本發(fā)明屬于無線多輸入多輸出系統(tǒng)的物理層安全技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種抵抗竊聽節(jié)點(diǎn)竊取信息的物理層安全傳輸方法。

背景技術(shù)：
多輸入多輸出技術(shù)可以提供較高的系統(tǒng)容量與可靠性，是無線通信領(lǐng)域的重要研究課題?？臻g調(diào)制是近年來新提出的多天線傳輸技術(shù)，該技術(shù)在信息比特調(diào)制過程中引入空間維度，從而根據(jù)輸入信息改變激活天線的序號(hào)。正交空間調(diào)制在繼承了空間調(diào)制所有優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，又提高了整個(gè)系統(tǒng)的頻譜效率。因?yàn)榭臻g調(diào)制的天線間干擾程度低，接收端的信號(hào)處理也較為簡(jiǎn)單，正逐漸成為多輸入多輸出傳輸技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。隨著無線終端數(shù)目的急劇增加以及網(wǎng)絡(luò)的開放性，無線通信的安全問題面臨著嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，與傳統(tǒng)加密方法不同，無線通信物理層安全方法是利用無線信道的動(dòng)態(tài)物理特性，采取某種信號(hào)處理、編碼調(diào)制技術(shù)等手段，在避免竊聽方獲知信息的同時(shí)，提供給通信方可靠的、安全的通信。?，F(xiàn)有的針對(duì)空間調(diào)制技術(shù)的物理層安全技術(shù)研究大多是利用在源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生人工噪聲對(duì)竊聽節(jié)點(diǎn)進(jìn)行干擾，因?yàn)檫@個(gè)人工噪聲是位與源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)的信道的零空間上的，所以，該人工噪聲就不會(huì)干擾目的節(jié)點(diǎn)，但會(huì)對(duì)竊聽節(jié)點(diǎn)造成干擾，然而，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)的信道是一個(gè)滿秩矩陣的時(shí)候，它們之間的信道就不存在零空間，因此，這類方案的安全性就無法得到保障。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供了一種抵抗竊聽節(jié)點(diǎn)竊取信息的物理層安全傳輸方法，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)信息物理層的安全傳輸。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所述的抵抗竊聽節(jié)點(diǎn)竊取信息的物理層安全傳輸方法包括以下步驟：1)在信息傳輸開始前，源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)均依次發(fā)送訓(xùn)練序列，使源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)估計(jì)出源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的等效信道信息hn,k，其中，n∈{1,...,Nr}，k∈{1,...,Nt}，Nt為源節(jié)點(diǎn)設(shè)置的天線數(shù)目，Nr為目的節(jié)點(diǎn)的天線數(shù)目；2)源節(jié)點(diǎn)對(duì)待發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，得待發(fā)送符號(hào)以及發(fā)送該待發(fā)送符號(hào)的天線序號(hào)，然后再對(duì)待發(fā)送符號(hào)添加人工噪聲，然后將增加人工噪聲后的待發(fā)送符號(hào)通過選擇出來的天線發(fā)送至目的節(jié)點(diǎn)；3)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收源節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的符號(hào)，然后對(duì)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的符號(hào)通過最大似然譯碼器進(jìn)行譯碼，完成信息的物理層安全傳輸。步驟2)中源節(jié)點(diǎn)將待發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，得待發(fā)送符號(hào)以及發(fā)送該待發(fā)送符號(hào)的天線序號(hào)的具體操作為：1a)源節(jié)點(diǎn)每次發(fā)送的數(shù)據(jù)為log2(M)+2log2(Nt)比特?cái)?shù)據(jù)，源節(jié)點(diǎn)對(duì)待發(fā)送數(shù)據(jù)中第1位到第log2(M)位的數(shù)據(jù)采用M-QAM調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)制，得到待發(fā)送符號(hào)X；2a)源節(jié)點(diǎn)將待發(fā)送數(shù)據(jù)中第log2(M)+1位到第log2(M)+log2(Nt)位的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為到十進(jìn)制數(shù)N1-1，然后選擇源節(jié)點(diǎn)中的第N1個(gè)天線作為發(fā)送待發(fā)送符號(hào)X中實(shí)部Xre的天線；3a)源節(jié)點(diǎn)將待發(fā)送數(shù)據(jù)中第log2(M)+log2(Nt)+1位到第log2(M)+2log2(Nt)位的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)N2-1，然后將源節(jié)點(diǎn)中的第N2個(gè)天線作為發(fā)送待發(fā)送符號(hào)X中虛部jXim的天線。步驟2)中對(duì)待發(fā)送符號(hào)添加人工噪聲的具體操作為：1b)源節(jié)點(diǎn)中第N1個(gè)天線到目的節(jié)點(diǎn)的等效信道h1以及源節(jié)點(diǎn)中第N2個(gè)天線到目的節(jié)點(diǎn)的等效信道h2分別為：其中，hm,n為源節(jié)點(diǎn)中的第m根天線到目的節(jié)點(diǎn)中的第n根天線之間的信道，其中，1≤m≤Nt，1≤n≤Nr，h1及h2均服從均值為零、方差為的復(fù)高斯分布，及分別為等效信道h1及h2的相位，|h1|及|h2|分別為等效信道h1及h2的模；2b)對(duì)待發(fā)送符號(hào)X中的實(shí)部Xre及虛部jXim進(jìn)行預(yù)編碼及添加人工噪聲，得源節(jié)點(diǎn)中第N1根天線發(fā)送的信號(hào)XN1及源節(jié)點(diǎn)中第N2根天線發(fā)送的信號(hào)XN2分別為：其中，V為添加的人工噪聲，V服從均值為零、方差為的復(fù)高斯分布。步驟3)的具體操作為：目的節(jié)點(diǎn)收到的信號(hào)為：其中，nb為均值為零、方差為σ2的復(fù)高斯白噪聲，目的節(jié)點(diǎn)將其各根天線上接收到的信號(hào)相加，得信號(hào)yb，其中，然后通過目的節(jié)點(diǎn)的最大似然譯碼器對(duì)信號(hào)yb進(jìn)行譯碼，完成信息的物理層安全傳輸，其中，目的節(jié)點(diǎn)的最大似然譯碼器為：其中，hm為等效的信道狀態(tài)信息，其中，為經(jīng)過最大釋然譯碼估計(jì)出的符號(hào)的實(shí)部以及虛部，為經(jīng)過最大釋然譯碼估計(jì)出的發(fā)射天線的序號(hào)。本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明所述的抵抗竊聽節(jié)點(diǎn)竊取信息的物理層安全傳輸方法在具體操作時(shí)，在信息傳輸?shù)倪^程中，通過對(duì)源節(jié)點(diǎn)對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，得到待發(fā)送符號(hào)以及發(fā)送該待發(fā)送符號(hào)的天線信號(hào)，并對(duì)待發(fā)送符號(hào)添加人工噪聲，不需要額外天線發(fā)送人工噪聲，在目的節(jié)點(diǎn)將人工噪聲的影響消除即可，同時(shí)在竊聽節(jié)點(diǎn)處無法消除人工噪聲的影響，從而實(shí)現(xiàn)信息物理層的安全傳輸，經(jīng)仿真證明，本發(fā)明能夠有效的抵抗竊聽節(jié)點(diǎn)的竊聽，使得竊聽節(jié)點(diǎn)處的誤比特率接近0.3。附圖說明圖1為本發(fā)明的原理圖；圖2為仿真實(shí)驗(yàn)的情況1中本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的BER曲線圖；圖3為仿真實(shí)驗(yàn)的情況2中本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的性能比較圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：參考圖1，本發(fā)明所述的抵抗竊聽節(jié)點(diǎn)竊取信息的物理層安全傳輸方法包括以下步驟：1)在信息傳輸開始前，源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)均依次發(fā)送訓(xùn)練序列，使源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)估計(jì)出源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的等效信道信息hn,k，其中，n∈{1,...,Nr}，k∈{1,...,Nt}，Nt為源節(jié)點(diǎn)設(shè)置的天線數(shù)目，Nr為目的節(jié)點(diǎn)的天線數(shù)目；2)源節(jié)點(diǎn)對(duì)待發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，得待發(fā)送符號(hào)以及發(fā)送該待發(fā)送符號(hào)的天線序號(hào)，然后再對(duì)待發(fā)送符號(hào)添加人工噪聲，然后將增加人工噪聲后的待發(fā)送符號(hào)通過選擇出來的天線發(fā)送至目的節(jié)點(diǎn)；3)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收源節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的符號(hào)，然后對(duì)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的符號(hào)通過最大似然譯碼器進(jìn)行譯碼，完成信息的物理層安全傳輸。步驟2)中源節(jié)點(diǎn)將待發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，得待發(fā)送符號(hào)以及發(fā)送該待發(fā)送符號(hào)的天線序號(hào)的具體操作為：1a)源節(jié)點(diǎn)每次發(fā)送的數(shù)據(jù)為log2(M)+2log2(Nt)比特?cái)?shù)據(jù)，源節(jié)點(diǎn)對(duì)待發(fā)送數(shù)據(jù)中第1位到第log2(M)位的數(shù)據(jù)采用M-QAM調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)制，得到待發(fā)送符號(hào)X；2a)源節(jié)點(diǎn)將待發(fā)送數(shù)據(jù)中第log2(M)+1位到第log2(M)+log2(Nt)位的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為到十進(jìn)制數(shù)N1-1，然后選擇源節(jié)點(diǎn)中的第N1個(gè)天線作為發(fā)送待發(fā)送符號(hào)X中實(shí)部Xre的天線；3a)源節(jié)點(diǎn)將待發(fā)送數(shù)據(jù)中第log2(M)+log2(Nt)+1位到第log2(M)+2log2(Nt)位的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)N2-1，然后將源節(jié)點(diǎn)中的第N2個(gè)天線作為發(fā)送待發(fā)送符號(hào)X中虛部jXim的天線。步驟2)中對(duì)待發(fā)送符號(hào)添加人工噪聲的具體操作為：1b)源節(jié)點(diǎn)中第N1個(gè)天線到目的節(jié)點(diǎn)的等效信道h1以及源節(jié)點(diǎn)中第N2個(gè)天線到目的節(jié)點(diǎn)的等效信道h2分別為：其中，hm,n為源節(jié)點(diǎn)中的第m根天線到目的節(jié)點(diǎn)中的第n根天線之間的信道，其中，1≤m≤Nt，1≤n≤Nr，h1及h2均服從均值為零、方差為的復(fù)高斯分布，及分別為等效信道h1及h2的相位，|h1|及|h2|分別為等效信道h1及h2的模；2b)對(duì)待發(fā)送符號(hào)X中的實(shí)部Xre及虛部jXim進(jìn)行預(yù)編碼及添加人工噪聲，得源節(jié)點(diǎn)中第N1根天線發(fā)送的信號(hào)XN1及源節(jié)點(diǎn)中第N2根天線發(fā)送的信號(hào)XN2分別為：其中，V為添加的人工噪聲，V服從均值為零、方差為的復(fù)高斯分布。步驟3)的具體操作為：目的節(jié)點(diǎn)收到的信號(hào)為：其中，nb為均值為零、方差為σ2的復(fù)高斯白噪聲，目的節(jié)點(diǎn)將其各根天線上接收到的信號(hào)相加，得信號(hào)yb，其中，然后通過目的節(jié)點(diǎn)的最大似然譯碼器對(duì)信號(hào)yb進(jìn)行譯碼，完成信息的物理層安全傳輸，其中，目的節(jié)點(diǎn)的最大似然譯碼器為：其中，hm為等效的信道狀態(tài)信息，其中，為經(jīng)過最大釋然譯碼估計(jì)出的符號(hào)的實(shí)部以及虛部，為經(jīng)過最大釋然譯碼估計(jì)出的發(fā)射天線的序號(hào)。竊聽節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)為：其中，h′m,n為源節(jié)點(diǎn)的第m根天線到竊聽節(jié)點(diǎn)的第n根天線之間的信道，1≤m≤Nt，1≤n≤Ne，Ne為竊聽節(jié)點(diǎn)的天線數(shù)，h′m,n服從均值為零方差為的復(fù)高斯分布，ne是均值為零、方差為的復(fù)高斯白噪聲，竊聽節(jié)點(diǎn)由于不知道當(dāng)前符號(hào)的源發(fā)射天線及源節(jié)點(diǎn)-目的節(jié)點(diǎn)的信道狀態(tài)信息，不能對(duì)接收符號(hào)進(jìn)行譯碼，本發(fā)明編碼的目的是為了防止竊聽節(jié)點(diǎn)通過對(duì)接收到的信號(hào)Ye進(jìn)行處理，從而達(dá)到竊聽的目的，處理過程如下：對(duì)Ye左乘將傳輸?shù)男盘?hào)X恢復(fù)出來，進(jìn)而通過對(duì)X進(jìn)行實(shí)部與虛部分離來達(dá)到獲取有用信號(hào)，所以竊聽節(jié)點(diǎn)只能按照目的節(jié)點(diǎn)的方式處理接收到的信號(hào)時(shí)，它只能得到如下的形式：竊聽節(jié)點(diǎn)只知道自己的本地信道信息，并且在竊聽節(jié)點(diǎn)處無法消除人工噪聲V的干擾，竊聽節(jié)點(diǎn)只能對(duì)所有源天線的可能性進(jìn)行窮舉，進(jìn)行如下的譯碼操作：為經(jīng)過最大釋然譯碼估計(jì)出的符號(hào)的實(shí)部以及虛部，為經(jīng)過最大釋然譯碼估計(jì)出的發(fā)射天線的序號(hào)。仿真結(jié)果表明，竊聽節(jié)點(diǎn)解碼源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息比特錯(cuò)誤概率接近0.3，這就意味著竊聽節(jié)點(diǎn)幾乎只能猜測(cè)源節(jié)點(diǎn)的信息。仿真實(shí)驗(yàn)情況1：假設(shè)信道參數(shù)服從標(biāo)準(zhǔn)單位復(fù)高斯隨機(jī)分布，源節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率為Ps，發(fā)射人工噪聲的功率為Pd，在目的節(jié)點(diǎn)處的噪聲方差為在竊聽節(jié)點(diǎn)處的噪聲方差為源節(jié)點(diǎn)有Nt＝8根天線，目的節(jié)點(diǎn)有Nr＝1根天線，竊聽節(jié)點(diǎn)有Ne＝1根天線，采用4-QAM調(diào)制，假設(shè)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了精確的信道估計(jì)，圖2給出了采用本發(fā)明傳輸之后目的節(jié)點(diǎn)和竊聽節(jié)點(diǎn)的誤比特率(BER)曲線。由圖2可見，無論信噪比多大，竊聽節(jié)點(diǎn)的BER始終接近0.3，當(dāng)減小人工噪聲的功率的時(shí)候，竊聽節(jié)點(diǎn)的性能會(huì)稍微好一點(diǎn)，但是性能提升很小，只能將誤比特率提升0.01左右，這是因?yàn)楸景l(fā)明中不僅僅依靠所添加的人工噪聲，還在在發(fā)射符號(hào)之前對(duì)符號(hào)進(jìn)行了預(yù)編碼處理，但是這并不影響目的節(jié)點(diǎn)正確解碼源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息，在目的節(jié)點(diǎn)處可以抵消人工噪聲的影響，所以合法節(jié)點(diǎn)的性能不受人工噪聲的功率影響，因此有效的提高了整個(gè)系統(tǒng)的安全性，同時(shí)竊聽節(jié)點(diǎn)只能猜測(cè)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息。情況2：在利用空間調(diào)制技術(shù)保障物理層安全的方案中，一種直觀的方法是在發(fā)端利用空間調(diào)制技術(shù)，將信息比特分別映射到天線索引以及發(fā)送符號(hào)上，同時(shí)，在源節(jié)點(diǎn)-目的節(jié)點(diǎn)的信道的零空間上加上人工噪聲，這樣就可以保證在不影響合法節(jié)點(diǎn)的同時(shí)干擾竊聽節(jié)點(diǎn)。為了驗(yàn)證本發(fā)明的有效性，將本發(fā)明與利用空間調(diào)制技術(shù)加人工噪聲的方法進(jìn)行了比較。本發(fā)明考慮的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景與情況1的相同，假設(shè)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)都精確的信道估計(jì)，信號(hào)的發(fā)射功率與人工噪聲的功率相同。為了公平，考慮與本方法相同的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，即天線數(shù)目配置，功率的分配，系統(tǒng)的調(diào)制階數(shù)均與情況1相同。在信息傳輸之前，源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)依次發(fā)送訓(xùn)練序列，估計(jì)到源-目的節(jié)點(diǎn)的等效信道信息hn,k∈Hb，n∈{1,...,Nr}，k∈{1,...,Nt}；信號(hào)的傳輸過程分為兩個(gè)階段，階段1，源節(jié)點(diǎn)需要將待發(fā)送的比特?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行編碼，每次可以發(fā)送log2(M)+log2(Nt)比特的數(shù)據(jù)，對(duì)第1位到第log2(M)位數(shù)據(jù)采用M-QAM調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)制，得到待發(fā)送的符號(hào)s，最后log2(Nt)位數(shù)據(jù)按照二進(jìn)制到十進(jìn)制的映射選擇序號(hào)為N的天線來發(fā)送待發(fā)送信號(hào)s；階段2，源節(jié)點(diǎn)根據(jù)之前估計(jì)出的源節(jié)點(diǎn)-目的節(jié)點(diǎn)的信道矩陣Hb，r為Hb的秩，利用SVD分解，得到Hb的零空間V⊥＝[vr+1…vNt]；在每次發(fā)送信號(hào)的時(shí)候，利用剩余的天線在該零空間上發(fā)送人工噪聲，因此，傳輸信號(hào)為：其中，人工噪聲q是服從零均值、方差為的獨(dú)立同分布的隨機(jī)變量，en為一個(gè)向量，第n位為1，其余為0，ens代表發(fā)射天線第n位發(fā)射符號(hào)s，其余天線不發(fā)送信號(hào)。因此，我們可以得到目的節(jié)點(diǎn)以及竊聽節(jié)點(diǎn)的接收信號(hào)：yb＝Hbx+nb＝Hbs+nb(12)通過人工噪聲的干擾來達(dá)到安全傳輸?shù)哪康?，圖3給出了本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)在目的節(jié)點(diǎn)和竊聽節(jié)點(diǎn)處的BER性能曲線，為了保證對(duì)比的公平性，我們?cè)谙嗤念l譜效率下進(jìn)行了對(duì)比，為8bit/s/Hz，本發(fā)明的頻譜效率為M代表調(diào)制的階數(shù)，Nt代表發(fā)射天線的數(shù)目，因此參數(shù)設(shè)置為源節(jié)點(diǎn)有8根發(fā)射天線，目的節(jié)點(diǎn)以及竊聽節(jié)點(diǎn)有1根天線，系統(tǒng)采用4-QAM調(diào)制，現(xiàn)有技術(shù)的頻譜效率為log2(MNt)，因此，為保證有相同的頻譜效率，參數(shù)設(shè)置為源節(jié)點(diǎn)有16根天線，目的節(jié)點(diǎn)以及竊聽節(jié)點(diǎn)有1根天線，采用16-QAM調(diào)制。由仿真結(jié)果可見，現(xiàn)有技術(shù)的性能并不理想，首先，現(xiàn)有技術(shù)的對(duì)使用的場(chǎng)景有限制，當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)與源節(jié)點(diǎn)之間的信道為一個(gè)滿秩矩陣的時(shí)候，就不存在零空間，現(xiàn)有技術(shù)的在此情況下無法工作。本發(fā)明則沒有這種限制。其次，現(xiàn)有技術(shù)的在使用一根天線發(fā)送數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上還至少需要一根天線來發(fā)送人工噪聲，而本發(fā)明則只需要兩根天線來發(fā)送數(shù)據(jù)，從使用成本上來說，本發(fā)明也有優(yōu)勢(shì)，最后，從仿真結(jié)果圖上能看出，本發(fā)明在目的節(jié)點(diǎn)和竊聽節(jié)點(diǎn)的BER性能要比現(xiàn)有技術(shù)在目的節(jié)點(diǎn)和竊聽節(jié)點(diǎn)的BER性能要好，從圖3中也可以看出，當(dāng)人工噪聲的功率降低的時(shí)候，現(xiàn)有技術(shù)的抵抗竊聽的能力下降很多，竊聽節(jié)點(diǎn)的譯碼成功率會(huì)提升到與目的節(jié)點(diǎn)差不多的水平，而本發(fā)明始終能保證竊聽節(jié)點(diǎn)的BER接近0.3。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施方式僅限于此，對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單的推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由所提交的權(quán)利要求書確定專利保護(hù)范圍。