CN110798282B - 软件无线电miso系统的人工噪声实现方法 - Google Patents

软件无线电miso系统的人工噪声实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于软件无线电的人工噪声辅助的MISO系统的验证平台实现方法。发射端对保密数据进行卷积编码，并经过QPSK调制和STBC空时编码，然后利用合法接收端信道估计反馈回来的信道信息找到发射端与合法接收端之间的零空间，并基于零空间内产生的人工噪声，最后将人工噪声和STBC空时编码后的保密数据一起发射出去，合法接收端和非法窃听端相应地进行空时解码，解调和卷积解码。本发明的人工噪声技术人为的增大了合法接收者和非法窃听者之间的噪声水平差距，提高了系统的安全通信速率，从而保证了通信的保密性；验证人工噪声方案以及功率分配方案等的有效性。

Description

软件无线电MISO系统的人工噪声实现方法
技术领域
本发明属于无线电技术领域；具体涉及一种基于软件无线电的人工噪声辅助的MISO 系统的验证平台的实现方法。
背景技术
随着无线通信技术的发展，无线通信已经渗透到各个领域，成为信息时代的一个重要标志。然而无线传输的特性使得无线通信具有很强的可接入性，同时使得无线传输的安全性问题变得突出。对于无线通信系统，其传输媒介是能够在自由空间传播的电磁波，并且无线具有开放性，无线终端具有移动性以及无线网络结构的不稳定性等，使得在无线通信过程中会存在许多安全性问题。如图1所示，既需要保证合法用户之间能够进行可靠的通信，也需要保证传递给合法用户的信息不能被非法的非法窃听者盗取。通信网络安全关系是国家安全和个人隐私。与传统的以密码学为基础的保密技术不同，物理层安全技术利用无线信道的特性以及物理层新技术，来实现无线通信的保密传输，近几年已成为无线通信领域的研究热点。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于软件无线电的人工噪声辅助的MISO系统的验证平台的实现方法，人工噪声技术人为的增大了合法接收者和非法窃听者之间的噪声水平差距，提高了系统的安全通信速率，从而保证了通信的保密性；验证人工噪声方案以及功率分配方案等的有效性。
本发明通过以下技术方案实现：
一种基于软件无线电的人工噪声辅助的MISO系统的验证平台实现方法，所述验证平台包括发射端、合法接收端和非法窃听端，发射端对保密数据进行卷积编码，并经过QPSK调制和STBC空时编码，然后利用合法接收端信道估计反馈回来的信道信息找到发射端与合法接收端之间的零空间，并基于零空间内产生的人工噪声，最后将人工噪声和STBC 空时编码后的保密数据一起发射出去，合法接收端和非法窃听端相应地进行空时解码，解调和卷积解码；
所述实现方法为先利用空时分组码STBC技术对保密数据进行编码，再利用通过反馈回来的信道信息找到信道的零空间添加人工噪声AN，然后把人工噪声AN和编码后的信息一起发出去。
所述wk存在于的零空间HB，因此有，
HBwk＝0
Figure GDA0002352235720000021
为发射端到合法接收者之间的信道矩阵，wk即实际发射的人工噪声信号， Zk代表HB的零空间的正交基，则
wk＝Zkvk，且
Figure GDA0002352235720000022
发射端最终的发送信号表示为
xk＝sk+wk
sk代表需要发送的有用信号，且sk和wk分别满足||sk||＝1和||wk||＝1。
进一步的，合法接收端yB和非法窃听者ye的接收信号分别表示为
yB＝HBxk+nk
＝HBsk+nk
ye＝Hexk+ek
＝Hesk+Hewk+ek
其中nk和ek分别代表合法接收端和非法窃听者的高斯白噪声，且两者满足
Figure GDA0002352235720000023
发射端的功率约束为P，分配给有用信号的功率是θP，分配给人工噪声的功率为(1-θ)P，合法接收端的信干噪比SINRB，非法窃听者的信干噪比SINRe分别表示为
Figure GDA0002352235720000024
Figure GDA0002352235720000025
其中，
Figure GDA0002352235720000026
和
Figure GDA0002352235720000027
分别是合法接受端和非法窃听者的高斯白噪声功率。
进一步的，合法接收端用户，用户的瞬时保密速率表示为，
R(θ)＝[log2(1+SINRB)-log2(1+SINRe)]+
对于一个1×n的循环对称复高斯向量h和一个独立的n×1的向量x，有E(||hx||2)＝1；依据此定理，简化式子：
Figure GDA0002352235720000028
进一步简化为，
Figure GDA0002352235720000031
其中
Figure GDA0002352235720000032
由于HB和He是随机产生的信道，当不考虑波束成形时，对于发射端到合法接收端和发射端到非法窃听者之间的信道状态是等价的，因此γB＝γe，易知，当θ＝1/2时，用户的保密速率取到最大。
附图说明
附图1现有的窃听者存在的通信场景。
附图2本发明的人工噪声辅助的MISO系统。
附图3本发明的不同功率分配下保密速率实验图。
附图4本发明的不同功率分配下误比特率实验图。
附图5本发明的有无人工噪声辅助下保密速率实验图。
附图6本发明的有无人工噪声辅助下误比特率实验图。
附图7本发明的不同调制方式下保密速率实验图。
附图8本发明的不同调制方式下误比特率实验图。
附图9本发明的验证平台实验图。
本发明的有益效果是：
1、本发明优化了人工噪声和保密数据之间的功率分配策略，在该功率分配情况下，系统的保密速率能够达到最大值。
2、本发明验证了系统的保密速率不会受到系统调制方式的影响。
3、本发明利用nanoBEE软件无线电平台搭建了人工噪声辅助的MISO系统的验证平台，填补了人工噪声方案原型机验证平台的空白，为物理层安全保密通信方案的实现提供了有价值的参考方法。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于软件无线电的人工噪声辅助的MISO系统的验证平台实现方法，如图2所示，所述验证平台包括发射端、合法接收端和非法窃听端，发射端对保密数据进行卷积编码，并经过QPSK调制和STBC空时编码，然后利用合法接收端信道估计反馈回来的信道信息找到发射端与合法接收端之间的零空间，并基于零空间内产生的人工噪声，最后将人工噪声和STBC空时编码后的保密数据一起发射出去，合法接收端和非法窃听端相应地进行空时解码，解调和卷积解码；
所述实现方法为先利用空时分组码STBC技术对保密数据进行编码，再利用通过反馈回来的信道信息找到信道的零空间添加人工噪声AN，然后把人工噪声AN和编码后的信息一起发出去。
合法接收端有Nt根发射天线，合法接收者有Nr根天线，非法窃听者有Ne根天线，
Figure GDA0002352235720000041
为发射端到合法接收者之间的信道矩阵，
Figure GDA0002352235720000042
为发射端与非法窃听者之间信道矩阵，HB和He中的每一个元素代表信号经过传输是的信道复增益，且每个元素服从复高斯分布，且均值为0，方差为1；hi,j代表第i根发射天线与第j根接收天线之间的信道增益；
所述wk存在于HB的零空间，因此有，
HBwk＝0
Figure GDA0002352235720000043
为发射端到合法接收者之间的信道矩阵，wk即实际发射的人工噪声信号， Zk代表HB的零空间的正交基，则令
wk＝Zkvk，且
Figure GDA0002352235720000044
发射端最终的发送信号表示为
xk＝sk+wk
sk代表需要发送的有用信号，且sk和wk都是Nt×1的向量。
合法接收端yB和非法窃听者ye的接收信号分别表示为
yB＝HBxk+nk
＝HBsk+nk
ye＝Hexk+ek
＝Hesk+Hewk+ek
其中nk和ek分别代表合法接收端和非法窃听者的高斯白噪声，且两者满足
Figure GDA0002352235720000051
发射端的功率约束为P，分配给有用信号的功率是θP，分配给人工噪声的功率为(1-θ)P，θ即是功率分配因子，合法接收端的信干噪比SINRB，非法窃听者的信干噪比 SINRe分别表示为：
Figure GDA0002352235720000052
Figure GDA0002352235720000053
其中，
Figure GDA0002352235720000054
和
Figure GDA0002352235720000055
分别是合法接受端和非法窃听者的高斯白噪声功率。
进一步地，系统的瞬时保密速率表示为，
R(θ)＝[log2(1+SINRB)-log2(1+SINRe)]+
进行具体验证时，取Nt＝2，Nr＝Ne＝1。于是，根据文献“On countermeasures ofpilot spoofing attack in massive mimo systems:A double channel trainingbased approach”的定理，对于一个1×n的循环对称复高斯向量h和一个独立的n×1的向量x，有E(||hx||2)＝1，依据此定理，简化式子为
Figure GDA0002352235720000056
其中
Figure GDA0002352235720000057
通过蒙特卡罗仿真，对于每一个固定的噪声比γB，γe以及θ，得到一个用户的瞬时遍历保密速率的理论值。
进一步地，人工噪声辅助的安全传输方案的功率分配优化问题，即找到最佳的功率分配因子，使系统的瞬时保密速率最大，瞬时保密速率进一步简化为
Figure GDA0002352235720000058
令
Figure GDA0002352235720000059
问题等价为，
Figure GDA0002352235720000061
其中，F(θ)即对应功率分配问题的优化函数；对F(θ)求导得，
Figure GDA0002352235720000062
由于HB和He是随机产生的信道，当不考虑波束成形时，对于发射端到合法接收端和发射端到非法窃听者之间的信道状态是等价的，因此γB＝γe，易知，当θ＝1/2时，用户的保密速率取到最大。
图3和图4分别是在不同功率分配的情况下，系统保密速率和误比特率的实验图。发现保密速率实验值与理论值变化趋势相同，但实验值并不是在功率分配因子为0.5时取得最值，而是在0.3的时候最佳。这是因为在先前理论分析时，论文假设主信道和窃听信道的信道状态完全一致，而真实情况下两者肯定会有所不同，当窃听信道优于主信道时，就会出现最佳功率分配因子小于0.5的情况。不同功率分配因子下系统误比特率变化趋势与软件仿真相同，都是随着有用信号占比的下降，误比特率下降变缓，而非法窃听者误比特率也恶化了还几个数量级。实验图验证了验证了人工噪声方案中功率分配策略的正确性。
图5和图6分别是有无人工噪声辅助下系统的保密速率和误比特率的实验结果图。发现，在没有人工噪声辅助的情况下，系统的保密速率趋近与0，而加入人工噪声后，保密速率提高了很多，但实验值与理论值相比还有一定的差距，这是由于信道估计不准造成的。对于系统的误比特率，发现，未加入人工噪声前，非法窃听者和接收者误比特率都较低，而加入人工噪声后，非法窃听者误比特率立马提高了两个数量级，实验验证了人工噪声方案的有效性。
图7和图8是在不同调制方式下的实验图，发现，系统的保密速率与调制方式无关，调制方式影响的是系统误比特率的下降快慢程度，上述结论与软件仿真结果完全吻合。该实验图证明了系统的保密速率并不会受到系统的调制方式的影响，系统调制方式的不同影响的仅仅是系统的误码率性能。
收发天线之间的距离约0.8米，并且天线之间有直射路径。主机和两台nanoBEE软件无线电平台通过一台交换机共处一个局域网，经过以太网线相连，使用SSH协议进行访问。
其中，IP地址为“192.168.0.70”的nanoBEE平台作为发射端，具有两根发射天线；IP地址为“192.168.0.72”的nanoBEE平台作为合法接收端，具有两根天线，一根代表合法接收者，一根代表非法窃听者。
nanoBEE平台的发射功率是25dBm，功率衰减系数为30dB，采样率是30.72MHZ，滤波器带宽是25MHZ，发射频率和接收频率都是2.55GHZ。数据帧长度为15972个符号，训练符号长度是160，导频序列长度是160。在实验室室内实际的信道环境下，发射端首先发送训练符号用于同步，接着发送一段大小为0的消息比特，用于测量信道噪声；然后发送导频信号，用于信道估计；最后发送经过处理的数据信号。发射端连续不断地发送数据帧，合法接收端实时地更新接收数据。主机经过150次收发统计求均值的方法得出在不同功率分配因子下、有无人工噪声辅助下、不同调制方式下系统的误比特率和保密速率曲线。

Claims (3)

1.一种基于软件无线电的人工噪声辅助的MISO系统的验证平台实现方法，其特征在于，所述验证平台包括发射端、合法接收端和非法窃听端，发射端对保密数据进行卷积编码，并经过QPSK调制和STBC空时编码，然后利用合法接收端信道估计反馈回来的信道信息找到发射端与合法接收端之间的零空间，并基于零空间内产生的人工噪声，最后将人工噪声和STBC空时编码后的保密数据一起发射出去，合法接收端和非法窃听端相应地进行空时解码，解调和卷积解码；
所述实现方法为先利用空时分组码STBC技术对保密数据进行编码，再利用通过反馈回来的信道信息找到信道的零空间添加人工噪声AN，然后把人工噪声AN和编码后的信息一起发出去；
所述合法接收端yB和非法窃听端ye的接收信号分别表示为
yB＝HBxk+nk
＝HBsk+nk
ye＝Hexk+ek
＝Hesk+Hewk+ek
其中nk和ek分别代表合法接收端和非法窃听端的高斯白噪声，且两者满足
Figure FDA0003732045050000011
Figure FDA0003732045050000012
为发射端到合法接收者之间的信道矩阵，wk即实际发射的人工噪声信号；sk代表需要发送的有用信号，且sk和wk都是Nt×1的向量；xk代表发射端最终的发送信号；
Figure FDA0003732045050000013
为发射端与非法窃听者之间信道矩阵；
发射端的功率约束为P，分配给有用信号的功率是θP，分配给人工噪声的功率为(1-θ)P，合法接收端的信干噪比SINRB，非法窃听端的信干噪比SINRe分别表示为
Figure FDA0003732045050000014
Figure FDA0003732045050000015
其中，
Figure FDA0003732045050000016
和
Figure FDA0003732045050000017
分别是合法接受端和非法窃听端的高斯白噪声功率。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，wk存在于HB的零空间，因此有，
HBwk＝0
Figure FDA0003732045050000021
为发射端到合法接收者之间的信道矩阵，wk即实际发射的人工噪声信号，Zk代表HB的零空间的正交基，则
wk＝Zkvk，且
Figure FDA0003732045050000022
发射端最终的发送信号表示为
xk＝sk+wk
sk代表需要发送的有用信号，且sk和wk都是Nt×1的向量。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，合法接收端用户的瞬时保密速率表示为，
R(θ)＝[log2(1+SINRB)-log2(1+SINRe)]+
对于一个1×n的循环对称复高斯向量h和一个独立的n×1的向量x，有E(||hx||2)＝1；依据此定理，简化式子：
Figure FDA0003732045050000023
进一步简化为，
Figure FDA0003732045050000024
其中
Figure FDA0003732045050000025
由于HB和He是随机产生的信道，当不考虑波束成形时，对于发射端到合法接收端和发射端到非法窃听端之间的信道状态是等价的，因此γB＝γe，易知，当θ＝1/2时，用户的保密速率取到最大。
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Space Time Block Coding aided physical layer security in Gaussian MIMO channels;M. Ahmed and Lin Bai;《2017 14th International Bhurban Conference on Applied Sciences and Technology (IBCAST)》;20170302;全文 *
基于无线OFDM系统的调制方式保护算法;高宝建等;《计算机科学》;20181015(第10期);全文 *

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CN110798282A (zh) 2020-02-14

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