发明内容
本发明的一个目的是针对现有物理层安全传输方法所存在的问题,提出一种既能恶化窃听节点性能又能在合法接收者处获得两阶的发射分集的空间调制物理层安全传输方案,该方法基于空间调制技术,在源节点处先将符号调制比特与空间调制比特异或,并在发射符号中加入随机的人工噪声,在恶化窃听节点性能的同时使得合法接收者不受影响。并且合法接收者能获得两阶的发射分集。
为达到上述目的,本发明具体所提出的技术方案为:一种基于随机人工噪声的空间调制安全传输方法,在每次传输开始的时候,先确定源节点和目的节点,并源对节点和目的节点依次发送训练序列,这样源节点和目的节点能够估计出二者之间的信道信息;再利用比特交织编码调制技术确定编码,再构造空间调制矩阵集合,并基于这些空间调制矩阵集合,产生所要发送的码字集合,最后通过源节点从码字集合中选择发送码字,并在发送的符号中加入人工噪声,该人工噪声不干扰合法接收者,只干扰窃听节点;对发送的含有人工噪声的码字进行设计,使合法接收者不受噪声的干扰,且能获得两阶的发射分集,而窃听节点的性能因噪声的存在而恶化,从而达到抵抗窃听节点窃取信息的物理层安全传输。
进一步地,所述的利用比特交织编码调制技术确定编码是利用源节点将输入信息比特分为两个部分,一部分是符号调制比特;另一部分是空间调制比特;将符号调制比特与空间调制比特进行异或,得到伪空间调制比特;将符号调制比特与空间调制比特进行异或,得到伪空间调制比特;利用伪空间调制比特与符号调制比特选择发送的天线集合和Unitary码字。
进一步地,所述的产生所要发送的码字集合是利用右移矩阵和空间调制矩阵基构造空间调制矩阵集合,并基于这些空间调制矩阵集合和酉空时码字,产生所要发送的码字集合。
进一步地,所述的通过源节点从码字集合中选择发送码字是源节点利用伪空间调制矩阵比特和符号调制比特从码字集合中选择发送码字;分为四个时隙发送码字,前两个时隙发送相同的符号,后两个时隙发送另一符号。
进一步地,所述的码字集合的构造至少包括如下过程:
运行条件:考虑一个含有窃听节点的SM‐MISO***;假设源节点Alice配置Nt>4根天线,合法接收者Bob有Nr=1根接收天线,窃听者Eve有Ne=1根天线;在信息传输开始之前,Alice、Bob发送训练序列,估计出二者之间的信道状态信息;假设信道为瑞利衰落信道,服从零均值方差为的复高斯分布;噪声为加性高斯白噪声,服从零均值,方差为σ2的复高斯分布;所技术方案考虑的***,在每个发送时隙源节点只激活一根天线。
步骤1,定义一个Nt×4维空间调制矩阵基,他的第一个对角元素为1,空间调制矩阵基SB的形式如下式所示:
式中1<p1<p2<p3≤Nt,p1,p2,p3是当前传输激活天线的序号,矩阵SB中的“1”代表该天线被激活,“0”代表改天线未被激活。矩阵SB中每一行都有一个非零元素,因此矩阵SB中有4个1。不同的激活天线位置p1,p2,p3对应着不同的空间调制矩阵基。
步骤2,定义如下形式的一个Nt×Nt维的右移矩阵
使用式(1)中空间调制矩阵基和式(2)中的右移矩阵形成Nt-1个空间调制矩阵RlSB,其中l={1,2,…,Nt-1}。基于这些空间调制矩阵,产生的发送码字集合χ为如下:
式中Rl表示矩阵R的l次方,且Xq=Rq-1SBV′l表示发送码字集合中的第q个码字;V′l为当前发送的符号矩阵,为对角阵,对角线元素为{w1x1,w2x1,w3x2,w4x2},其中x1,x2为酉空时码Vl中的符号,酉空时码Vl为对角阵,对角线元素为{x1,x2},wi(i=1,2,3,4)为随机加权系数。
步骤3,我们对生成的码字集合进行检查,如果生成的码字集合中含有相同的激活天线序号,我们舍弃该集合,否则,我们将使用生成的码字集合进行发送。进一步地,所述的在发送的符号中加入人工噪声是在发送的符号中加入随机人工噪声,该人工噪声恶化窃听者的性能,使合法接收者获得两阶的发射分集。整个比特序列分为四个时隙发送,每个时隙Bob的接收信号为
式中,yi表示第i个时隙的Bob的接收信号,i=1,2,3,4;表示发送的总功率;表示第i个时隙选择的合法信道,zi表示第i个时隙的Bob处的加性高斯白噪声,i=1,2,3,4。令Hb表示Alice到Bob的信道向量,则每个时隙选择的信道和可由HbRq-1SB得到,依据前面的SB构造规则可得,他们是互不相同的。
接收者将第1、2个时隙接收到的信号进行相加,第3、4个时隙接收到的信号进行相加,可有等效接收信号y′1,y′2分别可写为
式中z′1=z1+z2,z′2=z3+z4。
综合式(8)和(9),可得Bob在4个时隙上接收的信号可等效为
式中y为接收信号向量矩阵y=[y′1 y′2],z=[z′1 z′2]。
类似地,我们可以推导出Eve的等效接收信号。首先,每个发送时隙Eve的接收信号为
式中ri为第i个时隙的Eve的接收信号,表示第i个时隙选择的窃听信道,ni表示第i个时隙Eve处的加性高斯白噪声,i=1,2,3,4。
Eve对接收信号采用与Bob相同的处理,将第1、2个时隙接收到的信号进行相加,第3、4个时隙接收到的信号进行相加,可得Eve在4个时隙上接收的信号可等效为
式中r为Eve接收信号向量r=[r1+r2 r3+r4], n=[n1+n2 n3+n4]。
为了防止窃听节点的窃听,本文提出在每个时隙发送的信号中加入随机干扰,干扰Eve的接收信号,并且使其不干扰Bob的接收信号。
进一步地,所述的将符号调制比特与空间调制比特进行异或是因为有SM的存在,为了防止天线携带的比特信息被窃听,我们将空间调制比特和符号调制比特进行异或,得到伪空间调制比特,再利用伪空间调制比特和符号调制比特选择发送的码字。
选定发送码字之后,发送过程如前面所述,Bob和Eve的接收信号分别为式(10)和式(15),为了干扰Eve端的接收信号,我们作如下设置:
wi=βxαi+βtα′idi (16)
式中βx、βt分别为有用信号和随机人工噪声分别所占总功率的比值,αi,α′i分别为有用信号和随机人工噪声部分的预编码,i=1,2,3,4;di表示随机干扰,假设为高斯分布生成,均值为0,方差为1。
加权系数的基本设计思想是保证Bob不受干扰信号的影响,也即,Bob前两个时隙接收的信号相加,干扰信号随之消除,后两个时隙的接收信号相加之后,干扰信号也随之消除。也即,只要满足上述条件即可,由此,加权系数可重写为
将(17)‐(20)值代入相应的等效信道式中,Bob和Eve的等效信道可重写为
从上面的等效信道可以看出,Eve处的随机干扰一直存在。Bob处的解码采用最大似然解码,译码器为
式中K表示激活天线集合的总数目。
从上述等效信道可以看出,Bob处的接收信号中是没有人工干扰的存在,而Eve处的接收信号中一直存在人工干扰,Eve处的误比特率维持在0.5左右,也说明Eve无法窃听。
本发明的有益效果是:
本发明所提的基于随机人工噪声的SM物理层安全传输方法能够使得合法接收者获得两阶的发射分集,同时恶化窃听者的窃听能力。
***明该方法能够有效抵抗窃听节点的窃听,使得窃听节点处的误比特率接近0.5,并且是合法接收者获得两阶的发射分集。
实施例一:
从附图1可以看出,本发明涉及了一种基于随机人工噪声的SM物理层安全传输方法,参见图1,考虑一个含有窃听节点的SM‐MISO***。假设源节点Alice配置Nt>4根天线,合法接收者Bob有Nr=1根接收天线,窃听者Eve有Ne=1根天线。在信息传输开始之前,Alice、Bob发送训练序列,估计出二者之间的信道状态信息。假设信道为瑞利衰落信道,服从零均值方差为的复高斯分布。噪声为加性高斯白噪声,服从零均值,方差为σ2的复高斯分布。本技术方案所考虑的***,在每个发送时隙源节点只激活一根天线。
源节点将信息比特序列分为两个部分,一部分为符号调制比特,另外一部分为空间调制比特。空间调制比特与符号调制比特异或得到伪空间调制比特,使用伪空间调制比特选择发送天线集合。整个比特序列在4个连续时隙上发送。符号调制比特将从一个循环信号星座集合V={V0,…,VL-1}中选出一个酉空时码(unitary码)Vl=diag{x1,x2},其中m∈{1,2}表示发送符号,酉空时码字中的参数u1,u2∈{0,1,…,L-1}可以优化。是酉空时码字的总数目,其中Ru是酉空时码的比特速率。当酉空时码字选定以后,前两个时隙发送x1,后两个时隙发送另一个符号x2。为了保证***的安全性,对每个时隙发送的符号乘以一个加权系数wi(i=1,2,3,4),目的是恶化窃听者的性能而不影响目的节点的解码。源节点在4个时隙中发送的加权后的酉空时码字定义为V′l,其中V′l=diag{w1x1,w2x1,w3x2,w4x2},其中diag{a1 … an}表示以{a1 … an}为对角线元素的对角阵。令Nt×4维矩阵S为空间调制矩阵,该矩阵中的元素代表着在4个连续时隙中天线的激活状态。经过上述过程,最终发送的空时码字X可写为:
X=SV′l (26)
为了获得更多的发送码字,我们可以增多酉空时码的数目和空间调制矩阵的数目。对于给定的发送分集,酉空时码数目L的增多意味着酉空时码的比特速率的提高。空间调制矩阵的数目可通过在总的天线中循环移动激活的天线来提高。在总的天线阵列中循环移动激活的天线的规则如下。
首先,定义一个Nt×4维空间调制矩阵基SB,它的第一个对角元素为1,空间调制矩阵基的形式如下式所示:
式中1<p1<p2<p3≤Nt,p1,p2,p3是当前传输激活天线的序号,矩阵SB中的“1”代表该天线被激活,“0”代表改天线未被激活。矩阵SB中每一行都有一个非零元素,因此矩阵SB中有4个1。不同的激活天线位置p1,p2,p3对应着不同的空间调制矩阵基。
接下来,定义如下形式的一个Nt×Nt维的右移矩阵
使用式(27)中空间调制矩阵基SB和式(28)中的右移矩阵形成Nt-1个空间调制矩阵RlSB,其中l={1,2,…,Nt-1}。基于这些空间调制矩阵,产生的发送码字集合χ如下:
式中Xq=Rq-1SBV′l表示发送码字集合中的第q个码字;V′l为当前发送的符号矩阵,表示为V′l=diag{w1x1,w2x1,w3x2,w4x2},其中x1,x2为酉空时码Vl中的符号,酉空时码Vl表示为Vl=diag{x1,x2},wi(i=1,2,3,4)为随机加权系数。
最后,我们对生成的码字集合进行检查,如果生成的码字集合中含有相同的激活天线序号,我们舍弃该集合,否则,我们将使用生成的码字集合进行发送。
假设集合χ中的第q个码字Xq被选中,经过四个时隙的传输,Bob接收信号为
式中Yb为Bob接收信号向量,Pt为Alice发送的总功率,Hb为Alice与Bob之间信道向量,Zb为Bob处的加性高斯白噪声(AWGN)。
因为Xq=Rq-1SBV′l,(30)可写为
Eve处的接收信号为
式中Ye为Eve接收信号向量,He为Alice与Eve之间信道向量,Ze为Eve处的加性高斯白噪声(AWGN)。
传输过程中:
整个比特序列的传输分为四个时隙完成,每个时隙Bob的接收信号为
式中yi为第i个时隙的Bob的接收信号,i=1,2,3,4,表示第i个时隙选择的合法信道,zi表示第i个时隙的Bob处的加性高斯白噪声,i=1,2,3,4。令Hb表示Alice到Bob的信道向量,则每个时隙选择的信道和可由HbRq-1SB得到,依据前面的SB构造规则可得,他们是互不相同的。
接收者将第1、2个时隙接收到的信号进行相加,第3、4个时隙接收到的信号进行相加,可有
式中y′κ(κ=1,2)表示两个时隙Bob的接收信号之和,y′1=y1+y2y′2=y3+y4,z′κ表示两个时隙Bob处的AWGN之和,z′1=z1+z2,z′2=z3+z4;
综合式(37)和(38),可得Bob在4个时隙上接收的信号可等效为
式中y为接收信号向量矩阵y=[y′1 y′2],z=[z′1 z′2]。
类似地,我们可以推导出Eve的等效接收信号。首先,每个发送时隙Eve的接收信号为
式中ri为第i个时隙的Eve的接收信号,表示第i个时隙选择的窃听信道,ni表示第i个时隙Eve处的加性高斯白噪声,i=1,2,3,4。
Eve对接收信号采用与Bob相同的处理,将第1、2个时隙接收到的信号进行相加,第3、4个时隙接收到的信号进行相加,可得Eve在4个时隙上接收的信号可等效为
式中r为Eve接收信号向量r=[r1+r2 r3+r4], n=[n1+n2 n3+n4]。
为了防止窃听节点的窃听,本文提出在每个时隙发送的信号中加入随机干扰,干扰Eve的接收信号,并且使其不干扰Bob的接收信号。
在研究的模型中,因为有SM的存在,为了防止天线携带的比特信息被窃听,我们将空间调制比特和符号调制比特进行异或,得到伪空间调制比特,再利用伪空间调制比特和符号调制比特选择发送的码字。
选定发送码字之后,发送过程如前面所述,Bob和Eve的接收信号分别为式(10)和式(15),为了干扰Eve端的接收信号,我们作如下设置:
wi=βxαi+βtα′idi (45)
式中βx、βt分别为有用信号和随机人工噪声分别所占总功率的比值,αi,α′i分别为有用信号和随机人工噪声部分的预编码,i=1,2,3,4;di表示随机干扰,假设为高斯分布生成,均值为0,方差为1。
加权系数的基本设计思想是保证Bob不受干扰信号的影响,也即,Bob前两个时隙接收的信号相加,干扰信号随之消除,后两个时隙的接收信号相加之后,干扰信号也随之消除。也即,只要满足上述条件即可,由此,加权系数可重写为
将(46)‐(49)值代入相应的等效信道式中,Bob和Eve的等效信道可重写为
从上面的等效信道可以看出,Eve处的随机干扰一直存在。Bob处的解码采用最大似然解码,译码器为
式中K表示激活天线集合的总数目
接下来,分析合法接收者处的发射分集。分析所提方案在保证安全传输的同时,实现合法接收者获得2阶的发射分集。合法接收者相干解调时成对错误概率的chernoff界是
式中Eh表示期望,表示从ε1到εr的连乘,Vl,Vl′表示来自酉空时码本V的两个不同的码字,r表示Vl→Vl′的秩,εm(m=1,2,…,r)是Δ=(Vl-Vl′)H(Vl-Vl′)的非零特征值
从(56)式中可得,γ是满秩的,所以分集增益取决于Δ=(Vl-Vl′)H(Vl-Vl′)的秩。分集决定了方案的性能曲线。该方案如果获得2阶的发射分集,则分集积必须大于零。对于任意的发送码字,任意一对发送码字差为Δ=(Vl-Vl′)H(Vl-Vl′),相应的分集积为
Vl,Vl′来自酉空时码本V的两个不同的码字,他们都是对角结构,并且Vl,Vl′中的任意两个符号均不相等,所以该方案的分集积永远大于零,该方案能获得两阶的发送分集。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施方式仅限于此,对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干简单的推演或替换,都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
通过上述实施例可以看出,本发明主要卖可以归集为一种基于随机人工噪声的空间调制安全传输方法,在每次传输开始的时候,先确定源节点和目的节点,并源对节点和目的节点依次发送训练序列,这样源节点和目的节点能够估计出二者之间的信道信息;再利用比特交织编码调制技术确定编码,再构造空间调制矩阵集合,并基于这些空间调制矩阵集合,产生所要发送的码字集合,最后通过源节点从码字集合中选择发送码字,并在发送的符号中加入人工噪声,该人工噪声不干扰合法接收者,只干扰窃听节点;对发送的含有人工噪声的码字进行设计,使合法接收者不受噪声的干扰,且能获得两阶的发射分集,而窃听节点的性能因噪声的存在而恶化,从而达到抵抗窃听节点窃取信息的物理层安全传输。
进一步地,所述的利用比特交织编码调制技术确定编码是利用源节点将输入信息比特分为两个部分,一部分是符号调制比特;另一部分是空间调制比特;将符号调制比特与空间调制比特进行异或,得到伪空间调制比特;将符号调制比特与空间调制比特进行异或,得到伪空间调制比特;利用伪空间调制比特与符号调制比特选择发送的天线集合和Unitary码字。
进一步地,所述的产生所要发送的码字集合是利用右移矩阵和空间调制矩阵基构造空间调制矩阵集合,并基于这些空间调制矩阵集合和酉空时码字,产生所要发送的码字集合。
进一步地,所述的通过源节点从码字集合中选择发送码字是源节点利用伪空间调制矩阵比特和符号调制比特从码字集合中选择发送码字;分为四个时隙发送码字,前两个时隙发送相同的符号,后两个时隙发送另一符号。
本发明的有益效果是:
本发明所提的基于随机人工噪声的SM物理层安全传输方法能够使得合法接收者获得两阶的发射分集,同时恶化窃听者的窃听能力。
***明该方法能够有效抵抗窃听节点的窃听,使得窃听节点处的误比特率接近0.5,并且是合法接收者获得两阶的发射分集。
为了验证本发明提出的物理层安全传输方法的性能,我们进行了如下仿真:
在相同速率条件下,与王莉所提方案进行比较。在仿真中,我们考虑对Eve而言最有利的情况,Eve用盲信道估计方法估计出式(29)、(30)中的第一部分,此时,Eve能获得最好的窃听性能。
仿真中采用Nt=8、16,Nr=1和Ne=1,信道为独立同分布的瑞利信道,服从均值为零,方差为1的高斯分布。所有仿真中,酉空时码的码字速率Ru=2。加性高斯白噪声服从均值为零,方差为1的高斯分布。当Nt=8,所用的码字通过S1生成,所用的激活的天线序号集合为
{1,2,3,4;2,3,4,5;3,4,5,6;4,5,6,7;5,6,7,8;6,7,8,1;7,8,1,2;8,1,2,3}。
当Nt=16,所用的码字通过S1生成,所用的激活的天线序号集合为
{1,2,3,4;2,3,4,5;3,4,5,6;4,5,6,7;5,6,7,8;6,7,8,9;7,8,9,10;8,9,10,11;9,10,11,12;10,11,12,13;11,12,13,14;12,13,14,15;13,14,15,16;14,15,16,1;15,16,1,2;16,1,2,3}。
情况1:图2给出了所提的SM物理层安全方案,在不同的传输速率和功率分配情况下的BER曲线图,图中实线代表速率为1.75bits/s/Hz,此时总的发送天线数目Nt=8;虚线代表传输速率为2.0bits/s/Hz,此时总的发送天线数目Nt=16。对于不同的发送天线数,激活的天线序号依上述所示。从图中可看出,所提方案在相同的功率分配条件下,随着传输速率的增大,Eve的BER越大,也意味着,Eve的窃听性能越差;在相同的传输速率条件下,随着随机干扰处的功率增大,Eve的BER越大,Eve的窃听性能越差。当随机干扰分配功率较大时,Eve处的BER可维持在0.5左右。相同的功率分配,低速率时的Bob性能好于高速率时Bob的BER性能,这主要是,高速率时码字增益小于低速率时的码字增益。相同的传输速率时,信号功率越高,Bob处的性能越好。不论功率分配、传输速率如何,从图中可以看出,Bob都能获得两阶的发射分集,验证了合法接收者发射分集的分析。
情况2:给出在相同的传输速率2.0bits/s/Hz时,所提SM物理层安全方案与王莉方案性能对比图如附图3,此时,本发明所提方案采用Nt=16,且采用对Eve最有利的情况,即Eve能获得等效信道的第一部分信息;对比方案王莉方案中则采用Nt=2,并且对比方案采用对Eve节点最不利的情况,即Eve不知合法信道,此时Eve无法消除所加的人工噪声。所有的接收天线都为1。从图中可以看出,所提方案能获得比对比方案更好的安全性能,所提方案Eve处的BER一直高于对比方案,也即Eve的窃听性能很差。在高信噪比时,所提方案的Bob性能好于对比方案,且能获得两阶的发射分集,而对比方案不能获得任何的发射分集。对比方案在应用之前,需要解决同步和信道间干扰等问题
因此综上可知,本发明提出的SM物理层安全传输方法能有效抵抗窃听节点的窃听,并使得合法接收者获得两阶的发射分集。