专利名称：一种基于物理层的防窃听编码方法
技术领域：
本发明属于无线通信技术领域，涉及一种保密编码方法，是一种基于物理层的防窃听编码方法，该方法适用于协作通信系统的保密编码。
背景技术：
由于无线通信的广播特性，无线传输可以被传输范围内的任意节点窃听，因此无线传输的保密性是无线通信面临的一个重大问题。为了防止无线传输的信息被未授权的偷听者窃听，无线网络中常采用高层的加密算法，高层加密算法中密钥的分配和管理自身存在困难，且容易受到攻击。在没有基础设施的网络中，例如Ad Hoc网络，高层加密较难实现。
最近，如何利用无线信道的物理特性来进行物理层保密设计的问题引起了广泛关注。已有文献给出了保密信道容量的定义，即最大可达保密传输的速率，并指出只要窃听者的信道是接收者信道的恶化情况，不需要任何密钥也能达到完全的保密；同时，当接收机和窃听者具有分别的信道时，若窃听者的信道容量比接收者的信道容量小，保密通信是有可能实现的。已有的物理层保密通信研究表明，保密通信也可以通过物理层技术来实现。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于物理层的防窃听编码方法，该方法以低窃听概率为标准，可以让原有的协作通信系统通过增加一个防窃听矩阵之后，变成一个具有物理层保密效果的通信系统，使得窃听端即使使用盲信道估计之后，也无法窃听到发送端的信息。本发明的目的是通过以下技术方案来解决的这种基于物理层的防窃听编码方法为在协作通信系统中增加一个防窃听编码矩阵Wi，使得接收端信号随机化；所述防窃听编码矩阵Wi被分解为静态和动态两部分，该防窃听编码矩阵Wi是根据信道状态信息以及当前需要发送的信息生成的。进一步，以上方法具体按照以下步骤I)在每个相干时间开始时,协作传输的多个用户节点通过时分复用的方式向目的节点发送导频信号，目的节点估计出各个节点到它的信道状态信息，然后，目的节点在同一频率上向所有用户节点发送导频，用户节点利用该导频估计出该节点到目的节点的信道状态息;2)用户节点之间通过时分复用的方式共享估计出的信道状态信息；3)用户节点通过估计出来的信道状态信息计算出该相干时间内的防窃听编码矩阵1 ；4)设未增加防窃听矩阵前，系统发射信号为X,=Vs(0 ;设增加防窃听矩阵之后，发射信号为交,=WyVs(0 ;则窃听节点端的接收信号被随机化为R1 = ^PtGXi + Z1 = ^GWjVs(I) + Zj;其中V是编码矩阵，s⑴为一个子帧中的第i个符号，G是用户节点到窃听节点的信道矩阵，Zi为高斯白噪声。进一步，将上述防窃听编码矩阵Wi分解为静态和动态两部分的具体方法为设静态部分为Wf，动态部分为，则防窃听编码矩阵Wi =wf+w/'，所述动态部分WT根据当前符号需要发送的信息以及当前相干时间内的初始信道状态信息生成；静态部分w,根据每个相干时间起始阶段估计出的信道状态信息来确定；其中静态部分Wf在一个相干时间内是保持不变的，而动态部分胃在每个符号内是保持不变的，但是相邻符号之间是变动的，所以动态部分w/'在一个相干时间内是不断变化的；这样即使窃听节点采用盲信道估计的算法，窃听节点也只能估计出静态部分，不能估计出动态部分W/。进一步的，在设计防窃听编码矩阵Wi时，需要遵守保密性原则和能量限制原则；所述保密性原则为当窃听节点采用盲信道估计的方法时，应该保证其无法估计出防窃听编码矩阵Wi;或者，当其估计出静态部分1^之后，不能估计出动态部分W1';并且不能通过静态部分Wf计算出动态部分胃;所述能量限制原则为选择最大发送能量限制原则或者平均发送能量限制原则。上述静态部分Wf和动态部分W,的其中一种计算公式为
权利要求
1.一种基于物理层的防窃听编码方法，其特征在于，在协作通信系统中增加一个防窃听编码矩阵Wi,使得接收端信号随机化；所述防窃听编码矩阵Wi被分解为静态和动态两部分，该防窃听编码矩阵Wi是根据信道状态信息以及当前需要发送的信息生成的。
2.根据权利要求I所述的基于物理层的防窃听编码方法，其特征在于，具体按照以下步骤 1)在每个相干时间开始时，协作传输的多个用户节点通过时分复用的方式向目的节点发送导频信号，目的节点估计出各个节点到它的信道状态信息，然后，目的节点在同一频率上向所有用户节点发送导频，用户节点利用该导频估计出该节点到目的节点的信道状态信息； 2)用户节点之间通过时分复用的方式共享估计出的信道状态信息； 3)用户节点通过估计出来的信道状态信息计算出该相干时间内的防窃听编码矩阵Wi； 4)设未增加防窃听矩阵前，系统发射信号为I= Vs(Z);设增加防窃听矩阵之后，发射信号为Xj=W1Vs(Z); PJ窃听节点端的接收信号被随机化为Ri = ^fPtGXi +Z1= ^GWiVsd) + Zi;其中V是编码矩阵，s⑴为一个子帧中的第i个符号，G是用户节点到窃听节点的信道矩阵，Zi为高斯白噪声。
3.根据权利要求I所述的基于物理层的防窃听编码方法，其特征在于，将所述防窃听编码矩阵Wi分解为静态和动态两部分的具体方法为设静态部分为动态部分为1W则防窃听编码矩阵W = Wf +胃，所述动态部分胃根据当前符号需要发送的信息以及当前相干时间内的初始信道状态信息生成；静态部分Wf根据每个相干时间起始阶段估计出的信道状态信息来确定；其中静态部分Wd在一个相干时间内是保持不变的，而动态部分W在每个符号内是保持不变的，但是相邻符号之间是变动的，所以动态部分胃在一个相干时间内是不断变化的；这样即使窃听节点采用盲信道估计的算法，窃听节点也只能估计出静态部分W能估计出动态部分切f。
4.根据权利要求3所述的基于物理层的防窃听编码方法，其特征在于，在设计防窃听编码矩阵Wi时，需要遵守保密性原则和能量限制原则； 所述保密性原则为当窃听节点采用盲信道估计的方法时，应该保证其无法估计出防窃听编码矩阵Wi ;或者，当其估计出静态部分Wf之后，不能估计出动态部分\^;并且不能通过静态部分^计算出动态部分； 所述能量限制原则为选择最大发送能量限制原则或者平均发送能量限制原则。
5.根据权利要求3所述的基于物理层的防窃听编码方法，其特征在于，所述静态部分 和动态部分的计算公式为
6.根据权利要求3所述的基于物理层的防窃听编码方法，其特征在于，所述静态部分 和动态部分W/的计算公式为
全文摘要
本发明公开了一种基于物理层的防窃听编码方法，其特征在于，在协作通信系统中增加一个防窃听编码矩阵Wi，使得接收端信号随机化；所述防窃听编码矩阵Wi被分解为静态和动态两部分，该防窃听编码矩阵Wi是根据信道状态信息以及当前需要发送的信息生成的。该方法以低窃听概率为标准，可以让原有的协作通信系统通过增加一个防窃听矩阵之后，变成一个具有物理层保密效果的通信系统，使得窃听端即使使用盲信道估计之后，也无法窃听到发送端的信息。
文档编号H04L5/00GK102752080SQ201210227408
公开日2012年10月24日 申请日期2012年7月3日 优先权日2012年7月3日
发明者吕刚明, 常培梁, 廖学文, 朱世华, 李祥, 高贞贞 申请人:西安交通大学