CN112332945A - 物理层安全传输方法、发射端和目标接收端 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种物理层安全传输方法、发射端和目标接收端，方法包括：基于扰动系数，将扰动向量添加在调制后的目标符号中，得到扰动符号；对扰动符号进行预编码，获取发射信号；发送发射信号。本发明实施例提供的方法、发射端和目标接收端，无需限定目标接收端与发射端天线数量的大小，且发射端可将全部发射功率用于发送信号，能够在保障物理层安全的同时，有效保障目标接收端性能。

Description

物理层安全传输方法、发射端和目标接收端

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，尤其涉及一种物理层安全传输方法、发射端和目标接收端。

背景技术

电磁波传播的开放性，对无线信道的信息传输安全造成了极大的威胁。近来兴起的物理层安全技术，利用无线信道的多样性和时变性以及通信双方信道特征的唯一性和互易性来保障无线通信安全，受到了广泛的关注。

现有的物理层安全技术主要集中在保密容量的研究和保密方案的设计两个方面。其中，保密方案的设计，主要包括物理层安全与信道编码技术的结合，以及人工噪声方案(Artificial Noise，AN)等。出于工程上容易实现的考虑，人工噪声方案得到了广泛应用。

人工噪声方案是通过在有效发送信号上添加干扰信号，以对窃听者造成干扰，并且不影响目标接收端的正常通信，达到物理层安全的目的。图1为现有技术中的无线通信多天线传输系统模型示意图，图1中，Alice为发射端，Bob和Eve分别为接收端的目标接收端和窃听者。其中，发射端Alice配置有N_A根发射天线，目标接收端Bob和窃听者Eve分别配置有N_B和N_E根接收天线。目标接收端Bob和窃听者Eve接收的信号向量可以被分别表示为：

z＝Hx+n_B；

y＝Gx+n_E；

式中，x为发射端Alice的发送信号，z和y分别为目标接收端Bob和窃听者Eve接收的信号向量，H和G分别为目标接收端Bob和窃听者Eve处的信道矩阵，

此处

用于表示行列数分别为N_B和N_A的矩阵；n_B和n_E分别为目标接收端Bob和窃听者Eve的复高斯噪声向量，

n_B和n_E的元素分布满足正态分布

及

和

分别为n_B和n_E的元素分布方差。

为了实施人工噪声物理层安全方案，要求目标接收端Bob处的信号矩阵H具有非平凡的零空间，由矩阵

的列向量线性组合而成。为满足上述条件，无线通信多天线传输系统必须满足天线数量要求，即N_B＜N_A。

人工噪声物理层安全方案中，发射端Alice的发送信号x可以表示为x＝Pu+Zv，式中P为预编码矩阵，u为有用信号，

v为发射端Alice选取的人工噪声向量。在发射端Alice，发射信号向量需要满足功率限制：

E[||x||²]≤P；

式中，E[||x||²]是x的发射功率，P为最大发射功率。

经过无线信道传输后，目标接收端Bob和窃听者Eve接收到的信号向量分别可以表示为：

z＝HPu+n_B；

y＝GPu+GZv+n_E；

由上式可知，由于干扰项GZv的存在，发射端Alice添加的人工噪声向量v只会对窃听者Eve的检测造成影响，并不会影响目标接收端Bob的检测，且窃听者检测错误的概率大小与发送人工噪声向量v的能量有关。

在发射端Alice，令

其中

表示对矩阵求伪逆。对应地，x的发射功率

为了获得更好的物理层安全性能，即最大化窃听者Eve处的错误概率，发射端Alice必须分配足够大的功率||v||用于传输人工噪声向量v。

由此可知，人工噪声方案中，为了达到人工噪声向量只对窃听用户造成干扰的效果，要求目标接收端Bob的天线数必须小于发射端Alice的天线数。此外，由于部分能量用于传输与有用信号无关的部分，即人工噪声向量v，在实际发射功率受限的系统中，物理层安全是以降低目标接收端性能为代价保障的。

发明内容

本发明实施例提供一种物理层安全传输方法、发射端和目标接收端，用以解决现行的人工噪声方案必须在目标接收端天线数小于发射端天线数的环境下执行，且为了保障物理层安全，降低了目标接收端性能的问题。

第一方面，本发明实施例提供一种物理层安全传输方法，包括：

基于扰动系数，将扰动向量添加在调制后的目标符号中，得到扰动符号；

对所述扰动符号进行预编码，获取发射信号；

发送所述发射信号。

优选地，所述基于扰动系数，将扰动向量添加在调制后的目标符号中，得到扰动符号，之前还包括：

获取第一候选扰动向量；所述第一候选扰动向量是发射功率最小时的候选扰动向量；

若所述第一候选扰动向量不为零，则将所述第一候选扰动向量作为所述扰动向量；

否则，获取第二候选扰动向量，并将所述第二候选扰动向量作为所述扰动向量；所述第二候选扰动向量是在限定所述候选扰动向量的取值非零的条件下，发射功率最小时的候选扰动向量。

优选地，所述对所述扰动符号进行预编码，获取发射信号，具体包括：

基于预编码矩阵，对所述扰动符号进行预编码，得到预编码信号；

基于功率归一化因子，对所述预编码信号进行功率归一化，得到所述发射信号。

优选地，所述扰动系数如下式所示：

τ＝2|c|_max+Δ；

式中，τ为扰动系数，|c|_max为星座点幅值的最大值，Δ为两个星座点之间的距离。

第二方面，本发明实施例提供一种物理层安全传输方法，包括：

接收发射端发送的发射信号，得到接收信号；

基于所述发射信号的扰动系数对应的取模函数，对所述接收信号进行取模运算，得到目标符号。

优选地，所述基于所述发射信号的扰动系数对应的取模函数，对所述接收信号进行取模运算，得到目标符号，之前还包括：

将功率归一化因子与所述接收信号相乘，以还原所述发射信号的功率。

优选地，所述取模函数如下式所示：

式中，z为所述接收信号，f_τ(z)为所述目标符号，

和

分别为z的实部和虚部，τ为所述扰动系数。

第三方面，本发明实施例提供一种发射端，包括：

向量扰动添加单元，用于基于扰动系数，将扰动向量添加在调制后的目标符号中，得到扰动符号；

预编码单元，用于对所述扰动符号进行预编码，获取发射信号；

发射单元，用于发送所述发射信号。

优选地，还包括扰动向量获取单元；所述扰动向量获取单元具体包括：

候选扰动获取子单元，用于获取第一候选扰动向量；所述第一候选扰动向量是发射功率最小时的候选扰动向量；

候选扰动判断子单元，用于若所述第一候选扰动向量不为零，则将所述第一候选扰动向量作为所述扰动向量；否则，获取第二候选扰动向量，并将所述第二候选扰动向量作为所述扰动向量；所述第二候选扰动向量是在限定所述候选扰动向量的取值非零的条件下，发射功率最小时的候选扰动向量。

优选地，所述预编码单元具体用于：

基于预编码矩阵，对所述扰动符号进行预编码，得到预编码信号；

基于功率归一化因子，对所述预编码信号进行功率归一化，得到所述发射信号。

优选地，所述扰动系数如下式所示：

τ＝2|c|_max+Δ；

式中，τ为扰动系数，|c|_max为星座点幅值的最大值，Δ为两个星座点之间的距离。

第四方面，本发明实施例提供一种目标接收端，包括：

接收单元，用于接收发射端发送的发射信号，得到接收信号；

还原单元，用于基于所述发射信号的扰动系数对应的取模函数，对所述接收信号进行取模运算，得到目标符号。

优选地，还包括：

功率逆归一化单元，用于将功率归一化因子与所述接收信号相乘，以还原所述发射信号的功率。

优选地，所述取模函数如下式所示：

式中，z为所述接收信号，f_τ(z)为所述目标符号，

和

分别为z的实部和虚部，τ为所述扰动系数。

第五方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括处理器、通信接口、存储器和总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过总线完成相互间的通信，处理器可以调用存储器中的逻辑指令，以执行如第一方面或第二方面所提供的方法的步骤。

第六方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第一方面或第二方面所提供的方法的步骤。

本发明实施例提供的一种物理层安全传输方法、发射端和目标接收端，将向量扰动预编码应用于物理层安全传输中，无需限定目标接收端与发射端天线数量的大小，且由于向量扰动是在预编码之前添加在目标符号中的，发射端可将全部发射功率用于发送信号，能够在保障物理层安全的同时，有效保障目标接收端性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的无线通信多天线传输系统模型示意图；

图2为本发明实施例提供的物理层安全传输方法的流程示意图；

图3为本发明另一实施例提供的物理层安全传输方法的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的向量扰动预编码的工作原理框图；

图5为本发明实施例提供的接收端判决示意图；

图6为本发明实施例又一提供的物理层安全传输方法的流程示意图；

图7为本发明实施例提供的直接将第一候选扰动向量作为扰动向量时的物理层安全传输性能比较示意图；

图8为本发明实施例提供的非零向量扰动预编码下的物理层安全传输性能比较示意图；

图9为本发明实施例提供的非零向量扰动预编码与AN预编码下的物理层安全传输性能比较示意图；

图10为本发明实施例提供的发射端结构示意图；

图11为本发明实施例提供的目标接收端结构示意图；

图12为本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。

当前常见的物理层安全传输方法，即人工噪声方案，为了达到人工噪声向量只对窃听用户造成干扰的效果，要求目标接收端Bob的天线数必须小于发射端Alice的天线数。此外，由于部分能量用于传输与有用信号无关的部分，物理层安全是以降低目标接收端性能为代价保障的。对此，本发明实施例提供了一种物理层安全传输方法，无需限定目标接收端与发射端天线数量的大小，且在保障物理层安全的同时能够保障目标接收端性能。图2为发明实施例提供的物理层安全传输方法的流程示意图，如图2所示，该方法的执行主体为发射端，该方法包括：

步骤210，基于扰动系数，将扰动向量添加在调制后的目标符号中，得到扰动符号。

具体地，目标符号即发送端需要传输至目标接收端的复数符号。在此基础上，对目标符号进行向量扰动(Vector Perturbation，VP)，得到扰动符号。此处，扰动向量扰动系数即在进行向量扰动时，扰动向量对应的系数。假设目标符号为u，扰动向量为l，扰动系数为τ，则对目标符号u进行向量扰动得到的扰动符号

步骤220，对扰动符号进行预编码，获取发射信号。

具体地，发射信号即对扰动符号进行预编码后得到的可直接进行发送的信号。此处，预编码是通过预编码矩阵实现的，预编码矩阵可以是发射端基于目标接收端的信道矩阵得到的。

步骤230，发送发射信号。

具体地，在完成向量扰动预编码操作后，发送发射信号。

本发明实施例提供的方法，将向量扰动预编码应用于物理层安全传输中，无需限定目标接收端与发射端天线数量的大小，且由于向量扰动是在预编码之前添加在目标符号中的，发射端在发送发射信号时，可将全部发射功率用于发送信号，能够在保障物理层安全的同时，有效保障目标接收端性能。

基于上述实施例，该方法中，步骤210之前还包括：步骤201，获取第一候选扰动向量；第一候选扰动向量是发射功率最小时的候选扰动向量；步骤202，若第一候选扰动向量不为零，则将第一候选扰动向量作为扰动向量；否则，获取第二候选扰动向量，并将第二候选扰动向量作为扰动向量；第二候选扰动向量是在限定候选扰动向量的取值非零的条件下，发射功率最小时的候选扰动向量。

具体地，在对目标符号进行向量扰动预编码之前，需要确定扰动向量。此处，确定扰动向量的方法如下：

获取发射功率最小时的第一候选扰动向量。此处，第一候选扰动向量是在对目标符号进行向量扰动预编码得到的发射信号的发射功率最小时，对应的候选扰动向量。假设预编码矩阵为W，目标符号为u，扰动系数为τ，候选扰动向量为l′，第一候选扰动向量l₁的选取如下式所示：

上式中，||Wu+Wτl′||²即候选扰动向量l′对应的发射信号的发射功率，第一候选扰动向量l₁为发射功率最小时，候选扰动向量l′的取值。

在得到第一候选扰动向量l₁后，需要判断第一候选扰动向量l₁是否为零：如果第一候选扰动向量l₁不为零，则直接将第一候选扰动向量l₁作为扰动向量进行向量扰动预编码；如果第一候选扰动向量l₁为零，则直接将第一候选扰动向量l₁作为扰动向量进行向量扰动预编码无法达到预期的物理层安全保障，需要在非零限制条件下，即限定候选扰动向量不为0，候选扰动向量中至少包含一个非零元素的条件下，获取发射功率最小时的第二候选扰动向量，并将第二候选扰动向量作为扰动向量进行向量扰动预编码。

此处，第二候选扰动向量l₂的选取如下式所示：

上式中，l″为满足非零限制条件Ω的候选扰动向量，||l||₀为0范数，用于指示向量l中包含的非零元素的个数。||Wu+Wτl″||²满足非零限制条件Ω的候选扰动向量l″对应的发射信号的发射功率，第二候选扰动向量l₂为发射功率最小时，非零限制条件Ω的候选扰动向量l″的取值。

基于上述任一实施例，该方法中，步骤201具体包括：基于球形译码，获取发射功率最小时的第一候选扰动向量。

具体地，在寻找第一候选扰动向量过程中，可以通过最大似然(MaximumLikelihood，ML)算法进行穷举搜索，但是最大似然算法复杂度太高，难以实际应用。球形译码(Sphere Decoding，SD)是一种通过较少的计算量来获取最大似然译码性能的方法，通过球形译码可以获取发射功率最小时的第一候选扰动向量。此外，还可以通过格基约缩(Lattice Reduction，LR)等算法实现第一候选扰动向量的获取。

基于上述任一实施例，该方法中，步骤220具体包括：基于预编码矩阵，对扰动符号进行预编码，得到预编码信号；基于功率归一化因子，对预编码信号进行功率归一化，得到发射信号。

具体地，假设目标接收端的信道矩阵为H，则发射端的预编码矩阵W为信道矩阵H的伪逆矩阵，即

式中

表示求伪逆操作，上标H为矩阵的共轭转置。基于预编码矩阵W对扰动符号

进行预编码，即可得到预编码信号

此外，预编码矩阵W还可以是通过对信道矩阵H正则化求伪逆得到，如

其中，η为信噪比相关参数，

K为接收端数量，σ²为噪声功率。

在得到预编码信号

后，可以基于功率归一化因子对预编码信号进行功率归一化。此处，功率归一化因子

将预编码信号

除以功率归一化因子β即可将预编码信号转换为单位功率下的信号，即得到发射信号

基于上述任一实施例，该方法中，扰动系数如下式所示：

τ＝2|c|_max+Δ；

式中，τ为扰动系数，|c|_max为调制对应的映射星座图中星座点幅值的最大值，Δ为映射星座图中两个星座点之间的距离。

基于上述任一实施例，图3为本发明另一实施例提供的物理层安全传输方法的流程示意图，如图3所示，该方法的执行主体为目标接收端，该方法包括：

步骤310，接收发射端发送的发射信号，得到接收信号。

具体地，基于目标接收端自身的信道矩阵接收发射信号，即可得到包含有信道矩阵与发射信号乘积的接收信号。假设发射信号为x，目标接收端的信道矩阵为H，目标接收端的复高斯噪声向量为n_B，得到的接收信号为z，z＝Hx+n_B。

在此之前，发射端将传输至目标接收端的复数符号即目标符号进行调制，并对目标符号进行向量扰动，得到扰动符号，随即对扰动符号进行预编码得到发射信号并发送。其中，在对目标符号进行向量扰动时，假设目标符号为u，扰动向量为l，扰动系数为τ，则对目标符号u进行向量扰动得到的扰动符号

步骤320，基于扰动系数对应的取模函数，对接收信号进行取模运算，得到目标符号。

具体地，在得到接收信号后，为了正确解码上述接收信号，需要将接收信号输入到扰动系数τ对应的取模函数中，由取模函数对接收信号进行还原解码，并输出目标符号。此处，取模函数用于对接收信号中的每一个元素做模τ运算，以消除在发射端引入的τ倍的扰动向量的影响。

本发明实施例提供的方法，将向量扰动预编码应用于物理层安全传输中，并通过取模函数抵消扰动向量引入的扰动，从而实现物理层安全传输，无需限定目标接收端与发射端天线数量的大小，且发射端可将全部发射功率用于发送信号，能够有效保障目标接收端性能。

基于上述任一实施例，该方法中，步骤320之前还包括：将功率归一化因子与接收信号相乘，以还原发射信号的功率。

具体地，发射端在对扰动符号进行预编码并得到预编码信号后，基于功率归一化因子，对预编码信号进行了功率归一化，将功率归一化后的单位功率对应的信号作为发射信号发送。对应地，目标接收端在得到接收信号后，也需要还原发射信号的功率。目标接收端可以通过下行导频测量得到功率归一化因子，进而将功率归一化因子与接收信号相乘，实现发射信号的功率还原。

基于上述任一实施例，该方法中，取模函数如下式所示：

式中，z为接收信号，f_τ(z)为目标符号，

和

分别为z的实部和虚部，τ为扰动系数。此处，扰动系数τ∈Λ，Λ为调制对应的映射星座图中的星座区域，Λ可由下式表示：

上式中，c为星座区域内的一个元素，

和

分别为c的实部和虚部，τ为扰动系数。

基于上述任一实施例，图4为本发明实施例提供的向量扰动预编码的工作原理框图，如图4所示，一种物理层安全传输方法包括：

假设目标符号为u，扰动向量为l，扰动系数为τ，发射端基于扰动向量l与扰动系数τ得到的添加在目标符号u中的扰动p＝τl。

其中，τ＝2|c|_max+Δ，|c|_max为调制对应的映射星座图中星座点幅值的最大值，Δ为映射星座图中两个星座点之间的距离。

由此得到扰动符号

随即，发射端基于预编码矩阵W和功率归一化因子β对扰动符号

进行预编码和功率归一化，得到发射信号

并发送。

针对系统中K个目标接收端中的任一目标接收端，假设目标接收端的信道矩阵为H，目标接收端的复高斯噪声向量为n_B，目标接收端接收发射信号并得到如下接收信号：

其中，预编码矩阵W与信道矩阵H之间存在如下关系：

由此得到接收信号如下：

基于功率归一化因子β对接收信号进行功率逆归一化，并将接收信号输入如下取模函数，以完全消除扰动向量l引入的干扰，得到还原符号如下：

式中，

为还原符号，βz为功率还原后的接收信号，f_τ()为扰动系数τ对应的取模函数，

和

分别为βz的实部和虚部。

由上式可知，还原符号

与目标符号u的不同仅在于还原符号中还存在复高斯噪声向量n_B的影响，滤除还原符号

中的噪声βn_B即可得到目标符号u。

此外，假设窃听者接收发射信号得到的窃听信号如下式所示：

式中，y为窃听信号，G为窃听者的信道矩阵，n_E为窃听者的复高斯噪声向量；β为功率归一化因子，

为预编码矩阵，p为添加在目标符号u中的扰动，p＝τl，l为扰动向量，τ为扰动系数。

由上式可知，向量扰动预编码下的物理层安全传输中，窃听者接收到的信号可以分为两部分：待解调的有用信号

以及干扰项

图5为本发明实施例提供的接收端判决示意图，如图5所示，根据格点理论，判断任一接收信号r_E能否正确解调的关键在于判断其是否落在目标格点

也就是GWu的Voronoi域(Voronoi region)

内，其中

表示n维复数域lattice。图5中，六边形为Voronoi域，实线圆圈为效率球形(Effective sphere)，虚线圆圈为覆盖球形(Coveringsphere)，

为

的有效半径，表示体积为

的球体半径，

表示

的行列式；

为

的覆盖半径，表示覆盖

域的最小球体的半径。考虑一个由矩阵

构成的复格，由于相邻格点在每个维度上的距离均为Δ，在τ＝2(c_max+Δ/2)时，假设扰动向量l≠0，也即扰动向量至少在某个维度上不为0，接收信号

必然落在目标格点GWu的Voronoi域

外，因此窃听者无法正确解调。

由此可知，当扰动向量满足l≠0时，窃听者处始终有错误概率P_E＝1，其中错误概率P_E定义为：

表示窃听者解调得到的信号，Pr表示事件发生的概率。

基于上述任一实施例，图6为本发明实施例又一提供的物理层安全传输方法的流程示意图，图6中，Alice为发射端，Bob和Eve分别为接收端的目标接收端和窃听者。其中，发射端Alice配置有N_A根发射天线，目标接收端Bob和窃听者Eve分别配置有N_B和N_E根接收天线。

发射端Alice侧的{0101…1100}为调制前的信息，经调制后得到目标符号u。假设预编码矩阵为W，扰动系数为τ，候选扰动向量为l′，通过球形译码算法选取第一候选扰动向量l₁如下式所示：

式中，||Wu+Wτl′||²即候选扰动向量l′对应的发射信号的发射功率，第一候选扰动向量l₁为发射功率最小时，候选扰动向量l′的取值。

在得到第一候选扰动向量l₁后，需要判断第一候选扰动向量l₁是否为零：如果第一候选扰动向量l₁不为零，则直接将第一候选扰动向量l₁作为扰动向量l进行向量扰动预编码；如果第一候选扰动向量l₁为零，则直接将第一候选扰动向量l₁作为扰动向量进行向量扰动预编码无法达到预期的物理层安全保障，需要在限定候选扰动向量的取值非零的条件下，获取发射功率最小时的第二候选扰动向量，并将第二候选扰动向量作为扰动向量进行向量扰动预编码。

此处，限定候选扰动向量的取值非零条件是指候选扰动向量不为0，即候选扰动向量中至少包含一个非零元素，对应的第二候选扰动向量l₂的选取如下式所示：

上式中，l″为满足非零限制条件Ω的候选扰动向量，||l||₀为0范数，用于指示向量l中包含的非零元素的个数。||Wu+Wτl″||²满足非零限制条件Ω的候选扰动向量l″对应的发射信号的发射功率，第二候选扰动向量l₂为发射功率最小时，非零限制条件Ω的候选扰动向量l″的取值。

在确定扰动向量l后，发射端Alice基于扰动向量l与扰动系数τ得到的添加在目标符号u中的扰动p＝τl，由此得到扰动符号

并基于预编码矩阵W和功率归一化因子β对扰动符号

进行预编码和功率归一化，得到发射信号

并发送，以使得目标接收端Bob能够基于信道矩阵H接收发射信号并得到接收信号z＝Hx+n_B，窃听者Eve基于信道矩阵Eve接收发射信号并得到接收信号y＝Gx+n_E，其中n_B和n_E分别为目标接收端Bob和窃听者Eve的复高斯噪声向量。

基于上述任一实施例，图7为本发明实施例提供的直接将第一候选扰动向量作为扰动向量时的物理层安全传输性能比较示意图，图7中，发送端Alice、Bob以及Eve分别具有N＝4,8,16根天线。性能评价指标定义为窃听者Eve以及目标接收端Bob处的解调符号与发送符号不相同的概率，即

其中在评价窃听者的性能时，假设最坏情况，窃听者处噪声为零，性能只受发送方案设计的影响，与SNR(SIGNAL-NOISE RATIO，信噪比)无关。如图7所示，随着天线数的增加，窃听者的错误概率P_E→1，通信系统的保密性能越好。在天线数目较低时，直接将发射功率最小时的第一候选扰动向量作为扰动向量l，进行向量扰动预编码难以有效保证系统安全性，需要对l＝0的场景进行优化，从而保证系统物理层安全可达。

基于上述任一实施例，图8为本发明实施例提供的非零向量扰动预编码下的物理层安全传输性能比较示意图，图8中，准则1是指直接将发射功率最小时的第一候选扰动向量作为扰动向量l，进行向量扰动预编码，准则2是指若第一候选扰动向量非零，则将第一候选扰动向量作为扰动向量l，否则，在非零限制条件下，获取发射功率最小时的第二候选扰动向量作为扰动向量l进行向量扰动预编码。Alice、Bob以及Eve分别均配置N＝4,8根天线。如图8所示，相比准则1，准则2的目标接收端Bob的错误概率在高SNR区域处会增高，与此同时，窃听者Eve的错误概率将由升高至1，即使在天线数量较小的场景下，通过使用了准则2，通信系统的实际保密性也可以得到保证。

基于上述任一实施例，图9为本发明实施例提供的非零向量扰动预编码与AN预编码下的物理层安全传输性能比较示意图，图9中，AN-ZF和AN-VP分别表示人工噪声方案中的预编码分别采用迫零(Zero Forcing,ZF)和VP(向量扰动)预编码。如图9所示，准则2在增大窃听者的错误概率的同时，也会略微降低目标用户的性能，但是，与基于AN算法的预编码方案相比，基于准则2的物理层安全传输仍然具有可观的性能优势。

基于上述任一实施例，图10为本发明实施例提供的发射端结构示意图，如图10所示，发射端包括向量扰动添加单元1010、预编码单元1020和发射单元1030；

其中，向量扰动添加单元1010用于基于扰动系数，将扰动向量添加在调制后的目标符号中，得到扰动符号；

预编码单元1020用于对所述扰动符号进行预编码，获取发射信号；

发射单元1030用于发送所述发射信号。

本发明实施例提供的发射端，将向量扰动预编码应用于物理层安全传输中，无需限定目标接收端与发射端天线数量的大小，且由于向量扰动是在预编码之前添加在目标符号中的，发射端可将全部发射功率用于发送信号，能够在保障物理层安全的同时，有效保障目标接收端性能。

基于上述任一实施例，发射端还包括扰动向量获取单元；所述扰动向量获取单元具体包括：

候选扰动获取子单元，用于获取第一候选扰动向量；所述第一候选扰动向量是发射功率最小时的候选扰动向量；

候选扰动判断子单元，用于若所述第一候选扰动向量不为零，则将所述第一候选扰动向量作为所述扰动向量；否则，获取第二候选扰动向量，并将所述第二候选扰动向量作为所述扰动向量；所述第二候选扰动向量是在限定所述候选扰动向量的取值非零的条件下，发射功率最小时的候选扰动向量。

基于上述任一实施例，发射端中，预编码单元1020具体用于：

基于预编码矩阵，对所述扰动符号进行预编码，得到预编码信号；

基于功率归一化因子，对所述预编码信号进行功率归一化，得到所述发射信号。

基于上述任一实施例，发射端中，所述扰动系数如下式所示：

τ＝2|c|_max+Δ；

式中，τ为扰动系数，|c|_max为星座点幅值的最大值，Δ为两个星座点之间的距离。

基于上述任一实施例，图11为本发明实施例提供的目标接收端结构示意图，如图11所示，目标接收端包括接收单元1110和还原单元1120；

其中，接收单元1110用于接收发射端发送的发射信号，得到接收信号；

还原单元1120用于基于所述发射信号的扰动系数对应的取模函数，对所述接收信号进行取模运算，得到目标符号。

本发明实施例提供的目标接收端，通过取模函数抵消扰动向量引入的扰动，从而实现物理层安全传输，无需限定目标接收端与发射端天线数量的大小，且发射端可将全部发射功率用于发送信号，能够有效保障目标接收端性能。

基于上述任一实施例，目标接收端还包括：

功率逆归一化单元，用于将功率归一化因子与所述接收信号相乘，以还原所述发射信号的功率。

基于上述任一实施例，目标接收端中，所述取模函数如下式所示：

式中，z为所述接收信号，f_τ(z)为所述目标符号，

和

分别为z的实部和虚部，τ为所述扰动系数。

图12为本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图，如图12所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)1201、通信接口(Communications Interface)1202、存储器(memory)1203和通信总线1204，其中，处理器1201，通信接口1202，存储器1203通过通信总线1204完成相互间的通信。处理器1201可以调用存储在存储器1203上并可在处理器1201上运行的计算机程序，以执行上述各实施例提供的物理层安全传输方法，例如包括：基于扰动系数，将扰动向量添加在调制后的目标符号中，得到扰动符号；对所述扰动符号进行预编码，获取发射信号；发送所述发射信号。

处理器1201还可以调用存储在存储器1203上并可在处理器1201上运行的计算机程序，以执行上述各实施例提供的物理层安全传输方法，例如包括：接收发射端发送的发射信号，得到接收信号；基于所述发射信号的扰动系数对应的取模函数，对所述接收信号进行取模运算，得到目标符号。

此外，上述的存储器1203中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的物理层安全传输方法，例如包括：基于扰动系数，将扰动向量添加在调制后的目标符号中，得到扰动符号；对所述扰动符号进行预编码，获取发射信号；发送所述发射信号。

本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的物理层安全传输方法，例如包括：接收发射端发送的发射信号，得到接收信号；基于所述接收信号的扰动系数对应的取模函数，对所述接收信号进行取模运算，得到目标符号。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (16)

1.一种物理层安全传输方法，其特征在于，包括：

基于扰动系数，将扰动向量添加在调制后的目标符号中，得到扰动符号；

对所述扰动符号进行预编码，获取发射信号；

发送所述发射信号。

2.根据权利要求1所述的物理层安全传输方法，其特征在于，所述基于扰动系数，将扰动向量添加在调制后的目标符号中，得到扰动符号，之前还包括：

获取第一候选扰动向量；所述第一候选扰动向量是发射功率最小时的候选扰动向量；

若所述第一候选扰动向量不为零，则将所述第一候选扰动向量作为所述扰动向量；

否则，获取第二候选扰动向量，并将所述第二候选扰动向量作为所述扰动向量；所述第二候选扰动向量是在限定所述候选扰动向量的取值非零的条件下，发射功率最小时的候选扰动向量。

3.根据权利要求1所述的物理层安全传输方法，其特征在于，所述对所述扰动符号进行预编码，获取发射信号，具体包括：

基于预编码矩阵，对所述扰动符号进行预编码运算，得到预编码信号；

基于功率归一化因子，对所述预编码信号进行功率归一化，得到所述发射信号。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的物理层安全传输方法，其特征在于，所述扰动系数如下式所示：

τ＝2|c|_max+Δ；

式中，τ为扰动系数，|c|_max为星座点幅值的最大值，Δ为两个星座点之间的距离。

5.一种物理层安全传输方法，其特征在于，包括：

接收发射端发送的发射信号，得到接收信号；

基于所述发射信号的扰动系数对应的取模函数，对所述接收信号进行取模运算，得到目标符号。

6.根据权利要求5所述的物理层安全传输方法，其特征在于，所述基于所述发射信号的扰动系数对应的取模函数，对所述接收信号进行取模运算，得到目标符号，之前还包括：

将功率归一化因子与所述接收信号相乘，以还原所述发射信号的功率。

7.根据权利要求5或6中任一项所述的物理层安全传输方法，其特征在于，所述取模函数如下式所示：

式中，z为所述接收信号，f_τ(z)为所述目标符号，

和

分别为z的实部和虚部，τ为所述扰动系数。

8.一种发射端，其特征在于，包括：

向量扰动添加单元，用于基于扰动系数，将扰动向量添加在调制后的目标符号中，得到扰动符号；

预编码单元，用于对所述扰动符号进行预编码，获取发射信号；

发射单元，用于发送所述发射信号。

9.根据权利要求8所述的发射端，其特征在于，还包括扰动向量获取单元；所述扰动向量获取单元具体包括：

候选扰动获取子单元，用于获取第一候选扰动向量；所述第一候选扰动向量是发射功率最小时的候选扰动向量；

候选扰动判断子单元，用于若所述第一候选扰动向量不为零，则将所述第一候选扰动向量作为所述扰动向量；否则，获取第二候选扰动向量，并将所述第二候选扰动向量作为所述扰动向量；所述第二候选扰动向量是在限定所述候选扰动向量的取值非零的条件下，发射功率最小时的候选扰动向量。

10.根据权利要求8所述的发射端，其特征在于，所述预编码单元具体用于：

基于预编码矩阵，对所述扰动符号进行预编码，得到预编码信号；

基于功率归一化因子，对所述预编码信号进行功率归一化，得到所述发射信号。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的发射端，其特征在于，所述扰动系数如下式所示：

τ＝2|c|_max+Δ；

式中，τ为扰动系数，|c|_max为星座点幅值的最大值，Δ为两个星座点之间的距离。

12.一种目标接收端，其特征在于，包括：

接收单元，用于接收发射端发送的发射信号，得到接收信号；

还原单元，用于基于所述发射信号的扰动系数对应的取模函数，对所述接收信号进行取模运算，得到目标符号。

13.根据权利要求12所述的目标接收端，其特征在于，还包括：

功率逆归一化单元，用于将功率归一化因子与所述接收信号相乘，以还原所述发射信号的功率。

14.根据权利要求12或13中任一项所述的目标接收端，其特征在于，所述取模函数如下式所示：

式中，z为所述接收信号，f_τ(z)为所述目标符号，

和

分别为z的实部和虚部，τ为所述扰动系数。

15.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任一项所述的物理层安全传输方法的步骤。

16.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的物理层安全传输方法的步骤。

Images