本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種單載波頻域均衡系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)物理層安全傳輸?shù)念A(yù)編碼方法。

背景技術(shù)：

單載波頻域均衡技術(shù)，不僅可以有效抵抗無線信道的頻率選擇性衰落，實(shí)現(xiàn)高速率、大容量的寬帶無線傳輸，而且能夠克服單載波時域均衡技術(shù)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較高以及正交頻分復(fù)用技術(shù)的信號峰均比高的不足。單載波頻域均衡技術(shù)已經(jīng)成為寬帶無線接入系統(tǒng)物理層的重要組成技術(shù)，并且已經(jīng)被納入IEEE802.16(WiMAX)標(biāo)準(zhǔn)中。目前，無線信道的開放性、通信的廣播特性、終端的移動性、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多樣性及無線傳輸?shù)牟环€(wěn)定性等因素使得移動通信網(wǎng)絡(luò)面臨者更多的安全威脅，比如竊聽和假冒。傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的安全機(jī)制是建立在物理層之上，并且假設(shè)物理層能夠提供一條無差錯的數(shù)據(jù)傳輸鏈路，通過合法用戶之間的密鑰共享來實(shí)現(xiàn)保密通信。然而目前大量出現(xiàn)的分布式通信系統(tǒng)，如移動Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)、用戶直連通信系統(tǒng)，由于其成本低、功能簡單，使得傳統(tǒng)的加密技術(shù)無法實(shí)施。因此，研究新型的物理層安全機(jī)制來保證信息傳輸?shù)陌踩砸岩鹑藗兊年P(guān)注和重視。物理層傳輸?shù)陌踩允窃跊]有引入合法通信雙方共享密鑰的條件下，通過物理層的編碼、調(diào)制和傳輸設(shè)計來實(shí)現(xiàn)的。關(guān)于物理層信息安全的研究最早可以追溯到1949由香農(nóng)奠定的安全信息理論。在此基礎(chǔ)上，1975年，Wyner定義了竊聽信道模型，建立了不依賴秘鑰共享就可以提供安全通信鏈路的可能性。近些年，物理層傳輸技術(shù)的發(fā)展為物理層安全的研究和應(yīng)用提供了廣泛的空間。現(xiàn)有的物理層安全傳輸方案根據(jù)發(fā)射端是否已知竊聽端的信道狀態(tài)信息(CSI)可以分為兩大類。第一類方案要求發(fā)射端已知竊聽信道的全部或者部分CSI，利用預(yù)編碼設(shè)計或者天線選擇策略來實(shí)現(xiàn)物理層的安全傳輸。例如，文獻(xiàn)Khisti A.,Womell G.,Wiesel A.,et.al.,"On the Gaussian MIMO wiretap channel,”In Proceedings of IEEE International Symposium on Information Theory 2007(ISIT),Cambridge.MA,USA,June 2007,pp.2471-2475.利用對合法信道和竊聽信道進(jìn)行廣義奇異值分解，提出了可實(shí)現(xiàn)安全信道容量最大化的預(yù)編碼方案。不過這里需要指出，在多數(shù)場景下竊聽端只是被動竊聽而并不會主動發(fā)射信號，因此在實(shí)際的應(yīng)用場景中發(fā)射端很難獲取竊聽信道的CSI。而第二類方案不要求發(fā)射端已知竊聽信道的CSI，利用人工加噪或者空時編碼的方法實(shí)現(xiàn)物理層安全傳輸。例如，文獻(xiàn)Goel S.,Negi R.,"Guaranteeing secrecy using artificial noise,”IEEE Transaction on Wireless Communication,7(6),June 2008,pp.2180-2189。提出了人工加噪的傳輸方案，并證明該方案在高信噪比下的漸進(jìn)最優(yōu)性。在該策略中人工噪聲位于合法信道矩陣的正交空間內(nèi)，所以人工噪聲只會降低竊聽信道的接收性能。不過該方案要求竊聽端的天線數(shù)目要嚴(yán)格小于發(fā)射端的天線數(shù)目。

現(xiàn)有的物理層安全傳輸方案是利用多天線系統(tǒng)的空域自由度來增強(qiáng)無線傳輸?shù)奈锢韺影踩?，而單載波頻域均衡系統(tǒng)屬于單天線系統(tǒng)，即發(fā)射端和接收端均采用單個天線，因此上述兩種方案并不適用于單載波頻域均衡系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種針對單載波頻域均衡系統(tǒng)的預(yù)編碼方法，旨在解決單載波頻域均衡系統(tǒng)物理層傳輸?shù)陌踩詥栴}。

本發(fā)明的基本原理是發(fā)射端根據(jù)合法信道的CSI對發(fā)送信號進(jìn)行預(yù)編碼使得合法接收端可以正確解調(diào)信號；而竊聽端由于無法獲取合法信道的CSI，所以竊聽端即使接收到發(fā)射端的信號也無法正確解調(diào)，從而在物理層實(shí)現(xiàn)發(fā)射端與合法接收端的安全傳輸。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，所述單載波頻域均衡系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)物理層安全傳輸?shù)念A(yù)編碼方法具體包括以下步驟：

步驟1，利用衰落信道的互易性，發(fā)射端利用合法接收端的反饋信號估計合法信道的時域沖擊響應(yīng)，即h＝[h(0),h(1),…,h(D-1)]^T以及信道的總功率其中D為信道沖擊響應(yīng)的長度。

步驟2，利用離散傅里葉變換(DFT)，發(fā)射端計算步驟1中h的頻域等價信道矩陣，即Λ＝U^HH_eqU＝diag{λ₀,λ₁,…,λ_N-1}，其中，H_eq是h等效的托普利茨(Toeplitz)矩陣形式，U為DFT矩陣，()^H表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置，diag{}表示對角矩陣。

步驟3：利用步驟1得到的P_tot和步驟2得到的Λ，發(fā)射端計算發(fā)送信號的頻域預(yù)編碼矩陣C＝diag{c₀,c₁,…,c_N-1}，其中，且λ_k(0≤k≤N-1)為Λ主對角線上的元。

步驟4，利用步驟3得到的預(yù)編碼矩陣C，發(fā)射端對發(fā)送信號進(jìn)行頻域預(yù)編碼，并將編碼后的信號再次轉(zhuǎn)換成時域信號，即其中，U為DFT矩陣，x為發(fā)射端的時域發(fā)送信息；

步驟5，發(fā)射端對步驟4的時域信號前面添加循環(huán)前綴(CP)得到然后通過合法信道將發(fā)送至合法接收端，其中CP的長度不少于步驟1中信道h的長度D；

步驟6，根據(jù)最小均方誤差準(zhǔn)則，合法接收端將時域接收信號轉(zhuǎn)換成頻域信號，然后再進(jìn)行頻域均衡，即其中，為合法接收端去除CP后的時域接收信號，U為DFT矩陣，W＝[ρΩ^HΩ+I]^-1Ω^H為頻域均衡矩陣，其中，Ω＝CΛ，ρ是接收信號的平均信噪比，合法接收端可以利用接收信號中的導(dǎo)頻信號并通過步驟1到步驟3所述的方法來估計C和Λ；

步驟7，利用離散反傅里葉變換，合法接收端將步驟6得到的頻域信號轉(zhuǎn)換成時域信號，即然后對其進(jìn)行判決得到發(fā)射端發(fā)送的信息，其中，U為DFT矩陣。

在多數(shù)物理層安全通信的應(yīng)用場景中，竊聽端只是被動竊聽而并不會主動發(fā)射信號，所以發(fā)射端很難獲取竊聽信道的CSI。本發(fā)明針對單載波頻域均衡系統(tǒng)，提供的預(yù)編碼方法并不依賴于竊聽信道的CSI，所以發(fā)射端在進(jìn)行預(yù)編碼時無需獲取竊聽信道的CSI，這使得本發(fā)明提供的預(yù)編碼方法具有較高的實(shí)用價值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的實(shí)施例所采用的信道模型示意圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的單載波頻域均衡系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)物理層安全傳輸?shù)念A(yù)編碼方法流程圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的合法接收端與竊聽端的信道容量的比較示意圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的合法接收端與竊聽端的誤碼率的比較示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明采用的信道模型如圖1所示，發(fā)送端Alice將包含機(jī)密信息的信號通過多徑衰落信道發(fā)送給合法接收端Bob。由于無線信道的開放性，Alice發(fā)送的信號也將被竊聽端Eve接收到。這里可以認(rèn)為Alice和Bob之間的合法信道是互易的，即上下行信道的衰落系數(shù)相同，其次合法信道與竊聽信道的信道衰落系數(shù)是相互獨(dú)立的。

如圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例的單載波頻域均衡系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)物理層安全傳輸?shù)念A(yù)編碼方法實(shí)現(xiàn)步驟如下：

步驟1，根據(jù)衰落信道的互易性，Alice可以利用Bob的反饋信號來估計合法信道的沖擊響應(yīng)h＝[h(0),h(1),…,h(D-1)]^T以及信道的總功率其中D為信道沖擊響應(yīng)的長度。

Alice估計合法信道沖擊響應(yīng)的算法可以參考文獻(xiàn)：Lam C T,Falconer D D,Danilo-Lemoine F,et al.Channel estimation for SC-FDE systems using frequency domain multiplexed pilots[C]//Vehicular Technology Conference,2006.VTC-2006 Fall.2006 IEEE 64th.IEEE,2006:1-5.

步驟2，利用DFT，Alice計算步驟1中h的頻域等價信道矩陣Λ，詳細(xì)步驟如下：

2a)將步驟1得到的h補(bǔ)零至長度為N，即h′＝[h(0),h(1),…,h(D-1),0,…,0]^T；

2b)再將h′寫成Toeplitz矩陣的形式，即

2c)利用公式Λ＝U^HH_eqU，計算H_eq的頻域等價信道矩陣，即Λ＝diag{λ₀,λ₁,…,λ_N-1}，其中，U為N階的DFT矩陣，且U的第m行n列的元為而()^H表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置，diag{}表示對角矩陣。

步驟3：利用步驟1得到的P_tot和步驟2得到的Λ，Alice計算發(fā)送信號的頻域預(yù)編碼矩陣C＝diag{c₀,c₁,…,c_N-1}，其中且0≤k≤N-1；

步驟4，利用步驟3得到的頻域預(yù)編碼矩陣C，Alice對發(fā)送信號進(jìn)行頻域預(yù)編碼，具體步驟如下：

4a)利用DFT，Alice將時域發(fā)送信息x＝[x(0),x(1),…,x(N-1)]^T轉(zhuǎn)換成頻域發(fā)送信號，即得到其中，U為N階的DFT矩陣；

4b)利用步驟3的頻域預(yù)編碼矩陣C，Alice對步驟4a)得到的頻域信號進(jìn)行頻域預(yù)編碼，即得到

4c)利用離散反傅里葉變換(IDFT)，Alice將步驟4b)的頻域信號再轉(zhuǎn)換成時域信號，即得到其中，U為N階的DFT矩陣；

步驟5，Alice對步驟4c)得到的時域信號前面添加CP，即得到其中CP的長度Γ不少于步驟1中信道h的沖擊響應(yīng)長度D，然后將通過合法信道發(fā)送至Bob；

步驟6，根據(jù)最小均方誤差準(zhǔn)則，Bob對接收信號進(jìn)行頻域均衡，具體步驟如下：

6a)Bob去除接收信號中長度為Γ的CP，得到時域信號

6b)利用DFT，Bob將步驟6a)得到的時域信號轉(zhuǎn)換成頻域信號，即其中，U為N階的DFT矩陣；

6c)Bob對步驟6b)得到的信號進(jìn)行頻域均衡，即其中，W＝[ρΩ^HΩ+I]^-1Ω^H為頻域均衡矩陣且Ω＝CΛ，ρ是接收信號的平均信噪比。

Bob可利用Alice發(fā)送的導(dǎo)頻信號來估計合法信號的沖擊響應(yīng)h，并按照步驟1到步驟3所述的方法分別計算Λ和C從而得到Ω。另外，ρ可通過以下參考文獻(xiàn)的方法來估計：Xu H,Wei G,Zhu J.A novel SNR estimation algorithm for OFDM[C]//Vehicular Technology Conference,2005.VTC 2005-Spring.2005 IEEE 61st.IEEE,2005,5:3068-3071.

步驟7，利用IDFT，Bob將步驟6c)頻域均衡后的信號轉(zhuǎn)換成時域信號，即其中，U為N階的DFT矩陣。然后Bob對y進(jìn)行判決，最終得到Alice發(fā)送的信息。

下面結(jié)合仿真對本發(fā)明的應(yīng)用效果作詳細(xì)的描述。

1)仿真條件：

假設(shè)在單載波頻域均衡系統(tǒng)中，發(fā)射端的信號幀長為N＝16，合法信道的長度為D＝4，即h＝[h(0),h(1),h(2),h(3)]^T且信道的總功率歸一化為1，即

2)仿真內(nèi)容與結(jié)果：

仿真1，針對采用本發(fā)明提出的預(yù)編碼方法的單載波頻域均衡系統(tǒng)，利用計算機(jī)對合法信道和竊聽信道的信道容量進(jìn)行了比較，仿真結(jié)果如圖3所示。在仿真中，系統(tǒng)的安全信道容量定義為合法信道與竊聽信道的信道容量之差。從圖3可以看出，隨著信噪比的增加，系統(tǒng)的安全信道容量也隨之增加。當(dāng)信噪比達(dá)到30dB時，合法信道的信道容量是竊聽信道的信道容量的2.5倍，此時系統(tǒng)的安全信道容量可以達(dá)到4.4bits/s/Hz。

仿真2，針對采用本發(fā)明提出的預(yù)編碼方法的單載波頻域均衡系統(tǒng)，利用計算機(jī)對合法接收端和竊聽端的誤碼率進(jìn)行了比較，仿真結(jié)果如圖4所示。在仿真中，合法接收端如前所述采用基于最小均方誤差準(zhǔn)則的頻域均衡器，而竊聽端采用性能更好的迭代判決反饋均衡器。從圖4可以看出，合法接收端的誤碼率性能明顯優(yōu)于竊聽端的誤碼率性能，而且竊聽端即使增加了均衡器的迭代次數(shù)，誤碼率性能并沒有明顯改善。也就是說，當(dāng)發(fā)射端與合法接收端可以正常通信的同時，竊聽端卻無法正確接收發(fā)射端的信號，從而在實(shí)現(xiàn)了單載波頻域均衡系統(tǒng)的安全通信。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。