CN104270227B - 多输入单输出***中基于空移键控的物理层安全传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多输入单输出***中基于空移键控的物理层安全传输方法，包括步骤：第一步：多输入单输出通信***包括源节点，目的节点和窃听节点，源节点装配有根发送天线，目的节点和窃听节点分别装配1根天线；第二步：源节点信息分组：源节点将待发送比特信息序列，按相同比特长度进行比特分组；第三步：空移键控：源节点将信息比特分组包含的比特信息映射到对应序号的发送天线上；通过空移键控，源节点发送天线序号成为了信源信息的承载体；第四步：预编码处理：源节点对各发送天线发送的符号进行预编码处理。该方法能够突破单天线***对物理层安全的限制，又能够简化收发机结构，克服传统多天线物理层安全传输方法的缺陷。

Description

多输入单输出***中基于空移键控的物理层安全传输方法
技术领域
本发明涉及的是一种采用空移键控(空移键控英文为：Space Shift Keying,文中简称：SSK)的物理层安全传输方法，具体来说，涉及一种多输入单输出(多输入单输出英文为：Multiple-Input-Single-Output，文中简称：MISO)***中基于空移键控的物理层安全传输方法。
背景技术
由于传输媒介的开放性，无线通信在给人们生活带来极大便利的同时，也使用户的个人隐私、财产安全受到威胁。因此，如何确保无线数据传输的安全性，使其不被窃取、破译，是无线通信必须解决的重要问题。传统上，无线通信网络的安全机制主要借鉴于有线计算机网络，其中的信息保密性问题主要由基于对称密钥体制和公开密钥体制的加密算法解决，破解密码所需的极高计算复杂度保证了加密算法的有效性。虽然这些密码学方法在信息安全领域的应用已取得了巨大成功，为维护信息安全发挥了重要作用，但随着计算机运算能力与运算速度的提升，这种建立在计算复杂度上的安全性正日益受到挑战。另一方面，无线网络不同于计算机网络的重要特点是其信息传播的广播特性，这导致密钥的在线分发、维护管理更加困难。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种多输入单输出***中基于空移键控的物理层安全传输方法，该方法一方面能够突破单天线***对物理层安全的限制，另一方面又能够简化收发机结构，克服传统多天线物理层安全传输方法的缺陷。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种多输入单输出***中基于空移键控的物理层安全传输方法，该传输方法包括以下步骤：
第一步：在物理层安全场景下的多输入单输出通信***，包括一个源节点S以及两个信宿节点，两个信宿节点都是***的合法用户；在通信过程中，源节点向一个信宿节点发送信息，该信宿节点为目的节点D；另一个信宿节点意图窃听该信息，为窃听节点E；源节点S装配有M根发送天线，目的节点D和窃听节点E分别装配1根天线，源节点S中的第m根发送天线到目的节点D的信道为源节点S的发送天线到目的节点D的信道集合为源节点S中的第m根发送天线到窃听节点E的信道为所有信道相互独立；目的节点D通过信道估计得到信道窃听节点E通过信道估计得到信道目的节点D和窃听节点E将得到的信道信息反馈至源节点S；M的取值范围为大于1的整数，m＝1,2,...,M；M为大于1的整数；
第二步：源节点信息分组：源节点S将待发送比特信息序列x，按相同比特长度p进行比特分组，共有2p种分组情况，记为{x1,x2,...,x2p},比特分组与源节点的发送天线序号之间一一对应，分组长度p满足p＝log2 M；
第三步：空移键控：按照比特分组与源节点的发送天线序号之间的对应，源节点将信息比特分组包含的比特信息映射到对应序号的发送天线上；基于无线信道的随机唯一特性，进行发送天线选择的过程等效于信道选择的过程；通过空移键控，源节点发送天线序号成为了信源信息的承载体，被选中传输信号的发送天线总是发送二进制相移键控信号中的符号1，该符号1记为x0，|x0|2＝1，未被选中的M-1根天线保持静默，不发送任何信号；
第四步：预编码处理：源节点对各发送天线发送的符号进行预编码处理，被选中传输信号的第m根发送天线发送符号x0时，对x0乘以一个预编码系数am，am满足式(1)：
其中，表示M根发送天线中的第m2根发送天线的预编码系数，且m2≠m，表示第m2根发送天线到窃听节点E的信道。
进一步，所述的多输入单输出***中基于空移键控的物理层安全传输方法，还包括第五步：检测空移键控信息：源节点首先将预编码系数发送给目的节点，源节点共有M根发送天线，共有M种接收信号可能，假设目的节点实际接收到的信号为yD，按照式(2)测算yD与各种可能接收信号之间的欧氏距离：
其中，P表示源节点的发射功率，am表示第m根发送天线的预编码系数；
从上述所得M个欧氏距离中选取最小值所对应发送天线序号，为源节点信息映射到的源节点发送天线序号，从而得到该发送天线序号所对应的源节点发送的信息比特分组；目的节点进行信息检测，按照式(3)采用最大似然检测算法：
其中，表示目的节点对发送天线序号的检测值，
目的节点的平均成对差错概率为：
其中，APEPD表示目的节点的平均成对差错概率，Q表示互补误差函数，σ表示噪声功率；表示M根发送天线中的第m2根发送天线的预编码系数，且m2≠m，表示第m2根发送天线到目的节点D的信道；
对窃听节点而言，由于式(1)的存在，无论源节点选择哪根发送天线传输信号，窃听节点的接收信号yE为：
其中，vE表示窃听节点的接收噪声；
窃听节点的平均成对差错概率APEPE为：
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：本发明的传输方法中，源节点采用空移键控技术，将信源信息映射到发送天线序号上，通过发送预编码处理消除各发送天线到窃听节点信道的差异性，从而实现信息的物理层安全传输。一方面，本方法将天线序号作为信源信息的载体，能够克服传统单天线***中物理层安全受信道制约这一缺点，即使窃听信道质量优于主信道，也能实现物理层安全传输；另一方面，本方法每次只激活一根天线发送信号，因此相较于传统多天线物理层安全传输方法，本方法硬件实现更加简单，实用性更强，避免了传统方法中的天线间干扰、同步等问题，且只需要一条射频链路，节约了成本。
附图说明
图1是本发明的多输入单输出物理层安全通信的场景示意图。
图2是本发明的流程框图。
图3是本发明提供的实施例中，源节点采用空移键控技术将信源信息分组映射到天线序号并进行发送预处理的示意图。
图4是本发明提供的实施例中，目的节点四种可能接收信号以及实际接收信号在复平面上的星座图。
图5是在发送天线为M＝2，4，8条件下，经过预处理和没有经过预处理所得安全互信息量随信噪比变化曲线图。
图6是在发送天线为M＝2，4，8条件下，目的节点、窃听节点采用最大似然检测时的平均成对差错概率线条图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的描述。
如图1所示，本发明的一种多输入单输出***中基于空移键控的物理层安全传输方法，包括以下步骤：
第一步：第一步：在物理层安全场景下的多输入单输出通信***，包括一个源节点S以及两个信宿节点，两个信宿节点都是***的合法用户；在通信过程中，源节点向一个信宿节点发送信息，该信宿节点为目的节点D；另一个信宿节点意图窃听该信息，为窃听节点E。窃听节点E窃听源节点S输送给目的节点D的信息。源节点S装配有M根发送天线，目的节点D和窃听节点E分别装配1根天线。源节点S中的第m根发送天线到目的节点D的信道为源节点S的发送天线到目的节点D的信道集合为源节点S中的第m根发送天线到窃听节点E的信道为所有信道相互独立。源节点S至目的节点D的信道为主信道，源节点S至窃听节点E的信道为窃听信道。目的节点D通过信道估计得到信道窃听节点E通过信道估计得到信道目的节点和窃听节点采用基于最小均方误差(MMSE)的信道估计方法来获知信道状态信息，信道估计的具体过程可以参见Georgios B.Giannakis.SignalProcessing Advances in Wireless and Mobile Communications Volume 1:Trends inChannel Estimation and Equalization.Beijing:Posts&Telecommunications Press,2002,11。当然，信道估计方法还可以采用其他已公开的方法。目的节点D和窃听节点E将得到的信道信息反馈至源节点S；M的取值范围为大于1的整数，m＝1,2,...,M。M为大于1的整数。
第二步：源节点信息分组：源节点S将待发送比特信息序列x，按相同比特长度p进行比特分组，共有2p种分组情况，记为比特分组与源节点的发送天线序号之间一一对应，分组长度p满足p＝log2 M。当分组长度p满足p＝log2 M时，可以保证每个比特分组都能映射到不同的天线序号。
第三步：空移键控：按照比特分组与源节点的发送天线序号之间的对应，源节点将信息比特分组包含的比特信息映射到对应序号的发送天线上，即根据不同的信息比特分组选择不同的发送天线。如果当前信息比特分组为x1，则选择第1根天线发送信号，如果当前信息比特分组为x2，则选择第2根天线发送信号，依次类推。基于无线信道的随机唯一特性，进行发送天线选择的过程等效于信道选择的过程，即从信道集合中选取一个信道例如：当信息比特分组为xm时，选择第m根天线发送信号，即等效于从信道集合中选取信道来传输信号。因此，在目的节点的接收端，只要检测出信号来自哪个信道，就能知道是哪根发送天线被选中，也就能进一步得到源信息比特分组。通过空移键控，源节点发送天线序号成为了信源信息的承载体，被选中传输信号的发送天线总是发送二进制相移键控(二进制相移键控文中简称：BPSK)信号中的符号1，该符号1记为x0，|x0|2＝1，未被选中的M-1根天线保持静默，不发送任何信号。因此，源节点发送的符号“1”为常量，本身并不携带任何信息，源节点信息都映射到了发送天线序号上。
第四步：预编码处理：源节点对各发送天线发送的符号进行预编码处理，被选中传输信号的第m根发送天线发送符号x0时，对x0乘以一个预编码系数am，am满足式(1)：
其中，表示M根发送天线中的第m2根发送天线的预编码系数，且m2≠m，表示第m2根发送天线到窃听节点E的信道。
在源节点选择第m根天线发送符号x0时，目的节点的接收信号yD为：
式(6)中，P为源节点的发送功率。vD为加性高斯白噪声，服从均值为零、方差为σ2的复高斯分布。假设源节点的信源信息是等概随机分布的，则每根天线被选中的概率均为等效地，信道集合中每一个信道被选中的概率为由此可得主信道交互信息量ID为：
式(7)中，dD为目的节点中不同接收信号星座点之间的距离， 为关于目的节点加性高斯白噪声vD的数学期望。的具体推算过程可参见Xinrong Guan,Yueming Cai,and Weiwei Yang.On the Mutual Information andPrecoding for Spatial Modulation with Finite Alphabet.IEEE WirelessCommunications Letters,vol.2,no.4,pp.383-386,Aug.2013。同理，窃听信道交互信息量IE可表示为：
式(8)中，dE为窃听节点中不同接收信号星座点之间的距离， 为关于窃听节点加性高斯白噪声vE的数学期望。基于主信道和窃听信道互信息量，可得***安全交互信息量IS为：IS＝ID-IE。
由窃听信道交互信息量数学式可知，窃听信道交互信息量IE大小与dE紧密相关。特别，若对于任意m和m2，都有则有IE＝0，即窃听节点无法获取任何关于源节点发送的信息。
根据第四步，如果m2＝1，且则其余预编码系数为：
经上述处理，源节点的任意天线被选中发送符号x0时，窃听节点的接收信号均为即对任意m和m2，都有dE＝0。因此，窃听信道交互信息量为IE＝0，而主信道信息量为：
其中，在高信噪比条件下，有ID→log2M。
通过，第四步预编码处理，消除了源节点各发送天线到窃听节点信道的差异性，因此窃听节点将无法检测出信号来自哪根天线，亦将无法获取源节点映射到发送天线序号上的信源信息。
进一步，所述的多输入单输出***中基于空移键控的物理层安全传输方法，还包括第五步：检测空移键控信息：源节点首先将预编码系数发送给目的节点，源节点共有M根发送天线，共有M种接收信号可能，假设目的节点实际接收到的信号为yD，按照式(2)测算yD与各种可能接收信号之间的欧氏距离：
其中，P表示源节点的发射功率，am表示第m根发送天线的预编码系数；
从上述所得M个欧氏距离中选取最小值所对应发送天线序号，为源节点信息映射到的源节点发送天线序号，从而得到该发送天线序号所对应的源节点发送的信息比特分组；目的节点进行信息检测，按照式(3)采用最大似然检测算法：
其中，表示目的节点对发送天线序号的检测值。
目的节点的平均成对差错概率为：
其中，APEPD表示目的节点的平均成对差错概率，Q表示互补误差函数，σ表示噪声功率；表示M根发送天线中的第m2根发送天线的预编码系数，且m2≠m，表示第m2根发送天线到目的节点D的信道。
对窃听节点而言，由于式(1)的存在，无论源节点选择哪根发送天线传输信号，窃听节点的接收信号yE为：
其中，vE表示窃听节点的接收噪声；
窃听节点的平均成对差错概率APEPE为：
由于所有信息都承载在发送天线序号上，只需检测出是哪根发送天线发射的x0，即可恢复出源节点信息。采用最大似然检测算法，依照式(3)检测发送天线序号。
如果调制过程中选择的是第m根天线发送，则目的节点接收信号为如果调制过程中选择的是第m2根天线发送，则目的节点接收信号为m2≠m。由最大似然检测算法可知，目的节点基于实际接收yD将实际发射天线序号m误判成m2的成对差错概率为：
在此过程中，目的节点要用到预编码系数am，由源节点告知。Pr(·)表示事件发生概率。因此，可得SSK方案中目的节点检测判决的成对差错概率(英文全称为：PairwiseError Probability，文中简称：PEP)为：
其中，Q表示互补误差函数，相应地，可得目的节点检测判决的平均成对差错概率(英文全称为：Average Pairwise Error Probability，文中简称：APEP)为：
对窃听节点而言，由于系数am的设计保证了故对窃听节点有：
所以，窃听节点的平均成对差错概率为：
APEPE＝0.5
这一差错概率的对比表明：窃听节点的检测判决完全是随机的，而目的节点可以正常接收源节点信息。
本发明中，物理层安全的原理是从信息论角度而不是增加计算复杂度解决通信保密性问题。只要主信道(源节点和目的节点间信道)优于窃听信道(源节点和窃听节点间信道)，源节点和目的节点就可以不依赖密钥实现绝对安全通信，而最大可实现的安全通信速率即被称为安全容量；当主信道劣于窃听信道时，则无法实现绝对的安全通信，即安全容量为零。直观地看，物理层安全就是利用目的节点相对于窃听节点对源信号接收的优势，使目的节点能够完全获取源节点发送的信息，而窃听节点则无法从窃听接收中得到源节点的保密信息。在单天线***中，安全容量完全受到信道链路质量的制约：当窃听信道质量优于主信道时，安全容量为零，即无法完全保证数据的物理层安全传输。已有的研究结果表明，引入多天线技术能够有效改善这一状况，即使窃听信道更佳，也能通过多天线的信号处理获得非零的安全容量。例如，源节点通过波束赋形设计，使信号波束主瓣对准目的节点，零瓣对准窃听节点，这样，即使主信道链路质量不如窃听信道，目的节点也能在接收源信息时获得相对于窃听节点的优势；又如，源节点可以在利用部分天线发送保密信息的同时，利用剩余天线发送人工干扰信号，阻止窃听节点对源节点保密信息的截取。然而，从这些多天线物理层安全传输方法的实现过程来看，往往需要较为复杂的预编码器设计；而且由于使用多根天线同时发送相同频率的射频信号，存在诸如同道干扰、天线同步等问题，这给其实际应用带来了挑战。因此，寻求一种简单有效的多天线物理层安全传输方法对推动物理层安全的实用化进程具有重要意义。空移键控(Space Shift Keying,SSK)为一种实现形式简单的多天线传输技术。区别于传统技术，空移键控每次只激活一根天线发送信号。基于无线信道的随机性假设，不同发送天线到同一接收天线的信道是不同的。利用这一特性，在发送端，根据不同的源信息选取不同天线发送信号，即将天线序号作为信息载体。在接收端，只要检测出发送天线序号，即可恢复出相应信息。相较于传统的多天线传输技术，空移键控具有以下优势：1)无带内干扰、天线同步等问题，因为每次只有被选中天线发送信号，其余天线保持静默，2)只需要一条射频链路，成本更低；3)接收机结构简单，由于采用单数据流检测，大大降低了检测接收复杂度。从空移键控的本质来看，它利用了不同发送天线到接收天线之间信道的差异性，这一差异性使得源节点建立的信息到天线序号的映射是唯一可逆的。如果所有信道不存在差异，接收端就无法检测出信号来自哪根发送天线，也就无法恢复源节点发送的是什么信息，这表明空移键控对信道差异性高度依赖。而另一方面，物理层安全也与信道差异性紧密相关：如果窃听信道和主信道完全一样，那无论采用何种传输方法，都无法实现物理层安全传输。因此，信道差异性在空移键控和物理层安全中都起着至关重要的作用，这为利用空移键控进行物理层安全传输提供了可能。具体而言，只要在空移键控过程中消除各发送天线到窃听节点信道的差异性而保留其到目的节点信道的差异性，即可实现物理层安全传输。本发明的发明人正是基于上述考虑，将空移键控技术和物理层安全技术相结合，提出了本发明申请的具体技术方案。
下面例举一具体实施例。
在一个多输入单输出物理层安全通信***中，存在一个源节点S，一个目的节点D和一个窃听节点E。源节点S有信息需发送至目的节点D，并希望此信息不被窃听节点E偷听。假设源节点S装配有4根天线，目的节点D、窃听节点E则只装配有1根天线。假设源节点各发送天线到目的节点的信道分别为：和源节点各天线到窃听节点的信道分别为：和源节点发送功率设为1。假设源节点已知信道状态信息和而目的节点仅知道如图2、图3和图4所示，整个实例的实现过程如下：
首选，源节点进行信息比特分组。由于源节点有4根发送天线，因此信息比特分组长度为p＝2。四种信息比特分组分别为：x1＝00，x2＝01，x3＝10和x4＝11。例如，当源节点信息比特序列为1001110011时，可将其按2比特长度分组得到x3x2x4x1x4五个信息分组。
其次：进行空移键控。源节点根据一定映射规则，将4种不同的信息分组映射到源节点发送天线序号上。如图3所示，在本实例中，比特分组x1＝00映射到第一根发送天线，x2＝01被映射到第2根发送天线，x3＝10被映射到第3根发送天线，x4＝11被映射到第4根发送天线。例如：如果当前待发送信息分组为x3＝10，则选择第3根天线发送信号x0(x0为BPSK调制符号中的“1”，不携带任何信息)。在空移键控过程中，源节点并不发送信息分组x3＝10本身，而是将其承载到天线序号“3”上面。若目的节点正确检测出其收到的信号来自源节点第3根发送天线，则目的节点可反向推断出源节点发送的信息比特分组为x3＝10。
接着：源节点发送预处理。如图3所示，当源节点的第1根天线被选中发送x0时，对x0乘以预编码系数a1＝1，也就是未做任何相位旋转和放大缩小；当源节点的第2根天线被选中发送x0时，对x0乘以预编码系数：
当源节点的第3根天线被选中发送x0时，对x0乘以预编码系数：
当源节点的第4根天线被选中发送x0时，对x0乘以预编码系数：
源节点在计算出上述预编码系数之后，将其告知目的节点，便于其检测接收。对窃听节点而言，经过上述发送预处理，无论源节点选择哪根天线发送x0，窃听节点收到的都是yE＝0.4889+0.2939i+vE，因此窃听节点无法检测信号来自哪根发送天线。
最后：目的节点检测接收。在无噪声条件下，目的节点根据信道状态信息和预编码系数am，可预先得出四种可能的接收信号，分别为：
目的节点计算实际接收到的信号yD与上述各种可能接收信号之间的欧氏距离，进行最大似然判决，从而得出源节点发送天线序号，并获取相应的比特分组信息。如图4所示，y1、y2、y3和y4四个星座点分别对应上述4种可能的接收信号。当目的节点实际接收信号为yD＝0.8+0.01i时，可知yD与y3距离最短，可判定信号来自第三根天线，因此知道源节点发送的比特分组信息为x3＝10。
本发明通过空移键控技术，将源节点信息承载在发送天线序号上，并通过发送预处理，消除各发送天线至窃听节点信道的差异性，使窃听节点无法恢复映射在天线序号上的信源信息。图5和图6分别给出了本发明所提基于空移键控物理层安全传输方法在发送天线数为2,4,8条件下的安全互信息量以及目的节点、窃听节点的平均成对差错概率图。图5中，横坐标表示发射信噪比，单位db，纵坐标表示安全互信息量，单位bits/s。图5中，无预编码处理，是指采用本发明的方法，但是没有采用第四步。预编码处理，是指采用本发明的方法，包含了第四步。由图5可知，采用空移键控技术每次发送获得的最大安全互信息量为发送天线数的对数。图5亦表明，发送预编码处理是通过空移键控实现物理层安全传输的关键，若不进行发送预编码处理，在高信噪比条件下，安全互信息量将趋于0。图6中，横坐标表示发射信噪比，单位db，纵坐标表示平均成对差错概率。图6表明，由于发送预编码处理消除了源节点各发送天线到窃听节点信道的差异，导致窃听节点无法检测是哪根天线被选中发送信号，因此任意天线数目任意信噪比条件下，窃听节点平均成对差错概率保持为0.5不变，而目的节点平均差错概率则随信噪比增大下降至可接受范围。

Claims (1)

1.一种多输入单输出***中基于空移键控的物理层安全传输方法，其特征在于：该传输方法包括以下步骤：
第一步：在物理层安全场景下的多输入单输出通信***，包括一个源节点S以及两个信宿节点，两个信宿节点都是***的合法用户；在通信过程中，源节点向一个信宿节点发送信息，该信宿节点为目的节点D；另一个信宿节点意图窃听该信息，为窃听节点E；源节点S装配有M根发送天线，目的节点D和窃听节点E分别装配1根天线，源节点S中的第m根发送天线到目的节点D的信道为源节点S的发送天线到目的节点D的信道集合为源节点S中的第m根发送天线到窃听节点E的信道为所有信道相互独立；目的节点D通过信道估计得到信道窃听节点E通过信道估计得到信道目的节点D和窃听节点E将得到的信道信息反馈至源节点S；M的取值范围为大于1的整数，m＝1,2,...,M；M为大于1的整数；
第二步：源节点信息分组：源节点S将待发送比特信息序列x，按相同比特长度p进行比特分组，共有2p种分组情况，记为比特分组与源节点的发送天线序号之间一一对应，分组长度p满足p＝log2M；
第三步：空移键控：按照比特分组与源节点的发送天线序号之间的对应，源节点将信息比特分组包含的比特信息映射到对应序号的发送天线上；基于无线信道的随机唯一特性，进行发送天线选择的过程等效于信道选择的过程；通过空移键控，源节点发送天线序号成为了信源信息的承载体，被选中传输信号的发送天线总是发送二进制相移键控信号中的符号1，该符号1记为x0，|x0|2＝1，未被选中的M-1根天线保持静默，不发送任何信号；
第四步：预编码处理：源节点对各发送天线发送的符号进行预编码处理，被选中传输信号的第m根发送天线发送符号x0时，对x0乘以一个预编码系数am，am满足式(1)：
其中，表示M根发送天线中的第m2根发送天线的预编码系数，且m2≠m，表示第m2根发送天线到窃听节点E的信道；
第五步：检测空移键控信息：源节点首先将预编码系数发送给目的节点，源节点共有M根发送天线，共有M种接收信号可能，假设目的节点实际接收到的信号为yD，按照式(2)测算yD与各种可能接收信号之间的欧氏距离：
其中，P表示源节点的发射功率，am表示第m根发送天线的预编码系数；
从上述所得M个欧氏距离中选取最小值所对应发送天线序号，为源节点信息映射到的源节点发送天线序号，从而得到该发送天线序号所对应的源节点发送的信息比特分组；目的节点进行信息检测，按照式(3)采用最大似然检测算法：
其中，表示目的节点对发送天线序号的检测值；
目的节点的平均成对差错概率为：
其中，APEPD表示目的节点的平均成对差错概率，Q表示互补误差函数，σ表示噪声功率；表示M根发送天线中的第m2根发送天线的预编码系数，且m2≠m，表示第m2根发送天线到目的节点D的信道；
对窃听节点而言，由于式(1)的存在，无论源节点选择哪根发送天线传输信号，窃听节点的接收信号yE为：
其中，vE表示窃听节点的接收噪声；
窃听节点的平均成对差错概率APEPE为：
<mrow> <msub> <mi>APEP</mi> <mi>E</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mi>M</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>M</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>m</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>M</mi> </munderover> <munderover> <munder> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <msub> <mi>m</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> </munder> <mrow> <msub> <mi>m</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>&amp;NotEqual;</mo> <mi>m</mi> </mrow> <mi>M</mi> </munderover> <mi>Q</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mn>0</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mn>0.5.</mn> </mrow> 2
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105119866A (zh) * 2015-08-21 2015-12-02 电子科技大学 一种物理层服务融合中的鲁棒性传输设计方法
CN105577329B (zh) * 2015-12-23 2018-10-30 西安交通大学 基于空间调制的物理层安全传输方法
CN105744516B (zh) * 2016-04-07 2018-10-26 浙江大学 一种利用能量站提升物理层安全性能的通信***和方法
CN105915318B (zh) * 2016-04-14 2017-04-26 西安交通大学 一种基于空间调制的伪中继选择安全传输方法
CN106788643B (zh) * 2016-12-29 2020-01-07 中国人民解放军理工大学 一种多用户对端到端中继***的安全预编码方法
CN107359892B (zh) * 2017-06-09 2019-07-16 华南理工大学 一种基于分布式天线***实现物理层安全的方法
CN109462429B (zh) * 2018-11-12 2021-03-02 北京大学 大规模多输入多输出毫米波***的波束域调制装置及方法
CN109617580B (zh) * 2019-01-28 2021-03-30 电子科技大学 一种空移键控的映射方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103957042A (zh) * 2014-04-17 2014-07-30 电子科技大学 基于分层检测的空移键控传输***接收端数据检测方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9184870B2 (en) * 2005-04-01 2015-11-10 Qualcomm Incorporated Systems and methods for control channel signaling

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103957042A (zh) * 2014-04-17 2014-07-30 电子科技大学 基于分层检测的空移键控传输***接收端数据检测方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Information-Guided Randomization for Wireless Physical Layer Secure Transmission;Qiao-long Li;《Military Communications Conference》;20121101;全文 *
On the Secrecy Mutual Information of Spatial Modulation with Finite Alphabet;Xinrong Guan,Yueming Cai,Weiwei Yang;《2012 International Conference on Wireless Communications & Signal Processing》;20121027;正文第1-4页，附图1-3，表1 *
Secrecy Capacity of Space Keying with Two Antennas;Sinan Sinanovic,Nikola Serafimovski,Marco Di Renzo,Harald Haas;《Vehicular Technology Conference》;20120906;全文 *
物理层安全约束下的双向中继***波束赋形方案;曹阔,林志,管新荣,杨文东,印国祥;《军事通信技术》;20130331;全文 *

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