CN114710231A - 一种基于人工噪声的安全通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于人工噪声的安全通信方法，S1.将期望信号进行星座映射，并根据星座映射结果设计人工噪声；S2.发射机将期望信号和人工噪声叠加后得到信号s进行发射，由接收机进行信道估计对接收信号进行补偿得到信号
Figure DDA0003601849240000011
S3.接收机根据信号
Figure DDA0003601849240000012
重建出人工噪声
Figure DDA0003601849240000013
S4.接收机根据补偿得到信号
Figure DDA0003601849240000014
和重建出的人工噪声
Figure DDA0003601849240000015
得到恢复后的期望信号
Figure DDA0003601849240000016
本发明提供的安全通信方法在保证合法接收机正常接收的同时，阻断了非法窃听机对期望信号的窃取。

Description

一种基于人工噪声的安全通信方法
技术领域
本发明属于物理层安全通信领域,特别是涉及一种基于人工噪声的安全通信方法。
背景技术
物理层安全近年来已经成为一个备受关注的问题。尽管上层能使用较为有效的加密算法和协议来防止窃听者获取机密信息，但是并不能阻止窃听者在物理层直接拦截通信信号，这为窃听者破译信息和试探通信提供了可能。
人工噪声技术被广泛地应用于物理层安全通信领域。常见的运用有，多天线场景下，将人工噪声投射到接收信道的零空间中辅助信号传输，在保证合法接收机能正常接收的同时，阻断非法窃听机对期望信号的窃取；将人工噪声与波束成形、预编码等技术结合，通过优化的方法求解最优的人工噪声设计方案。单天线场景下，将人工噪声设计为已知的随机序列，接收机采用自干扰抑制的方式去除人工噪声的影响。
上述技术的缺陷在于，优化算法常常具有较高的算法复杂度，也需要依赖信道状态信息；干扰检测和抑制技术将给接收机带来较大的资源开销。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于人工噪声的安全通信方法，在保证合法接收机正常接收的同时，阻断了非法窃听机对期望信号的窃取。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于人工噪声的安全通信方法，包括以下步骤：
S1.将期望信号进行星座映射，并根据星座映射结果设计人工噪声；
所述步骤S1中，设期望信号经过星座映射之后为x，则设计人工噪声y为：
Figure BDA0003601849220000011
其中，
Figure BDA0003601849220000012
和
Figure BDA0003601849220000013
分别表示取复信号x的实部和虚部，Py表示人工噪声信号的功率，
Figure BDA0003601849220000014
表示取X的符号。
S2.发射机将期望信号和人工噪声叠加后得到信号s进行发射，由接收机进行信道估计对接收信号进行补偿得到信号
Figure BDA0003601849220000015
所述步骤S2包括：
S201.发射机将期望信号x和人工噪声y叠加作为信号s发射:
s＝x+y
S202.经过平坦衰落之后，接收机收到的信号为：
Figure BDA0003601849220000021
其中，hb表示信道系数，nb表示接收机处的热噪声；
S203.接收机进行信道估计，并对接收到的信号进行补偿，得到信号
Figure BDA00036018492200000214
Figure BDA0003601849220000022
其中，
Figure BDA0003601849220000023
表示信道估计值；ε表示归一化的信道估计误差，
Figure BDA0003601849220000024
表示信道补偿之后的等效噪声。
S3.接收机根据信号
Figure BDA0003601849220000025
重建出人工噪声
Figure BDA0003601849220000026
所述步骤S3包括以下子步骤：
S301.对信号
Figure BDA0003601849220000027
求取实部和虚部：
Figure BDA0003601849220000028
Figure BDA0003601849220000029
为了有效进行安全通信，假设人工噪声功率远大于期望信号功率；同时，假设接收机引入的热噪声功率很小，从而信道估计的误差很小；其中，人工噪声比期望信号的功率比大于20dB，则认为人工噪声功率远大于期望信号功率；接收机的信噪比大于20dB时，则认为热噪声功率很小，从而信道估计误差很小；在此条件下，
Figure BDA00036018492200000210
公式中，
Figure BDA00036018492200000211
分子的第二项远小于第一项，同时
Figure BDA00036018492200000212
远小于前一项，因此对
Figure BDA00036018492200000213
进行简化有：
Figure BDA0003601849220000031
Figure BDA0003601849220000032
其中，
Figure BDA0003601849220000033
S302.针对信号
Figure BDA0003601849220000034
的实部和虚部后取符号，结合步骤S301的结果，得到：
Figure BDA0003601849220000035
Figure BDA0003601849220000036
S303.接收机重建出人工噪声
Figure BDA0003601849220000037
为：
Figure BDA0003601849220000038
S4.根据补偿得到信号
Figure BDA0003601849220000039
和重建出的人工噪声
Figure BDA00036018492200000310
得到恢复后的期望信号
Figure BDA00036018492200000311
所述步骤S4包括：
将重建出的人工噪声从信道补偿后的信号中减去，得到恢复后的期望信号
Figure BDA00036018492200000312
Figure BDA00036018492200000313
优选地，在步骤S4得到恢复后的期望信号
Figure BDA00036018492200000314
后，接收机可以进一步对信号
Figure BDA00036018492200000315
进行解调后续操作。
本发明的有益效果是：本发明在保证合法接收机正常接收的同时，阻断了非法窃听机对期望信号的窃取，具有较低的算法复杂度，不会给接收机带来较大的资源开销。
附图说明
图1为本发明合法收发机工作的原理示意图；
图2为本发明的方法流程图；
图3为传输信号星座图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
本申请中，发射机产生人工噪声并叠加信号发射。合法接收机接收信号后先抑制人工噪声，再进行信号解调。而窃听机由于没有人工噪声生成方法的先验信息，无法有效抑制人工噪声从而恢复信号，合法收发机的原理在附图1中给出；具体地安全通信方法如下：
如图2所示，一种基于人工噪声的安全通信方法，包括以下步骤：
S1.将期望信号进行星座映射，并根据星座映射结果设计人工噪声；
所述步骤S1中，设期望信号经过星座映射之后为x，则设计人工噪声y为：
Figure BDA0003601849220000041
其中，
Figure BDA0003601849220000042
和
Figure BDA0003601849220000043
分别表示取复信号x的实部和虚部，Py表示人工噪声信号的功率，
Figure BDA0003601849220000044
表示取X的符号。
S2.发射机将期望信号和人工噪声叠加后得到信号s进行发射，由接收机进行信道估计对接收信号进行补偿得到信号
Figure BDA0003601849220000045
所述步骤S2包括：
S201.发射机将期望信号x和人工噪声y叠加作为信号s发射:
s＝x+y
S202.经过平坦衰落之后，接收机收到的信号为：
Figure BDA0003601849220000046
其中，hb表示信道系数，nb表示接收机处的热噪声；
S203.接收机进行信道估计，并对接收到的信号进行补偿，得到信号
Figure BDA0003601849220000047
Figure BDA0003601849220000048
其中，
Figure BDA0003601849220000049
表示信道估计值；ε表示归一化的信道估计误差，
Figure BDA00036018492200000410
表示信道补偿之后的等效噪声。
S3.接收机根据信号
Figure BDA00036018492200000411
重建出人工噪声
Figure BDA00036018492200000412
所述步骤S3包括以下子步骤：
S301.对信号
Figure BDA00036018492200000413
求取实部和虚部：
Figure BDA0003601849220000051
Figure BDA0003601849220000052
为了有效进行安全通信，假设人工噪声功率远大于期望信号功率；同时，假设接收机引入的热噪声功率很小，从而信道估计的误差很小；其中，人工噪声比期望信号的功率比大于20dB，则认为人工噪声功率远大于期望信号功率；接收机的信噪比大于20dB时，则认为热噪声功率很小，从而信道估计误差很小；在此条件下，
Figure BDA0003601849220000053
公式中，
Figure BDA0003601849220000054
分子的第二项远小于第一项，同时
Figure BDA0003601849220000055
远小于前一项，因此对
Figure BDA0003601849220000056
进行简化有：
Figure BDA0003601849220000057
Figure BDA0003601849220000058
其中，
Figure BDA0003601849220000059
S302.针对信号
Figure BDA00036018492200000510
的实部和虚部后取符号，结合步骤S301的结果，得到：
Figure BDA00036018492200000511
Figure BDA00036018492200000512
S303.接收机重建出人工噪声
Figure BDA00036018492200000513
为：
Figure BDA00036018492200000514
S4.根据补偿得到信号
Figure BDA00036018492200000515
和重建出的人工噪声
Figure BDA00036018492200000516
得到恢复后的期望信号
Figure BDA00036018492200000517
所述步骤S4包括：
将重建出的人工噪声从信道补偿后的信号中减去，得到恢复后的期望信号
Figure BDA0003601849220000061
Figure BDA0003601849220000062
在本申请的实施例中，在步骤S4得到恢复后的期望信号
Figure BDA0003601849220000063
后，接收机可以进一步对信号
Figure BDA0003601849220000064
进行解调后续操作。
在本申请的实施例中，对提出的人工噪声波形设计方法进行仿真分析和评估，具体的参数设置如下表所示。
表1.人工噪声波形设计方法的仿真参数设置
Figure BDA0003601849220000065
附图3显示了本方法下，人工噪声和期望信号功率比为20dB的时候，传输信号的星座图和合法接收机抑制人工噪声之后的星座图，以及未叠加人工噪声的期望信号星座图。可见，经过本方法的处理，原期望信号16QAM调制的特征逐渐消失，而被QPSK调制的特征掩盖。如果增加人工噪声和期望信号的功率比，QPSK的特征将更加显著，这将迷惑窃听机使其解调出错。同时观察到，在接收机抑制人工噪声之后，星座图成功被复原，不会影响后续解调。
上述说明示出并描述了本发明的一个优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于人工噪声的安全通信方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.将期望信号进行星座映射，并根据星座映射结果设计人工噪声；
S2.发射机将期望信号和人工噪声叠加后得到信号s进行发射，由接收机进行信道估计对接收信号进行补偿得到信号
Figure FDA0003601849210000011
S3.接收机根据信号
Figure FDA0003601849210000012
重建出人工噪声
Figure FDA0003601849210000013
S4.接收机根据补偿得到信号
Figure FDA0003601849210000014
和重建出的人工噪声
Figure FDA0003601849210000015
得到恢复后的期望信号
Figure FDA0003601849210000016
2.根据权利要求1所述的一种基于人工噪声的安全通信方法，其特征在于：所述步骤S1中，设期望信号经过星座映射之后为x，则设计人工噪声y为：
Figure FDA0003601849210000017
其中，
Figure FDA0003601849210000018
和
Figure FDA0003601849210000019
分别表示取复信号x的实部和虚部，Py表示人工噪声信号的功率，
Figure FDA00036018492100000110
表示取X的符号。
3.根据权利要求1所述的一种基于人工噪声的安全通信方法，其特征在于：所述步骤S2包括：
S201.发射机将期望信号x和人工噪声y叠加作为信号s发射:
s＝x+y
S202.经过平坦衰落之后，接收机收到的信号为：
Figure FDA00036018492100000111
其中，hb表示信道系数，nb表示接收机处的热噪声；
S203.接收机进行信道估计，并对接收到的信号进行补偿，得到信号
Figure FDA00036018492100000112
Figure FDA00036018492100000113
其中，
Figure FDA00036018492100000114
表示信道估计值；ε表示归一化的信道估计误差，
Figure FDA00036018492100000115
表示信道补偿之后的等效噪声。
4.根据权利要求1所述的一种基于人工噪声的安全通信方法，其特征在于：所述步骤S3包括以下子步骤：
S301.对信号
Figure FDA0003601849210000021
求取实部和虚部：
Figure FDA0003601849210000022
Figure FDA0003601849210000023
为了有效进行安全通信，假设人工噪声功率远大于期望信号功率；同时，假设接收机引入的热噪声功率很小，从而信道估计的误差很小；其中，人工噪声比期望信号的功率比大于20dB，则认为人工噪声功率远大于期望信号功率；接收机的信噪比大于20dB时，则认为热噪声功率很小，从而信道估计误差很小；在此条件下，
Figure FDA0003601849210000024
公式中，
Figure FDA0003601849210000025
分子的第二项远小于第一项，同时
Figure FDA0003601849210000026
远小于前一项，因此对
Figure FDA0003601849210000027
进行简化有：
Figure FDA0003601849210000028
Figure FDA0003601849210000029
其中，
Figure FDA00036018492100000210
S302.针对信号
Figure FDA00036018492100000211
的实部和虚部后取符号，结合步骤S301的结果，得到：
Figure FDA00036018492100000212
Figure FDA00036018492100000213
S303.接收机重建出人工噪声
Figure FDA00036018492100000214
为：
Figure FDA00036018492100000215
5.根据权利要求1所述的一种基于人工噪声的安全通信方法，其特征在于：所述步骤S4包括：
将重建出的人工噪声从信道补偿后的信号中减去，得到恢复后的期望信号
Figure FDA0003601849210000031
Figure FDA0003601849210000032
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