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

技术特征：

1.一种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，其特征在于，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x_a1，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的第一阶段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x_b，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y_a，发送端可以把带有方差为的人工噪声w₁消掉；偷听端收到在第二阶段信号y_e2，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γ_e2；

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γ_e3；

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。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一阶段中，当信道系数|h_AB|²大于截断门限γ₀时,发送端使用信道反转技术发送信号:

x_a1＝(s+w₁)/h_AB

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h_AB是发送端到接收端的信道。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，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，P_a为发送端瞬时的发送功率限制，为求取1/|h_AB|²的平均值，其中p(x)是信道系数|h_AB|²的概率密度函数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一阶段中，合法接收端接收到第一阶段信息：

$y_{b_1}=h_{AB}{x}_{a1}+n_{b1}=h_{AB}\·\frac{1}{h_{AB}}(s+w_1)+n_{b1}=s+w_1+n_{b1}$

其中，h_AB为发送端到接收端的信道，为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

偷听端接收到第一阶段信息：

$y_{e_1}=h_{AE}{x}_{a1}+n_{e1}=h_{AE}\·\frac{1}{h_{AB}}(s+w_1)+n_{e1}=\frac{h_{AE}}{h_{AB}}s+\frac{h_{AE}}{h_{AB}}{w}_1+n_{e1}$

其中，h_AE是发送端到偷听端的信道，n_e1是偷听端在第一阶段的加性高斯白噪声，均值为0，方差为

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二阶段中，在信道系数满足条件|h_BA|²＞γ₀时，向发送端反馈信号：

$x_b=\mathrm{\α}\·(y_{b_1}+w_2)/h_{BA}$

α是为了保证反馈信号满足功率限制系数，表示为：

其中，为需要保密的信息的方差，P_b为发送端瞬时的发送功率限制，为发送信号功率限制，为求取1/|h_BA|²的平均值，其中q(x)是信道系数|h_BA|²的概率密度函数。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二阶段中，发送端接在第二阶段收到的反馈信号为

$y_a=\mathrm{\α}(s+w_1+w_2+n_{b_1})+n_a$

其中，n_a是发送端的加性高斯白噪声，均值为0，方差为α为满足功率限制的系数，表示为：

其中，为需要保密的信息的方差，为接收端的加性高斯白噪声的方差值，为求取1/|h_AB|²的平均值，其中p(x)是信道系数|h_AB|²的概率密度函数；

发送端可以把w₁消掉，消掉w₁后的接收信号为

${\tilde{y}}_a=\mathrm{\α}s+\mathrm{\α}(w_2+n_{b_1})+n_a$

但是，偷听端在第二阶段收到的信号y_e2，偷听端不能把带有的人工噪声w₁消掉；偷听端收到第二阶段信号y_e2为

$y_{e2}=\mathrm{\α}\frac{h_{BE}}{h_{BA}}s+\mathrm{\α}\frac{h_{BE}}{h_{BA}}(w_1+n_{b_1}+w_2)+n_{e_2}$

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h_BE是接收端到偷听端的信道，为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

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第三阶段中，当信道系数满足|h_AB|²＞γ₀时，发送信号：

$x_{a_2}=\mathrm{\β}({\tilde{y}}_a+w_3)/h_{AB}$

其中，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系数，表示为：

其中，为需要保密的信息的方差，为求取1/|h_AB|²的平均值，其中p(x)是信道系数|h_AB|²的概率密度函数。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第三阶段中，合法接收端收到的第二阶段信号为

$y_{b_2}=\mathrm{\β}\mathrm{\α}s+\mathrm{\β}\mathrm{\α}(w_2+n_{b_1})+\mathrm{\β}(n_a+w_3)+n_{b_2}$

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，方差为接收端接收信号变为

${\tilde{y}}_{b2}=\mathrm{\β}\mathrm{\α}s+{\mathrm{\β\αn}}_{b_1}+\mathrm{\β}(n_a+w_3)+n_{b_2}$

此时，偷听端的接收第三阶段信号为

$y_{e_3}=\frac{h_{AE,2}}{h_{AB}}\mathrm{\β}\mathrm{\α}s+\frac{h_{AE,2}}{h_{AB}}\left(\mathrm{\β}\mathrm{\α}\right(w_2+n_{b_1})+\mathrm{\β}(n_a+w_3\left)\right)+n_{e_3}$

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h_AE,2是偷听端在第三阶段的信道。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在第一、三阶段的合法接收端相应的接收信干噪比为：

${\mathrm{\γ}}_{b_1}=\frac{{\mathrm{\σ}}_s^2}{{\mathrm{\σ}}_{w_1}^2+{\mathrm{\σ}}_b^2},{\mathrm{\γ}}_{b_2}=\frac{{\mathrm{\β}}^2{\mathrm{\α}}^2{\mathrm{\σ}}_s^2}{{\mathrm{\β}}^2{\mathrm{\α}}^2{\mathrm{\σ}}_b^2+{\mathrm{\β}}^2({\mathrm{\σ}}_a^2+{\mathrm{\σ}}_{w_3}^2)+{\mathrm{\σ}}_b^2}$

在第一、二、三阶段偷听端的高斯白噪声时，偷听端接收信干噪比为

${\mathrm{\γ}}_{e_1}=\frac{{\mathrm{\σ}}_s^2}{{\mathrm{\σ}}_{w_1}^2},{\mathrm{\γ}}_{e_2}=\frac{{\mathrm{\σ}}_s^2}{{\mathrm{\σ}}_{w_1}^2+{\mathrm{\σ}}_{w_2}^2+{\mathrm{\σ}}_b^2},{\mathrm{\γ}}_{e_3}=\frac{{\mathrm{\α}}^2{\mathrm{\σ}}_s^2}{{\mathrm{\α}}^2({\mathrm{\σ}}_{w_2}^2+{\mathrm{\σ}}_b^2)+{\mathrm{\σ}}_a^2+{\mathrm{\σ}}_{w_3}^2}$

其中，为需要保密的信息的方差，为发送端的加性高斯白噪声的方差，为合法接收端在第一阶段的加性高斯白噪声的方差，α是为保证反馈信号满足功率限制系数，β是为保证发送信号满足功率限制系数。