CN110176952B - 安全空间调制网络中天线选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种安全空间调制网络中天线选择方法，在第一阶段，利用近瞬时信道特性，以最大化信干噪比与窃听用户人工噪声信干噪比的乘积为目标，选择发射端天线的一个子集作为发射天线集合。在第二阶段，发射端采用空间调制进行比特流译码，激活一根发射天线发送保密信息，同时其他天线在期望信道的零空间处发射人工噪声，以干扰窃听者。本发明能够提升系统的安全速率。

Description

安全空间调制网络中天线选择方法

技术领域

本发明属于无线通讯领域，具体为一种安全空间调制网络中天线选择方法。

背景技术

空间调制作为一种多输入多输出技术，能够有效的利用发射天线的空间维度。在特定时刻，只有一根天线被激活来发送振幅相位调制符号，因此被激活的发射天线索引也能携带额外的比特信息，从而提高了系统的数据速率。且空间调制系统在任意时刻只激活一根发射天线，免于了信道间同步的要求并抑制了信道间干扰的影响，大大减小了系统复杂度。将天线选择技术应用至空间调制中，能使发射端根据近瞬时信道特性选择合适的发射天线子集和对应的信道链路，从而获得理想的系统性能，如误码率、信道容量等。

无线通信的开放性使得信息的泄露成为问题，因此安全的无线传输逐渐成为学者们的研究热点。传统的信息安全大多依赖于网络层的加密协议，使得窃听用户无法破解所盗取的信息，从而保证通信安全。随着计算机运行速度和容量的增加，加密协议被破解的速度越来越快，传统的加密方式已不再能满足人们的需求。近年来，研究者们逐渐把目光转移到基于物理层的安全传输，无线通信的物理层安全方法从信息论的角度出发，利用信道的随机性使得窃听者无法窃听到有效信息，从而实现无条件安全。但当前物理层通信安全的实现往往依靠于添加干扰信息或采用预编码技术，而现有的预编码技术通常会引入较高的复杂度，此外，很多干扰信息的添加方法需要窃听端信道的信息，因此对未知窃听端的抑制效果有限。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种安全空间调制网络中天线选择方法。

实现本发明目的的技术方案为：一种安全空间调制网络中天线选择方法，具体步骤为：

步骤1、在第一时隙，基站作为接收机，期望用户作为发射机，期望用户向基站提供信道特性和噪声统计信息，基站利用信道特性与噪声统计信息计算每种天线选择方案下每根发射天线的信干噪比与窃听用户人工噪声信干噪比的乘积；

步骤2、针对每种天线选择方案，对所有发射天线对应的信干噪比与窃听用户人工噪声信干噪比的乘积项求和，并以求和结果为依据对所有天线选择方案排序，选取使得乘积和最大的方案作为发射天线集合；

步骤3、在第二时隙，基站向期望用户发送有用信息，同时发射天线子集中的所有天线在期望信道的零空间上发送人工噪声，干扰窃听者。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明基于最大化信干噪比与窃听用户人工噪声信干噪比乘积的天线选择方案同时优化期望用户的信干噪比和窃听用户的人工噪声信干噪比，在期望用户能够获得较好传输效果的同时也保证窃听端受人工噪声影响较大，提高了系统的安全性能；2)本发明对发送信息进行调制，选择发射天线组合中的一根天线传送比特流，其余天线在发射信号的零空间上发送人工噪声，人工噪声不会对期望用户产生影响但会干扰窃听用户，使得系统达到良好的安全性能。

附图说明

图1为实施例中不同天线选择方案的平均安全速率示意图。

图2为实施例中不同天线选择方案的平均安全速率累积分布函数示意图。

图3是本发明原理示意图。

具体实施方式

本发明中，给定一个三节点的安全空间调制系统模型，即发射端、期望用户、窃听用户。发射端配置N_x根发送天线，期望用户接收端配置N_b根接收天线，信号由发射端到期望用户端经历平坦的瑞利衰落信道

同时窃听用户端配置N_e根接收天线，信号由发射端到窃听用户端经历信道

H_B，H_E均为平坦的瑞利衰落信道。同时，针对接收端，

为期望用户的加性复高斯白噪声，其中每个元素期望为0，噪声功率为

为窃听用户的加性复高斯白噪声，其中每个元素期望为0，噪声功率为

由于在空间调制系统中，被激活天线的序号也携带比特信息，因此发射天线N_t的数量应为2的指数次方。考虑发射端天线数量为N_x时，参与发射的天线数量为

根据排列组合原理，从N_x根天线中选出N_t根天线共有

种天线组合方式，每种组合表示为{Ω₁,Ω₂…Ω_K}，其中Ω_k(k＝1,2,…,K)表示第k种天线组合，对应的天线选择矩阵为S_k(k＝1,2,…,K)，S_k由N_x阶单位阵的N_t列组成。

假设P为发射端总功率，α₁为保密信息的功率分配因子，α₂为人工噪声的功率分配因子，α₁ ²+α₂ ²＝1。人工噪声w符合均值为0，方差为1的复高斯分布，由投影矩阵T_AN映射到期望信道的零空间上。

如图3所示，一种安全空间调制网络中天线选择方法，具体步骤为：

步骤1、在第一时隙，基站作为接收机，期望用户作为发射机，期望用户向基站提供信道特性和噪声统计信息，期望用户信干噪比越大，代表接收效果越好；而窃听用户将人工噪声信号视作接收到的有用信号，将有用信息视作接收到的干扰信号，则对窃听用户处人工噪声信干噪比的定义可以类比期望信道信干噪比的定义，较高的人工噪声信干噪比代表窃听用户所受的人工噪声干扰较大。以此为基础，计算每种天线选择方案下每根发射天线的信干噪比与窃听用户人工噪声信干噪比的乘积，计算公式为：

其中，

且H_b＝H_B*S_k,H_e＝H_E*S_k，分别代表经过第k种天线选择方案后的Bob端和Eve端信道矩阵；h_b,k,t代表第k种天线选择方案下第t个期望子信道特性，h_e,k,t代表第k种天线选择方案下第t个窃听子信道特性。T_AN为零空间投影矩阵，具体为：

其中，μ为归一化因子，使得

步骤2、针对每种天线选择方案，对所有发射天线对应的信干噪比与窃听用户人工噪声信干噪比的乘积项求和，并以求和结果为依据对所有天线选择方案排序，选取使得乘积和最大的方案作为发射天线集合，即：

s.t.S_k∈{S₁,S₂,…,S_K}

步骤3、在第二时隙，基站作为发射机，期望用户和窃听用户作为接收机，基站向期望用户发送信息，同时发射天线子集中的所有天线在期望信道的零空间上发送人工噪声，干扰窃听者。

发送的信息经过调制，假设此空间调制采用M阶振幅相位调制，则每个发送周期内，有

个比特信息通过正交振幅进行调制，另有

个比特信息进行空间调制，在已选择的发射天线集合中激活一根对应序号的天线发送振幅相位调制符号。

本发明利用近瞬时信道特性和噪声统计信息，采用天线选择技术，基于最大化信干噪比的乘积，选择天线阵列从而获得更好的安全速率；利用零空间投影，将人工噪声投影至发射信号的零空间，干扰窃听者却不会对期望用户产生影响；采用空间调制，利用发射天线的空间维度传输额外的比特信息，从而提高系统的数据传输速率。

实施例

本实施例对安全空间调制网络中天线选择方法进行仿真，如图1所示，仿真参数为：发射端天线总数量N_x＝15，即N_t＝8，期望用户接收天线数量N_b＝2，窃听用户接收天线数量N_e＝2；发射总功率P_s＝8，采用正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)调制，则调制阶数为4，对应的星座符号集合为

假设期望用户与窃听用户的加性高斯白噪声功率相同，即

信噪比定义为

根据以下步骤求得利用本实施例进行天线选择后，空间调制系统的安全性能。

首先，建立安全空间调制网络天线选择的发射向量和接收向量表达式，发射向量可表示为

其中，e_t＝[0,...,0,1,0,...0]^H，代表第t根发射天线被激活用以发送QPSK符号；s_m为第m个QPSK符号，m∈[1,4]，对其进行功率归一化，满足

由式(2)可得，H_bT_AN＝0，H_eT_AN≠0，因此经过天线选择后的信道传输后，AN向量不会对期望信道产生影响，但是会干扰窃听信道，对应期望用户和窃听用户端接收端向量可写为

和

安全的空间调制系统可用平均安全速率来衡量系统的安全性能，平均安全速率可以表达为：

式中，要求得平均安全速率，需要对随机信道H_b,H_e进行统计，并求出不同H_b,H_e时安全速率的平均值。这里安全速率可表达为：

R_s＝max[0,I(x:y_b)-I(x:y_e)] (8)

式中I(x:y_b)为期望用户的互信息量，I(x:y_e)为接收端的互信息量，期望用户噪声符合加性高斯白噪声，在离散符号输入下，I(x:y_b)可以写成

而对窃听用户的互信息量I(x:y_e)，由于窃听用户接收向量表达式(6)中的噪声项不符合加性高斯白噪声，无法参照式(9)计算。此时假设窃听用户为了获取窃听信息，对接收向量y_e进行处理，在最坏的情况下，窃听用户已知天线选择矩阵S_k和信道特性矩阵H_e，并引入白化噪声矩阵W

那么窃听用户接收向量表达式(6)可变为

此过程中，由于窃听用户只进行了线性变换，因此互信息量没有改变，即I(x:y'_e)＝I(x:y_e)。同时可得E(w'_e)＝0，

即w'_e符合加性高斯白噪声，因此窃听用户互信息量I(x:y_e)可写为

至此，安全速率表达式(7)中的相关项都可以求出来。

如图1所示，本发明与已有的最大化信泄噪比算法在安全速率方面，会远远优于随机天线选择；此外，与最大化信泄噪比相比，本发明能在高信噪比区域获得较好的安全速率性能。

如图2所示，在高信噪比区域，本发明提出的最大化信干噪比乘积的天线选择方案能获得很好的安全速率累积分布函数。即无论信道条件，本发明都能以较大概率获得高的安全速率性能。

Claims (1)

1.一种安全空间调制网络中天线选择方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤1、在第一时隙，基站作为接收机，期望用户作为发射机，期望用户向基站提供信道特性和噪声统计信息，基站利用信道特性与噪声统计信息计算每种天线选择方案下每根发射天线的信干噪比与窃听用户人工噪声信干噪比的乘积，具体为：

式中α₁，α₂分别为有用信息和人工噪声的功率分配比，

P为发射功率；H_b＝H_B*S_k,H_e＝H_E*S_k，分别代表经过第k种天线选择方案后的期望用户和窃听用户的信道特性矩阵；h_b,k,t代表第k种天线选择方案下第t个期望子信道特性，h_e,k,t代表第k种天线选择方案下第t个窃听子信道特性；N_b为期望用户端接收天线数量，N_e为窃听用户端接收天线数量；

分别代表期望接收端和窃听接收端的随机噪声功率；

T_AN为人工噪声投影矩阵；人工噪声投影矩阵为：

式中

使得

步骤2、针对每种天线选择方案，对所有发射天线对应的信干噪比与窃听用户人工噪声信干噪比的乘积项求和，并以求和结果为依据对所有天线选择方案排序，选取使得乘积和最大的方案作为发射天线集合；

步骤3、在第二时隙，基站向期望用户发送有用信息，同时发射天线子集中的所有天线在期望信道的零空间上发送人工噪声，干扰窃听者；

发送的有用信息经过调制，具体调制方法为空间调制，即假设发射天线有N_t根，振幅相位调制阶数为M，则在任一发送周期中，基站传送

比特信息，其中

比特信息采用振幅相位调制，另外

比特信息由发射天线的序号代表。

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