专利名称：基于多径冗余的mmse预均衡无线信道加密方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线通信安全技术领域中的物理层加密问题，特别是涉及一种基于多径冗余的MMSE预均衡无线信道加密方法及装置。
背景技术：
近年来，3G、超宽带、物联网等各种无线通信概念层出不穷。新的无线通信技术如雨后春笋般出现，这使得越来越多的设备具有移动接入的能力，解决了传统有线接入的连线制约，为用户提供了各种高效高速的接入方案。虽然无线通信摆脱了有线的束缚，但是其开放的通信媒介给无线通信的安全带来了巨大隐患。因此人们设计出各种加密技术对信息进行保护。信息在通信过程中一般会经过信源编码、信道编码、信道传输、信道解码和信源解码等阶段，传统的有线通信在信道传输过程中要求通信双方必须“有线连接”，第三方如果没有“有线连接”就不能获取信息，而一旦连接就有可能完全窃取通信双方的信息。因此， 有线通信必须在信道以外通过数据加密的方法来保障信息安全，这其实是通过信源编码保障信息安全。然而在无线通信系统中，由于电磁信号传播的广播特性和无线信道的开放性， 信号通过无线电波在空间中任意传播，失去了“有线”的束缚，使得任意处于覆盖范围内的接收机都可以不用任何连线便可接收到发射机所发射的信息，通信信息极易被非授权用户获取。因此从某种意义上说，无线通信系统比传统有线系统具有更大的安全隐患。因此在无线通信中，如何保障无线通信的安全性也变得日益重要。无线通信的安全问题主要是由无线链路的特点和开放性造成的，因此由无线链路造成的问题只有在无线信道中解决才能更加有效。目前一个主要思路是利用物理层加密的方式使得无线信号具有低截获概率(LPI)。现有的物理层加密方式主要有三类1.利用波束成形技术使能量聚焦于授权用户；2.采用扩频的方式加扰；3.基于传输信道的方式。然而，波束成形技术并不能使得信号能量完全聚焦；扩频码也可以很容易地从接收的信号中估计出来；基于传输信道的方式可以通过盲信道估计得到信道状态。这三种方法都无法使得信号具有LPI或者难以经受严格的LPI分析。因此，有文献提出一种利用无线阵列冗余进行物理层加密的方法。该方法通过随机选取各阵元的加权系数，使发送信号经过无线信道叠加后在合法的目标用户端可以直接解调出所发射的符号序列，而对于非法用户来说，阵元权系数的随机化会使恒模算法(CMA)等基于盲解卷积的信道盲均衡方法失效，从而满足具有LPI的要求。然而这种随机加权处理会降低接收信号功率，这类方法仅适用于MIMO等能够提供空间冗余的多天线系统，针对协助通信中每个延迟节点仅有一个天线的问题。综合分析可知，以上研究现状主要针对的是窄带系统，并未考虑宽带系统复杂的多径传播特性对无线信道加密性能的影响。
发明内容
本发明提供了一种基于多径冗余的匪SE预均衡无线信道加密方法及装置，基于无线信道的多径冗余特点和时间分集思想，利用时间反演技术在无线宽带通信系统中引入
5环境自适应性，利用随机时间反演对信道进行加密，以解决无线信道的广播特性带来的安全问题。无线信道加密有三个特点首先是弓I入某种冗余以增加用以随机化发送信号的自由度；然后是授权用户可以无条件接收，并不需要额外处理，也不需要知道某些先验信息； 最后是非授权用户无法解出发送的信号。宽带无线通信系统的无线链路存在丰富的多径， 一方面给信号的接收带来了干扰，限制了通信系统容量；另一方面也为利用时间分集提高系统性能提供了可能。也就是说多径冗余增加了接收信号的自由度，因此我们通过随机化这些自由度可以达到信道加密的目的。时间反演(Time-Reversal :TR)技术基于叠加原理、互易定理等基本原理，通过利用实际信道的冲击响应对调制信号进行TR预处理，最终在用户接收端实现信号的完美复原。TR技术的基本思想是利用测试信号得到的信道响应，在信号波形进入实际信道之前进行预处理。通过预处理，信号波形在实际通信信道中传输的过程就可以将该通信信道看作是自适应均衡器，而在接收端就会得到一个预处理之前的通信信号波形。本发明所采用的技术方案一种基于多径冗余的MMSE预均衡无线信道加密方法，在TDD工作模式下，通过如下步骤，完成无线信道的加密处理1)接收机首先利用上行信道发送信道探测信号用以探测多径信道；2)发射机根据接收的上行信道发送的信道探测信号估计出接收机和发射机之间的无线信道多径信息；3)将所述无线信道多径信息翻转处理，并从中随机选择部分多径信息作为预处理因子；4)根据所述无线信道多径信息以及所述预处理因子，按照功率约束条件得出预均衡因子；5)利用所述预均衡因子和预处理因子对待发送信号进行预处理，然后经过发射机射频前端发送。所述的基于多径冗余的匪SE预均衡无线信道加密方法，步骤2)中，发射机根据预先设定好的收发机制，周期性地接收上行信号，并根据接收的上行信号估计出多径信息估计出多径抽头延时线的幅度和时延；估计出多径整体包络信息。所述的基于多径冗余的MMSE预均衡无线信道加密方法，步骤幻中，将所述抽头延时线幅度和时延数据或者多径整体包络数据进行翻转处理，并从所述翻转处理结果中随机选择部分信息作为预处理因子。所述的基于多径冗余的匪SE预均衡无线信道加密方法，为了进行物理层加密，引入多径冗余信号使得自由度增加以便随机化发送信号，发射机随机选取用以时间反演的信道系数，接收机接收信号可以表示如下
权利要求
1.一种基于多径冗余的MMSE预均衡无线信道加密方法，其特征是，在TDD工作模式下， 通过如下步骤，完成无线信道的加密处理1)接收机首先利用上行信道发送信道探测信号用以探测多径信道；2)发射机根据接收的上行信道发送的信道探测信号估计出接收机和发射机之间的无线信道多径信息；3)将所述无线信道多径信息翻转处理，并从中随机选择部分多径信息作为预处理因子；4)根据所述无线信道多径信息以及所述预处理因子，按照功率约束条件得出预均衡因子；5)利用所述预均衡因子和预处理因子对待发送信号进行预处理，然后经过发射机射频前端发送。
2.根据权利要求1所述的基于多径冗余的匪SE预均衡无线信道加密方法，其特征是，步骤i)中，发射机根据预先设定好的收发机制，周期性地接收上行信号，并根据接收的上行信号估计出多径信息估计出多径抽头延时线的幅度和时延；估计出多径整体包络信肩、ο
3.根据权利要求2所述的基于多径冗余的MMSE预均衡无线信道加密方法，其特征是， 步骤幻中，将所述抽头延时线幅度和时延数据或者多径整体包络数据进行翻转处理，并从所述翻转处理结果中随机选择部分信息作为预处理因子。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于多径冗余的MMSE预均衡无线信道加密方法，其特征是为了进行物理层加密，引入多径冗余信号使得自由度增加以便随机化发送信号，发射机随机选取用以时间反演的信道系数，接收机接收信号可以表示如下^ (0 = Σ s^hAB (_t + kakTs) * hAB (t) k ‘~-~'__/ ClR-VTransmitted signal其中，ω&为随机选择信号，长度和单径长度相同，且cok e {1,0}； 同样Eve接收的信号为^ (0 = Σ s^hAB + kakTs) * hAE (t) k '~-~'__/ ClR-VTransmitted signal由上式可知，Bob接收的信号峰值幅度与f/么^成正比。
5.根据权利要求4所述的基于多径冗余的MMSE预均衡无线信道加密方法，其特征是， 步骤4)中，在进行随机时间反演时采用预均衡在Alice端进行补偿，预均衡的实现方法为S =Γτ = ^s S ... S )τ pre ^1 V°pre,0' °pre,l'°pre, L-I/其中预均衡矩阵G = diag((}。,。，Gia,…(Vm)为对角阵，S为发送的符号序列，L为均衡器阶数.预均衡之后输出的数据经过随机时间反演器，然后在调制后通过射频单元发射，对于接收端Bob来说，接收端的信号表示为 ^Bob = hABH ABS pre + NBob 而对于Eve来说，接收到的信号为
6.根据权利要求5所述的基于多径冗余的MMSE预均衡无线信道加密方法，其特征在于，针对功率约束条件，保持预均衡前后传输符号总的功率保持不变，因此带功率限制的预均衡条件为
7. 一种基于多径冗余的MMSE预均衡无线信道加密装置，包括接收机和发射机，其特征是所述接收机包括信令发射模块用于发射无线信道探测信号，按照预定的周期时隙给发射机发射信道探测信号；接收前端用于接收Alice发送的信号；所述发射机(Alice)包括信令接收模块用以控制Alice的时分双工器，周期地接收Bob的信道探测信号，送给信道估计单元；信道估计单元接收信令接收模块收到的信道探测信号，对所述接收的信道探测信号进行信道估计，以得到所需的无线信道多径信息；预均衡器接收发送信号，用于对发送的信号按照既定规则进行预均衡处理，以降低随机预处理单元对接收端性能的影响；随机预处理单元接收预均衡器输出的数据，对预均衡输出的数据与预处理因子作卷积操作，得到加密后的发送数据，输送到发射前端；发射前端接收并发送随机预处理单元发送的数据，完成加密处理。
8.根据权利要求7所述的基于多径冗余的MMSE预均衡无线信道加密装置，其特征是 随机预处理单元包括随机FILO控制器；存储器；MMSE均衡器；时间卷积器；其中， 随机FILO控制器与存储器连接，用于对随机选择的多经信息进行反转处理； 存储器接收信道估计模块，用于存储反转前后的多经信息，并输送多径信息到匪SE 均衡器和时间卷积器；匪SE均衡器接收预均衡器冗余信息，用于对输入信号作预均衡处理，并发送数据到时间卷积器；时间卷积器用于把预均衡模块的输出和反转后的多经进行卷积处理，并发送到发射前端。
全文摘要
本发明涉及无线通信安全技术领域中的物理层加密问题，特别是涉及一种基于多径冗余的MMSE预均衡无线信道加密方法及装置。在TDD工作模式下，1)接收机首先利用上行信道发送信道探测信号用以探测多径信道；2)发射机根据接收的上行信道发送的信道探测信号估计出接收机和发射机之间的无线信道多径信息；3)将所述无线信道多径信息翻转处理；4)根据所述无线信道多径信息，按照功率约束条件得出预均衡因子；5)利用所述预均衡因子和预处理因子对待发送信号进行预处理。本发明基于无线信道的多径冗余特点和时间分集思想，利用时间反演技术在无线宽带通信系统中引入环境自适应性，利用随机时间反演对信道进行加密，解决了无线信道的广播特性带来的安全问题。
文档编号H04B7/08GK102158858SQ20111014123
公开日2011年8月17日 申请日期2011年5月27日 优先权日2011年5月27日
发明者刘双平, 刘彩霞, 吉江, 宋华伟, 李印海, 杨梅樾, 王春铭, 罗文宇, 赵华, 金梁, 钟州 申请人:中国人民解放军信息工程大学