CN113438000A - 一种应对合作式窃听者的毫米波安全传输方法 - Google Patents

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CN113438000A CN202110693805.9A CN202110693805A CN113438000A CN 113438000 A CN113438000 A CN 113438000A CN 202110693805 A CN202110693805 A CN 202110693805A CN 113438000 A CN113438000 A CN 113438000A
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Abstract

本发明属于通信领域，具体涉及一种应对合作式窃听者的毫米波安全传输方法。本发明提出一种安全传输方式：发射机从对合法接收机可达的路径中随机选择m条路径，传输信息由这m条路径共同决定，部分窃听是不能获得传输信息的，这样就降低了被窃听概率，从而提高系统的安全容量。窃听者相互合作的情况下，它们相互分享自己所窃听到的信息，这样如果发射机在多条路径上传输同样的信息，很容易被窃听者窃听成功。本发明设计了一种传输方式，只有当窃听者们窃听到所有路径，才能窃听到传输信息，进而在一定程度上提高了系统的安全容量，并且本方案使得窃听者的误比特率为0.5。

Description

一种应对合作式窃听者的毫米波安全传输方法
技术领域
本发明属于通信领域，具体涉及一种应对合作式窃听者的毫米波安全传输方法。
背景技术
由于频谱资源的紧张，人们把目光放在频谱资源更丰富的毫米波频段。毫米波指的是频率为30～300GHz的电磁波，因为毫米波丰富的频谱资源和天线尺寸小的特性，可以很好地满足未来通信的需求。因为毫米波波长短，自由空间衰落大，基于扩展的Saleh-Valenzuela(SV)信道模型很好地描绘了毫米波信道的稀疏性，成为常见的信道模型。有关毫米波通信的研究在学术界吸引了众多关注。过去几年中，对毫米波信道建模，预编码和大规模多输入多输出进行了深入研究。因此，毫米波通信很有希望应用于5G蜂窝系统中。
由于无线传输的开放性，通信的安全性一直受到广泛的重视。随着互联网的发展和计算机计算能力的提高，传统基于高层的安全技术不能满足安全性能的需求了。近年来，基于物理层安全的研究在学术界引起广泛关注。利用常见的物理层安全技术，比如基于波束成形，人工噪声，方向调制，物理层安全技术能实现基于物理位置的安全性能。
在窃听场景中，窃听者为了隐藏自己，一般是保持无线电静默状态，本发明也考虑这种类型的窃听者。当窃听者很好地隐藏起来地时候，它们的位置信息和信道状态信息对基站是未知的，为了描述这种场景下窃听者的分布，有学者将其建模成一个泊松点过程。
发明内容
利用毫米波信道的稀疏性，在发射机可发射波束数目有限的前提下，可以到达窃听者和合法用户的波束都是有限的，对于那些对窃听者和合法用户都可达的波束，本发明认为这是被窃听的波束。为了方便分析，本发明进一步假设一个窃听者一次最多窃听一条波束。
本发明考虑在合作式窃听者场景下，如果所有波束传输相同的信息，那么窃听者们只要窃听到一条径，就可以获得所有的信息，如果窃听者的信道质量很好，甚至可以获得比合法接收机更好的接收性能。为此，本发明提出一种安全传输方式：发射机从对合法接收机可达的路径中随机选择m条路径，传输信息由这m条路径共同决定，部分窃听是不能获得传输信息的，这样就降低了被窃听概率，从而提高系统的安全容量。
本发明的技术方案是：
一种毫米波场景下应对合作式窃听者的安全传输方法，包括以下步骤：
S1、根据公式
Figure BDA0003127231510000021
量化每个波束的角度，其中ψi是第i个波束角度的正弦值，λ是波长，Nt是基站发射天线数，d是天线间间距，i∈Ωd是波束的索引值，Ωd是合法用户能接收到的波束索引集合；
S2、求出每条波束角度宽度：
Figure BDA0003127231510000022
其中Ld是能够到达合法用户的波束数；
S3、如果要传输1，发射机产生长度为m，奇数个1的0/1比特序列
Figure BDA0003127231510000023
如果要传输0，发射机产生长度为m，偶数个1的0/1比特序列s；
S4、对信道H做奇异值分解
Figure BDA0003127231510000024
其中，D＝diag(g1,g2,…,gm)，
Figure BDA0003127231510000025
是第i条径的增益，得到波束成形矩阵UT和UR。序列s乘上预编码矩阵UT，经过信道，在接收端乘上组合矩阵
Figure BDA0003127231510000026
得到接收信号
Figure BDA0003127231510000027
S5、接收机对接收信号做信道均衡后，得到估计的s序列
Figure BDA0003127231510000028
将
Figure BDA0003127231510000029
中的元素做模2加，得到传输信息。
本发明的有益效果是：窃听者相互合作的情况下，它们相互分享自己所窃听到的信息。这样如果发射机在多条路径上传输同样的信息，很容易被窃听者窃听成功。本发明设计了一种传输方式，只有当窃听者们窃听到所有路径，才能窃听到传输信息，进而在一定程度上提高了系统的安全容量，并且本方案使得窃听者的误比特率为0.5。
附图说明
图1为系统流程图，发射机从Ld条对合法接收机可达的波束中选择m条波束传输信息，图中斜线填充波束是对合法用户可达的波束，网格填充波束是发射机选择用来传输信息的波束；
图2为系统安全容量随所选波束数目变化图，本发明考虑最差的情况，即窃听者的接收能力非常强，只要窃听到波束，就能完全获取该波束所传输的信息；
图3为窃听者和合法接收机的误比特率对比图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图，详细描述本发明的技术方案。
实施例
本例包括以下步骤：
S1、根据公式
Figure BDA0003127231510000031
量化每个波束的角度，其中λ是波长，基站发射天线数Nt＝8，天线间间距
Figure BDA0003127231510000032
i∈Ωd是波束的索引，Ωd是合法用户能接收到的波束索引集合；
S2、求出每条波束角度宽度：
Figure BDA0003127231510000033
其中能够到达合法用户的波束数Ld＝6；
S3、如果要传输的信息s＝1，发射机产生长度为m(m的取值范围为1～6)，奇数个1的0/1比特序列s；如果要传输的信息s＝0，发射机产生长度为m，偶数个1的0/1比特序列s；
S4、对信道H做奇异值分解
Figure BDA0003127231510000034
其中，D＝diag(g1,g2,…,gm)，
Figure BDA0003127231510000035
是第i条径的增益，得到波束成形矩阵UT和UR。序列s乘上预编码矩阵UT，经过信道，在接收端乘上组合矩阵
Figure BDA0003127231510000036
得到接收信号
Figure BDA0003127231510000037
S5、接收机对接收信号做信道均衡后，得到估计的s序列
Figure BDA0003127231510000038
将
Figure BDA0003127231510000039
中的元素做模2加，得到传输信息
Figure BDA00031272315100000310
对本例进行以下操作进行性能评估：
S6、计算安全容量
S61、计算所有波束被窃听的概率
Figure BDA0003127231510000041
S62、计算第i条波束传输数据出错的概率：
Figure BDA0003127231510000042
其中
Figure BDA0003127231510000043
是高斯白噪声功率，并且
Figure BDA0003127231510000044
的取值分别为[0.1,0.01,0.005，0.001]；
S63、根据公式
Figure BDA0003127231510000045
计算合法接收机的传输容量
Figure BDA0003127231510000046
S63、根据公式
Figure BDA0003127231510000047
计算系统安全容量Rsec。
根据上述性能分析，使用系统安全容量图和误比特率对比图说明本方法实现的传输方案是有效的，本方法可以使得窃听者的误比特率随着发射机随选路径数m的增加而逐渐逼近0.5。并且在信噪比较大的情况下，本方法可以提高安全容量。
图2为系统安全容量图，发射机选择不同数目的波束,按照本方法设计的方案进行数据传输；图3为窃听者和合法接收机的误比特率对比图。从安全容量和误比特率两个维度来说明本方案的安全性能。当信噪比较大时，随着所选波束数目的增加，安全容量有先增加，再减少的趋势，说明本方案是有效的，由于只选一条波束，即不采用本方案的传输，但同时也说明了所选波束不是越多越好，波束太多，合法接收机累积的误比特率会越多，这在图3中可以看出。同时，从图3中也可以看出本方案能使得窃听者的误比特率为0.5，不能正确解出传输信号。
综上所述，本发明提出基于合作式窃听者的安全传输方法，考虑窃听者之间共享窃听到的信息。这样，如果发射机不同波束传输相同的数据，很容易就被窃听者们窃听成功，本发明所提出的传输方案可以使得只有当发射机所选的所有波束都被窃听到，窃听者才能获得传输信息。这样，本传输方案使得发射机传输消息被窃听的概率变小了，在一定程度上提高了系统安全容量，并且使得窃听者的误比特率达到0.5。所以本传输方案会使得发射机传输信息更加安全。

Claims (1)

1.一种毫米波场景下应对合作式窃听者的安全传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据公式
Figure FDA0003127231500000011
量化每个波束的角度，其中ψi是第i个波束角度的正弦值，λ是波长，Nt是基站发射天线数，d是天线间间距，i∈Ωd是波束的索引值，Ωd是合法用户能接收到的波束索引集合；
S2、求出每条波束角度宽度：
Figure FDA0003127231500000012
其中Ld是能够到达合法用户的波束数；
S3、设定如果要传输1，发射机产生长度为m，奇数个1的0/1比特序列
Figure FDA0003127231500000013
如果要传输0，发射机产生长度为m，偶数个1的0/1比特序列s；
S4、对信道H做奇异值分解
Figure FDA0003127231500000014
其中，D＝diag(g1,g2,…,gm)，
Figure FDA0003127231500000015
是第i条径的增益，得到波束成形矩阵UT和UR；序列s乘上预编码矩阵UT，经过信道，在接收端乘上组合矩阵
Figure FDA0003127231500000016
得到接收信号
Figure FDA0003127231500000017
S5、接收机对接收信号做信道均衡后，得到估计的s序列
Figure FDA0003127231500000018
将
Figure FDA0003127231500000019
中的元素做模2加，得到传输信息。
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