CN110445522A - 一种多天线系统中基于发送天线索引预编码的安全传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种多天线系统中基于发送天线索引预编码的安全传输方法。在本发明中，发送端根据被接收端所选中的天线索引对合法信息进行相应的预编码并发送。每组数据发送时，先由合法接收方随机选择发送方的某根天线，利用主信道状态信息生成发送信号在该天线处形成能量峰值，使得发送端可以通过简单的能量检测识别出被选中的天线。而后被选中天线的索引对应某一特定预编码矩阵，该矩阵则用于本组数据的预编码，合法接收方已知天线索引因此可以恢复出正确信息。本发明利用信道信息设计并传送的信号与发送天线索引相关，并且利用不同且随机的索引信息在发送端进行不同的预编码处理，实现收发双方的动态联合加密，大大增加了窃听方的破解难度，提升了信息传输的安全性。

Description

一种多天线系统中基于发送天线索引预编码的安全传输方法
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，特别是利用预编码设计了一种多天线系统中的保密通信方法。
2.背景技术
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。
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。
预编码技术已经被广泛用于MIMO系统，该技术利用信道状态信息对传输的数据进行预处理，包括非码本线性预编码技术(如：迫零预编码，最小均方误差预编码和块对角化预编码)以及非线性预编码技术等。预编码技术可以有效提高系统的传输速率和接收者的误码性能。
将预编码技术应用于物理层安全领域对窃听方来说窃听难度将大大提高。利用合法接收方与窃听方物理信道的差异，通过合适的预编码设计，可以使合法接收方收到的信号比窃听方收到的信号更强。广义而言，基于发送端或接收端的空间调制或天线选择的方案也属于基于预编码的安全传输方案。
在以上所述的各类基于多天线系统的物理层安全传输方案中，大部分情况下，窃听方和接收方有相同的地位和操作，安全设计的着眼点是设法恶化窃听方的信噪比。此外，现有的大部分方案都要求发端已知信道信息。如果发端不知道信道信息，它将无法做出对合法接收方的有利的有用信号，或者对窃听方不利的人工噪声。
3.发明内容及特征
本发明提出了一种多天线系统中基于发送天线索引预编码的安全传输方法。
本发明中，正常通信双方为发送方(配备Na根天线)和合法接收方(配备Nb根天线)，非法第三方即窃听者，并假设该系统为信道互易的时分双工系统。发送方的Na根天线对应着Na种预编码矩阵，收发双方均已知。
具体步骤如下：
a)每组数据传输前，合法接收方随机选择发送方的一根天线，假设天线索引为k；
b)合法接收方利用主信道状态信息生成发送信号，能够在发送方Na根天线中第k根天线上形成能量峰值，从而代表选中该天线。
c)发送方接收信号，检测每根天线的能量，获知被选中天线。
d)发送方根据接收到的被选中天线索引信息对应某一特定的预编码矩阵，信息经过预编码后开始正式向合法接收方传送。
e)合法接收方接收并检测信号，由于合法接收方知晓天线索引信息代表的预编码，因此可以解出正确的信息。
以上过程分为两个阶段。阶段1是接收方发、发送方收。阶段2是发送方发，接收端收。本发明中，接收方不发送信道测量报告，因此发送方未知信道信息。在第一阶段，发送端采用无需信道信息的能量检测来检测接收方发来的索引信息。
两个阶段所发送的信号通过无线空间传播，窃听者可能截获接收方和发送方所发送的无线信号。
在第一阶段，接收方所发出的天线索引信息信号是针对主信道的特性设计的。窃听方在不知道主信道信息的情况下无法破解。即便窃听方知道主信道的信道特性，由于信号设计对发送方有利，故窃听者的检测错误率比发送方更高。
在第一阶段结束时，若窃听方不知主信道，则它不知道索引，只能随机猜一个；若窃听方知道主信道的信道信息，则它所知道的索引可能正确，也可能错误，其错误率比合法发送方的错误率更高。
(1)在前一种情况下，由于预编码矩阵、信道矩阵的随机性，使得发送方到窃听方的信道互信息为零，从而阻断了窃听的可能性；
(2)在后一种情况下，窃听方的每个索引判断错误将导致其接收的一组数据全错。由于这种错误率比合法接收方大很多，发送方可以设计一个合适的信道编码，其码字覆盖多个数据分组，其纠错能力可满足接收方的要求，但使窃听方无法解码。
需要注意的是，虽然本发明中的预编码矩阵个数有限，但窃听方很难利用这点来增强其破解能力。在单个分组传输的情况下，若预编码采取交织矩阵或类似设计，则信号空间的最小距离为零，使得窃听方无法对数据和预编码矩阵进行联合最大似然译码；在多个分组通过一个信道编码码字传输的情况下，每个分组使用独立的预编码，窃听方难以通过穷举所有分组所用的预编码矩阵来破解码字。
本发明与目前常用的物理层安全技术相比有以下不同：
(1)本发明不是致力于恶化窃听者的信噪比，而是破坏其解调条件，使其不能解调数据；
(2)本发明不要求发送端已知信道信息，因此在本发明中接收端无需反馈信道信息。
(3)现有的技术可以与本发明重叠使用。本发明中可以利用现有的技术来恶化第一阶段和第二阶段中窃听者的信道质量，从而进一步提高安全性。例如，现有技术中的预编码矩阵可以与本发明中的预编码矩阵级联，现有技术中的人工噪声技术也可以用于本发明中。
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。
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，有四根天线，接收方为Bob，有四根天线。Alice的天线索引1，2，3，4依次对应预编码矩阵P1，P2，P3，P4。Alice对即将传送的2000bit信息进行信道编码，假设编码效率为1/2，则经过信道编码后总的信息为4000bit，Alice使用QPSK调制，每次4根天线共发送8bit信息，4000bit信息需要传输500次，我们将500次传输分为100组，依据本发明，参考图2对某一组收发信息的具体做法描述如下：
S001 Bob从1到4中随机选取数字，假设为2；
S002 Bob生成发送信号s，该发送信号需要满足的条件是：使得Alice第二根天线能量最高。假设Bob至Alice的信道矩阵为H，则满足Hs＝[y1,y2,y3,y4]T其中y1,y3,y4尽可能小且y2尽可能大，即Bob根据信道信息利用设计预编码，经过预编码后的发送信号使得被选中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。例如：求Bob的天线到Alice剩余三根天线的零空间。Bob通过四根发送天线发出信号，通过无线信道传送给Alice。
S003 Alice接收天线收到信号，并对每根天线的能量进行检测，能量最高的判断为被选中天线，若判断正确，序号为2。
S004 Alice使用QPSK调制后信号为x，则接下来该组的5次信号发送均为P2x。
S005 Bob接收到信号，由于其知道对应的预编码矩阵，可以恢复出正确的有用信息。
在这个方案中，Bob还可以利用纠错编码纠正由于Alice判断天线错误以及发送后由于噪声带来的误码。窃听方知晓这4个预编码矩阵，却不知是哪一个，因此如果依次进行尝试，每组数据的可能结果为4种，100组则为4100种，加之噪声的影响，最后窃听方能够正确破解信息的可能几乎为0。

Claims (6)

1.一种多天线系统中基于发送天线索引预编码的安全传输方法，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)每组数据传输前，合法接收方随机选择发送方的一根天线；
b)合法接收方利用主信道状态信息生成发送信号，该信号能够在被选中天线上形成能量峰值，从而代表选中该天线。
c)发送方接收信号，检测每根天线的能量，获知被选中天线。
d)发送方根据接收到的被选中天线索引对应某一特定的预编码矩阵，信息经过预编码后开始正式向合法接收方传送。
e)合法接收方接收并检测信号，解出正确的信息。
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，所述合法信息，是指发送方拟传送给接收方的信息。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述该信号能够在被选中天线上形成能量峰值，是指接收方向发送方发送的信号到达发送方时，被选中的天线能够能量最大，其他天线则区别于该天线，收到的能量较小。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收到的被选中天线索引，是指能量值最高的天线的索引，该索引与预编码矩阵有着对应的关系，一个索引对应一个预编码矩阵。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预编码，是指在发送端对发送的信号做一个预先的处理，其中预编码矩阵与发送端识别的被选中天线索引相对应。
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