CN114710231B - 一种基于人工噪声的安全通信方法 - Google Patents

一种基于人工噪声的安全通信方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114710231B
CN114710231B CN202210405911.7A CN202210405911A CN114710231B CN 114710231 B CN114710231 B CN 114710231B CN 202210405911 A CN202210405911 A CN 202210405911A CN 114710231 B CN114710231 B CN 114710231B
Authority
CN
China
Prior art keywords
signal
artificial noise
receiver
noise
power
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202210405911.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114710231A (zh
Inventor
郭文博
林朗
赵宏志
邵士海
唐友喜
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Electronic Science and Technology of China
Original Assignee
University of Electronic Science and Technology of China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Electronic Science and Technology of China filed Critical University of Electronic Science and Technology of China
Priority to CN202210405911.7A priority Critical patent/CN114710231B/zh
Publication of CN114710231A publication Critical patent/CN114710231A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114710231B publication Critical patent/CN114710231B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04K—SECRET COMMUNICATION; JAMMING OF COMMUNICATION
    • H04K1/00—Secret communication
    • H04K1/02—Secret communication by adding a second signal to make the desired signal unintelligible
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L27/00—Modulated-carrier systems
    • H04L27/32—Carrier systems characterised by combinations of two or more of the types covered by groups H04L27/02, H04L27/10, H04L27/18 or H04L27/26
    • H04L27/34—Amplitude- and phase-modulated carrier systems, e.g. quadrature-amplitude modulated carrier systems
    • H04L27/345—Modifications of the signal space to allow the transmission of additional information
    • H04L27/3455—Modifications of the signal space to allow the transmission of additional information in order to facilitate carrier recovery at the receiver end, e.g. by transmitting a pilot or by using additional signal points to allow the detection of rotations
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L27/00—Modulated-carrier systems
    • H04L27/32—Carrier systems characterised by combinations of two or more of the types covered by groups H04L27/02, H04L27/10, H04L27/18 or H04L27/26
    • H04L27/34—Amplitude- and phase-modulated carrier systems, e.g. quadrature-amplitude modulated carrier systems
    • H04L27/345—Modifications of the signal space to allow the transmission of additional information
    • H04L27/3461—Modifications of the signal space to allow the transmission of additional information in order to transmit a subchannel
    • H04L27/3483—Modifications of the signal space to allow the transmission of additional information in order to transmit a subchannel using a modulation of the constellation points
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Noise Elimination (AREA)

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S3.接收机根据信号重建出人工噪声S4.接收机根据补偿得到信号和重建出的人工噪声得到恢复后的期望信号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：
其中，和/>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，/>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
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：
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
其中，表示信道估计值；ε表示归一化的信道估计误差，表示信道补偿之后的等效噪声。
S3.接收机根据信号重建出人工噪声/>
所述步骤S3包括以下子步骤：
S301.对信号求取实部和虚部：
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，公式中，
分子的第二项远小于第一项，同时/>远小于前一项，因此对/>进行简化有：
其中，
S302.针对信号的实部和虚部后取符号，结合步骤S301的结果，得到：
S303.接收机重建出人工噪声为：
S4.根据补偿得到信号和重建出的人工噪声/>得到恢复后的期望信号/>
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
优选地，在步骤S4得到恢复后的期望信号后，接收机可以进一步对信号/>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：
其中，和/>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，/>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
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：
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
其中，表示信道估计值；ε表示归一化的信道估计误差，表示信道补偿之后的等效噪声。
S3.接收机根据信号重建出人工噪声/>
所述步骤S3包括以下子步骤：
S301.对信号求取实部和虚部：
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，公式中，
分子的第二项远小于第一项，同时/>远小于前一项，因此对/>进行简化有：
其中，
S302.针对信号的实部和虚部后取符号，结合步骤S301的结果，得到：
S303.接收机重建出人工噪声为：
S4.根据补偿得到信号和重建出的人工噪声/>得到恢复后的期望信号/>
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
在本申请的实施例中，在步骤S4得到恢复后的期望信号后，接收机可以进一步对信号/>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
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 (2)

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；
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：
其中，和/>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，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
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：
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
其中，表示信道估计值；ε表示归一化的信道估计误差，/>表示信道补偿之后的等效噪声；
S3.接收机根据信号重建出人工噪声/>
所述步骤S3包括以下子步骤：
S301.对信号求取实部和虚部：
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，公式中，
分子的第二项远小于第一项，同时/>远小于前一项，因此对/>进行简化有：
其中，
S302.针对信号的实部和虚部后取符号，结合步骤S301的结果，得到：
S303.接收机重建出人工噪声为：
S4.接收机根据补偿得到信号和重建出的人工噪声/>得到恢复后的期望信号/>
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
CN202210405911.7A 2022-04-18 2022-04-18 一种基于人工噪声的安全通信方法 Active CN114710231B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210405911.7A CN114710231B (zh) 2022-04-18 2022-04-18 一种基于人工噪声的安全通信方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210405911.7A CN114710231B (zh) 2022-04-18 2022-04-18 一种基于人工噪声的安全通信方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114710231A CN114710231A (zh) 2022-07-05
CN114710231B true CN114710231B (zh) 2023-09-19

Family

ID=82175364

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210405911.7A Active CN114710231B (zh) 2022-04-18 2022-04-18 一种基于人工噪声的安全通信方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114710231B (zh)

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102904627A (zh) * 2011-07-28 2013-01-30 电子科技大学 一种多接收天线的干扰重建抑制合并方法
CN105516997A (zh) * 2015-12-06 2016-04-20 桂林电子科技大学 一种物理层安全的认知中继通信方法
CN106374980A (zh) * 2016-07-27 2017-02-01 西安交通大学 一种基于实干扰对齐的mimo y窃听网络中的安全传输方法
CN106535177A (zh) * 2016-11-22 2017-03-22 浙江工业大学 一种基于自回归人工噪声的隐蔽通信方法
CN107332800A (zh) * 2017-04-26 2017-11-07 南京理工大学 一种基于随机子载波选择的方向调制精准无线传输方案
CN108736936A (zh) * 2018-05-18 2018-11-02 西安交通大学 一种多天线系统中抗窃听的索引调制正交频分复用传输方法
CN109067426A (zh) * 2018-09-28 2018-12-21 北京邮电大学 空间域与极化域联合的全双工自干扰消除方法
CN110062384A (zh) * 2019-04-28 2019-07-26 西安交通大学 一种基于信号旋转的无线监控方法
WO2019209225A2 (en) * 2017-12-31 2019-10-31 T.C. Istanbul Medipol Universitesi Automatic repeat/request system for providing absolute safety and authentication in wireless networks
CN112312363A (zh) * 2020-11-09 2021-02-02 西安交通大学 一种d2d通信系统中物理层防窃听的方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10999000B2 (en) * 2018-01-24 2021-05-04 Korea Advanced Institute Of Science And Technology Apparatus and method for secure communication using artificial noise scheme
JP7176449B2 (ja) * 2019-03-22 2022-11-22 富士通株式会社 無線装置および無線送信方法

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102904627A (zh) * 2011-07-28 2013-01-30 电子科技大学 一种多接收天线的干扰重建抑制合并方法
CN105516997A (zh) * 2015-12-06 2016-04-20 桂林电子科技大学 一种物理层安全的认知中继通信方法
CN106374980A (zh) * 2016-07-27 2017-02-01 西安交通大学 一种基于实干扰对齐的mimo y窃听网络中的安全传输方法
CN106535177A (zh) * 2016-11-22 2017-03-22 浙江工业大学 一种基于自回归人工噪声的隐蔽通信方法
CN107332800A (zh) * 2017-04-26 2017-11-07 南京理工大学 一种基于随机子载波选择的方向调制精准无线传输方案
WO2019209225A2 (en) * 2017-12-31 2019-10-31 T.C. Istanbul Medipol Universitesi Automatic repeat/request system for providing absolute safety and authentication in wireless networks
CN108736936A (zh) * 2018-05-18 2018-11-02 西安交通大学 一种多天线系统中抗窃听的索引调制正交频分复用传输方法
CN109067426A (zh) * 2018-09-28 2018-12-21 北京邮电大学 空间域与极化域联合的全双工自干扰消除方法
CN110062384A (zh) * 2019-04-28 2019-07-26 西安交通大学 一种基于信号旋转的无线监控方法
CN112312363A (zh) * 2020-11-09 2021-02-02 西安交通大学 一种d2d通信系统中物理层防窃听的方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Hongliang He."Joint feedback and artificial noise design for secure communications over fading channels without eavesdropper’s CSI".《IEEE Transactions on Vehicular Technology》.2017,全文. *
张永伟."基于无线信道的物理层加密技术研究".《中国优秀硕士学位论文全文数据库》.2021,全文. *

Also Published As

Publication number Publication date
CN114710231A (zh) 2022-07-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108770069A (zh) 用于卫星通信网络物理层安全通信的功率分配方法
CN113193891B (zh) 一种下行非正交多址无人机系统物理层安全认证方法
CN109450507B (zh) 人工噪声和自干扰迫零联合预编码全双工传输方法
KR100845498B1 (ko) 다중사용자 다중안테나 통신 시스템에서 전처리 장치 및전처리 방법
Zhao et al. Receive spatial modulation aided simultaneous wireless information and power transfer with finite alphabet
CN114124186A (zh) 一种多天线无线隐蔽通信协同优化方法
Luo et al. Polarization filtering based physical-layer secure transmission scheme for dual-polarized satellite communication
CN110062384B (zh) 一种基于信号旋转的无线监控方法
CN113114407B (zh) 一种保密通信方法及系统
CN112702732B (zh) 基于低复杂度加性噪声的广义空间调制保密传输方法
Helmy et al. On the robustness of spatial modulation to I/Q imbalance
CN114710231B (zh) 一种基于人工噪声的安全通信方法
Xu et al. Self-interference cancellation scheme for secure AF satellite communication based on FH-MWFRFT
CN111654458B (zh) 一种电磁频谱伞罩频域快速自干扰抑制方法及系统
CN112600607B (zh) 一种双重全双工协作干扰抗窃听方法
CN111314920B (zh) 一种非可信中继网络系统及其安全传输方法
US11811506B2 (en) Application of key exchange based physical layer security methods
CN108092736B (zh) 一种基于小波变换的低检测概率波形方法
GB2508579A (en) Inter-cell interference cancellation
Ugrelidze et al. Generalized multistream spatial modulation based on frequency-phase modulated signals
CN111756470B (zh) 一种基于伪随机序列的噪声调制方法
CN108206798B (zh) 一种抑制相邻发射机干扰的通信方法
Dong et al. Quadrature joint transmitter-receiver spatial modulation
CN110719126A (zh) 一种适用于mimo通信系统的隐蔽通信方法
Li et al. Decomposed and Distributed Modulation to Achieve Secure Transmission

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant