CN104320777B - 一种基于波束成形的提高多天线***通信安全的方法 - Google Patents
一种基于波束成形的提高多天线***通信安全的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于波束成形的提高多天线***通信安全的方法，包括如下步骤：合法接收方发送信道估计序列，合法发送方根据序列估计合法通信的信道信息；合法发送方发送信息时乘以权值；通信过程采用具有对称符号集的MPSK调制方式调制；接收方利用最大似然解调信号；当合法发送方天线大于合法接收方天线时，利用阵列冗余优势对权系数进行处理，最后得到发送的信号。本发明的有益效果：以较小的代价取得比传统安全和物理层安全***更高的安全性，采用阵列冗余优势，对发送信号权系数进行处理，进一步防止窃听方利用盲均衡方式进行攻击，提高安全性。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信***安全技术领域，尤其涉及一种基于波束成形的提高多天线***通信安全的方法。
背景技术
无线通信的安全一直备受重视。近来迅速发展的无线移动网络由于其无线信号的广播特性使其容易遭受窃听方攻击。传统的基于密码的安全技术在考虑安全问题时并没有利用无线通信物理层特性，在解决现代迅速发展的各种无线网络安全问题时已力不从心(如无线传感网络等)。
目前的多天线物理层安全技术大多建立在一些不现实的假设基础之上。大多数基于发送波束成型的方法假设合法发送方需要知道窃听方和合法通信双方的信道信息，这在实际通信中是难以实现的。LI提出的阵列冗余法以及Goel的人工噪声类方法的安全性则是建立在窃听信道与合法信道严格非相关基础之上，如若窃听方的信道信息与合法通信信道信息十分接近或者窃听方获得部分合法信道信息，其安全性将无法保证。
在跨层安全研究中，H.WEN将MIMO人工噪声和上层流密码结合，但该方法安全性能未能达到实际需求。将STBC与上层密钥结合的跨层方案可以达到良好的安全性能，但是其空时编码需要固定的收发天线组合数使其在实际应用场景中收到一定限制。
发明内容
本发明的目的在克服现有技术中存在的不足，提供一种基于波束成形的提高多天线***通信安全的方法，采用MIMO***中波束成形与上层密钥结合的安全技术，利用上层密钥配合物理层的波束成形技术，即便是在窃听方获得合法通信双方精确的信道信息条件下也没有办法正确解调，从而从物理层面上保证窃听方无法获取任何有用信息。而物理层的发送信号随机迅速快速衰变，且淹没在噪声中以掩护上层密钥，使窃听方较传统通信***更加难以通过盲估计方式攻击获得密钥。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于波束成形的提高多天线***通信安全的方法，包括以下步骤：
S1：在通信之前，合法接收方向合法发送方发送信道估计序列，合法发送方根据接收的信道估计序列估计合法通信的信道信息HBA，根据TDD***信道的互易性，得出HBA＝HAB，窃听方窃取此序列估计HBE，无法根据序列获取信道信息HBA和HAE；
S2：合法发送方发送信息s(n)，在发送信息s(n)时乘以权值w(n)，最终发出的信息x(n)＝w(n)s(n)；在发送过程中，合法通信双方共享二进制序列Qcontrol＝(q1,q2,…,qn)，qi∈GF(2)，IE为对角线元素为1的Nr维单位阵，令
S3：在通信过程中，采用具有对称符号集的MPSK调制方式，即对调制符号集S，对其中任意一个调制符号si∈S，总存在一个星座符号与调制比特的映射按如下准则：
Ui＝(u1,u2,...uM)i→si
其中，M为调制阶数，Ui(i＝1，2，…，M)为M比特的待调比特向量；
S4：当Ui映射符号si时保证与Ui汉明距离最远的向量Uj映射到-si，同时保证相邻的符号对应的比特向量平均汉明距离最小，则合法接收方接收到信号yr(n)利用最大似然解调si如下：
同时，窃听方接收到信号ye，用同样方式解调收到的信号：
S5：当合法发送方天线Nt大于合法接收方天线Nr时，令发送发权系数时变；利用阵列冗余优势，在每个符号发送时隙i对于权系数做出如下处理：
则有，
其中，H0为Nr×Nr子矩阵，H1为Nr×(Nt-Nr)子矩阵；令x1(n)＝w1(n)s(n)为随机变量，且服从高斯随机分布，均值μ，协方差矩阵Σ；那么解方程可得
S6：最后可得发送信号：
本发明技术方案的有益效果是：一种MIMO***中波束成形与上层密钥结合的安全技术，利用上层密钥配合物理层的波束成形技术，即便是在窃听方获得合法通信双方精确的信道信息条件下也没有办法正确解调，从而从物理层面上保证了窃听方无法获取任何有用信息。而物理层的发送信号随机迅速快速衰变，且淹没在噪声中以掩护了上层密钥，使窃听方较传统通信***更加难以通过盲估计方式攻击获得密钥，该方法以较小的代价取得比传统安全和物理层安全***更高的安全性。本方法采用阵列冗余优势，对发送信号权系数进行处理，进一步防止窃听方利用盲均衡方式进行攻击，提高安全性。
附图说明
图1为本发明通信场景图；
图2为本发明结构示意图；
图3为当窃听方获取上层控制密匙时的BER性能图；
图4为当窃听方获得精确信道信息时的BER性能图；
图5为当窃听方信道十分接近合法通信双方时的BER性能图；
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。
一种基于波束成形的提高多天线***通信安全的方法，包括以下步骤：
S1：如图1所示，通信场景：假设合法通信发送方Alice，Nt为发送方发送天线，合法通信接收方Bob，Nr为接收方接收天线，窃听方Eve，Ne为窃听方接收天线，合法通信双方并不知道Eve的存在。在通信之前，Bob首先向Alice发送信道估计序列，Alice根据收到的序列估计合法通信的信道信息HBA，根据TDD***信道互易性，HBA＝HAB，而Eve可以窃取此序列估计HBE，但无法根据此序列获取HBA和HAE；
S2：如图2所示，合法发送方发送信息s(n)，在发送信息s(n)时乘以权值w(n)，最终发出的信息x(n)＝w(n)s(n)；在发送过程中，合法通信双方共享二进制序列Qcontrol＝(q1,q2,…,qn)，qi∈GF(2)，IE为对角线元素为1的Nr维单位阵，令
S3：在通信过程中，采用具有对称符号集的MPSK调制方式，即对调制符号集S，对其中任意一个调制符号si∈S，总存在一个星座符号与调制比特的映射按如下准则：
Ui＝(u1,u2,...uM)i→si
其中，M为调制阶数，Ui(i＝1，2，…，M)为M比特的待调比特向量；
S4：当Ui映射符号si时保证与Ui汉明距离最远的向量Uj映射到-si，同时保证相邻的符号对应的比特向量平均汉明距离最小，则合法接收方接收到信号yr(n)利用最大似然解调si如下：
同时，窃听方接收到信号ye，用同样方式解调收到的信号：
S5：当合法发送方天线Nt大于合法接收方天线Nr时，令发送发权系数时变；利用阵列冗余优势，在每个符号发送时隙i对于权系数做出如下处理：
则有，
其中，H0为Nr×Nr子矩阵，H1为Nr×(Nt-Nr)子矩阵；令x1(n)＝w1(n)s(n)为随机变量，且服从高斯随机分布，均值μ，协方差矩阵Σ；那么解方程可得
S6：最后可得发送信号：
如图3所示，Eve(K)表示Eve获取上层控制密钥时的性能曲线，即当窃听方获取上层控制密钥时，本发明提出的方法仍然能保证窃听方无法解调任何信息，误码率趋于0.5，而在相似的跨层***或传统密码安全中，窃听方一旦获取密钥意味着安全体系的彻底崩溃。
如图4所示，图中CB为本发明方法，AN为物理层人工噪声法，AR为物理层随机阵列冗余法；图中(424)，(426)表示接收方天线、发送方天线、窃听方天线数目即(NrNtNe)；当窃听方获得精确信道信息时，本发明提出的方法与传统物理层安全中的AR(阵列冗余法)，AN(人工噪声法)***方法性能比较，仍然能保证窃听方无法解调，而传统物理层安全方法窃听方已经可以恢复出部分信息。
如图5所示，图中10°、20°、45°分别表示窃听方信道与合法信道的相似度；当窃听方信道十分接近合法通信双方时，与传统AR(阵列冗余)，AN(人工噪声)方法性能比较，本发明提出的方法仍然能保证窃听方无法解调，而传统物理层安全方法窃听方已经可以恢复出部分信息。
Claims (1)
1.一种基于波束成形的提高多天线***通信安全的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：在通信之前，合法接收方向合法发送方发送信道估计序列，合法发送方根据接收的信道估计序列估计合法通信的信道信息HBA，根据TDD***信道的互易性，得出HBA＝HAB，窃听方窃取此序列估计HBE，无法根据序列获取信道信息HBA和HAE；
S2：合法发送方发送信息s(n)，在发送信息s(n)时乘以权值w(n)，最终发出的信息x(n)＝w(n)s(n)；在发送过程中，合法通信双方共享二进制序列Qcontrol＝(q1，q2，…，qn)，qi∈GF(2)，IE为对角线元素为l的Nr维单位阵，令
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S3：在通信过程中。采用具有对称符号集的MPSK调制方式，即对调制符号集S，对其中任意一个调制符号si∈S，总存在一个星座符号与调制比特的映射按如下准则：
Ui＝(u1，u2，...uM)i→si
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其中，M为调制阶数，Ui(i＝1，2，…，M)为M比特的待调比特向量；
S4：当Ui映射符号si时保证与Ui汉明距离最远的向量Uj映射到-si，同时保证相邻的符号对应的比特向量平均汉明距离最小，则合法接收方接收到信号yr(n)利用最大似然解调si如下：
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S5：当合法发送方天线Ni大于合法接收方天线Nr时，令发送发权系数时变；利用阵列冗余优势，在每个符号发送时隙i对于权系数做出如下处理：
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1
其中，H0为Nr×Nr子矩阵，H1为Nr×(Nr-Nr)子矩阵令x1(n)＝w1(n)s(n)为随机变量，且服从高斯随机分布，均值μ，协方差矩阵∑；那么解方程可得x0(n)＝H0 -1[(±Iqi)IEs(n)-H1x1(n)]；
S6：最后可得发送信号：
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其中，HH表示窃听者信道信息矩阵，vE表示窃听者高斯噪声，Nr表示合法接收方天线数目，Nt表示合法发送方天线数目。
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