基于分布式空间调制的物理层安全传输方法
【技术领域】
[0001] 本本发明属于无线中继系统的物理层安全技术领域，具体涉及一种基于分布式空 间调制的物理层安全传输方法。
【背景技术】
[0002] 无线中继技术利用地理上分散的无线节点形成一种虚拟的多天线系统，获得空间 分集增益。放大转发协议和译码转发协议是无线中继系统中两种常用的协议。由于现有的 通信系统一般都是数字通信系统，译码转发协议得到了广泛的应用。译码转发中继传输包 括两个阶段：阶段1，源节点向中继广播自己的信息；阶段2,译码正确的中继将译码后的信 息重新编码调制并发给目的节点。由于无线传输的开放性，无线中继传输的阶段1和阶段 2都面临着被窃听的危险。
[0003] 空间调制技术是一种减少多天线系统信道间干扰的新技术。已有的多天线系统在 发射机和接收机处需配置多个射频链路，因此带来了较大的硬件开销和复杂度，增大了天 线之间同步的复杂度。空间调制技术每次只激活一个天线，因此只需要一个射频链路，避免 了上述的问题。采用空间调制，数据被分成两组发送，一组用来构成常用的信号星座，一组 用来选择特定的天线来进行此次传输。利用空间调制的概念，可以为分布式的多中继系统 设计分布式空间调制，并利用空间调制带来的传输链路变化，设计抵抗窃听的中继传输技 术。
[0004] 目前针对中继系统的空间调制技术的研宄处于起步阶段，国内学者将空移键控 (SpaceShiftKeying)技术与空间调制技术结合应用在双向中继系统中，但是该方法要求 中继节点的天线数不小于源节点的天线数。国外学者提出一种利用坐标交织编码的空间 调制技术，但是方法只适用于中继节点具有2个天线的情况，而且没有利用发射天线序号 承载信息，因此并不是真正意义上的空间调制技术。针对中继系统的物理层安全问题，现有 方法主要分为波束赋形和人工干扰。这些方法要么需要知道窃听节点的信道信息，而实际 中窃听节点的信道是很难获得的；要么需要有专门的节点发射干扰，导致额外的系统开销。 本发明首次为单天线的多中继系统提出分布式空间调制技术，并基于该技术提出一种抵抗 窃听的物理物理层安全传输技术，该技术不需要知道窃听节点的信道信息或额外的干扰功 率。
【发明内容】
[0005] 针对上述缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种基于分布式空间调制的物理层 安全传输方法，能够保证目的节点成功解码的同时使得窃听节点不能正确译码，达到防止 窃听的目的。
[0006] 为达到以上目的，本发明的技术方案为：
[0007] 包括以下步骤：
[0008] 1)对每个中继进行编号，然后中继向源节点发送训练序列，以使得源节点根据中 继发送的训练符号估计出自己与中继之间的第一信道信息；同时，中继接收目的节点发送 的训练序列，并根据目的节点发送的训练符号估计出自己到目的节点的第二信道信息；
[0009] 2)源节点将源信息比特除以第一信道信息，得到发送信号，然后再将包含第一信 道信息的发送信号发送给中继；
[0010] 3)激活中继对接收到的信号成功进行解码，将解码后的信号除以第二信道信息， 然后再将包含第二信道信息的信号发送到目的节点；
[0011] 4)目的节点对接收到的信号进行解码，得到源信息比特。
[0012] 所述步骤2)具体包括：
[0013] 在第k次传输的阶段1，源节点首先将待发送的比特随机分成两组，设每次传输 bt个比特的信息，b t=bs+b,，其中bs是用来进行调制的信息比特，设采用的星座为A，经调 制后得到的调制符号为s k，\是空间调制比特，用来选择激活中继，对于K个中继的系统， = [.Iog2 Kj,其中卜j表示向下取整；
[0014] 第k次传输，设激活中继序号为tk，发送调制符号为sk，对调制符号进行如下处理 得到发射符号：xk= s k/hsA，其中hsA是源节点和激活中继之间的信道系数，则任意中继t i 及窃听节点接收到的信息分别为：
[0017] 其中，匕是源节点的发射功率，hsH是源到中继、的信道系数，hes是源到窃听节点 的信道系数，ndPn el分别是中继ti和窃听节点处的高斯白噪声，均值为0,方差为O 2。
[0018] 所述星座为A为PSK或QAM。
[0019] 所述步骤3)具体为：
[0020] 3.1)激活中继1对接收信号式进行解码，解码如下：
[0022] 3. 2)激活中继tk将正确解码的比特重新进行调制，采用星座A，得到调制符号c k， 然后利用自己到目的节点的信道产生发送符号Xrit= c k/^dk，这样目的节点和窃听节点接收 的符号分别为：
[0025] 由上式可见，目的节点能对调制信息进行解码，解码如下：
[0027] 与现有技术比较，本发明的有益效果为：
[0028] 本发明提供了一种基于分布式空间调制的物理层安全传输方法，针对存在窃听节 点的多中继系统，基于分布式空间调制的概念，在不同的中继序号上传输部分源信息比特， 利用：（1)授权节点和目的节点的信道信息不对称性；（2)两次传输中源信息比特的统计独 立性，设计物理层安全传输技术，使得目的节点能够完全解码源节点的信息，而窃听节点不 能对源节点信息进行正确解码，降低了信息被窃听的概率，保护了信息传输的安全性。
【附图说明】
[0029] 图1是本发明的性能及信道估计误差对本方法的性能影响示意图；
[0030] 图2是本发明与中继协作干扰方法的性能比较示意图；
[0031] 图3是本发明的流程框图。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合附图对本发明做详细描述。
[0033] 本发明具体提供了一种基于分布式空间调制的物理层安全传输方法。考虑具有一 个源节点S，K个中继节点，一个目的节点及一个窃听节点E的无线中继网络，假设所有节点 有单个天线，且不能同时进行收发。每对节点之间的链路是瑞利块衰落信道。每个信道相 干时间的间隔里，各节点首先进行部分信道信息估计，然后再进行中继传输。阶段1和阶段 2的信息都有可能被窃听节点窃听。现有的方法通常只能保证阶段2的安全性，本发明所提 供的方案能同时保证阶段1和阶段2的安全性。具体传输过程描述如下：
[0034] 1)对每个中继进行编号，然后中继向源节点发送训练序列，以使得源节点根据中 继发送的训练符号估计出自己与中继之间的第一信道信息；同时，中继接收目的节点发送 的训练序列，并根据目的节点发送的训练符号估计出自己到目的节点的第二信道信息；
[0035] 首先，将所有中继编号，每个中继知道自己的编号。在中继传输之前，中继和目的 节点分别发送训练序列，源节点根据中继的训练符号能估计出自己与中继之间的信道信 息，中继根据目的节点发送的训练符号能估计出自己到目的节点的信道信息。窃听节点也 能分别利用中继和目的节点的训练符号估计出自己与中继及自己与目的节点的信道信息。 但是窃听节点无法获得源到中继及中继到目的节点的信道信息。
[0036] 2)源节点将源信息比特除以第一信道信息，得到发送信号，然后再将包含第一信 道信息的发送信号发送给中继；
[0037] 中继传输过程开始，源节点先把信息比特随机分成两组，第一组采用传统的调制 方式产生发送的符号，第二组用来空间调制。第二组比特确定由哪个中继参与转发，因此这 组的比特个数为= [Iog2Kj,其中U表示向下取整。传统多天线的空间调制技术每次传 输只激活一个天线，激活天线的序号用来传递信息。因此，类似于多天线的空间调制技术， 这里的中继系统每次传输只激活一个中继，中继序号传递源信息，即第二组比特。我们称这 种技术为分布式空间调制技术。
[0038] 源节点知道每次激活的中继序号，且知道所有中继到自己的信道信息。阶段1，源 节点先将发送符号除以自己到激活中继的信道，然后再将包含信道信息的符号发送出去； 阶段2,所有中继对接收到的信号进行解码，由于中继并不知道源节点到自己的信道信息， 只有被源节点信息选中的中继能够正确解码。利用CRC校验或信道编码检错，被源节点选 中的中继正确解码后知道自己将作为激活中继参与阶段2的转发。窃听节点不知道源节点 到自己的信道信息，并且对于它而言，每次接收到的调制信号经历了独立的等效信道衰落， 因此它不能对阶段1传输的信息进行正确解码。所述星座为A为PSK或QAM
[0039] 所述步骤2)具体包括：
[0040] 在第k次传输的阶段1，源节点首先将待发送的比特分成两