多输入单输出系统中基于空移键控的物理层安全传输方法
【专利摘要】本发明公开了一种多输入单输出系统中基于空移键控的物理层安全传输方法，包括步骤：第一步：多输入单输出通信系统包括源节点，目的节点和窃听节点，源节点装配有M根发送天线，目的节点和窃听节点分别装配1根天线；第二步：源节点信息分组：源节点将待发送比特信息序列，按相同比特长度进行比特分组；第三步：空移键控：源节点将信息比特分组包含的比特信息映射到对应序号的发送天线上；通过空移键控，源节点发送天线序号成为了信源信息的承载体；第四步：预编码处理：源节点对各发送天线发送的符号进行预编码处理。该方法能够突破单天线系统对物理层安全的限制，又能够简化收发机结构，克服传统多天线物理层安全传输方法的缺陷。
【专利说明】多输入单输出系统中基于空移键控的物理层安全传输方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种采用空移键控（空移键控英文为：Space Shift Keying，文 中简称：SSK)的物理层安全传输方法，具体来说，涉及一种多输入单输出（多输入单输出英 文为：Multiple-Input-Single-Output，文中简称：MIS0)系统中基于空移键控的物理层安 全传输方法。
【背景技术】
[0002]由于传输媒介的开放性，无线通信在给人们生活带来极大便利的同时，也使用户 的个人隐私、财产安全受到威胁。因此，如何确保无线数据传输的安全性，使其不被窃取、破 译，是无线通信必须解决的重要问题。传统上，无线通信网络的安全机制主要借鉴于有线 计算机网络，其中的信息保密性问题主要由基于对称密钥体制和公开密钥体制的加密算法 解决，破解密码所需的极高计算复杂度保证了加密算法的有效性。虽然这些密码学方法在 信息安全领域的应用已取得了巨大成功，为维护信息安全发挥了重要作用，但随着计算机 运算能力与运算速度的提升，这种建立在计算复杂度上的安全性正日益受到挑战。另一方 面，无线网络不同于计算机网络的重要特点是其信息传播的广播特性，这导致密钥的在线 分发、维护管理更加困难。
【发明内容】
[0003] 技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种多输入单输出系统中基于空 移键控的物理层安全传输方法，该方法一方面能够突破单天线系统对物理层安全的限制， 另一方面又能够简化收发机结构，克服传统多天线物理层安全传输方法的缺陷。
[0004] 技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0005] -种多输入单输出系统中基于空移键控的物理层安全传输方法，该传输方法包括 以下步骤：
[0006] 第一步：在物理层安全场景下的多输入单输出通信系统，包括一个源节点s以及 两个信宿节点，两个信宿节点都是系统的合法用户；在通信过程中，源节点向一个信宿节点 发送信息，该信宿节点为目的节点D ;另一个信宿节点意图窃听该信息，为窃听节点E ;源节 点S装配有Μ根发送天线，目的节点D和窃听节点E分别装配1根天线，源节点s中的第m 根发送天线到目的节点D的信道为，源节点S的发送天线到目的节点D的信道集合为 源节点S中的第m根发送天线到窃听节点Ε的信道为，所有信道相互 独立；目的节点D通过信道估计得到信道，窃听节点Ε通过信道估计得到信道％^，目 的节点D和窃听节点Ε将得到的信道信息反馈至源节点s ;Μ的取值范围为大于1的整数， m= 1，2，···，Μ;Μ为大于1的整数；
[0007]第二步：源节点信息分组：源节点S将待发送比特信息序列X，按相同比特长度ρ 进行比特分组，共有2P种分组情况，记为(、Aw.，jc2j,比特分组与源节点的发送天线序号 之间 对应，分组长度p满足p = l〇g2M ;
[0008]第三步：空移键控：按照比特分组与源节点的发送天线序号之间的对应，源节点 将信息比特分组包含的比特信息映射到对应序号的发送天线上；基于无线信道的随机唯L 特性，进行发送天线选择的过程等效于信道选择的过程；通过空移键控，源节点发送天线序 号成为了信源信息的承载体，被选中传输信号的发送天线总是发送二进制相移键控信号中 的符号1，该符号1记为X。，| X。|2 = 1，未被选中的M-1根天线保持静默，不发送任何信号； [0009]第四步：预编码处理：源节点对各发送天线发送的符号进行预编码处理，被选中 传输信号的第m根发送天线发送符号X。时，对X。乘以一个预编码系数 αηι满足式（1):
[0010] amhv. =amhs：：li 式⑴
[0011]其中，表示Μ根发送天线中的第m2根发送天线的预编码系数，且叫# m， 表示第m2根发送天线到窃听节点E的信道。
[0012] 进一步，所述的多输入单输出系统中基于空移键控的物理层安全传输方法，还包 括第五步：检测空移键控信息：源节点首先将预编码系数发送给目的节点，源节点共有Μ根 发送天线，共有Μ种接收信号可能，假设目的节点实际接收到的信号为化按照式⑵测算 yD与各种可能接收信号之间的欧氏距离：
[0013]
【权利要求】
1. 一种多输入单输出系统中基于空移键控的物理层安全传输方法，其特征在于：该传 输方法包括以下步骤： 第一步：在物理层安全场景下的多输入单输出通信系统，包括一个源节点S以及两个 信宿节点，两个信宿节点都是系统的合法用户；在通信过程中，源节点向一个信宿节点发送 信息，该信宿节点为目的节点D;另一个信宿节点意图窃听该信息，为窃听节点E;源节点S 装配有M根发送天线，目的节点D和窃听节点E分别装配1根天线，源节点S中的第m根 发送天线到目的节点D的信道为心#，源节点S的发送天线到目的节点D的信道集合为 ，源节点S中的第m根发送天线到窃听节点E的信道为/，所有信道相 互独立；目的节点D通过信道估计得到信道心^，窃听节点E通过信道估计得到信道心， 目的节点D和窃听节点E将得到的信道信息反馈至源节点S;M的取值范围为大于1的整 数，m= 1，2,. ..，M;M为大于1的整数； 第二步：源节点信息分组：源节点S将待发送比特信息序列X，按相同比特长度p进行 比特分组，共有2P种分组情况，记为+VX2,...,X2^，比特分组与源节点的发送天线序号之间 --对应，分组长度P满足P=Iog2M; 第三步：空移键控：按照比特分组与源节点的发送天线序号之间的对应，源节点将信 息比特分组包含的比特信息映射到对应序号的发送天线上；基于无线信道的随机唯一特 性，进行发送天线选择的过程等效于信道选择的过程；通过空移键控，源节点发送天线序号 成为了信源信息的承载体，被选中传输信号的发送天线总是发送二进制相移键控信号中的 符号1，该符号1记为χ〇,IxcJ2 = 1，未被选中的M-I根天线保持静默，不发送任何信号； 第四步：预编码处理：源节点对各发送天线发送的符号进行预编码处理，被选中传输 信号的第m根发送天线发送符号Xtl时，对Xtl乘以一个预编码系数am，Cim满足式（1): 《"A,,.，式（1) 其中，α?2表示M根发送天线中的第m2根发送天线的预编码系数，且m2尹m, 表示 第m2根发送天线到窃听节点E的信道。
2. 按照权利要求1所述的多输入单输出系统中基于空移键控的物理层安全传输方法， 其特征在于：还包括第五步：检测空移键控信息：源节点首先将预编码系数发送给目的节 点，源节点共有M根发送天线，共有M种接收信号可能，假设目的节点实际接收到的信号为 yD，按照式（2)测算yD与各种可能接收信号之间的欧氏距离： y〇 ~ ^PatJ1SmDxH式⑵ 其中，P表示源节点的发射功率，am表示第m根发送天线的预编码系数； 从上述所得M个欧氏距离中选取最小值所对应发送天线序号，为源节点信息映射到的 源节点发送天线序号，从而得到该发送天线序号所对应的源节点发送的信息比特分组；目 的节点进行信息检测，按照式（3)采用最大似然检测算法： m-argminyn -^PaJis/rv0 式（3) m m 其中，/?表示目的节点对发送天线序号的检测值； 目的节点的平均成对差错概率为：
其中，APEPd表示目的节点的平均成对差错概率，Q表示互补误差函数，〇表示噪声功 率；表示M根发送天线中的第m2根发送天线的预编码系数，且m2尹m，表示第m2根 发送天线到目的节点D的信道； 对窃听节点而言，由于式（1)的存在，无论源节点选择哪根发送天线传输信号，窃听节 点的接收信号^为： V,. - ^ +V,,式（5) 其中，vE表示窃听节点的接收噪声； 窃听节点的平均成对差错概率APEPe为： I M M
【文档编号】H04L1/06GK104270227SQ201410550956
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年10月16日 优先权日:2014年10月16日
【发明者】杨炜伟, 管新荣, 蔡跃明 申请人:中国人民解放军理工大学