无线通信网络联合信号反馈与人工噪声物理层安全通信方法与流程

本发明属于无线通信领域，涉及安全传输方案，具体涉及无线通信网络中联合信号反馈与人工噪声设计的物理层安全通信方案。
背景技术：
：由于无线通信的广播特性，设备与设备之间的通信很容易被偷听端窃听。虽然，传统的物理层安全方案在一定程度上能够有效地提升通信的安全性，但其依然存在一些缺点。比如，一、发送端已知偷听端的瞬时信道信息或者统计信道信息。但实际上，对于一个完全被动的偷听者(即偷听者不发送任何信息，只接收信息)而言，合法用户很难获取其信道信息。二、发送端或者合法接收端需要比偷听端有更多的天线。实际中，一方面发送端或接收端可能由于尺寸和成本的原因并不能配置多个天线，另一方面，天线数量上的优势显然对偷听端来说是不公平的，因为它可以使用更多的天线。三、发送端与合法接收端需要外部协作节点(例如，中继)的帮助。实际中，很可能不存在外部的帮助者，或许这个帮助者本身就是不可靠的，它可能会破译合法用户的信息。技术实现要素：为了解决上述已有方案中潜在的问题，本发明提出了一种新的物理层安全方案来实现设备之间的通信安全。本发明是通过下述技术方案来实现的。根据本发明实施例提供的无线通信网络联合信号反馈与人工噪声物理层安全通信方法，包括下述步骤：第一阶段，发送端使用信道反转技术，在需要保密的信息s中混杂带有方差为的人工噪声w1，发送第一阶段信号xa1，保证发送信号满足第一阶段功率限制合法接收端接收到第一阶段信息并相应的接收到第一阶段信干噪比偷听端接收到包括需要保密的信息s和混杂带有方差为人工噪声w1的信息偷听端并接收到相应的第一阶段接收信干噪比第二阶段，合法接收端也采用信道反转技术，向发送端反馈信号xb，这个反馈信号是基于合法接收端接收到的第一阶段信息在反馈信号中包括需要保密的信息s、混杂带有方差为的人工噪声w1，以及混杂一定量的带有方差为的高斯人工噪声w2，保证反馈信号满足第二阶段功率限制并将混合后的信号反馈给发送端；发送端接收在第二阶段反馈信号ya，发送端可以把带有方差为的人工噪声w1消掉；偷听端在第二阶段收到的信号ye2，偷听端不能把带有的人工噪声w1消掉；偷听端接收到相应的第二阶段接收信干噪比γe2；第三阶段，发送端依然使用信道反转技术，发送在反馈信号中包括需要保密的信息s、带有方差为的高斯人工噪声w2，以及混杂有方差为高斯人工噪声w3的信号保证发送信号满足功率限制合法接收端收到第二阶段信号接收端可以把w2消掉；合法接收端接收到相应的第二阶段接收信干噪比偷听端的接收第三阶段信号偷听端不能把w2消掉，w2对偷听端造成足够大的损害；偷听端接相应的第三阶段接收信干噪比γe3；通过引入额外的第一阶段方差为的高斯人工噪声w1、第二阶段方差为的高斯人工噪声w2和第三阶段方差为高斯人工噪声w3，并同时保证第二阶段反馈信号满足第二阶段功率限制以及第一阶段和第三阶段发送信号满足第一阶段功率限制且要使得进而该功率限制应均大于设定的功率阈值p0，使得和小于功率限制小于功率限制从而实现发送端和接收端之间的安全通信。进一步，所述第一阶段中，当信道系数|hAB|2大于截断门限γ0时,发送端使用信道反转技术发送信号:xa1＝(s+w1)/hAB。进一步，发送端的功率限制s和w1的方差必须满足进一步，第一阶段中，合法接收端接收到第一阶段信息：yb1=hABxa1+nb1=hAB·1hAB(s+w1)+nb1=s+w1+nb1]]>偷听端接收到第一阶段的信息：ye1=hAExa1+ne1=hAE·1hAB(s+w1)+ne1=hAEhABs+hAEhABw1+ne1.]]>进一步，第二阶段中，在信道系数满足条件|hBA|2>γ0时，向发送端反馈信号：xb=α·(yb1+w2)/hBA.]]>进一步，第二阶段中，发送端接在第二阶段收到的反馈信号为ya=α(s+w1+w2+nb1)+na]]>发送端可以把w1消掉，消掉w1后的接收信号为y~a=αs+α(w2+nb1)+na]]>但是，偷听端在第二阶段收到的信号ye2，偷听端不能把带有的人工噪声w1消掉；偷听端收到的信号ye2为ye2=αhBEhBAs+αhBEhBA(w1+nb1+w2)+ne2.]]>进一步，第三阶段中，当信道系数满足|hAB|2>γ0时，发送信号：xa2=β(y~a+w3)/hAB.]]>第三阶段中，合法接收端收到第二阶段的信号为yb2=βαs+βα(w2+nb1)+β(na+w3)+nb2.]]>接收端接收信号变为y~b2=βαs+βαnb1+β(na+w3)+nb2.]]>此时，偷听端的接收第三阶段信号为ye3=hAE,2hABβαs+hAE,2hAB(βα(w2+nb1)+β(na+w3))+ne3.]]>进一步，在第一、三阶段的合法接收端相应的接收信干噪比为γb1=σs2σw12+σb2,γb2=β2α2σs2β2α2σb2+β2(σa2+σw32)+σb2]]>在第一、二、三阶段偷听端的高斯白噪声时，偷听端接收信噪比为γe1=σs2σw12,γe2=σs2σw12+σw22+σb2,γe3=α2σs2α2(σw22+σb2)+σa2+σw32.]]>本发明具有以下有益的技术效果：通过引入额外的第一阶段高斯人工噪声w1、第二阶段高斯人工噪声w2和第三阶段高斯人工噪声w3，并同时保证第二阶段反馈信号满足功率限制、以及第一阶段和第三阶段发送信号满足功率限制，且要使得合法接收端的接收信干噪比大于偷听端的信干噪比，即进而第一、二、三阶段功率限制应均大于设定的功率阈值p0，使得第一、二、三阶段的人工噪声方差均小于功率限制，从而实现发送端和接收端之间的安全通信。本发明的方案里，合法的通信设备没有天线上的优势(即所有的用户都只有单根天线)，没有外部帮助者，没有偷听端的任何信道信息(包括偷听端的加性高斯白噪声水平)，但却依然可以实现安全通信，本发明在通信安全方面具备优越性。附图说明图1为本发明的系统模型图；图2为安全容量随噪声功率所占总功率比例的变化图；图3为安全容量随发送功率的变化图；图4为安全容量随截断门限的变化图。具体实施方式下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。本发明无线通信网络联合信号反馈与人工噪声物理层安全通信方法，首先给出本发明的系统模型，模型图见附图1所示：系统中存在三个节点，一个发送端，一个合法接收端和一个偷听端。所有的设备都只有单根天线。偷听端能够接收到发送端发给合法接收端的信号，也能接收到合法接收端反馈给发送端的信号。从发送端到合法接收端、从合法接收端到发送端，从发送端到偷听端，从合法接收端到偷听端的信道分别为hAB，hBA，hAE和hBE。其中，hAB和hBA是0均值单位方差的循环对称复高斯信道，并且经历准静态衰落，即在一段时间内信道保持不变。发送端和合法接收端的传输功率分别不超过Pa和Pb。发送端和合法接收端的所有加性高斯白噪声都归一化为0均值和单位方差。发送端、合法接收端以及偷听端都知道hAB和hBA的准确信息。偷听端确知自己信道(即hAE和hBE)的准确信息。但是，发送端、合法接收端都不知道hAE、hBE以及偷听端的加性高斯白噪声的任何信息。无线通信网络联合信号反馈与人工噪声的物理层安全通信方法步骤如下：第一阶段：发送端使用信道反转技术，当信道系数|hAB|2大于截断门限γ0(即|hAB|2>γ0)时，在需要保密的信息s中混杂带有方差为的人工噪声w1，发送第一阶段信号xa1，发送信号为xa1＝(s+w1)/hAB。其中，s是需要保密的信息，w1是第一阶段混杂的高斯人工噪声，它的均值为0，方差为hAB是发送端到接收端的信道，本发明中将其归一化为服从0均值单位方差的循环对称复高斯信道。由于发送端的功率限制s和w1的方差必须满足其中，为需要保密的信息的方差，Pa为发送端瞬时的发送功率限制，并且可以发现这个整体的平均功率限制是与截断门限γ0有密切联系的。此外，为求取1/|hAB|2的平均值，其中，p(x)是信道系数|hAB|2的概率密度函数，并且服从参数为1的指数分布，即p(x)＝e-x。合法接收端接收到第一阶段的信息为yb1=hABxa1+nb1=hAB·1hAB(s+w1)+nb1=s+w1+nb1,---(3)]]>其中，是合法接收端在第一阶段的加性高斯白噪声，均值为0，方差为同时，合法接收端相应的接收信干噪比偷听端接收到的第一阶段信息为ye1=hAExa1+ne1=hAE·1hAB(s+w1)+ne1=hAEhABs+hAEhABw1+ne1,---(4)]]>其中，hAE是发送端到偷听端的信道，ne1是偷听端在第一阶段的加性高斯白噪声，均值为0，方差为同时，偷听端接相应的接收信干噪比γe1。第二阶段：合法接收端也采用信道反转技术，并在信道系数满足条件|hBA|2>γ0时，反馈信号这个反馈信号是基于合法接收端接收到的第一阶段的接收信号包括需要保密的信息s、混杂带有方差为的人工噪声w1，以及混杂一定量的方差为的高斯人工噪声w2，w2是混杂在反馈信号中的高斯人工噪声它的均值为0。α是为了保证反馈信号满足功率限制于是有以下表达式，其中，Pb为发送端瞬时的发送功率限制，为发送信号功率限制，此外，为求取1/|hBA|2的平均值，其中q(x)是信道系数|hBA|2的概率密度函数。q(x)是信道系数|hBA|2的概率密度函数，并且服从参数为1的指数分布，即q(x)＝e-x。于是，可以得到α的表达式，因此，发送端接在第二阶段收到的反馈信号为ya=α(s+w1+w2+nb1)+na---(8)]]>其中，na是发送端的加性高斯白噪声，均值为0，方差为因为w1是发送端自己在第一阶段发送的人工噪声，它是知道w1的准确值的。同时，α的值是公开的，即系统所有设备(包括偷听端)都知道α的具体值。所以在第二阶段，发送端可以把w1消掉。于是，消掉w1后的接收信号为y~a=αs+α(w2+nb1)+na.---(9)]]>偷听端在第二阶段收到的信号为ye2=αhBEhBAs+αhBEhBA(w1+nb1+w2)+ne2,---(10)]]>其中，是偷听端在第二阶段的加性高斯白噪声，均值为0，方差为注意到w1是偷听端未知的。所以偷听端不能把w1消掉，从而其接收信号会受到w1的损害。同时，偷听端接相应的接收信干噪比γe2。考虑信道是准静态的，即第三阶段与第一阶段hAB保持不变。于是，发送端在第三阶段依然使用信道反转技术，当信道系数满足|hAB|2>γ0时，发送信号w3是混杂在反馈信号中的高斯人工噪声，它的均值为0，方差为为消掉w1后的接收信号，β是为了保证发送信号满足功率限制其必须满足因此，β可以表示为于是，第三阶段合法接收端收到的第二阶段信号为yb2=βαs+βα(w2+nb1)+β(na+w3)+nb2,---(13)]]>其中，是合法接收端在第三阶段的加性高斯白噪声，均值为0，方差为由于w2是接收端在第二阶段反馈给发送端的信号，它是被接收端所确知的。同时，又由于β是公开的，即所有设备(包括偷听端)都知道其准确值。所以在第三阶段，接收端可以把w2消掉，其接收信号变为y~b2=βαs+βαnb1+β(na+w3)+nb2.---(14)]]>同时，合法接收端相应的接收信干噪比此时，偷听端的接收信号为ye3=hAE,2hABβαs+hAE,2hAB(βα(w2+nb1)+β(na+w3))+ne3,---(15)]]>其中，是偷听端在第三阶段的加性高斯白噪声，均值为0，方差为hAE,2是偷听端在第三阶段的信道，由于，发送端并不知道偷听端的信道信息，所以这里的hAE,2与第一阶段的hAE不一定相同。由于偷听端不知道w2的值，在这个阶段它不能把w2消掉，从而会受到w2的损害。同时，偷听端接相应的接收信干噪比γe3。正是由于合法接收端在第二阶段反馈回去的人工噪声w2在第三阶段可以被它自己消掉，但是却不能被偷听端消掉，使得本发明可以设计合适的w2对偷听端造成足够大的损害，从而实现安全通信。具体的w2设计是通过满足下述公式来体现的。根据公式(3)和(14)可以得到合法接收端相应的接收信干噪比为γb1=σs2σw12+σb2,γb2=β2α2σs2β2α2σb2+β2(σa2+σw32)+σb2.---(16)]]>同样地，根据公式(4)、(10)和(15)可以得到偷听端的接收信噪比为γe1=|hAE|2|hAB|2σs2|hAE|2|hAB|2σw12+σe2,γe2=α2|hBE|2|hBA|2σs2α2|hBE|2|hBA|2(σw12+σw22+σb2)+σe2,γe3=β2α2|hAE,2|2|hAB|2σs2β2α2|hAE,2|2|hAB|2(σw22+σb2)+|hAE,2|2|hAB|2β2(σa2+σw32)+σe2.---(17)]]>由于发送端并不知道偷听端的信道信息，包括偷听端的高斯白噪声是多少也是不知道的。所以，本发明考虑一种对于合法用户来说最糟糕的情况，即于是，偷听端的接收信干噪比可以表示为γe1=σs2σw12,γe2=σs2σw12+σw22+σb2,γe3=α2σs2α2(σw22+σb2)+σa2+σw32.---(18)]]>假设合法接收端和偷听端都采用最大比合并接收机，则合法接收端和偷听端的容量分别为Cb(γ0,σw12,σw22)=13·Pno_out·log(1+γb1+γb2)=13·e-2γ0·log(1+σs2σw12+σb2+β2α2σs2β2α2σb2+β2σa2+σb2),---(19)]]>以及Ce(γ0,σw12,σw22)=13·Pno_out·log(1+γe1+γe2+γe3)=13·e-2γ0·log(1+σs2σw12+σs2σw12+σw22+σb2+α2σs2α2(σw22+σb2)+σa2),---(20)]]>其中，Pno_out是指在三个阶段里使用信道反转技术时没有发生中断的概率，其具体可以表示为这里只有第一二阶段的不中断概率相乘是因为第三阶段与第一阶段的信道是一样的，只要第一阶段能传输信号，则第三阶段一定可以传输。于是，可以得到在某一个固定的截断门限γ0下，系统的安全容量为Cs(γ0,σw12,σw22)=[Cb(γ0,σw12,σw22)-Ce(γ0,σw12,σw22)]+=13·e-2γ0·[log(1+γb1+γb2)-log(1+γe1+γe2+γe3)]+.---(21)]]>通过遍历所有可能的γ0,可以得到最大的安全容量为Cs=maxγ0,σw12,σw22Cs(γ0,σw12,σw22)s.t.γ0>0,0σw12Pa0(γ0),0σw22Pb0(γ0)---(22)]]>为了使得信息能够安全传输，则必须保证安全容量大于0。观察公式(21)可知，要使得安全容量大于0，则必须满足不失一般性，归一化合法接收端和发送端的加性高斯白噪声，即因此，上述条件可以表示为Pb0(γ0)Pα0(γ0)σs2(Pa0(γ0)+1)σw22+Pb0(γ0)(σw22-σw12)+2Pb0(γ0)Pa0(γ0)+Pa0(γ0)Pa0(γ0)+2Pa0(γ0)+Pb0(γ0)+1+σs2σw12+1>σs2σw12+σs2σw12+σw22+1+Pb0(γ0)σs2(Pb0(γ0)+1)σw22+Pa0(γ0)+Pb0(γ0)+1,---(23)]]>只要这个不等式成立，那么系统就可以实现安全传输。同时，这个式子给出了本发明中w2的具体设计思路。为了从理论上验证方案在实现安全方面的优越性，本发明进行了如下分析。不失一般性，假设发送端和合法接收端有相同的功率限制，即Pa＝Pb以及由于在给定γ0的情况下，和是常数，所以用一个统一的符号p来表示，即同时，假设第一阶段和第二阶段发送的人工噪声的方差是相同的，即第三阶段的人工噪声w3只是为了引入不确定性，所以可以考虑因此，上述的不等式的左边和右边可以分别表示为f(x)=p-xx+1+p2(p-x)(p+1)x+3p2+3p+1,h(x)=p-xx+p-x2x+1+p(p-x)(p+1)x+2p+1,---(1)]]>其中，x<p。由此，安全容量可以表示为Cs(γ0,x)=13·e-2γ0·log1+f(x)1+h(x).---(2)]]>从这个表达式可以得出，只要f(x)>h(x)，安全速率就可以大于0。f(x)>h(x)意味着发送的人工噪声足以保护需要保密的信息。极限的情况是，将几乎所有的可用功率用来充当人工噪声，并且这些人工噪声正好可以保护稍大于0的私密信号，即当x→p，时，Cs→0+。其中Cs→0+可以转换为即这个式子可以进一步写成limx→pf(x)-f(p)x-p=limx→ph(x)-h(p)x-p,---(3)]]>其中，f(p)＝h(p)＝0。根据导数的定义，上述公式可以写成f′(p)＝h′(p)，这里f′(p)和h′(p)分别表示f(x)和h(x)在x＝p处的导数。解方程f′(p)＝h′(p)，可以得出p＝p0＝5.913。这意味着，只要功率p>p0＝5.913，就存在人工噪声使得发送端和接收端可以安全通信。这个结果表明了本发明的优势，它意味着即使偷听端处于比合法接收端更有利的位置(例如偷听端离合法端更近)，没有天线优势，没有外部帮助者，只要有足够的发送功率，依然可以实现安全。而在传统的安全方案中，不借助天线优势或者外部帮助者，只要偷听端信道质量比合法接收端好，那么即使是功率为无穷大，也不能实现安全传输。为了从仿真上验证本发明在安全通信方面的效果，附图2，3，4给出了具体的仿真结果。附图2给出了安全容量随噪声功率所占总功率比例的变化。可以看出，选择合适的噪声功率可以使得安全容量大于0，并且可以使安全容量随着噪声功率占总功率的比例变化，当比例为0.6左右，安全容量达到最大。附图3给出了安全容量在不同的人工噪声功率下随发送功率的变化。显然，发送功率越大，安全容量越大，而且在高信噪比时几乎是线性增长。附图4给出了安全容量随截断门限变化的曲线。可以看到，随着截断门限的增加，安全容量先增大后减小。选择合适的门限，可以使得安全容量达到最大。综上，本发明克服了传统方案的缺点，在没有偷听端信道信息，没有天线优势，以及没有外部帮助者的情况下，依然可以实现安全通信。本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。当前第1页1 2 3