专利名称：用于安全无线通信的权值反馈型反向训练方法
技术领域：
本发明涉及无线通信系统，特别涉及一种用于安全无线通信的权值反馈型反向训练方法。
背景技术：
无线通信技术的出现和快速发展突破了传统通信需要依靠线缆接入的束缚，极大地便利了人类的社会活动。然而由于无线信道的开放性，除了目标接收用户之外的其他非法用户也有可能获取通信信息，可见，无线通信系统比传统的有线通信存在更大的安全隐患，所以如何防止信息泄露，保障无线通信安全就成了通信领域最为关注的问题，特别是涉及到商业和军事机密，无线通信安全问题显得尤为重要。跳频技术是目前无线通信中最常用的安全保密措施，它在通信时不断快速改变载波频率，使侦听方无法同步，从而保证通信的安全性。但是，快速改变频率显然会受到锁相环路惯性的限制和天线尺寸变化的制约，导致跳频技术的跳速和跳幅难以得到大幅提高，无法实现很高的扩频增益，而且跳频图案一旦泄露，侦听方完全有能力按照跳频图案去截获信息，通信的安全保密性就无法得到保证。此外，跳频技术本身又让日趋匮乏的频谱资源问题变得更为尖锐。种种原因使得跳频技术在无线通信领域的实际应用中面临着很大的局限性。目前，人们已经开始利用无线通信中丰富的空间谱资源，并提出了一系列相应的无线信号收发技术。然而这些技术存在两方面的问题:一是不能摆脱频谱的限制，仍然借助跳频技术并联合无线信道的部分特性实现安全通信；二是采用统计信道模型研究问题，没有对空域信号建立明确的空谱概念。总之，它们并未真正立足于实际的无线信道，没有从根源上解决无线信道开放性导致的安全问题。0/1式跳空技术是一种利用无线信道的空域个性特征，直接在物理层实现安全通信的无线传输方案。在该技术中，期望通信双方采用正向训练方法，即由发射方发送训练符号，由目标用户训练得到解调所需的权值，正式通信时，发射方按照跳空图案发送信号，而目标用户同样按照跳空图案选择对应的权值解调能够得到规整的原始星座图。然而正向训练方法存在着安全隐患，即当侦听方以某种途径窃取了跳空图案，并掌握了训练方法与训练时机，那么她就完全可以同目标用户一样实时参与训练，从而正确解调信息，这样，通信的安全性仍无法得到保证。
发明内容
本发明从最基本的无线多径信道传输模型出发，建立了信号时空谱的概念，针对0/1式跳空收发技术中正向训练方法在跳空图案泄露后存在的安全隐患，提出了一种用于安全无线通信的权值反馈型反向训练方法，该方法采用期望通信双方反向训练权值的方法，使信息在即便跳空图案泄露的情况下仍然能够安全传输而不被非法用户侦听。为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的:
一种用于安全无线通信的权值反馈型反向训练方法，采用的无线通信系统模型为:发射方Alice和目标用户Bob作为期望通信双方进行数据传输，双方均配置多天线，其特征在于，包括如下步骤:a)Alice与Bob按照约定时间进行反向训练，由Bob每次只接通一根天线向Alice发送约定符号$ = 4 ，其中As和Θ s分别表示约定符号的幅度和初相；b)Alice所有天线分别对接收信号进行相关检测，检测结果为I，其中k表示当前Bob接通第k根天线，bk表示该天线到Alice所有J根天线的JX I维信道系数列向量；c) Alice根据约定符号训练得到当前信道信息》>4d)Bob切换天线，重复步骤a)至步骤C)，直至所有K根天线全部完成训练，Alice得到Bob到Alice的JXK维信道矩阵Hba = [b1； b2,…，bK]，考虑到时分双工且信道慢变，认为信道互易，Alice到Bob的信道矩阵H仙= HrBA = [h15h2,.,h7]。对应Alice第j根发射
天线，设计Bob相应的接收加权向量=]Γψ；
!Μe) Alice将训练得到的J组与跳空图案匹配的接收加权向量Wj, j = I, 2，…，J反馈给Bob，即为接收加权图案。上述方案中，所述步骤a)中，Bob实际上无需严格发送约定符号，而是可以将约定符号偏转相位发送，而Alice仍根据约定符号训练权值，当正式通信，Bob解调信息时，只需将接收加权图案进行相 位修正，就能得到规整的原始星座图，而该相位修正过程Bob对外界是绝对保密的。所述步骤d)中，天线之间的切换是利用高速电子开关实现的。所述步骤e)中，跳空图案是指标明发射天线切换时序的一组序列，Alice在给Bob反馈权值时，可以采用明码或其他形式传递信息。与现有的保障无线通信安全的方法相比，本发明的有益效果是:1、本发明的保密机制与传统的跳频保密机制存在本质区别，后者的跳频图案是密码本，且与空间信道无关，一旦泄露，通信的安全性根本无法得到保证。而本发明依靠跳空图案和接收加权图案，并结合收发天线间的无线信道这三项内容三位一体共同作用保证安全通信。由于期望通信双方Alice与Bob采用反向训练方法，导致侦听方Eve无法获得她与Alice之间的信道，即便跳空图案和Alice反馈给Bob的接收加权图案都泄露，由于信道的差异性，接收加权图案与Eve的信道不匹配，Eve始终无法正确解调信息。本发明完全可以在公开跳空图案和接收加权图案的情况下依然实现安全通信，从这一点而言，它对于传统密码学和跳频技术是个很大的突破，它从根源上解决无线信道开放性导致的安全问题，直接在物理层实现了安全无线通信。2、本发明利 用数字通信有限码集的特点，通过反向训练的方式获得接收加权图案，无需确知收发两端的阵列流型，无需求解复杂的多径信道，不涉及矩阵求逆运算，从而避免了传统求解信道过程中由于矩阵不满秩引起的信道解不唯一性的问题，同时采用训练的方式也大大降低了运算复杂度，更加有利于工程实现。3、本发明反向训练过程中Alice与Bob无需按照跳空图案进行训练，Alice也无需知晓Bob的天线切换顺序。此外，Bob实际上也无需直接发送约定符号，而是可以将约定符号偏转相位发送，而Alice仍根据约定符号训练权值，当正式通信，Bob解调信息时，只需将接收加权图案进行相位修正，就能得到规整的原始星座图，而该相位修正过程Bob对外界是绝对保密的，即便侦听方Eve有可能将天线安置在Bob的位置上，并且窃取了跳空图案和Alice反馈给Bob的接收加权图案，由于缺少相位修正环节，仍然无法恢复原始信息，这样无疑又给通信的安全性增加了一道强有力的保障。
下面结合附图及具体实施方式
对本发明做进一步的详细说明。图1是本发明所涉及的无线安全传输模型。
图2是本发明所涉及的无线多径信道简化模型。图3是本发明中反向训练方法的示意图。图4是0/1式跳空方案信号传输模型。图5是本发明对抗侦听方侦听的原理示意图。图6是本发明安全性能的仿真研究结果。其中(a)图为线性坐标下的实验结果显示；(b)图为对数坐标下的实验结果显示。
具体实施例方式如图1所示，无线安全传输模型一般要求收发信道互易，发射方Alice和目标用户Bob作为期望通信双方进行数据安全传输，侦听方Eve试图侦听信息但不做任何主动发射，三方分别配置了 J，K和M根天线。考虑到无线通信的多径特性，发射端第j根天线到接收端第k根天线的单发单收无线多径信道简化模型如图2所示。图中实线和虚线分别代表直射径和反射径，匕和Ti(XilYilZi)分别表示第i (i = O代表直射径)条路径的幅度衰减系数和路径时延，(xi； Yi, Zi)表示等效电波传输距离的三维空间分量。对信道模型做如下假设:①传播介质是均匀、线性、各向同性的各天线阵元间距大于一个波长，阵元间影响忽略不计；③接收噪声为零均值加性高斯白噪声，相互独立，且独立于信号；④信道慢变，即通信的一段时间内，信道特性认为是恒定的。通信双方使用相同的载波频率，采用窄带信号模型，解析化的发射信号可以表示为s(f) = AseJ(a￥+e'、(I)式中:AS和Θ s分别表示发射符号的幅度和初相；Otl为载波频率。如果收发天线间共有N条路径(包括直射径和反射径)，则到达接收端的信号可以描述为
N-1/-(/) =邮(Wf) +呻)
=
权利要求
1.一种用于安全无线通信的权值反馈型反向训练方法，采用的无线通信系统模型为:发射方Alice和目标用户Bob作为期望通信双方进行数据传输，双方均配置多天线，其特征在于，包括如下步骤: (1)Alice与Bob按照约定时间进行反向训练，由Bob每次只接通一根天线向Alice发送约定符号S = As ，其中As和Θ s分别表示约定符号的幅度和初相； (2)Alice的所有天线分别对接收信号进行相关检测，检测结果为=Abk ,其中k表示当前Bob接通第k根天线，bk表示该天线到Alice所有J根天线的JX I维信道系数列向量； (3)Alice根据约定符号训练得到当前信道信息
2.如权利要求1所述的用于安全无线通信的权值反馈型反向训练方法，其特征在于，步骤(I)中，所述Bob将约定符号偏转相位发送，而Alice仍根据约定符号训练权值，当正式通信，Bob解调信息时，只需将接收加权图案进行相位修正，就能得到规整的原始星座图，所述相位修正过程是保密进行的。
3.如权利要求1所述的用于安全无线通信的权值反馈型反向训练方法，其特征在于，步骤(4)中，所述天线之间的切换是利用高速电子开关实现的。
4.如权利要求1所述的用于安全无线通信的权值反馈型反向训练方法，其特征在于，步骤(5)中,所述跳空图案是指标明发射天线切换时序的一组序列，Alice在给Bob反馈权值时，采用明码或其他形式传递信息。
全文摘要
本发明公开了一种用于安全无线通信的权值反馈型反向训练方法，其特征在于发射方Alice和目标用户Bob进行反向训练，Bob切换天线向Alice发送约定符号，由Alice训练得到Bob解调所需的权值，并将其反馈给Bob，训练过程结束后，双方按照跳空图案收发信号，就能保证信息正确传输；由于期望通信双方采用反向训练方法，侦听方Eve无法获得她与Alice间的信道，即便窃取了跳空图案和Alice反馈给Bob的权值，由于信道的差异性，该权值与Eve的信道不匹配，Eve仍然无法正确解调信息。本发明通过仿真实验表明，在跳空图案公开的情况下，Eve根本无法破解这种反向训练方法，其解调的误符号率始终极高，无法恢复原始信息，从而验证了本发明极其优越的安全性能。
文档编号H04B1/713GK103236877SQ20131013866
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月19日 优先权日2013年4月19日
发明者穆鹏程, 张建国, 殷勤业, 郑通兴, 王勃, 董柳青 申请人:西安交通大学