无线网络中基于多径衰落频率选择特性的安全传输方法与流程

本发明涉及无线网络中的安全传输领域，尤其涉及无线网络中基于多径衰落频率选择特性的安全传输方法。

背景技术：

由于无线信道脆弱性的特点，安全无线通信已成为一个热点研究课题。在过去十年里，基于信息论概念和信号处理的物理层安全吸引了人们的巨大兴趣。物理层的安全传输方法是无线通信的一个重要特征，因为物理层安全传输方法应用的是信息论的安全性理论而不是依靠更高层的加密方法。高层加密方法很大程度上依赖于关于数学问题计算强度的假设。然而，无线媒介的开放性和计算能力的提升使得无线通信在窃听面前显得更为脆弱。

Shannon在文献中提出了完美保密性的概念，一个完美的密码只有当密码和纯文本信息一样长的时候才能实现完美的保密性。因此基于这样的假设，所有的使用密码形式的加密方式在理论上的是能被破解的。

Wayner提出了窃听信道的概念，实现了几乎完美的保密性。主信道(合法接收者信道)假设是离散无记忆信道，而窃听信道(窃听者信道)假设是主信道的退化版本。Later提出如果主信道和窃听信道都是加性高斯白噪声信道(AWGN)，保密容量就是合法信道与窃听信道在信道容量的差值。目前为止，物理层安全问题已被大范围研究，以改善无线媒介的保密容量。包括：高斯广播信道下的安全通信,SISO衰落信道安全通信。低密度的奇偶校验码在文献中被提出用于窃听信道的问题。然而，这些方案中大多数都是基于一些不现实的假设：例如窃听者信道比合法信道更糟糕，或者是窃听者不知道主信道。在文献中Negi和Goel提出了人工噪声用于MIMO系统的概念。人工噪声辅助方法的目标是通过产生干扰信号确保安全通信，该干扰信号能退化窃听者信道而对预期的接收者信道几乎没有影响。

人工噪声辅助方法用于MIMO/MISO系统已获得了大量的关注，因为该方法中没有做出任何不现实的假定。发射机分配用于信号传输的功率中的一部分用于产生干扰信号，该干扰信号能退化窃听者信道。

然而，现实中人在存在大量的不具备多天线或配置复杂协议的简单网络节点，如何实现这些单天线网络节点间的安全传输，是一个亟待解决的问题。受人工噪声辅助方法的启发，Yang和Jiao改进了人工噪声辅助方法用于多径衰落信道下的SISO系统。他们提出如果发射者知道合法接收者的信道状态信息CSI，发射者就能产生一个能减少合法接收者处码间干扰(ISI)的信号，并且该信号在窃听者处以随机噪声的形式呈现。然而，如果窃听者也知道主信道的CSI，该方案就不再有效。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供无线网络中基于多径衰落频率选择特性的安全传输方法，针对单输入单输出(SISO)无线网络系统，本发明方法是基于多径衰落频率选择特性的、保密性独立于信道状态信息(CSI)的保密性的安全传输方法，以解决现有无线物理层安全传输技术无法直接适用于单输入单输出(SISO)无线网络系统，或者实现的保密性无法独立于信道的状态信息(CSI)的保密性的问题。

为达到以上目的，本发明是采用如下技术方案予以实现的：包括以下步骤：

步骤1，发射节点计算出其与目的接收节点之间的多径衰落频率选择特性信道的信道信息h_AB，并获取目的接收节点处的离散时间K抽头数的匹配滤波器的序列信息q，以及采样判决决策信息：每个信息承载符号的采样点数R_s，并利用h_AB、q和R_s生成基于信道状态信息的人工噪声w；

步骤2，发射节点对一帧待传输的保密信号矢量进行增采样，得到增采样信号s，在增采样信号中注入步骤1生成的人工噪声w形成混合发射信号x；

步骤3，目的接收节点完成对混合发射信号的接收，并进行匹配滤波处理，得到滤波信号z_AB；

步骤4，目的接收节点对滤波信号z_AB进行减采样处理，输出保密信号；

步骤5：重复步骤1至步骤4，完成无线网络中基于多径衰落频率选择特性的安全传输。

进一步地，发射节点和目的接收节点均为单天线节点。

进一步地，步骤1中，多径衰落频率选择特性信道的信道信息h_AB＝[h₀,h₁,…,h_L]，其矩阵形式为H_AB；序列信息q＝[q₀,q₁,…,q_K]^T，其矩阵形式为Q；R_s的矩阵形式为S；其中：

其中，L表示多径衰落频率选择特性信道的多径数；K表示离散时间匹配滤波器的抽头数；矩阵S的第m×R_s+1行对角线元素为1，其余元素全为0，m＝0,1,...,M，M为待传输的保密信号矢量中信息承载符号的个数。

进一步地，步骤1中人工噪声w的生成具体包括：利用h_AB、q和R_s构建信道信息矩阵Γ_AB＝SQH_AB，并设计出安全传输所采用的位于信道信息矩阵Γ_AB零空间的人工噪声矢量w＝Zu，其中Z为信道信息矩阵Γ_AB的零空间的标准正交基，u为独立同分布的复高斯随机变量矢量，矢量的每一个复高斯变量元素的均值为0，方差为

进一步地，步骤2具体包括：发射节点将一帧由M个信息承载符号组成的保密信号矢量增采样，得到N维的增采样信号s＝[s₁,s₂,…,s_N]^T，其中有N＝MR_s，R_s为每符号的采样点数，并注入由步骤1中w＝Zu生成的N维人工噪声矢量w＝[w₁,w₂,…,w_N]^T，生成混合发射信号x＝s+w。

进一步地，步骤3中目的接收节点接收到的混合发射信号为y_AB＝h_AB*x+v_B，其中v_B为目的接收节点处的加性高斯白噪声；匹配滤波处理后滤波器输出的滤波信号z_AB＝q*y_AB。

进一步地，步骤4具体包括，目的接收节点对滤波信号z_AB进行减采样，采样判决输出为其中Γ_AB是利用h_AB、q和R_s构建的信道信息矩阵，是单天线目的接收节点采样输出端的带限高斯白噪声成分。

与现有技术中已有物理层安全传输方案相比，本发明的优点在于：

1、本发明在安全传输方案设计上，考虑并利用无线信道多径衰落的频率选择特性信息设计一种在目的接收节点处采样判决时刻为0的人工噪声，并将生成的人工噪声加扰到待传输的保密信号以形成噪声信号；目的接收节点完成对发射信号的接收，并将接收信号进行匹配滤波、减采样判决，最后输出无人工噪声影响的保密信号；由于人工噪声是基于主信道的信道信息生成的，在经过主信道传输和匹配滤波处理后在采样判决输出时刻输出为0，而在窃听节点处经过窃听信道的传输和同样的匹配滤波处理后在采样判决时刻输出不为0，退化了窃听者信道，保证安全传输；

2、在适用场合上，适用于现实中大量存在的未配置多天线的或复杂协议的简单无线网络节点组成单输入单输出(SISO)通信系统，本发明无线安全传输方案所要求的硬件设备简单；

3、在保密信息安全传输保障上，本发明仅利用到了发射节点到目的接收节点之间的信道状态信息(CSI)，无需在双方之间进行复杂的协同、反馈或共享等操作，系统的资源消耗低，传输效率高；

4、在安全传输保密性的独立上，本发明虽然利用了发射节点到目的节点之间的信道状态信息(CSI)，但是安全方案的保密性独立于信道状态信息(CSI)的保密性，有效的增强了该安全传输方案的安全性。

【附图说明】

图1(a)为本发明的传输系统模型。图中节点Alice为单天线发射节点，节点Bob为单天线目的接收节点，节点Eve为单天线无源窃听节点。

图1(b)是本发明的流程图。

图2为不同人工噪声功率下的接收节点和窃听节点的误码率对比图。

图3为无线信道不同多径数(L)，L≥2下的接收节点与窃听节点的误码率对比图。

图4为不同增采样速率(采样数/每符号)下的单天线目的接收节点与窃听节点的误码率对比图。

【具体实施方式】

以下结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

本发明为无线网络中基于多径衰落频率选择特性的安全传输方法，包括以下步骤:

首先，单天线发射节点估计出其与合法单天线目的接收节点之间无线信道的频率选择特性信息，并利用这些信道信息设计生成基于信道状态信息的人工噪声；

然后，单天线发射节点对一帧待传输的保密信号矢量进行增采样得到并注入上述生成的人工噪声形成混合发射信号；

其次，单天线目的接收节点完成对混合发射信号的接收；

最后，单天线目的接收节点对接收的混合信号进行匹配滤波、减采样等处理，在采样输出端输出准确的保密信号。

以下对本发明的单天线目的接收节点Bob和窃听节点Eve分别接收发射节点Alice发出的信号进行说明，参见图1(a)所示传输系统模型以及图1(b)，具体步骤包括：

步骤1，在保密信息传输开启之前，单天线发射节点Alice首先通过无差错信道的反馈信息计算出其到单天线目的接收节点Bob之间的多径衰落频率选择特性信道的信道信息h_AB＝[h₀,h₁,…,h_L]，其矩阵形式H_AB，L表示多径衰落频率选择特性信道的多径数；获取单天线目的接收节点Bob处的离散时间K抽头数的匹配滤波器的序列信息q＝[q₀,q₁,…,q_K]^T，其矩阵形式Q，K表示离散时间匹配滤波器的抽头数；以及采样判决决策信息：每个信息承载符号的采样点数R_s，其矩阵形式S，矩阵S的第m×R_s+1行对角线元素为1，其余元素全为0，m＝0,1,...,M，M为待传输的保密信号矢量中信息承载符号的个数；利用这些信道信息构建信道信息矩阵Γ_AB＝SQH_AB，并设计出安全传输所采用的位于信道信息矩阵Γ_AB零空间的人工噪声矢量w＝Zu，其中Z为信道信息矩阵Γ_AB的零空间的标准正交基，u为独立同分布的复高斯随机变量矢量，矢量的每一个复高斯变量元素的均值为0，方差为从而有Γ_ABw＝0；在每一帧信息传输中Γ_AB随信道衰落信息H_AB变化，生成的人工噪声w也相应改变；

步骤2，将原始信号调制成由M个信息承载符号组成的保密信号矢量后，单天线发射节点Alice在脉冲成形滤波器输出端将一帧已调制的保密信号矢量增采样为N维信息矢量s＝[s₁,s₂,…,s_N]^T，其中有N＝MR_s，R_s为每个信息承载符号的采样点数，之后注入由步骤1中w＝Zu生成的N维人工噪声矢量w＝[w₁,w₂,…,w_N]^T，生成用于传输的混合发射信号矢量x＝s+w，并执行信号发射之前的准备工作；

步骤3，单天线目的接收节点Bob和窃听节点Eve分别完成对发射节点Alice发出的混合发射信号的接收：单天线目的接收节点Bob接收到的信号为y_AB＝h_AB*x+v_B，写成卷积形式为：接收混合信号的每一项为相应的矩阵形式为y_AB＝H_ABx+v_B，其中h_AB(矩阵形式H_AB)为Alice到Bob之间的多径衰落频率选择特性信道的信道信息，v_B为接收点Bob处的加性高斯白噪声；对应地，窃听节点Eve处接收到的信号为y_AE＝h_AE*x+v_E，写成卷积形式为：接收混合信号的每一项为相应的矩阵形式为y_AE＝H_AEx+v_E，其中h_AE(矩阵形式H_AE)为Alice到Eve间的多径衰落频率选择特性信道的信道信息，v_E为窃听点Eve处的加性高斯白噪声；

步骤4，单天线目的接收节点Bob和窃听节点Eve分别对接收到的信号做匹配滤波处理，滤波器输出为z＝q*y，单天线目的接收节点和窃听节点分别为z_AB＝q*y_AB,z_AE＝q*y_AE,卷积形式分别为相应的矩阵形式为z_AB＝Q[H_ABx+v_B]，z_AE＝Q[H_AEx+v_E]，其中q＝[q₀,q₁,…,q_k]^T(矩阵形式Q)表示一个离散时间K抽头数的匹配滤波器的序列信息，假设合法的单天线目的接收节点Bob和窃听节点Eve都采用相同的匹配滤波器；

步骤5，单天线目的接收节点Bob和窃听节点Eve分别在匹配滤波器的输出端对匹配滤波器的输出结果进行减采样，采样判决输出为单天线目的接收节点和窃听节点分别为相应的矩阵形式：

$z_{s,b}=SQ\[H_{AB}x+v_{AB}\]={\mathrm{\Γ}}_{AB}x+{\tilde{v}}_b={\mathrm{\Γ}}_{AB}s+{\tilde{v}}_b,$

$z_{s,e}=SQ\[H_{AE}x+v_{AE}\]={\mathrm{\Γ}}_{AE}x+{\tilde{v}}_e={\mathrm{\Γ}}_{AE}s+{\mathrm{\Γ}}_{AE}w+{\tilde{v}}_e,$

其中z[i]为步骤4中的滤波器输出矢量z的第i个符号，δ为单位冲击函数，[i-mR_s]为δ的变量；参数R_s与步骤2中的每个信息承载符号采样点数相同，z_s[i]为采样输出结果矢量z_s的第i个符号；即z_AB[i]为滤波信号z_AB的第i个符号，z_s,B[i]为采样判决输出结果z_s,B的第i个符号。是单天线目的接收节点采样输出端的带限高斯白噪声成分，是窃听节点采样输出端的带限高斯白噪声成分；接收机在采样判决后对输出信号完成均衡、解调等处理，并进行最大似然检测判决得到保密信号至此，完成一帧保密信息的传输；

步骤6，当进行到下一帧保密信号的传输阶段时，系统自动重复上述步骤1到步骤5中的安全传输步骤。

上述步骤5中，合法单天线目的接收节点Bob处检测判决输入的信号为利用最大似然检测等方法，能够从z_s,b中准确地估计出保密信号而另一方面，由于发射节点Alice到窃听节点Eve的信道信息矩阵H_AE与主信道信息矩阵H_AB的不同，造成Γ_AEw≠0，在窃听节点接收端呈现为加扰噪声形式，从而退化了窃听信道，使窃听者无法正确估计出保密信息引起误码率的大幅增加。

以16-QAM调制方式的无线通信系统为例，图2，3，4分别描述了不同场景下合法接收者与窃听者的误码率(BER)对比图，定量展示了本发明在保障无线网络中单输入单输出(SISO)系统进行安全传输的功效。

图2为不同人工噪声功率下合法接收者与窃听者的误码率(BER)的曲线对比图。考虑到发射机在实际场景中的功率控制，人工噪声功率从0.1×E_s变化到E_s，即0.1倍调制信号功率到1倍调制信号功率。可以看到窃听者Eve的误码率随人工噪声的功率增加趋向于增加，而合法接收者Bob的误码率不受人工噪声功率的影响并保持不变。这些误码率结果是在Bob和Eve处于某一相同的平均信噪比(信号功率/高斯白噪声)条件下取得的，分别是18dB、22dB和26dB。

图3为不同多径数(L)下合法接收者与窃听者的误码率曲线对比图。可以看到被认为是通信系统的祸害之源的多径衰落频率选择特性能被利用为无线通信提供安全性。实线是合法接收者Bob的误码率曲线，虚线是窃听者Eve的误码率曲线。误码率结果是在Bob和Eve处于同一的平均信噪比条件下取得的，本例中平均信号噪比选择是26dB，人工噪声的功率同样是从0.1×E_s变化到E_s。

图4为发射端脉冲成形滤波器处每符号不同的采样数下合法接收者与窃听者的误码率曲线对比图。可以看到窃听者Eve的误码率随着采样数/每符号的增加而上升，而合法接收Bob的误码率保持不变。然而，在系统保密性能和复杂度之间有一个折衷。系统保密性能和系统复杂度都依赖于每符号的采样数，因此在两者之间需要选择一个最佳的平衡点。图中误码率的结果在Bob和Eve处于同一的信噪比条件下得到，本例中平均信号噪比选择是26dB，同时人工噪声功率选择的是0.5×E_s。

本发明针对单输入单输出(SISO)无线网络系统，提出一种基于多径衰落频率选择特性的、保密性独立于信道状态信息(CSI)的保密性的安全传输方法，以解决现有无线物理层安全传输技术无法直接适用于单输入单输出(SISO)无线网络系统，或者实现的保密性无法独立于信道的状态信息(CSI)的保密性的问题。

本发明中单天线发射节点利用主信道的多径衰落频率选择特性信息，设计一种在合法单天线目的接收节点处采样判决时刻为0的人工噪声，并将生成的人工噪声加扰到待传输的保密信号以形成噪声信号；单天线目的接收节点完成对发射信号的接收，并将接收信号进行匹配滤波、减采样判决，最后输出无人工噪声影响的保密信号。由于人工噪声是基于主信道的信道信息生成的，在经过主信道传输和匹配滤波处理后在采样判决输出时刻输出为0。而在窃听节点处经过窃听信道的传输和同样的匹配滤波处理后在采样判决时刻输出不为0，退化了窃听者信道。从而最终有效保障了多径衰落信道下的单输入单输出(SISO)系统的安全传输。