CN108366026B - 基于星座旋转的人工噪声的物理层安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于星座旋转的人工噪声安全传输方法，用于解决现有技术中存在的无线通信***的保密容量小的技术问题。实现步骤为：源节点S获取其到目的节点D的信道状态信息；产生发送信号并对其进行波束成形；产生人工噪声并对其进行特定角度的星座旋转和波束成形；源节点S将波束成形后的发送信号和星座旋转后的人工噪声叠加成复合信号并进行发送；目的节点D接收到经过信道的复合信号，并对其解调获得解调信号。本发明通过对人工噪声进行星座旋转可以显著提高发送端的接收信号信噪比，并将非法窃听端的信噪比维持在低值水平，从而能够提高无线通信***的保密容量，有效提升了无线通信***的安全性能。

Description

基于星座旋转的人工噪声的物理层安全传输方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种人工噪声的物理层传输方法，具体涉及一种基于星座旋转的人工噪声物理层安全传输方法，可用于发射端采用数字相位调制技术的保密通信***。

背景技术

由于无线通信***中传输媒介的开放性、无线终端的移动性和网络结构的不稳定性，信号传输的可靠性和安全性面临着严峻的考验。研究表明，除传统的高层加密方式外，安全传输问题也可以通过物理层安全技术来解决。作为上层加密方法的一种补充或代替技术，物理层安全技术是在底层利用无线信道的多径性、互易性、空间唯一性等特征保证安全通信，其能有效地提高无线通信***的安全性能。

美国数学家，信息论的奠基人Shannon提出了完美安全(perfect secrecy)理论，为物理层安全通信的研究奠定了理论基础。此后，Wyner从信息论角度提出窃听信道模型，两个合法的用户通过主信道进行保密信息的通信，窃听者通过退化信道窃听合法用户传输的保密信息，并证明合法用户端一定存在某种保密编码，使用该编码传输保密信息，可以使窃听者无法获得任何关于发送消息的信息量，从而实现完全的、绝对的保密。在物理层安全中以该编码方式传输的保密信息容量，定义为保密容量，即发射端能够可靠传输保密信息给合法接收端而不会被非法窃听端破译的最大速率。然而如果窃听方拥有一个优于主信道的窃听信道，则保密容量就会变成零，也就无法保证安全通信。为了恶化窃听信道，2005年R.Negi和S.Goel提出了发射端在主信道的零空间上发送人工噪声的方法，能在完全不影响合法用户通信的情况下降低窃听信道的信噪比，以提高通信***的保密容量，从而达到安全通信的目的。研究表明，无论窃听用户在任何位置，使用人工噪声都能保证最小的安全传输速率。

在现有的应用人工噪声的方案中，一般都要求人工噪声置于主信道的零空间上，不对合法接收端造成干扰，也就是在合法接收端的人工噪声功率为0，相应的人工噪声也就不会对合法接收端的信号接收有任何帮助。为了克服上述缺陷，雷维嘉2016年在《电子信息学报》上发表了“利用人工噪声提高合法接收者性能的物理层安全方案”的论文，文中提出一种自适应人工干扰的安全传输方法，发送端根据合法信道状态信息和人工噪声，判断出即将到达合法接收端的人工噪声是否对合法接收端解调信号有益，如果有益，采用全向的人工噪声波束成形，使合法接收端也能接收到人工噪声，提高解调性能；如果有害，则将人工噪声置于合法信道零空间上，从而避免对合法接收者产生干扰。该方法在一定程度上提高了合法接收端的信噪比，并同时将非法窃听端的信噪比维持在低值水平，提高了通信***的保密容量，虽然该方法采用了自适应人工干扰方法，但是人工噪声仍然不总是对合法接收端解调信号有益，所以该方法也存在保密容量提升有限，安全性能不足的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于星座旋转的人工噪声安全传输方法，用于解决现有技术中存在的无线通信***的保密容量小的技术问题。

本发明的技术思路是：源节点S获取其到目的节点D的信道状态信息，产生发送信号并对其进行波束成形，再产生人工噪声并对其进行特定角度的星座旋转和波束成形，然后源节点S将波束成形后的发送信号和星座旋转后的人工噪声叠加成复合信号并进行发送，最后目的节点D接收到经过信道的复合信号，并对其解调获得解调信号。

根据上述技术思路，实现本发明目的采取的技术方案，包括如下步骤：

(1)目的节点D向源节点S发送训练符号序列；

(2)源节点S获取信道状态信息h：

源节点S根据接收的训练符号序列，对源节点S到目的节点D信道的状态进行估计，得到信道状态信息h；

(3)源节点S获取波束成形后的发送信号w₁x：

(3a)源节点S对产生的待发送符号进行数字相位调制，得到发送信号x；

(3b)源节点S将发送信号x对准目的节点D，得到发送信号x的波束成形矢量w₁，并通过波束成形矢量w₁对发送信号x进行波束成形，以实现对目的节点D接收功率的最大化，得到波束成形后的发送信号w₁x，其中，w₁＝h^H/||h||，h^H表示h的共轭转置，||h||表示h的2-范数，h^H/||h||表示h^H与||h||的比值；

(4)源节点S获取星座旋转和波束成形后的人工噪声信号w₂z·exp(jθ)：

(4a)源节点S随机生成N维人工噪声矢量信号z，z＝[z₁,z₂,...,z_i,...,z_N]^T,其中，z_i表示人工噪声矢量信号z的第i个矢量元素，z_i～CN(0,1),i＝1,2,…,N，CN(0,1)表示服从均值为0方差为1的复高斯分布，人工噪声矢量信号z的维度数目N与源节点S的发射天线数目相等；

(4b)源节点S对人工噪声信号z进行星座旋转：

源节点S将人工噪声矢量信号z的相位在二维平面直角坐标系xoy上绕原点进行|θ|角度的旋转，当θ＞0时，对人工噪声信号z进行顺时针旋转，当θ＜0时，对人工噪声信号z进行逆时针旋转，得到星座旋转后的人工噪声信号z·exp(jθ)，其中，θ为发送信号x与经过准静态瑞利衰落信道的人工噪声信号hz的相位差，θ＝arg(x)-arg(hz)，|θ|表示θ的绝对值，j表示虚数单位，exp(jθ)表示以自然对数e为底以jθ为幂的指数，z·exp(jθ)表示z与exp(jθ)的乘积，arg(x)表示x的相位；

(4c)源节点S对星座旋转后的人工噪声z·exp(jθ)进行波束成形：

源节点S将星座旋转后的人工噪声z·exp(jθ)在三维立体空间中各向同性地对准接收节点，得到人工噪声z的波束成形矩阵w₂，并通过波束成形矩阵w₂对星座旋转后的人工噪声信号z·exp(jθ)进行波束成形，得到星座旋转和波束成形后的人工噪声信号w₂z·exp(jθ)，其中，w₂＝I_N，I_N为N×N阶的单位矩阵；

(5)源节点S获取复合信号x_t并发送：

源节点S对波束成形后的发送信号w₁x与人工噪声信号w₂z·exp(jθ)进行叠加，得到复合信号x_t，并通过准静态瑞利衰落信道发送至目的节点D；

(6)目的节点D获取解调信号x：

目的节点D对经过准静态瑞利衰落信道的复合信号x_t进行解调，得到解调信号x。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明在人工噪声预处理时，对人工噪声进行星座旋转，提高了合法接收端的信噪比并将非法窃听端的信噪比维持在低值水平，扩大了合法接收端与非法窃听端的信噪比差值，从而提升了无线通信***的保密容量，避免了现有技术在使用自适应波束赋形来预处理人工噪声时合法接收端信噪比提升有限，保密容量小的问题。仿真结果表明，本发明相比于现有技术可以显著提高无线通信***的保密容量，提高了通信***的安全性能。

附图说明

图1为本发明适用的MISOSE窃听模型的结构示意图；

图2为本发明的实现流程框图；

图3为本发明与现有技术的保密容量仿真对比结果图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明。

参照图1，本发明适用的MISOSE窃听模型，包括装有N根天线的源节点S，装有1根天线目的节点D和装有1根天线的窃听节点E。源节点S到目的节点D的信道，称之为合法信道，对应的信道状态信息记为h，源节点S到窃听节点E的信道，称之为窃听信道，对应的信道状态信息记为g。两种信道衰落均为准静态瑞利衰落，即在一个码字的传输时间里信道系数不变，不同码字间的信道系数则相互独立。源节点S通过信道估计可以获取合法信道的信道状态信息，而窃听节点E是被动窃听，所以源节点S未知窃听信道的信道状态信息。图1中的合法信道为h＝[h₁,h₂,…,h_i,…,h_N]，窃听信道为g＝[g₁,g2,…,g_i,…,g_N]，h_i和g_i分别表示源节点S第i根发送天线到目的节点D和窃听节点E之间的信道衰落系数，i＝1,2,…,N，各信道之间均为独立同分布的复高斯随机变量，服从CN(0,1)分布。

参照图2，一种基于星座旋转的人工噪声的物理层安全传输方法，包括如下步骤：

步骤1)目的节点D向源节点S发送训练符号序列。

步骤2)源节点S获取信道状态信息h：

源节点S根据接收的训练符号序列，对源节点S到目的节点D信道的状态进行估计，得到信道状态信息h。

这里通信***使用时分双工(TDD)并且信道慢变,根据互易原理，则可以认为源节点S与目的节点D之间的收发信道是相同的，所以源节点S根据接收的训练符号序列就能对源节点S到目的节点D的信道状态进行估计，得到信道状态信息h。

步骤3)源节点S获取波束成形后的发送信号w₁x：

步骤3a)源节点S对产生的待发送符号进行数字相位调制，得到发送信号x；

使用BPSK或QPSK等基于相位调制的数字调制方法,其信号的有效信息全部包含在发送信号的相位中,这里发送信号x是标量，表示在一个传输时隙内要传输的发送信号，其具有单位功率，即E{|x|²}＝1；

步骤3b)源节点S将发送信号x对准目的节点D，得到发送信号x的波束成形矢量w₁，根据该波束成形矢量w₁，将发送信号x加权分配到源节点S的各个天线上，以实现对发送信号x的波束成形，并通过波束成形矢量w₁对发送信号x进行波束成形，以实现对目的节点D接收功率的最大化，得到波束成形后的发送信号w₁x，其中，w₁＝h^H/||h||，h^H表示h的共轭转置，||h||表示h的2-范数，h^H/||h表示h^H与||h||的比值；

源节点S使用波束成形矢量w₁，其w₁＝h^H/||h||，此时源节点S发射天线发出的信号在目的节点D处会同相叠加，可以使目的节点D接收信号的功率最大。

步骤4)源节点S获取星座旋转和波束成形后的人工噪声信号w₂z·exp(jθ)：

步骤4a)源节点S随机生成N维人工噪声矢量信号z，z＝[z₁,z₂,...,z_i,...,z_N]^T,其中，z_i表示人工噪声矢量信号z的第i个矢量元素，z_i～CN(0,1),i＝1,2,...,N，CN(0,1)表示服从均值为0方差为1的复高斯分布，人工噪声矢量信号z的维度数目N与源节点S的发射天线数目相等；

步骤4b)源节点S对人工噪声信号z进行星座旋转：

源节点S将人工噪声矢量信号z的相位在二维平面直角坐标系xoy上绕原点进行|θ|角度的旋转，当θ＞0时，对人工噪声信号z进行顺时针旋转，当θ＜0时，对人工噪声信号z进行逆时针旋转，得到星座旋转后的人工噪声信号z·exp(jθ)，其中，θ为发送信号x与经过准静态瑞利衰落信道的人工噪声信号hz的相位差，θ＝arg(x)-arg(hz)，|θ|表示θ的绝对值，j表示虚数单位，exp(jθ)表示以自然对数e为底以jθ为幂的指数，z·exp(jθ)表示z与exp(jθ)的乘积，arg(x)表示x的相位；

因为发送信号x是用数字相位调制方法调制的，又因为发送信号x的波束成形矢量w₁＝h^H/||h||，所以波束成形后发送信号w₁x通过合法信道h后的信号hw₁x的相位其实是与发送信号x是相同的，所以只要将人工噪声z的相位旋转一定角度使得其经过合法信道h后相位也与发送信号x相同，此时到达目的节点D的人工噪声hz就是有益于目的节点D解调信号，而这个旋转的角度就是经过合法信道h的人工噪声hz与发送信号x的相位差θ的绝对值|θ|，其旋转方向取决于θ的正负，星座旋转后的人工噪声就是z·exp(jθ)；

根据上述可知，此时目的节点D所接收到的星座旋转后的人工噪声信号hz·exp(jθ)与发送信号相位x是相同的，所以此时在目的节点D接收到的人工噪声信号hz·exp(jθ)和发送信号x的合成信号相位也同样是与发送信号相位x是相同，所以这里可以直接将目的节点D接收的人工噪声视作为发送信号部分，所以说经过星座旋转的人工噪声z·exp(jθ)总是有益于目的节点D解调信号，其可以有效提高目的节点D接收信号的信噪比；

步骤4c)源节点S对星座旋转后的人工噪声z·exp(jθ)进行波束成形：

源节点S将星座旋转后的人工噪声z·exp(jθ)在三维立体空间中各向同性地对准接收节点，得到人工噪声z的波束成形矩阵w₂，并通过波束成形矩阵w₂对星座旋转后的人工噪声信号z·exp(jθ)进行波束成形，得到星座旋转和波束成形后的人工噪声信号w₂z·exp(jθ)，其中，w₂＝I_N，I_N为N×N阶的单位矩阵；

这里对星座旋转后的人工噪声z·exp(jθ)采用全向波束成形，可以使得人工噪声各向同性地发射，从而使得目的节点D接收到人工噪声，这样目的节点D才能从人工噪声中获益，这提高了目的节点D的接收信号的信噪比，与此同时窃听节点E也一样能接收到人工噪声，而对于窃听节点E来说，由于人工噪声的星座旋转仅仅是人工噪声相位上的变化其对窃听节点E解调信号并未产生任何有益影响，所以人工噪声仍能有效防止窃听节点E窃取信号，窃听节点E的接收信号信噪比与现有技术一样很低，根据保密容量定义，人工噪声通过星座旋转后可以提高MISOSE窃听模型的保密容量。

步骤5)源节点S获取复合信号x_t并发送：

源节点S对波束成形后的发送信号w₁x与人工噪声信号w₂z·exp(jθ)进行叠加，得到复合信号x_t，并通过准静态瑞利衰落信道发送至目的节点D；

这里复合信号x_t的表达式为

其中，p_s是发送信号x的功率，p_z是发送人工噪声z的功率。

步骤6)目的节点D获取解调信号x：

目的节点D对经过准静态瑞利衰落信道的复合信号x_t进行解调，得到解调信号x，其实现步骤为：

步骤6a)目的节点D将接收的经过准静态瑞利衰落信道的复合信号x_t记为目的节点D的接收信号y_d：

y_d＝hx_t+n_d

其中，h是源节点S到目的节点D的信道状态信息，n_d为目的节点D的复加性高斯白噪声，

表示服从均值为0方差为

的复高斯分布；

根据复合信号

发送信号x的波束成形矢量w₁＝h^H/||h||和人工噪声的波束成形矩阵w₂＝I_N，目的节点D的接收信号y_d可以表示为：

步骤6b)目的节点D采用最大似然估计方法，对接收信号y_d进行解调译码，得到发送信号的估计值

其中，最大似然估计方法的表达式为：

其中，x是发送信号。

以下结合仿真实验，对本发明的技术效果进行说明：

1.仿真条件和内容：

本发明的仿真实验是在运行***为Intel(R)Core(TM)i3CPU [email protected]，64位Windows操作***的硬件平台进行，仿真软件采用MATLAB。本发明与现有技术的仿真采用图1中的MISOSE窃听模型，源节点S的发射天线数目为4根，目的节点D和窃听节点E的天线数目均为1根。仿真中源节点S产生的人工噪声矢量信号的维度数目N为4，源节点S采用的调制方式为QPSK，目的节点D采用最大似然检测算法进行译码。仿真实验中的所有信道均为准静态平坦瑞利衰落信道，发送信号的功率p_s＝0.5，发送人工噪声的功率p_z＝0.5。

仿真内容是应用本发明和现有技术对MISOSE窃听模型的保密容量进行仿真对比，结果如图3。

2.仿真结果分析：

参照图3，该图是本发明与现有技术的保密容量仿真对比结果图，其横坐标表示源节点发送的复合信号的信噪比(SNR)，单位是dB，纵坐标表示MISOSE窃听模型的保密容量(C_S)，单位是bit/symbol。用三角形标识的曲线表示使用本发明方法所得到的MISOSE窃听模型的保密容量，用圆形标识的曲线表示使用现有技术方法即自适应人工干扰的安全传输方法所得到的MISOSE窃听模型的保密容量。

图3中本发明和现有技术在信噪比0dB时保密容量分别为0.55bit/symbol和0.52bit/symbol，在信噪比10dB时保密容量分别为0.75bit/symbol和0.70bit/symbol，本发明和现有技术的保密容量都随着信号信噪比的增加而随之提高。纵览全图可知，相比于现有技术，本发明的保密容量有了显著的提高，从而提升了通信***的安全性能。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于星座旋转的人工噪声的物理层安全传输方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)目的节点D向源节点S发送训练符号序列；

(2)源节点S获取信道状态信息h：

源节点S根据接收的训练符号序列，对源节点S到目的节点D信道的状态进行估计，得到信道状态信息h；

(3)源节点S获取波束成形后的发送信号w₁x：

(3a)源节点S对产生的待发送符号进行数字相位调制，得到发送信号x；

(3b)源节点S将发送信号x对准目的节点D，得到发送信号x的波束成形矢量w₁，并通过波束成形矢量w₁对发送信号x进行波束成形，以实现对目的节点D接收功率的最大化，得到波束成形后的发送信号w₁x，其中，w₁＝h^H/||h||，h^H表示h的共轭转置，||h||表示h的2-范数，h^H/||h||表示h^H与||h||的比值；

(4)源节点S获取星座旋转和波束成形后的人工噪声信号w₂z·exp(jθ)：

(4a)源节点S随机生成N维人工噪声矢量信号z，z＝[z₁,z₂,...,z_i,...,z_N]^T,其中，z_i表示人工噪声矢量信号z的第i个矢量元素，z_i～CN(0,1),i＝1,2,...,N，CN(0,1)表示服从均值为0方差为1的复高斯分布，人工噪声矢量信号z的维度数目N与源节点S的发射天线数目相等；

(4b)源节点S对人工噪声信号z进行星座旋转：

源节点S将人工噪声矢量信号z的相位在二维平面直角坐标系xoy上绕原点进行θ角度的旋转，当θ＞0时，对人工噪声信号z进行顺时针旋转，当θ＜0时，对人工噪声信号z进行逆时针旋转，得到星座旋转后的人工噪声信号z·exp(jθ)，其中，θ为发送信号x与经过准静态瑞利衰落信道的人工噪声信号hz的相位差，θ＝arg(x)-arg(hz)，|θ|表示θ的绝对值，j表示虚数单位，exp(jθ)表示以自然对数e为底以jθ为幂的指数，z·exp(jθ)表示z与exp(jθ)的乘积，arg(x)表示x的相位；

(4c)源节点S对星座旋转后的人工噪声z·exp(jθ)进行波束成形：

源节点S将星座旋转后的人工噪声z·exp(jθ)在三维立体空间中各向同性地对准接收节点，得到人工噪声z的波束成形矩阵w₂，并通过波束成形矩阵w₂对星座旋转后的人工噪声信号z·exp(jθ)进行波束成形，得到星座旋转和波束成形后的人工噪声信号w₂z·exp(jθ)，其中，w₂＝I_N，I_N为N×N阶的单位矩阵；

(5)源节点S获取复合信号x_t并发送：

源节点S对波束成形后的发送信号w₁x与人工噪声信号w₂z·exp(jθ)进行叠加，得到复合信号x_t，并通过准静态瑞利衰落信道发送至目的节点D；

(6)目的节点D获取解调信号

目的节点D对经过准静态瑞利衰落信道的复合信号x_t进行解调，得到解调信号

2.根据权利要求1所述的基于星座旋转的人工噪声的物理层安全传输方法，其特征在于，步骤(3b)中所述的对发送信号x进行波束成形，实现步骤为：

源节点S根据发送信号x的波束成形矢量w₁，将发送信号x加权分配到源节点S的各个天线上，以实现对发送信号x的波束成形，得到波束成形后的发送信号w₁x。

3.根据权利要求1所述的基于星座旋转的人工噪声的物理层安全传输方法，其特征在于，步骤(5)中所述的复合信号x_t,其表达式为：

其中，p_s是发送信号x的功率，p_z是发送人工噪声z的功率，w₁是发送信号x的波束成形矢量，w₂是发送人工噪声z的波束成形矩阵，θ为发送信号x与经过准静态瑞利衰落信道的人工噪声信号hz的相位差，θ＝arg(x)-arg(hz)，N是源节点S产生的人工噪声矢量信号z的维度数目。

4.根据权利要求1所述的基于星座旋转的人工噪声的物理层安全传输方法，其特征在于，步骤(6)中所述的目的节点D对经过准静态瑞利衰落信道的复合信号x_t进行解调，实现步骤为：

(6a)目的节点D将接收的经过准静态瑞利衰落信道的复合信号x_t记为目的节点D的接收信号y_d：

y_d＝hx_t+n_d

其中，h是源节点S到目的节点D的信道状态信息，n_d为目的节点D的复加性高斯白噪声，

表示服从均值为0方差为

的复高斯分布；

(6b)目的节点D采用最大似然估计方法，对接收信号y_d进行解调译码，得到发送信号的估计值

其中，最大似然估计方法的表达式为：

其中，x是发送信号。

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