无线通信系统中利用星座转换提高用户信息安全性的方法
【专利摘要】本发明一种无线通信系统中利用星座转换提高用户信息安全性的方法，包括以下步骤：1)通过对实际传输符号进行相位旋转，使得实际传输符号所对应的星座图发生变化，完成星座转换；2)在星座转换的基础上，利用信息发送端和目标用户之间的信道，将与星座转换相关的信息发送到目标用户端，使得目标用户端能够恢复出星座转换前的符号，非目标用户端或窃听者不能恢复出该符号。针对通信过程中实际传输的符号，通过信息发送端利用角度旋转方法，在每一个传输符号上附加相位旋转角，传输符号所对应的星座图发生变化，完成了星座转换。使得目标用户顺利获取自身的信息，而非目标用户或窃听者会受到星座旋转的干扰从而降低了正确获取信息的概率。
【专利说明】
无线通信系统中利用星座转换提高用户信息安全性的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及无线通信领域，具体为无线通信系统中利用星座转换提高用户信息安 全性的方法。
【背景技术】
[0002] 随着通信技术的发展，无线通信已经成为实际生活中不可或缺的组成部分。在无 线通信系统中，信号通过开放的无线通信环境到达目的端，无需借助任何有线载体，因而大 大扩展了通信范围，提高了通信灵活性，并使得全球性通信成为可能。
[0003] 然而，开放的无线通信环境使得信号可以被很多设备截获，因此一个用户的信息 就存在被其他用户或窃听者窃听的可能。为解决这一问题，许多方案已经被提出。其中，基 于高层的加密技术可以有效对抗窃听，然而其保密性并没有被严格证明，并且还可能受到 外部攻击的影响。此外，也有许多物理层安全技术来解决这一问题。这些技术一般都以提高 安全速率作为目标，并假设通信中所发送的符号服从高斯分布。但是，在实际的传输过程 中，由于传输符号是以非高斯分布的星座点的方式发送的，因此上述技术所得到的安全速 率很难实现。在这种情况下，研究针对实际传输符号的安全方案就变得很有必要。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种无线通信系统中利用星座转换提高 用户信息安全性的方法，通过星座转换技术，可以使得目标用户顺利获取自身的信息，而非 目标用户或窃听者会受到星座旋转的干扰从而降低了正确获取信息的概率。
[0005] 本发明是通过以下技术方案来实现：
[0006]无线通信系统中利用星座转换提高用户信息安全性的方法，包括以下步骤：
[0007] 1)通过对实际传输符号进行相位旋转，使得实际传输符号所对应的星座图发生变 化，完成星座转换；
[0008] 2)在星座转换的基础上，利用信息发送端和目标用户之间的信道，将与星座转换 相关的信息发送到目标用户端，使得目标用户端能够恢复出星座转换前的符号，非目标用 户端或窃听者不能恢复出该符号。
[0009] 优选的，所述无线通信系统包括均配置单天线的信息发送端，目标用户，以及非目 标用户或窃听者;一个信息发送端服务一个目标用户，同时存在一个非目标用户或窃听者； 信息发送端和目标用户采用时分双工方式发送导频进行信道估计，并且他们估计的信道满 足信道互易性。
[0010] 进一步，步骤1)具体包括以下步骤：
[0011] la、选择一个星座图对目标用户需要的信息进行调制，并把调制后的符号作为待 传输的符号；
[0012] lb、对待传输的符号实施星座转换，将上述待传输的符号进行相位旋转后，待传输 的符号对应转换为另一个星座图中的一个点，完成对待传输的符号的星座转换。
[0013] 再进一步，步骤Ia中，采用相移键控法对目标用户需要的信息进行调制，并把调制 后的符号作为待传输的符号，记作，
[0014] Su(t)e Φμ-psk；
[0015] 式中，Su(t)表示在时刻t调制后待传输的符号，Φμ-psk表示M阶PSK星座点组成的集 合，即M-PSK星座图。
[0016] 再进一步，步骤Ib中，将上述待传输的符号，进行相位旋转，得到，
[0017]
[0018] 式中，Xu(t)表示在时刻t相位旋转后的符号，0u(t)表示对应于时刻t的相位旋转 角，j表示虚数单位，e表示自然指数的底数；
[0019] 相位旋转角为，
[0020] 其中，N表示一个正整数，并且满足N=kM，k表示正整数，P表示一个正整数，并且它 的值可以是1到N中的任意一个，经过这一相位旋转操作后，原符号&(〇转换为N阶PSK星座 图中的一个点，即，
[0021] Xu(t)e Φν-psk；
[0022] 其中，ΦΝ-PSK表示N阶PSK星座点组成的集合，即N-PSK星座图；就完成了对符号的星 座转换。
[0023] 再进一步，步骤2)具体包括以下步骤：
[0024] 2a、信息发送端对信道进行处理，信息发送端将获得信道重新排列为，
[0025]
[0026]其中，Hb表示一个KXK阶的方形矩阵，K表示该矩阵的行数或者列数，即一行或一 列中hb的个数，在得到上述矩阵之后，对该矩阵进行特征值分解得到，
[0027] Bb ： UsS6Uf;
[0028] 其中，Ub表示一个KXK阶的酉矩阵，Eb表示一个KXK阶的对角矩阵，H表示共辄转 置运算;在得到U b后，利用Ub传递与星座转换相关的信息；
[0029] 2b、传递与星座转换相关的信息时，需要传递的信息包括：
[0030]第一信息，实际的星座调制阶数M;
[0031]第二信息，相位旋转的方向，即顺时针或者逆时针；
[0032]第三信息，每个相位旋转角的值。
[0033] 再进一步，步骤2b中，首先定义数值1到N的一系列排列，并将这些排列编号；然后 从中选择若干排列，令P循环使用这些排列以确定它的值，并把所选排列的编号作为第三信 息中的信息;设计相应的信息携带机制为，
[0034] (%)re ^ (Ub)rc 'f h c e (L - -.; K j , it € Φ(?.}-{?};
[0035] 式中，（Ub)rc表示Ub的第r行第c列元素，it表示第一、二和三信息中所含的任意信 息；Φ⑴-⑶表示第一、二和三信息的信息集合，(知；^表示经过处理后的元素；
[0036] 通过上式处理，矩阵Ub转化为?>,，根据上述信息携带机制，定义定位向量gu，并将 其表示为，
[0037] (gu)v = a(v)+j · b(v),ve {1,. . . ,Lg}；
[0038] 式中，Lg表示向量的长度，a(v)和b(v)分别表示对应元素(?^的行号和列号;gW 录了所有携带信息的元素在岛,中的位置；
[0039] 在获得Tilf,和gu后，将〇;,，gu和N值以高功率传输出去，保证目标用户能够精确地 接收，从而目标用户能够构建H b，获得全部的相关信息;而非目标用户或窃听者未知hb，因此 无法处理和gu中所含的信息；
[0040] 在第一、二和三信息的传递过程后，信息发送端再将各时刻的符号Xu(t)发送出 去，目标用户能够恢复出s u(t)而非目标用户或窃听者无法恢复su(t)，从而提高了目标用户 信息安全性。
[0041] 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0042] 本发明主要针对通信过程中实际传输的符号，通过信息发送端利用角度旋转方 法，在每一个传输符号上附加相位旋转角。经过这一处理，传输符号所对应的星座图发生变 化，即完成了星座转换。在星座转换处理的基础上，本发明还设计了配套的机制，即信息发 送端和目标用户利用他们之间的信道，将与星座转换相关的信息从信息发送端发送到目标 用户端。
[0043] 由于本发明采取了相应的提高信息安全性的措施，目标用户可以根据所获得的信 息恢复出星座转换前的符号，而非目标用户或窃听者由于未知信息发送端和目标用户之间 的信道，所以不能恢复出该符号。这样，当非目标用户或窃听者试图通过接收符号解出目标 用户信息时，星座转换就会影响该用户或窃听者，使其正确解出信息的概率明显降低，从而 提高了目标用户信息的安全性。
【附图说明】
[0044] 图1为本发明实例中所述方法使用时的系统结构示意图。
[0045] 图2为本发明实例中采用本方法后目标用户和采用一次解调时非目标用户误符号 率的对比图。
[0046] 图3为本发明实例中采用本方法后目标用户和采用二次解调时非目标用户误符号 率的对比图。
【具体实施方式】
[0047] 下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而 不是限定。
[0048] 本发明提出的提高信息安全性的方法中，信息发送端利用角度旋转方法，在每一 个传输符号上附加相位旋转角。经过这一处理，传输符号所对应的星座图发生变化，即完成 了星座转换。在星座转换处理的基础上，本发明还设计了配套的机制，即信息发送端和目标 用户利用他们之间的信道，将与星座转换相关的信息从信息发送端发送到目标用户端。
[0049] 考虑无线通信场景，如图1所示，一个信息发送端服务一个目标用户，同时存在一 个非目标用户或窃听者。信息发送端，目标用户，以及非目标用户或窃听者均配置单天线。 信息发送端和目标用户采用时分双工(Time Division Duplex，TDD)方式，发送导频进行信 道估计，并且他们估计的信道满足信道互易性；即私,二M，其中hb表示信号发送端估计的信 道，hu表示目标用户估计的信道，表示共辄运算。
[0050] 在上述通信场景中，所述方法的技术手段为：
[0051] 1)通过对实际传输符号进行相位旋转，使得实际传输符号所对应的星座图发生变 化，即实现了星座转换；
[0052] 2)在星座转换的基础上，利用信息发送端和目标用户之间的信道将与星座转换相 关的信息发送到目标用户端，使得目标用户端可以恢复出星座转换前的符号，而非目标用 户端或窃听者不能恢复出该符号。
[0053]其中，步骤1)的执行过程如下：
[0054] (a)选择合适的星座图对目标用户需要的信息进行调制；
[0055] 实际中采用相移键控(Phase Shift Keying，PSK)法对目标用户需要的信息进行 调制，并把调制后的符号作为待传输的符号，记作
[0056] Su(t)e Φμ-psk
[0057] 式中，Su(t)表示在时亥Ijt调制后待传输的符号，"G"表示属于某个集合，ΦΜ- Ρ5Κ表 示M阶PSK星座点组成的集合，即M-PSK星座图。
[0058] (b)对待传输的符号实施星座转换；
[0059] 针对上述待传输的符号，进行相位旋转，得到，
[0060] Xu (t) - (t)
[0061 ]式中，xu (t)表示在时刻t相位旋转后的符号，0U (t)表示对应于时刻t的相位旋转 角，"j"表示虚数单位，"e"表示自然指数的底数。将相位旋转角设计为，
[0062] it) ^ {p- Nj N
[0063] 式中，"N"表示一个正整数，并且满足N = kM，即N为M的倍数（"k"表示正整数 表示一个正整数，并且它的值可以是1到N中的任意一个（{1，...，N}表示包含从1到N这N个 数的集合表示180°角对应的弧度值。经过这一相位旋转操作后，原符号&(〇转换为N 阶PSK星座图中的一个点，即
[0064] Xu(t)e Φν-psk
[0065] 式中，ΦΝ-PSK表示N阶PSK星座点组成的集合，即N-PSK星座图。这样就完成了对符号 的星座转换。
[0066] 在步骤1)的基础上，步骤2)的执行过程如下：
[0067] (a)信息发送端对信道进行处理
[0068] 信息发送端将获得信道重新排列为
[0069]
[0070]式中，Hb表示一个KXK阶的方形矩阵。"K"表示该矩阵的行数或者列数，即一行或 一列中hb的个数，并且"K"的具体数值可以根据需要进行调节。在得到上述矩阵之后，对该 矩阵进行特征值分解，可以写为，
[0071]
[0072] A〒，Ub衣不一TKXK阶的酉矩阵，Eb表示一个KXK阶的对角矩阵，"Η"表示共辄 转置运算。在得到Ub后，利用U b传递与星座转换相关的信息。
[0073] (b)传递与星座转换相关的信息 [0074]需要传递的信息包括：
[0075] (1)实际的星座调制阶数M;
[0076] (2)相位旋转的方向，即顺时针或者逆时针；
[0077] (3)每个相位旋转角的值。
[0078] 上述信息中每个相位旋转角的值无法直接传输。因此实际中首先定义数值1到N的 一系列排列，并将这些排列编号。然后从中选择若干排列，令"P"循环使用这些排列以确定 它的值，并把所选排列的编号作为(3)中的信息。基于这些信息，设计相应的信息携带机制 为
[0079] (%)?φ - (%)^: ' H-?\<； € {L · > - , ii } Λ € Φ(?}：~{；5)：
[0080] 式中，（Ub)rc表示Ub的第r行第C列元素，it表示（1)-(3)中所含的任意信息，Φ⑴-⑶ 表示（1)-(3)的信息集合，表示经过处理后的元素。上式表示从U b中选取若干个元素， 并将（1)-(3)中所含的信息以相乘的形式附加到相应元素上。通过这一处理，矩阵Ub转化为 tV。根据上述信息携带机制，定义定位向量gu，并将其表示为，
[0081] (gu)v = a(v)+j · b(v)，ve {1，· · ·，Lg}
[0082] 式中，"Lg"表示向量的长度，a(v)和b(v)分别表示对应元素的行号和列号。因 此，gu记录了所有携带信息的元素在Ufr中的位置。
[0083] 在获得了O jPgu后，将'0;),gu和N值以高功率传输出去，以保证目标用户精确地接 收到它们。在此基础上，由于目标用户也可以构建H b，所以可获得全部的相关信息。而非目 标用户或窃听者未知hb，因此无法处理OjPg u中所含的信息。在该信息传递过程后，信息发 送端再将各时刻的符号xu(t)发送出去，这样目标用户就可以恢复出&(〇而非目标用户或 窃听者无法恢复s u(t)，从而提高了目标用户信息安全性。
[0084] 下面给出上述方法的仿真及效果对比：
[0085] 仿真中的参数如下表所示
[0087] 此外，仿真中的信噪比为针对目标用户的发射信噪比，非目标用户或窃听者的位 置可以变化。非目标用户或窃听者还可以采取最大似然检测（maximum likelihood detection，MLD)的方法获取信号。
[0088] 图2中非目标用户直接采用16PSK解调接收到的符号。由于传输符号经过了星座旋 转，当采用错误的星座图解调时，得到的符号与原始的调制符号之间会产生很大差异。在这 种情况下，非目标用户会产生很大的误符号率。
[0089]与之相对，图3中非目标用户首先采用16PSK星座图解调出实际传输符号，然后利 用4PSK星座图降低星座旋转的影响。此时非目标用户的误符号率相对图2有所降低。然而， 由于实际传输中使用了若干有关"P"的排列，使得非目标用户很难获取精确的相位旋转信 息，如果非目标用户通过遍历搜素的方式获取信息，发送端可以适当调节传输符号的总数 使得这一遍历无法实现。此时，非目标用户只能采用随机选择的方式判定原始符号，这样也 会产生明显的符号错误。综上所述。本发明所提方法可提高目标用户信息的安全性。
【主权项】
1. 无线通信系统中利用星座转换提高用户信息安全性的方法，其特征在于，包括W下 步骤： 1) 通过对实际传输符号进行相位旋转，使得实际传输符号所对应的星座图发生变化， 完成星座转换； 2) 在星座转换的基础上，利用信息发送端和目标用户之间的信道，将与星座转换相关 的信息发送到目标用户端，使得目标用户端能够恢复出星座转换前的符号，非目标用户端 或窃听者不能恢复出该符号。2. 根据权利要求1所述的无线通信系统中利用星座转换提高用户信息安全性的方法， 其特征在于，所述无线通信系统包括均配置单天线的信息发送端，目标用户，W及非目标用 户或窃听者;一个信息发送端服务一个目标用户，同时存在一个非目标用户或窃听者;信息 发送端和目标用户采用时分双工方式发送导频进行信道估计，并且他们估计的信道满足信 道互易性。3. 根据权利要求2所述的无线通信系统中利用星座转换提高用户信息安全性的方法， 其特征在于，步骤1)具体包括W下步骤： la、 选择一个星座图对目标用户需要的信息进行调制，并把调制后的符号作为待传输 的符号； lb、 对待传输的符号实施星座转换，将上述待传输的符号进行相位旋转后，待传输的符 号对应转换为另一个星座图中的一个点，完成对待传输的符号的星座转换。4. 根据权利要求3所述的无线通信系统中利用星座转换提高用户信息安全性的方法， 其特征在于，步骤Ia中，采用相移键控法对目标用户需要的信息进行调制，并把调制后的符 号作为待传输的符号，记作， Su (t) G 巫 M-PSK ; 式中，Su ( t )表示在时刻t调制后待传输的符号，O M-PSK表示M阶PSK星座点组成的集合， 即M-PSK星座图。5. 根据权利要求4所述的无线通信系统中利用星座转换提高用户信息安全性的方法， 其特征在于，步骤化中，将上述待传输的符号，进行相位旋转，得到，式中，Xu(t)表示在时亥Ijt相位旋转后的符号，0u(t)表示对应于时刻t的相位旋转角，j表 示虚数单位，e表示自然指#的底#: 相位旋转角为其中，N表示一个正整数，并且满足N=kM，k表示正整数，P表示一个正整数，并且它的值 可W是1到N中的任意一个，经过运一相位旋转操作后，原符号su(t)转换为N阶PSK星座图中 的一个点，即， Xu (t) G 巫 N-PSK ; 其中，On-PSK表示N阶PSK星座点组成的集合，即N-PSK星座图；就完成了对符号的星座转 换。6. 根据权利要求5所述的无线通信系统中利用星座转换提高用户信息安全性的方法， 其特征在于，步骤2)具体包括W下步骤： 其中，Hb表示一个KX啡介的： 数或者列数，即一行或一列中hb 2a、信息发送端对信道进行处理，信息发送端将获得信道重新排列为，的个数，在得到上述矩阵之后，^ 引J， 其中，化表示一个KX啡介的酉矩阵，Eb表示一个KX即介的对角矩阵，H表示共辆转置运 算;在得到化后，利用化传递与星座转换相关的信息； 2b、传递与星座转换相关的信息时，需要传递的信息包括： 第一信息，实际的星座调制阶数M; 第二信息，相位旋转的方向，即顺时针或者逆时针； 第=信息，每个相位旋转角的值。7.根据权利要求6所述的无线通信系统中利用星座转换提高用户信息安全性的方法， 其特征在于，步骤化中，首先定义数值1到N的一系列排列，并将运些排列编号;然后从中选 择若干排列，令P循环使用运些排列W确定它的值，并把所选排列的编号作为第=信息中的 信息;设计相应的信息携带机制为， 贼)化碱))-<:、如C € 化一，'样 运艰(〇-'曲. 式中，（Ub)rc表示化的第r行第C列元素，it表示第一、二和S信息中所含的任意信息； O(I)-W表示第一、二和=信息的信息集合，(礙表示经过处理后的元素； 通过上式处理，矩阵化转化为朽&，根据上述信息携带机制，定义定位向量gu，并将其表示 为， (的)u = a(u)+j ? b(u)，uG {1，. . .，Lg}; 式中，Lg表示向量的长度，a(u)和b(u)分别表示对应元素悼6)，、。的行号和列号;gu记录了 所有携带信息的元素在污b中的位置； 在获得了 Ub和gu后，将好Mgu和N值W高功率传输出去，保证目标用户能够精确地接收， 从而目标用户能够构建化，获得全部的相关信息；而非目标用户或窃听者未知hb，因此无法 处理技6和gu中所含的信息； 在第一、二和=信息的传递过程后，信息发送端再将各时刻的符号Xu(t)发送出去，目标 用户能够恢复出Su(t)而非目标用户或窃听者无法恢复Su(t)，从而提高了目标用户信息安 全性。
【文档编号】H04W12/02GK105916139SQ201610459943
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月22日
【发明人】任品毅, 徐大同, 杜清河, 孙黎, 王熠晨
【申请人】西安交通大学