行可控变形，以达到调制方式欺骗的目的，反信号就会产生类似“人工噪声”的效果，克服了传统方法需要在发送端或接收端寻找合法信道的零空间来注入人工噪声的问题，而且干扰信号产生的误比特率相比较于人工噪声提高了至少10％以上。
附图说明
图1是本发明的导频信号发送过程的示意图；
图2是本发明进行最大似然判决的流程图；
图3是本发明的基于全双工信号对消的物理层安全传输方法的流程图；
图4是在不同功率下，发送反干扰信号与注入人工噪声的窃听端误码率曲线图；
具体实施方式
具体实施方式一：如图1和图3所示，本实施方式所述的基于全双工信号对消的物理层安全传输方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、接收端利用全双工技术与发送端同时同频发送相同的导频信号Xpilot；
步骤二、接收端利用自干扰消除技术去掉自干扰，获得导频序列接收信号Ypilot；
步骤三、将步骤二获得的导频序列接收信号Ypilot与导频信号Xpilot的逆相乘进行信道估计；
步骤四、发送端产生0，1待发送的比特序列，比特序列经过处理后发射至信道；
步骤五、接收端接收信道(步骤四发射至信道)中的信号，并对接收到的信号进行处理获得基带数字信号S′；
步骤六、接收端对基带数字信号S′进行最小均方误差(MMSE)均衡，得到均衡后的基带数字信号
Figure BDA0001993921180000031
步骤七、根据步骤六获得的基带数字信号
Figure BDA0001993921180000032
进行最大似然判决确定发送数字信号X；
以二元BPSK信号为例，当假设K0成立时，信源输出信号-1；当假设K1成立时，信源输出信号+1；
信源输出的信号在传输、接收过程中与加性高斯白噪声
Figure BDA0001993921180000041
叠加，则假设K0为真时和假设K1为真时，单次观测信号模型分别表示为
Figure BDA0001993921180000042
Figure BDA0001993921180000043
那么高斯噪声，观测信号x在假设K0为真时和假设K1为真时的概率密度函数可分别表示为
Figure BDA0001993921180000044
Figure BDA0001993921180000045
Figure BDA0001993921180000046
根据二元信号的贝叶斯检测准则下的最佳判决式
Figure BDA0001993921180000047
这里采用等概率发送BPSK信号，故先验概率
Figure BDA0001993921180000048
所以有最大似然判决式：
Figure BDA0001993921180000049
其中γ为最佳判决门限。
假设令s1(t)与s0(t)分别表示发送BPSK的+1信号与-1信号的波形，则其检测统计量l[x(t)]可表示为：
Figure BDA00019939211800000410
结合图2的双路相关检测系统，我们将待判决信号分别与s1(t)、s0(t)做相关后相减，即可求得其检测统计量，再将其送入由最佳判决门限决定的判决器，大于等于最佳判决门限时认定K1成立，发送信号为+1，小于最佳判决门限时认定K0成立，发送信号为-1。
以正交幅度调制(QAM)信号为例，发送数字信号
Figure BDA0001993921180000051
其中Ami和Amq为承载信息的正交载波的信号幅度，εg为信号波形的能量，φ1(t)和φ2(t)为QAM展开式的标准正交基；
步骤八、将步骤七确定的发送数字信号X取反或进行欺骗信号叠加，得到干扰信号e；利用接收端的全双工技术，干扰信号e经过数/模转换与上变频处理后由接收端发送天线进行广播，实施对窃听端的干扰；
考虑高斯信道下，在
Figure BDA0001993921180000053
的每个符号检测周期T进行最大似然判决，然后由全双工发射天线进行转发，干扰信号可表示为：
e＝-X′(n-τ)
其中：τ为解码转发所需的时延。
X′＝X+β1V
β1为欺骗信号的功率系数，且满足0＜β1＜1，V为欺骗信号，V可为任意阶数的脉冲幅度调制(PAM)信号，正交幅度调制(QAM)信号，相移键控(PSK)信号等用于迷惑窃听端数据的欺骗信号。
考虑高斯信道下，在
Figure BDA0001993921180000052
的每个符号检测周期T进行最大似然判决，然后由全双工发射天线进行转发，干扰信号可表示为：
e＝-X′(n-τ)
其中：τ为解码转发所需的时延。
X′＝X+β2V
β2为随机人工噪声的功率系数，且满足0＜β2＜1，V为随机码生成器生成的随机噪声。
同时由于自干扰消除技术的应用，干扰信号不会对接收天线接收到的信号产生影响；
步骤九、将步骤七确定的发送数字信号X进行星座解映射，恢复出0、1比特数据流；完成收发两端的通信传输。
本实施方式利用全双工的自干扰消除技术，在接收端将解调出的发送信号作为可控干扰发出，无需构造随机人工噪声以及其他干扰节点辅助。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤二的具体过程为：
发送端发送的导频信号Xpilot经过信道后，接收端获得的导频序列接收信号Ypilot表示为：
Ypilot＝habXpilot+Z
其中：Z为加性高斯白噪声，hab为收发两端之间信道系数。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤三的具体过程为：
之后采用最小二乘法进行信道估计，将导频序列接收信号Ypilot与导频信号Xpilot的逆相乘，得到信道估计值
Figure BDA0001993921180000061
的表达式为：
Figure BDA0001993921180000062
同时窃听端也进行相应的信道估计，因为窃听端接收到来自发送端和接收端同时同频发出的相同导频符号Xpilot，如图1所示，则窃听端的信道估计值为
Figure BDA0001993921180000063
其中hae为发送端与窃听端之间信道系数，hbe为接收端与窃听端之间信道系数。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一、二或三不同的是：所述步骤四的具体过程为：
步骤四一、发送端产生0，1待发送的比特序列，待发送的比特序列经过星座映射获得一路串行数字信号S；
步骤四二、将数字信号S通过数/模转换器获得模拟调制信号；
步骤四三、将模拟调制信号进行上变频处理获得上变频处理后的信号，并将上变频处理后的信号发射至信道。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤五的具体过程为：
步骤五一、接收端接收信道中的信号，并对接收到的信号进行下变频处理，获得下变频处理后的信号；
步骤五二、将步骤五一获得的下变频处理后的信号进行模/数转换，获得基带数字信号S′。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤六的具体过程为：
接收端对基带数字信号S′进行最小均方误差均衡，假设接收端的噪声统计方差为
Figure BDA0001993921180000064
则最小均方误差均衡的加权系数WMMSE表示为：
Figure BDA0001993921180000065
其中：上角标的符号*表示共轭，
Figure BDA0001993921180000066
表示信道估计值；
则均衡后的基带数字信号
Figure BDA0001993921180000071
表示为：
Figure BDA0001993921180000072
具体实施方式七：本实施方式所述的基于物理层安全传输的接收端信号接收方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、接收端接收信道中的信号，并对接收到的信号进行处理获得基带数字信号S′；
步骤2、接收端对基带数字信号S′进行最小均方误差均衡，得到均衡后的基带数字信号
Figure BDA0001993921180000073
步骤3、根据步骤2获得的基带数字信号
Figure BDA0001993921180000074
进行最大似然判决确定发送数字信号X；
以二元BPSK信号为例，当假设K0成立时，信源输出信号-1；当假设K1成立时，信源输出信号+1；
信源输出的信号在传输、接收过程中与加性高斯白噪声
Figure BDA0001993921180000075
叠加，则假设K0为真时和假设K1为真时，单次观测信号模型分别表示为
Figure BDA0001993921180000076
Figure BDA0001993921180000077
那么高斯噪声，观测信号x在假设K0为真时和假设K1为真时的概率密度函数可分别表示为
Figure BDA0001993921180000078
Figure BDA0001993921180000079
Figure BDA00019939211800000710
根据二元信号的贝叶斯检测准则下的最佳判决式
Figure BDA00019939211800000711
这里采用等概率发送BPSK信号，故先验概率
Figure BDA00019939211800000712
所以有最大似然判决式：
Figure BDA0001993921180000081
其中γ为最佳判决门限。
假设令s1(t)与s0(t)分别表示发送BPSK的+1信号与-1信号的波形，则其检测统计量l[x(t)]可表示为：
Figure BDA0001993921180000082
结合图2的双路相关检测系统，我们将待判决信号分别与s1(t)、s0(t)做相关后相减，即可求得其检测统计量，再将其送入由最佳判决门限决定的判决器，大于等于最佳判决门限时认定K1成立，发送信号为+1，小于最佳判决门限时认定K0成立，发送信号为-1。
以正交幅度调制(QAM)信号为例，发送数字信号
Figure BDA0001993921180000083
其中Ami和Amq为承载信息的正交载波的信号幅度，εg为信号波形的能量，φ1(t)和φ2(t)为QAM展开式的标准正交基；
步骤4、将步骤3确定的发送数字信号X取反或进行欺骗信号叠加，得到干扰信号e；利用接收端的全双工技术，干扰信号e经过数/模转换与上变频处理后由接收端发送天线进行广播，实施对窃听端的干扰；
考虑高斯信道下，在
Figure BDA0001993921180000084
的每个符号检测周期T进行最大似然判决，然后由全双工发射天线进行转发，干扰信号可表示为：
e＝-X′(n-τ)
其中：τ为解码转发所需的时延。
X′＝X+β1V
β1为欺骗信号的功率系数，且满足0＜β1＜1，V为欺骗信号，V可为任意阶数的脉冲幅度调制(PAM)信号，正交幅度调制(QAM)信号，相移键控(PSK)信号等用于迷惑窃听端数据的欺骗信号。
考虑高斯信道下，在
Figure BDA0001993921180000085
的每个符号检测周期T进行最大似然判决，然后由全双工发射天线进行转发，干扰信号可表示为：
e＝-X′(n-τ)
其中：τ为解码转发所需的时延。
X′＝X+β2ν
β2为随机人工噪声的功率系数，且满足0＜β2＜1，V为随机码生成器生成的随机噪声。
同时由于自干扰技术的应用，干扰信号不会对接收天线接收到的信号产生影响。
如图4所示，为不同功率下，发送反干扰信号与注入人工噪声的窃听端误码率曲线图，可以看出，在功率一定的情况下，发送反干扰信号造成的窃听端误码率高于注入人工噪声的情况。
步骤5、将步骤3确定的发送数字信号X进行星座解映射，恢复出步骤1接收信号的原始数据；完成接收端信号的接收。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是：所述步骤1的具体过程为：
接收端接收信道中的信号，并对接收到的信号进行下变频处理，获得下变频处理后的信号；
将获得的下变频处理后的信号进行模/数转换，获得基带数字信号S′。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式七或八不同的是：所述步骤2的具体过程为：
接收端对基带数字信号S′进行最小均方误差均衡，假设接收端的噪声统计方差为
Figure BDA0001993921180000091
则最小均方误差均衡的加权系数WMMSE表示为：
Figure BDA0001993921180000092
其中：上角标的符号*表示共轭，
Figure BDA0001993921180000093
表示信道估计值；
则均衡后的基带数字信号
Figure BDA0001993921180000094
表示为：
Figure BDA0001993921180000095
具体实施方式十：本实施方式所述的基于物理层安全传输的信道估计方法，该方法包括以下步骤：
步骤A、接收端利用全双工技术与发送端同时同频发送相同的导频信号Xpilot；
步骤B、接收端利用自干扰消除技术去掉自干扰，获得导频序列接收信号Ypilot；
步骤C、将步骤B获得的导频序列接收信号Ypilot与导频信号Xpilot的逆相乘进行信道估计。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式十不同的是：所述步骤B的具体过程为：
发送端发送的导频信号Xpilot经过信道后，接收端获得的导频序列接收信号Ypilot表示为：
Ypilot＝habXpilot+Z
其中：Z为加性高斯白噪声，hab为收发两端之间信道系数。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式十或十一不同的是：所述步骤C的具体过程为：
将导频序列接收信号Ypilot与导频信号Xpilot的逆相乘，得到信道估计值
Figure BDA0001993921180000101
的表达式为：
Figure BDA0001993921180000102
本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.基于全双工信号对消的物理层安全传输方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、接收端利用全双工技术与发送端同时同频发送相同的导频信号Xpilot；
步骤二、接收端利用自干扰消除技术去掉自干扰，获得导频序列接收信号Ypilot；
步骤三、将步骤二获得的导频序列接收信号Ypilot与导频信号Xpilot的逆相乘进行信道估计；
步骤四、发送端产生待发送的比特序列，比特序列经过处理后发射至信道；
步骤五、接收端接收信道中的信号，并对接收到的信号进行处理获得基带数字信号S′；
步骤六、接收端对基带数字信号S′进行最小均方误差均衡，得到均衡后的基带数字信号
Figure FDA0002929602460000011
步骤七、根据步骤六获得的基带数字信号
Figure FDA0002929602460000012
进行最大似然判决确定发送数字信号X；
步骤八、将步骤七确定的发送数字信号X取反或进行欺骗信号叠加，得到干扰信号e；利用接收端的全双工技术，干扰信号e经过数/模转换与上变频处理后由接收端发送天线进行广播，实施对窃听端的干扰；
步骤九、将步骤七确定的发送数字信号X进行星座解映射，恢复出比特数据流；完成收发两端的通信传输。
2.根据权利要求1所述的基于全双工信号对消的物理层安全传输方法，其特征在于，所述步骤二的具体过程为：
发送端发送的导频信号Xpilot经过信道后，接收端获得的导频序列接收信号Ypilot表示为：
Ypilot＝habXpilot+Z
其中：Z为加性高斯白噪声，hab为收发两端之间信道系数。
3.根据权利要求1所述的基于全双工信号对消的物理层安全传输方法，其特征在于，所述步骤三的具体过程为：
将导频序列接收信号Ypilot与导频信号Xpilot的逆相乘，得到信道估计值
Figure FDA0002929602460000013
的表达式为：
Figure FDA0002929602460000014
4.根据权利要求1、2或3所述的基于全双工信号对消的物理层安全传输方法，其特征在于，所述步骤四的具体过程为：
步骤四一、发送端产生待发送的比特序列，待发送的比特序列经过星座映射获得一路串行数字信号S；
步骤四二、将数字信号S通过数/模转换器获得模拟调制信号；
步骤四三、将模拟调制信号进行上变频处理获得上变频处理后的信号，并将上变频处理后的信号发射至信道。
5.根据权利要求1所述的基于全双工信号对消的物理层安全传输方法，其特征在于，所述步骤五的具体过程为：
步骤五一、接收端接收信道中的信号，并对接收到的信号进行下变频处理，获得下变频处理后的信号；
步骤五二、将步骤五一获得的下变频处理后的信号进行模/数转换，获得基带数字信号S′。
6.根据权利要求1所述的基于全双工信号对消的物理层安全传输方法，其特征在于，所述步骤六的具体过程为：
接收端对基带数字信号S′进行最小均方误差均衡，接收端的噪声统计方差为
Figure FDA0002929602460000021
则最小均方误差均衡的加权系数WMMSE表示为：
Figure FDA0002929602460000022
其中：上角标的符号*表示共轭，
Figure FDA0002929602460000023
表示信道估计值；
则均衡后的基带数字信号
Figure FDA0002929602460000024
表示为：
Figure FDA0002929602460000025
7.基于物理层安全传输的接收端信号接收方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1、接收端接收信道中的信号，并对接收到的信号进行处理获得基带数字信号S′；
步骤2、接收端对基带数字信号S′进行最小均方误差均衡，得到均衡后的基带数字信号
Figure FDA0002929602460000026
步骤3、根据步骤2获得的基带数字信号
Figure FDA0002929602460000027
进行最大似然判决确定发送数字信号X；
步骤4、将步骤3确定的发送数字信号X取反或进行欺骗信号叠加，得到干扰信号e；利用接收端的全双工技术，干扰信号e经过数/模转换与上变频处理后由接收端发送天线进行广播，实施对窃听端的干扰；
步骤5、将步骤3确定的发送数字信号X进行星座解映射，恢复出步骤1接收信号的原始数据；完成接收端信号的接收。
8.根据权利要求7所述的基于物理层安全传输的接收端信号接收方法，其特征在于，所述步骤1的具体过程为：
接收端接收信道中的信号，并对接收到的信号进行下变频处理，获得下变频处理后的信号；
将获得的下变频处理后的信号进行模/数转换，获得基带数字信号S′。
9.根据权利要求7或8所述的基于物理层安全传输的接收端信号接收方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程为：
接收端对基带数字信号S′进行最小均方误差均衡，接收端的噪声统计方差为
Figure FDA0002929602460000031
则最小均方误差均衡的加权系数WMMSE表示为：
Figure FDA0002929602460000032
其中：上角标的符号*表示共轭，
Figure FDA0002929602460000033
表示信道估计值；
则均衡后的基带数字信号
Figure FDA0002929602460000034
表示为：
Figure FDA0002929602460000035
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