专利名称：无线通信中的物理层安全传输方法
技术领域：
本发明涉及无线通信系统，特别涉及一种无线通信系统中的物理层安全传输方 法。
背景技术：
近年来，各种无线通信技术层出不穷，这些技术的出现使计算机、手机等终端设备 具有移动接入的能力，解决了传统有线接入的连线制约，为用户提供了各种高效高速的接 入方案。随着无线通信系统支持的数据传输速率的不断提高，无线用户规模不断扩大，无线 通信系统在很多方面逐步取代传统有线通信系统已经成为通信发展的必然趋势。同时，随 着无线通信在民用方面的广泛普及，涉及商业机密的无线通信安全问题变得越来越重要。在无线通信系统中，由于电磁信号传播的广播特性和无线信道的开放性，信号通 过无线电波在空间中任意传播，失去了“有线”的束缚，使得任意处于覆盖范围内的接收机 都可以不用任何连线便能接收到发射机所发射的信息，通信信息极易被期望用户以外的其 他用户获取。从这种意义上说，无线通信系统比传统有线通信系统具有更大的安全隐患，如 何防止信息的无线泄露，保障无线通信的安全性也就更加重要。在2007 年 5 月 JOURNAL OF COMMUNICATIONS, VOL. 2，NO. 3 上发表的题为 "Using Antenna Array Redundancy and Channel Diversity for Secureffireless Transmissions”的文章中提出一种利用天线阵列冗余，对发射信号进行随机加权的无线安 全传输方法。加权系数W的设计准则为HhW= | |H| |，其中H为发射端到期望接收用户的信 道。在此准则下，随机选择服从某一分布的W，使得在期望用户端可以对接收信号直接使用 最大似然译码获取信息。由于发射端到窃听用户的信道不同于期望用户信道，随机变化的 W会对窃听用户接收到的信号星座图随机置乱，使得其无法从凌乱的接收星座图获取信息， 从而保证了安全传输。然而，这种随机加权方法的主要问题是功率利用率太低，这是因为阵 列加权系数的随机化造成发射信号功率在空间的过度分散，最终导致到达期望用户的信号 功率不够，降低了期望用户的通信质量。
发明内容
本发明针对上述随机加权系数的设计造成功率利用率过低的问题，提出一种随机 选择发射天线的无线物理层安全传输方法，该方法使得基站发出的信号在期望用户处始终 同相叠加以得到最高的发射增益，功率利用率非常高；对于窃听用户来说，无法有效地解调 信息，从而达到安全通信的目的。为达到以上目的，本发明是采用如下技术方案予以实现的—种无线通信中的物理层安全传输方法，采用的通信系统模型为一套多天线基站 和一个单天线移动端作为期望通信对，另一个多天线移动端作为窃听用户，其特征在于，包 括如下步骤a)单天线期望用户首先向基站发送未加密的请求信息，该请求信息同时包含用于信道估计的导频序列，导频序列是收发双方都已知的符号；b)基站接收请求信息，利用导频序列估计出他们之间的信道hAB(n)，信道估计采 用已有的带导频的信道估计方法，考虑到时分双工并且信道慢变，基站向期望用户方向的 信道与期望用户向基站方向的信道是相同的，均为h^Jn)；c)基站将要发送的比特利用已知的一种相位调制方式调制为星座点符号b(n)， n= 1、2、3、...，在每次发射13(11)前，需要从所有的J根天线中随机选取Jrand根天线，
< J，利用这JMnd根天线的信道Irand (n) hAB (n)，设计加权系数w (n)=丨丨)二丨:^丨丨，使加
权系数快速变化，对待发送的星座点符号b(n)进行加权，最后按照指定总功率将加权后的 符号在选中的Jrand根天线上发射出去。其中Irand(n)是一个JX J维的随机选择矩阵，其中 Irand (n)的对角线上随机排布个1，其余元素均为0 ；d)期望用户接收到加权后的符号，即加权符号，利用最大似然方法解码；e)窃听用户接收到加权后的符号，由于基站处理使得加权系数快速变化，窃听用 户无法利用盲均衡方法解码，若也利用最大似然方法解码，则误码率为50%，最终实现了安 全传输。上述方法中，所述步骤b)中，已有的带导频的信道估计方法为LS信道估计、MMSE 信道估计或其改进的方法。所述步骤c)中，当相位调制方式采用BPSK(二相相移键控)或QPSK(四相相 移键控)的数字调制方法；则步骤d)中，期望用户利用最大似然方法解码公式简化为
b{n) = argmin x(n)-( )2，其中x(n)表示对应于一种相位调制方式的星座点，y(n)表
示期望用户接收到的信号。与现有的保障无线通信安全的方法相比，本发明的有益效果是1、信道慢变的环境下，可以使得等效信道快速变化，阻止了窃听用户获取信息，达 到安全。传统波束形成算法可以形成指向期望用户的波束，对其他方向形成抑制。然而它的 加权系数是随着信道变化的，在信道慢变情况下，加权系数也基本不变，窃听者就可以利用 盲均衡方法获取发端信息。本发明在传统波束形成算法的基础上引入随机选择天线阵列， 即使信道慢变，由于每次选择不同的天线阵，因此造成通信双方的等效信道快速变化，从而 使得盲均衡算法失效，窃听用户无法获取基站的发射符号，从而保证了安全通信。2、基站的发射信号在期望用户处同相叠加，达到较高的功率利用率。在背景技术 所述的文章中提到了随机设计权系数保障安全的方法，但是该方法中阵列加权系数的随机 化造成发射信号功率在空间的过度分散，最终导致到达期望用户的信号功率不够，降低了 期望用户的通信质量。本发明通过每次随机选取若干天线发射以达到等效信道随机快速变 化的目的，加权系数的选择采用分布式发射波束形成，使得各阵元发出的信号在期望用户 处始终同相叠加以得到最高的发射增益。这种在期望用户处同相叠加的本质是把发射信号 聚焦到同一个接收点，功率利用率非常高。3、基站相同发射总功率的情况下，本专利方法能够在期望用户端达到更高的信噪 比，从而使期望用户的解码性能提高。
图1是本发明方法所涉及的安全传输的系统模型。图2是本发明基站发射符号的加权及发送原理图。图3是基站随机选择天线阵列示意图。图4是现有方法和本发明方法无线传输中误码率与发射功率曲线对照图。图5是现有方法和本发明方法无线传输中信噪比与发射功率曲线对照图。
具体实施例方式下面结合附图与具体实例对本发明做进一步的说明。本发明涉及安全传输的系统模型如图1所示，基站Alice拥有多天线，期望用户 Bob使用单天线，窃听用户Eve为了获取信息增设多天线。这里具体实施中选取基站J = 8 天线，期望用户1天线，窃听用户4天线。安全通信的意义在于基站发射的符号只希望被期 望用户获取，而不希望被窃听用户获取。这里窃听用户是被动的，即其只窃听信息，不向空 间发射信号。此外，这种无线安全传输模型中一般要求收发信道可以互易，当信道慢变时， 这种互易性可以通过时分双工(TDD)得到充分保证。通信过程中，Bob首先向Alice发送 导频序列，以供Alice估计二者之间的信道1^(11)。Alice估计到信道1^(11)后，将要发送 的比特利用已知的一种相位调制方式调制为星座点符号b(n)，n = 1、2、3、...，然后设计加 权系数，对星座点符号b(n)进行加权后分配到各个天线发射出去，采用的调制方式为BPSK 或QPSK。本实施例中采用的是QPSK，具体的加权及发送流程如图2所示。加权系数的设计 方法为了避免在信道慢变时加权系数也慢变，Alice需要在所有的J天线中随机选取丄-=4根天线，然后利用此JMnd根天线的信道设计加权系数，具体公式如下 Irand(n)是一个JXJ维的随机选择矩阵，其中Irand(n)的对角线上随机排布个 1，其余元素均为0。Irand(n)的作用使得发送每个符号b(n)时，等效信道都发生变化，从而 避免了 Eve获取信息。具体地，随机选择天线阵列示意图如图3所示，发送第n个符号时， 随机选择某Jrmd根天线(Jrand < J)，发送下一个符号时，重新随机选择JMnd根天线，以此类 推。图3中随着发送符号n变化，选择的天线阵列也发生变化。生成加权系数后，Alice把 映射为星座点的符号b(n)分配到JMnd根天线上通过加权对应天线的加权系数后发射出去。 设总发射功率为P，经过无线信道后，期望用户Bob接收到的符号为 vBob(n)为Bob端的噪声，假设噪声服从高斯分布。除去噪声的影响，接收符号的
相位没有偏差，Bob可以直接利用最大似然译码的方法得到发射符号b(n)的估计值^。
由于基站与窃听用户之间的信道hAE(n)不同于基站与期望用户直接的信道hAB(n)，信号经 过hAE(n)后到达窃听用户端的符号为
(3)vEve(n)为Eve端的噪声。即使不考虑噪声，Eve接收到的信息是对原符号b (n)的 幅度和相位的随机置乱，这使得Eve既不能使用像期望用户Bob—样的最大似然直接译码， 也无法使用CMA(常数模算法)这样的盲均衡算法获取信息，从而保证了信息的安全传输。 我们可以解释为什么Eve不能利用CMA盲均衡方法获取信息假设盲均衡算法需要迭代N步才能收敛，这就要求Eve至少要接收到N个符号， 而如果信道最多在L个符号持续期内基本保持不变，则算法能够收敛的一个必要条件为 NSL。换句话说，当L<N时Eve就无法正确估计信道。由于Alice每次在J根天线中随 机选择JMnd根使用，信道就有种不同的可能，其中C；-表示组合数。为了使迭代算法能 够收敛，首先要保证在N步迭代中使用同一种信道，即Eve需要接收到个符号。如 果保证信道在个符号持续期内已经发生变化，即Z，那么Eve就无法正确 估计信道。因此，只要使用的天线数足够多，就可以使C；-足够大，从而使丄<#€尸，最终 保证窃听者无法截获信息。图4是不同发射功率下本专利方法与背景技术方法(参考方法)的误码率随发射 功率曲线的对比图。随着发射功率的增加，Bob的误码率会显著降低，并且在发射功率相同 的情况下本专利方法能够获得比参考方法更低的误码率。为了解释为什么在相同发射总功率下，本专利方法可以获取比参考方法更加好的 性能(Bob有更低的误码率)，图5给出相同的总发射功率下本专利方法与参考方法在不同 接收端的信噪比对比。从图中可以看出，使用本专利方法之所以能让Bob获得更低的误码 率是因为该方法使Bob的接收信噪比相比参考方法有很大提高(5dB)，由于两种方法都没 有针对Eve做特殊的处理，此两种情况下Eve的接收信噪比完全相同。至此，从技术方案和仿真结果都可以验证本专利方法在保障无线通信中的安全传 输的有效作用。
权利要求
一种无线通信中的物理层安全传输方法，采用的通信系统模型为一套多天线基站和一个单天线移动端作为期望通信对，另一个多天线移动端作为窃听用户，其特征在于，包括如下步骤a)单天线期望用户首先向基站发送未加密的请求信息，该请求信息同时包含用于信道估计的导频序列，导频序列是收发双方都已知的符号；b)基站接收请求信息，利用导频序列估计出他们之间的信道hAB(n)，信道估计采用已有的带导频的信道估计方法，考虑到时分双工并且信道慢变，基站向期望用户方向的信道与期望用户向基站方向的信道是相同的，均为hAB(n)；c)基站将要发送的比特利用已知的一种相位调制方式调制为星座点符号b(n)，n＝1、2、3、…，在每次发射b(n)前，需要从所有的J根天线中随机选取Jrand根天线，Jrand＜J，利用这Jrand根天线的信道Irand(n)hAB(n)，设计加权系数使加权系数快速变化，对待发送的星座点符号b(n)进行加权，最后按照指定总功率将加权后的符号在选中的Jrand根天线上发射出去。其中Irand(n)是一个J×J维的随机选择矩阵，Irand(n)的对角线上随机排布Jrand个1，其余元素均为0；d)期望用户接收到加权后的符号，即加权符号，利用最大似然方法解码；e)窃听用户接收加权后的符号，由于基站处理使得加权系数快速变化，窃听用户无法利用盲均衡方法解码，若也利用最大似然方法解码，则误码率为50％，最终实现了安全传输。FDA0000023606280000011.tif
2.如权利要求1所述的无线通信中的物理层安全传输方法，其特征在于，所述步骤b) 中，已有的带导频的信道估计方法为LS信道估计、MMSE信道估计或其改进的方法。
3.如权利要求1所述的无线通信中的物理层安全传输方法，其特征在于，所述步骤c) 中，当相位调制方式采用BPSK或QPSK的数字调制方法；则步骤d)中，期望用户利用最大似然方法解码公式简化为S( ) = argmin x{n)-y(n)2，其中x(n)表示对应于一种相位调xO)制方式的星座点，y(n)表示期望用户接收到的信号。
全文摘要
本发明公开了一种无线通信中的物理层安全传输方法，其特征在于，单天线期望用户首先向多天线基站发送未加密的请求信息；基站接收请求信息，利用导频序列估计出基站与期望用户之间的信道；基站将要发送的比特利用已知的一种相位调制方式调制为星座点符号b(n)，设计快速变化的加权系数，对待发送的星座点符号b(n)进行加权，最后按照指定总功率将加权后的符号在选中的Jrand根天线上发射出去；期望用户接收到加权后的符号，即加权符号，可利用最大似然方法解码；而窃听用户由于基站处理使得加权系数快速变化，无法利用盲均衡方法解码，也无法利用最大似然方法解码，最终实现了安全传输。
文档编号H04L27/20GK101902265SQ201010234330
公开日2010年12月1日 申请日期2010年7月22日 优先权日2010年7月22日
发明者姜红艳, 张建国, 殷勤业, 王文杰, 穆鹏程 申请人:西安交通大学