CN112688725B - 基于星座图的mimo物理层安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于星座图的MIMO物理层安全传输方法，主要解决现有技术中存在的用于解决MIMO物理层安全传输的实现严重依赖无线信道的物理特性从而导致系统保密性能降低的问题。具体步骤包括：1、生成期望的星座图，2、构建目标函数，3、生成相位编码信号矩阵，4、MIMO系统的发射天线阵列发射相位编码信号，5、生成通信接收方的星座图，6、对通信接收方的星座图进行星座逆映射。本发明解决了MIMO物理层安全传输的实现严重依赖无线信道的物理特性从而导致MIMO系统保密性能降低的问题，不依赖无线信道的物理特性实现MIMO物理层安全传输，提高了MIMO系统的保密性能。

Description

基于星座图的MIMO物理层安全传输方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及无线通信技术领域中的一种基于星座图的多输入多输出MIMO(Multiple Input Multiple Output)物理层安全传输方法。本发明可用于MIMO通信系统中，使得窃听者接收到的通信信息与通信用户接收到的通信信息相差很大，实现MIMO通信系统的物理层安全传输。

背景技术

由于无线信道的固有开放性，在通信范围的任何参与者都可以接收到信号，并有可能从中获取信息，安全和保密成为无线通信中最重要的问题之一。除了传统的加密安全机制，在物理层实现信息理论安全也是保证通信保密性的一个重要方式。物理层安全可定义为基于调制、信号及信道等属性的低截获概率的物理层传输，不诉诸数据加密，发射前不需要密钥。MIMO通信技术具有较高的数据传输速率、频谱利用率和可靠的信息传输性能，并且被拓展到了物理层安全传输方面。因此如何实现MIMO物理层安全传输，是极其重要的。目前大多数MIMO物理层安全传输方法都依赖于无线信道的物理特性，通信双方对无线信道较大的估计差异会极大降低系统的保密性能，基于星座图实现MIMO物理层安全传输的方法与无线信道的物理特性完全无关，并且保证了系统的保密性能。

中国人民解放军国防科技大学在其申请的专利文献“一种基于天线选择的差分混沌键控的物理层安全传输方法”(申请日：2019年02月28日，公开号：CN 109743155 A，公开日：2019年05月10日)中公开了一种MIMO物理层安全传输方法。该方法结合大规模MIMO技术，提出了基于天线选择的DCSK物理层加密传输方案(MIMO-AS-DCSK)。首先，建立大规模MIMO-AS-DCSK传输系统模型；随后，基于混沌理论从无线信道中生成密钥集，用于从发射天线中挑选出两根作为参考天线和将剩余天线分为两组；最后让这两组天线分别与其中一根参考天线进行DCSK调制。该方法的优点是提高了系统的保密性，并且在频谱效率方面具有明显优势，但是，该方法仍然存在的不足之处是，其密钥集的生成依赖于无线信道的物理特性，由于通信信息的发送方与接收方对无线信道物理特性的估计是有差异的，较大的估计差异会极大降低系统的保密性能。

重庆邮电大学在其申请的专利文献“一种无线携能全双工中继系统的保密传输方法”(申请日：2019年06月20日，公开号：CN 110299934 A，公开日：2019年10月01日)中公开了一种MIMO物理层安全传输方法。该方法包括构建MIMO无线携能全双工中继系统，系统包括具有多天线的源节点、目的节点、窃听节点和全双工中继节点；获取中继节点、目的节点以及窃听节点的可达容量，计算在可达容量下系统的安全容量；在满足服务质量和安全容量的情况下，构建关于收发器、无线信道的信道系数和功率分割因子联合优化的目标函数；采用半定松弛方法将目标函数转化为凸函数，解得预编码矩阵及功率分割因子，以解得的预编码矩阵及功率分割因子进行保密传输。该方法的优点是通过联合优化预编码器与功率分割因子，在有效最小化源节点发射功率的同时满足了系统的安全性能，但是，该方法仍然存在的不足之处是，其预编码矩阵的求解严重依赖于无线信道的物理特性，由于通信信息的发送方与接收方对无线信道物理特性的估计是有差异的，较大的估计差异会极大降低系统的保密性能。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出了一种基于星座图的MIMO物理层安全传输方法，用于解决MIMO物理层安全传输的实现严重依赖无线信道的物理特性从而导致系统保密性能降低的问题。

实现本发明目的的具体思路是：根据待传输的二进制数据流生成期望的星座图，使用优化算法求解所构建的与期望的星座图相关的目标函数中的相位编码信号的相位矩阵，MIMO系统发射生成的相位编码信号，通信接收方生成的星座图很好地匹配了期望的星座图，而窃听者生成的实际星座图杂乱无章，无法解调出正确的通信信息，实现MIMO物理层安全传输。

本发明的具体步骤包括如下：

(1)生成期望的星座图：

将待传输的二进制数据流，按照L阶相移键控调制方式进行星座映射，得到期望的星座图，L＝2ⁿ，n为正整数；

(2)按照下述任意一个公式，构建一个目标函数：

使幅度矩阵B中的所有表示通信接收方接收信号的信号幅度的矩阵元素满足

使模值矩阵D中的所有表示通信接收方的接收信号幅度的模值的矩阵元素满足

使得

其中，min(·)表示取最小值操作，Φ表示相位编码信号的相位矩阵，||·||_∞表示取最小模值操作，A表示通信接收方的发射导向矩阵，H表示共轭转置操作，S表示相位编码信号，C表示期望的星座图，⊙表示点乘操作，B表示通信接收方的接收信号的幅度矩阵，|·|²表示取模平方操作，b_k表示第k个通信接收方接收信号的信号幅度，k＝1,2,……,N_a，N_a表示通信接收方的总数，:表示计算比值操作，λ表示根据所有通信接收方接收信号的幅度比值确定的一个比例系数，Θ表示通信接收方的接收信号幅度的辐角矩阵，D表示通信接收方的接收信号幅度的模值矩阵，d_k表示第k个通信接收方的接收信号的幅度，

表示取实部操作，*表示共轭操作，

表示取虚部操作，→表示逼近操作；

(3)生成相位编码信号矩阵：

(3a)使用序列二次规划算法，求解所构建目标函数中的相位编码信号的相位矩阵；

(3b)按照下式，生成相位编码信号矩阵：

S＝exp(jΦ)

其中，S表示相位编码信号矩阵，exp(·)表示以自然常数e为底的指数操作，j表示虚数单位符号；

(4)MIMO系统的发射天线阵列发射相位编码信号；

(5)按照下式，将通信接收方接收的信号生成通信接收方的星座图：

A^HS＝C'⊙B

其中，C'表示通信接收方根据接收信号生成的通信接收方的星座图；

(6)对通信接收方的星座图进行星座逆映射：

通信接收方对通信接收方的星座图C'进行星座逆映射，得到二进制数据流，完成通信传输。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

由于本发明采用的是根据待传输的二进制数据流生成期望的星座图，使用优化算法求解所构建的与期望的星座图相关的目标函数中的相位编码信号的相位矩阵，MIMO系统发射生成的相位编码信号，克服了现有技术中MIMO物理层安全传输的实现依赖于无线信道的物理特性，由于通信信息的发送方与接收方对无线信道物理特性的估计是有差异的，较大的估计差异会极大降低系统的保密性能的问题，使得本发明在不依赖无线信道的物理特性的情况下实现了MIMO物理层安全传输，提升了系统的保密性。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明的采用第一个目标函数的星座图仿真结果图；

图3是本发明的采用第二个目标函数的星座图仿真结果图；

图4是本发明的采用第三个目标函数的星座图仿真结果图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

参照图1，对本发明的具体步骤做进一步的描述。

步骤1，生成期望的星座图。

将待传输的二进制数据流，按照L阶相移键控调制方式进行星座映射，得到期望的星座图，L＝2ⁿ，n为正整数。

步骤2，按照下述任意一个公式，构建一个目标函数：

使幅度矩阵B中的所有表示通信接收方接收信号的信号幅度的矩阵元素满足

使模值矩阵D中的所有表示通信接收方的接收信号幅度的模值的矩阵元素满足

使得

其中，min(·)表示取最小值操作，Φ表示相位编码信号的相位矩阵，||·||_∞表示取最小模值操作，A表示通信接收方的发射导向矩阵，H表示共轭转置操作，S表示相位编码信号，C表示期望的星座图，⊙表示点乘操作，B表示通信接收方的接收信号的幅度矩阵，|·|²表示取模平方操作，b_k表示第k个通信接收方接收信号的信号幅度，k＝1,2,……,N_a，N_a表示通信接收方的总数，:表示计算比值操作，λ表示根据所有通信接收方接收信号的幅度比值确定的一个比例系数，Θ表示通信接收方的接收信号幅度的辐角矩阵，D表示通信接收方的接收信号幅度的模值矩阵，d_k表示第k个通信接收方的接收信号的幅度，

表示取实部操作，*表示共轭操作，

表示取虚部操作，→表示逼近操作。

所述的通信接收方的发射导向矩阵是按照以下步骤生成的：

第1步，按照下式，根据每一个通信接收方的实际方位角，确定该通信接收方的发射导向向量如下：

其中，a_k(θ)表示根据第k个通信接收方的实际方位角θ确定的发射导向向量，T表示转置操作，π表示圆周率，f₀表示MIMO系统发射信号时采用的载波频率，d_i表示第i个发射天线与第i+1个发射天线之间的距离，i＝1,2,……,N_t，N_t表示发射天线的总数，sin表示正弦操作，c表示光速。

第2步，将所有的通信接收方的发射导向向量组成通信接收方的发射导向矩阵。

所述的通信接收方的接收信号的幅度矩阵是按照以下步骤生成的：

第1步，按照下式，将所有的通信接收方接收信号的信号幅度组成通信接收方的信号幅度向量：

第2步，将所有

个信号幅度向量组成通信接收方的接收信号的幅度矩阵。

步骤3，生成相位编码信号矩阵。

使用序列二次规划算法，求解所构建目标函数中的相位编码信号的相位矩阵。

所述的使用序列二次规划算法，求解所构建目标函数中的相位编码信号的相位矩阵的具体步骤如下：

第1步，设定最大循环次数H、最小目标函数值F_min、目标函数值处的终止容限y_stop、F₀＝0。

第2步，随机产生每个元素均在0～2π范围内的临时相位矩阵Φ'。

第3步，在第h次循环中，将临时相位矩阵Φ'代入目标函数中，搜索使目标函数值最小的相位矩阵Φ_h，得到第h次循环的目标函数值F_h。

第4步，判断F_h＜F_min是否成立，若是，则执行本步骤的第5步，否则，执行本步骤的第6步。

第5步，令F_min＝F_h，Φ'＝Φ_h后执行第6步。

第6步，判断h＝H，或者|F_h-F_h-1|＜y_stop是否成立，若是，Φ'即为相位编码信号的相位矩阵的值，否则，令h＝h+1，并执行第3步。

按照下式，生成相位编码信号矩阵：

S＝exp(jΦ)

其中，S表示相位编码信号矩阵，exp(·)表示以自然常数e为底的指数操作，j表示虚数单位符号。

步骤4，MIMO系统的发射天线阵列发射相位编码信号。

步骤5，按照下式，将通信接收方接收的信号生成通信接收方的星座图：

A^HS＝C'⊙B

其中，C'表示通信接收方根据接收信号生成的通信接收方的星座图。

步骤6，对通信接收方的星座图进行星座逆映射。

通信接收方对通信接收方的星座图C'进行星座逆映射，得到二进制数据流，完成通信传输。

下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步的说明：

1.仿真实验条件：

本发明的仿真实验的硬件平台为：处理器为Intel i5-7500CPU，主频为3.4GHz，内存8GB。

本发明的仿真实验的软件平台为：Windows 7操作系统和MATLAB R2017a。

2.仿真内容及其结果分析：

本发明仿真实验是采用本发明方法对所构建的三个目标函数进行优化求解，得到每个目标函数对应的相位编码信号的相位矩阵，MIMO系统分别发射所获得的每个相位编码信号，模拟的通信接收方和窃听者分别接收信号后，绘制生成的每个目标函数对应的星座图。

本发明的仿真实验的参数设置如下，发射天线的总数N_t＝16，通信接收方的总数N_a＝3，三个通信接收方实际方位角分别设为-π/6,0,π/6，相移键控调制阶数L＝4，比例系数λ＝4.8:9.6:4.8，最大循环次数H＝10⁸，最小目标函数值F_min＝10⁸，目标函数值处的终止容限y_stop＝10^-8，F₀＝0。

下面结合图2、图3、图4的仿真结果图对本发明的效果做进一步的描述。

图2为采用本发明方法对所构建的第一个目标函数进行优化求解，得到的该目标函数对应的相位编码信号的相位矩阵，MIMO系统发射所获得的相位编码信号，模拟的通信接收方和窃听者分别接收信号后，绘制了对应的星座图。图2(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)的横坐标均表示星座点的实部，纵坐标均表示星座点的虚部，单位均为伏特，图2(a)为所绘制的发射的相位编码信号生成的星座图，图2(b)为绘制的三个通信接收方的接收信号生成的星座图，正方形星座点为位于发射天线阵列-π/6方向的通信接收方的接收信号生成的星座点，菱形星座点为位于发射天线阵列0方向的通信接收方的接收信号生成的星座点，五角星星座点为位于发射天线阵列π/6方向的通信接收方接收信号生成的星座点，图2(c)为图2(b)中星座点1附近所有星座点的细节图，图2(d)为图2(b)中星座点j附近所有星座点的细节图，图2(e)为图2(b)中星座点-1附近所有星座点的细节图，图2(f)为图2(b)中星座点-j附近所有星座点的细节图。本次仿真实验期望的星座图为四阶相移键控调制星座图，从图2(b)、(c)、(d)、(e)、(f)可以看出三个通信接收方接收的信号生成通信接收方的星座图与期望的星座图之间的误差很小。图2(g)横坐标表示角频率，单位为Hz，纵坐标表示欧氏距离，单位为伏特，图2(g)上的每一个点表示角频率[-0.5,0.5]范围内的每一个角频率方向的接收信号生成的星座图中所有星座点与期望的星座图中星座点之间欧氏距离的和，表示星座图的误差值，从图2(g)可以看出，三个通信接收方所在角频率方向的接收信号生成的星座图的误差值是最小的三个，除了三个通信接收方所在角频率方向以外，0.3角频率方向的星座图误差值最小。图2(h)为0.3角频率方向的接收信号生成的星座图，横坐标表示星座点的实部，纵坐标表示星座点的虚部，单位均为伏特，由图2(h)可以看出该星座图杂乱无章，与本次仿真实验设定的期望的星座图为四阶相移键控调制星座图相差很大。

图3为采用本发明方法对所构建的第二个目标函数进行优化求解，得到该目标函数对应的相位编码信号的相位矩阵，MIMO系统发射所获得的相位编码信号，模拟的通信接收方和窃听者分别接收信号后，绘制了对应的星座图。图3(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)的横坐标均表示星座点的实部，纵坐标均表示星座点的虚部，单位均为伏特，图3(a)为所绘制的发射的相位编码信号生成的星座图，图3(b)为绘制的三个通信接收方的接收信号生成的星座图，正方形星座点为位于发射天线阵列-π/6方向的通信接收方的接收信号生成的星座点，菱形星座点为位于发射天线阵列0方向的通信接收方的接收信号生成的星座点，五角星星座点为位于发射天线阵列π/6方向的通信接收方接收信号生成的星座点，图3(c)为图3(b)中星座点1附近所有星座点的细节图，图3(d)为图3(b)中星座点j附近所有星座点的细节图，图3(e)为图3(b)中星座点-1附近所有星座点的细节图，图3(f)为图3(b)中星座点-j附近所有星座点的细节图。本次仿真实验期望的星座图为四阶相移键控调制星座图，从图3(b)、(c)、(d)、(e)、(f)可以看出三个通信接收方接收的信号生成通信接收方的星座图与期望的星座图之间的误差很小。图3(g)横坐标表示角频率，单位为Hz，纵坐标表示欧氏距离，单位为伏特，图3(g)上的每一个点表示角频率[-0.5,0.5]范围内的每一个角频率方向的接收信号生成的星座图中所有星座点与期望的星座图中星座点之间欧氏距离的和，表示星座图的误差值，从图3(g)可以看出，三个通信接收方所在角频率方向的接收信号生成的星座图的误差值是最小的三个，除了三个通信接收方所在角频率方向以外，0.08角频率方向的星座图误差值最小。图3(h)为0.08角频率方向的接收信号生成的星座图，横坐标表示星座点的实部，纵坐标表示星座点的虚部，单位均为伏特，由图3(h)可以看出该星座图杂乱无章，与本次仿真实验设定的期望的星座图为四阶相移键控调制星座图相差很大。

图4为采用本发明方法对所构建的第三个目标函数进行优化求解，得到该目标函数对应的相位编码信号的相位矩阵，MIMO系统发射所获得的相位编码信号，模拟的通信接收方和窃听者分别接收信号后，绘制了对应的星座图。图4(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)的横坐标均表示星座点的实部，纵坐标均表示星座点的虚部，单位均为伏特，图4(a)为所绘制的发射的相位编码信号生成的星座图，图4(b)为绘制的三个通信接收方的接收信号生成的星座图，正方形星座点为位于发射天线阵列-π/6方向的通信接收方的接收信号生成的星座点，菱形星座点为位于发射天线阵列0方向的通信接收方的接收信号生成的星座点，五角星星座点为位于发射天线阵列π/6方向的通信接收方接收信号生成的星座点，图4(c)为图4(b)中星座点1附近所有星座点的细节图，图4(d)为图4(b)中星座点j附近所有星座点的细节图，图4(e)为图4(b)中星座点-1附近所有星座点的细节图，图4(f)为图4(b)中星座点-j附近所有星座点的细节图。本次仿真实验期望的星座图为四阶相移键控调制星座图，从图4(b)、(c)、(d)、(e)、(f)可以看出三个通信接收方接收的信号生成通信接收方的星座图与期望的星座图之间的误差很小。图4(g)横坐标表示角频率，单位为Hz，纵坐标表示欧氏距离，单位为伏特，图4(g)上的每一个点表示角频率[-0.5,0.5]范围内的每一个角频率方向的接收信号生成的星座图中所有星座点与期望的星座图中星座点之间欧氏距离的和，表示星座图的误差值，从图4(g)可以看出，三个通信接收方所在角频率方向的接收信号生成的星座图的误差值是最小的三个，除了三个通信接收方所在角频率方向以外，-0.21角频率方向的星座图误差值最小。图4(h)为-0.21角频率方向的接收信号生成的星座图，横坐标表示星座点的实部，纵坐标表示星座点的虚部，单位均为伏特，由图4(h)可以看出该星座图杂乱无章，与本次仿真实验设定的期望的星座图为四阶相移键控调制星座图相差很大。

以上仿真实验表明：通信接收方生成的星座图可以很好地匹配根据待传输的二进制数据流生成的期望的星座图，实现了MIMO物理层安全传输。而窃听者生成的星座图杂乱无章，与期望的星座图相差很大，无法解调出传输的二进制数据流，说明了通过本发明方法可以使窃听者无法窃取到通信接收方接收的二进制数据流，保证了MIMO系统的保密性。

Claims (4)

1.一种基于星座图的MIMO物理层安全传输方法，其特征在于，根据待传输的二进制数据流生成期望的星座图，使用优化算法求解所构建的与期望的星座图相关的目标函数中的相位编码信号的相位矩阵，MIMO系统发射生成的相位编码信号，该方法的步骤包括如下：

(1)生成期望的星座图：

将待传输的二进制数据流，按照L阶相移键控调制方式进行星座映射，得到期望的星座图，L＝2ⁿ，n为正整数；

(2)按照下述任意一个公式，构建一个目标函数：

使幅度矩阵B中的所有表示通信接收方接收信号的信号幅度的矩阵元素满足

使模值矩阵D中的所有表示通信接收方的接收信号幅度的模值的矩阵元素满足

使得

其中，min(·)表示取最小值操作，Φ表示相位编码信号的相位矩阵，||·||_∞表示取最小模值操作，A表示通信接收方的发射导向矩阵，H表示共轭转置操作，S表示相位编码信号，C表示期望的星座图，⊙表示点乘操作，B表示通信接收方的接收信号的幅度矩阵，|·|²表示取模平方操作，b_k表示第k个通信接收方接收信号的信号幅度，k＝1,2,……,N_a，N_a表示通信接收方的总数，:表示计算比值操作，λ表示根据所有通信接收方接收信号的幅度比值确定的一个比例系数，Θ表示通信接收方的接收信号幅度的辐角矩阵，D表示通信接收方的接收信号幅度的模值矩阵，d_k表示第k个通信接收方的接收信号的幅度，

表示取实部操作，*表示共轭操作，

表示取虚部操作，→表示逼近操作；

(3)生成相位编码信号矩阵：

(3a)使用序列二次规划算法，求解所构建目标函数中的相位编码信号的相位矩阵；

(3b)按照下式，生成相位编码信号矩阵：

S＝exp(jΦ)

其中，S表示相位编码信号矩阵，exp(·)表示以自然常数e为底的指数操作，j表示虚数单位符号；

(4)MIMO系统的发射天线阵列发射相位编码信号；

(5)按照下式，将通信接收方接收的信号生成通信接收方的星座图：

A^HS＝C'⊙B

其中，C'表示通信接收方根据接收信号生成的通信接收方的星座图；

(6)对通信接收方的星座图进行星座逆映射：

通信接收方对通信接收方的星座图C'进行星座逆映射，得到二进制数据流，完成通信传输。

2.根据权利要求1所述的基于星座图的MIMO物理层安全传输方法，其特征在于，步骤(2)中所述的通信接收方的发射导向矩阵是按照以下步骤生成的：

第一步，按照下式，根据每一个通信接收方的实际方位角，确定该通信接收方的发射导向向量如下：

其中，a_k(θ)表示根据第k个通信接收方的实际方位角θ确定的发射导向向量，T表示转置操作，π表示圆周率，f₀表示MIMO系统发射信号时采用的载波频率，d_i表示第i个发射天线与第i+1个发射天线之间的距离，i＝1,2,……,N_t，N_t表示发射天线的总数，sin表示正弦操作，c表示光速；

第二步，将所有的通信接收方的发射导向向量组成通信接收方的发射导向矩阵。

3.根据权利要求1所述的基于星座图的MIMO物理层安全传输方法，其特征在于，步骤(2)中所述的通信接收方的接收信号的幅度矩阵是按照以下步骤生成的：

第一步，按照下式，将所有的通信接收方接收信号的信号幅度组成通信接收方的信号幅度向量：

第二步，将所有

个信号幅度向量组成通信接收方的接收信号的幅度矩阵。

4.根据权利要求1所述的基于星座图的MIMO物理层安全传输方法，其特征在于，步骤(3a)中所述的使用序列二次规划算法，求解所构建目标函数中的相位编码信号的相位矩阵的具体步骤如下：

第一步，设定最大循环次数H、最小目标函数值F_min、目标函数值处的终止容限y_stop、F₀＝0；

第二步，随机产生每个元素均在0～2π范围内的临时相位矩阵Φ'；

第三步，在第h次循环中，将临时相位矩阵Φ'代入目标函数中，搜索使目标函数值最小的相位矩阵Φ_h，得到第h次循环的目标函数值F_h；

第四步，判断F_h＜F_min是否成立，若是，则执行第五步，否则，执行第六步；

第五步，令F_min＝F_h，Φ'＝Φ_h后执行第六步；

第六步，判断h＝H，或者|F_h-F_h-1|＜y_stop是否成立，若是，Φ'即为相位编码信号的相位矩阵的值，否则，令h＝h+1，并执行第三步。

Images