本發(fā)明屬于通信領(lǐng)域，涉及一種利用空間調(diào)制技術(shù)的物理層安全傳輸方法。

背景技術(shù)：

近年來，無線通信技術(shù)的持續(xù)發(fā)展使得人們可以隨時(shí)隨地接入通信網(wǎng)絡(luò)。然而，無線傳播的廣播特性意味著傳輸范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)都能夠接收到信源發(fā)送的信號(hào)，合法用戶的信息容易被竊聽用戶獲取。因此，保證無線通信的安全傳輸變得尤為重要[1]。相對(duì)于傳統(tǒng)的加密方法，物理層安全旨在利用無線通信的物理層特性，如噪聲、衰落等，以信息論中的理論為基礎(chǔ)保證無線通信的安全性。

1975年Wyner首次定義了含噪的竊聽信道模型，并且證明當(dāng)竊聽信道的信噪比比主信道低時(shí)可以實(shí)現(xiàn)完全的保密通信，并將不依靠密鑰仍可以保證主信道信息可靠傳輸?shù)乃俾识x為保密速率[2]。進(jìn)入20世紀(jì)末，MIMO技術(shù)的出現(xiàn)極大推動(dòng)了無線通信技術(shù)的發(fā)展，多天線技術(shù)為無線通信物理層安全帶來了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，近年來，已有大量文獻(xiàn)研究利用多天線技術(shù)提高物理層安全的保密速率[3]-[5]?？臻g調(diào)制[6]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)。預(yù)編碼輔助的廣義正交空間調(diào)制[7]。在繼承了空間調(diào)制優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，又提高了整個(gè)系統(tǒng)的頻譜效率?？臻g調(diào)制的天線間干擾程度低，接收端的信號(hào)處理也較為簡單，正逐漸成為MIMO傳輸技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。

但是，關(guān)于空間調(diào)制方向的物理層安全研究還非常少[8]，目前，利用預(yù)編碼輔助的正交空間調(diào)制技術(shù)的物理層安全傳輸方法，還沒有人進(jìn)行過研究和討論。

參考文獻(xiàn)：

[1]Chen X,Li F,Xue Z,et al.Research on the Security of MISO Wireless Channel with Artificial Noise[C]//International Conference on Computational&Information Sciences.2013:1533-1536.

[2]Wyner A D.The wire-tap channel[J].Bell System Technical Journal,1975,54(8):1355-1387.

[3]Zhang,Haiyang,Wang,et al.The achievable secrecy rate of MISO wiretap channels[C]//Wireless Communications and Signal Processing(WCSP),2011International Conference on.IEEE,2011:1-4.

[4]Xiong Q,Gong Y,Liang Y C.Achieving secrecy capacity of MISO fading wiretap channels with artificial noise[J].2013:2452-2456.

[5]Li,Q,Ma,et al.Optimal and Robust Transmit Designs for MISO Channel Secrecy by Semidefinite Programming[J].IEEE Transactions on Signal Processing,2011,59(8):3799-3812.

[6]Mesleh R Y,Haas H,S,et al.Spatial Modulation[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2008,57(4):2228-2241.

[7]Li J,Wen M,Cheng X,et al.Generalised Pre-coding Aided Quadrature Spatial Modulation[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2016:1-1.

[8]Wu F,Yang L L,Wang W,et al.Secret Precoding-Aided Spatial Modulation[J].IEEE Communications Letters,2015,19(9):1544-1547.

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種利用空間調(diào)制技術(shù)的物理層安全傳輸方法，該方法采用預(yù)編碼，信號(hào)空間分集以及人工噪聲技術(shù)，在不影響合法用戶的同時(shí)，對(duì)竊聽用戶造成影響，從而提高安全容量。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種利用空間調(diào)制技術(shù)的物理層安全傳輸方法，利用預(yù)編碼輔助的廣義正交空間調(diào)制技術(shù)，發(fā)送者將待發(fā)送的數(shù)據(jù)比特進(jìn)行編碼，得到原始待發(fā)送符號(hào)s以及接收天線的序號(hào)；對(duì)原始待發(fā)送符號(hào)s進(jìn)行信號(hào)空間分集，得到待發(fā)送符號(hào)，再按照接收天線序號(hào)映射為預(yù)編碼前的發(fā)送符號(hào)x；利用發(fā)送者和合法用戶間的信道狀態(tài)信息獲得迫零預(yù)編碼矩陣；利用發(fā)送者和合法用戶間的信道狀態(tài)信息，在其零空間添加人工噪聲并進(jìn)行最優(yōu)功率分配。

進(jìn)一步，對(duì)原始待發(fā)送符號(hào)s進(jìn)行信號(hào)空間分集，得到待發(fā)送符號(hào)其中：N_a為發(fā)送者的天線數(shù)，是N_a點(diǎn)的快速傅里葉逆變換矩陣，其(m,n)元素為

進(jìn)一步，利用發(fā)送者和合法用戶間的信道矩陣H求得迫零預(yù)編碼矩陣，在合法用戶信道的零空間添加人工噪聲并進(jìn)行最優(yōu)功率分配，具體步驟如下：

在發(fā)送端，利用待發(fā)送的數(shù)據(jù)比特進(jìn)行編碼，得到預(yù)編碼前的發(fā)送符號(hào)x，再利用發(fā)送者和合法用戶間的信道矩陣H求得迫零預(yù)編碼矩陣θ為功率分配系數(shù)；

然后，對(duì)信道矩陣H進(jìn)行SVD分解，H＝U[D 0][V₁ V₀]^H，求出其零空間V₀，并在其零空間添加人工噪聲V₀r，r中元素為均值為0，方差為的復(fù)高斯隨機(jī)變量，N_a和N_b分別為發(fā)送者和合法用戶的天線數(shù)；

最后，通過對(duì)θ進(jìn)行一維搜索以最大化保密容量求得最優(yōu)的功率分配θ，其中：

R_sec(θ)＝[R_b(θ)-R_e(θ)]⁺，

N_p是激活的接收天線數(shù)，M是星座點(diǎn)數(shù)，n_b和n_e為發(fā)送者和竊聽用戶的接收噪聲，G為發(fā)送者和竊聽用戶之間的信道。

本發(fā)明假設(shè)發(fā)送者能獲得合法用戶和竊聽用戶的信道狀態(tài)信息，利用發(fā)送者和合法用戶間的信道狀態(tài)信息獲得迫零預(yù)編碼矩陣，然后在發(fā)送者和合法用戶間的信道零空間添加人工噪聲，為了最大化保密容量，并進(jìn)行最優(yōu)功率分配，利用發(fā)送者和合法用戶間的信道狀態(tài)信息，合法用戶能夠順利解碼發(fā)送者發(fā)送的信息，而竊聽用戶受到人工噪聲的干擾，不能正確譯碼，在不影響合法用戶的同時(shí)，對(duì)竊聽用戶造成影響，發(fā)明在相同的信噪比下能穩(wěn)定獲得更高的安全容量。

進(jìn)一步，通過一維搜索求出最優(yōu)功率分配，降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，提高了傳輸?shù)陌踩?，?shí)現(xiàn)了該方案下的物理層安全。

【附圖說明】

圖1系統(tǒng)模型示意圖

圖2預(yù)編碼輔助的廣義正交空間調(diào)制示意圖

【具體實(shí)施方式】

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明在預(yù)編碼輔助的廣義正交空間調(diào)制技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了物理層安全傳輸方法的設(shè)計(jì)，發(fā)送者將待發(fā)送的數(shù)據(jù)比特進(jìn)行編碼，得到原始待發(fā)送的符號(hào)s以及接收天線的序號(hào)，對(duì)原始待發(fā)送符號(hào)s進(jìn)行信號(hào)空間分集(SSD)，得到待發(fā)送符號(hào)再按照接收天線序號(hào)映射為預(yù)編碼前的發(fā)送符號(hào)x；利用發(fā)送者和合法用戶間的信道狀態(tài)信息獲得迫零預(yù)編碼矩陣，然后在發(fā)送者和合法用戶間的信道零空間添加人工噪聲，以最大化保密容量為目標(biāo)，提出最優(yōu)功率分配方案，并得到相應(yīng)一維搜索算法。

本發(fā)明考慮一種如圖1所示的場景，即發(fā)送者配置有N_a根發(fā)射天線，合法用戶配置有N_b根接收天線，竊聽用戶配置有N_e根接收天線，N_a＞N_b。發(fā)送者與合法用戶直接進(jìn)行通信，在此過程中，竊聽用戶嘗試竊聽發(fā)送者向合法用戶發(fā)送的信息。

本發(fā)明基于如圖2所示的預(yù)編碼輔助的廣義正交空間調(diào)制技術(shù)及信號(hào)空間分集技術(shù)。傳輸開始時(shí)，發(fā)送者將待發(fā)送的數(shù)據(jù)比特進(jìn)行編碼，得到原始待發(fā)送的符號(hào)s以及接收天線的序號(hào)，對(duì)原始待發(fā)送符號(hào)s進(jìn)行信號(hào)空間分集(SSD)，得到待發(fā)送符號(hào)再按照接收天線序號(hào)映射為預(yù)編碼前的發(fā)送符號(hào)x。

發(fā)送者對(duì)數(shù)據(jù)比特的編碼過程包括如下步驟：

步驟1：系統(tǒng)每次可以發(fā)送比特?cái)?shù)據(jù)，其中對(duì)第1位到第N_plog₂M位數(shù)據(jù)采用M-QAM/M-PSK調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)制，得到原始待發(fā)送的N_p個(gè)符號(hào)其中N_p是激活的接收天線數(shù)目，M是星座點(diǎn)數(shù)。

步驟2：對(duì)原始待發(fā)送符號(hào)s進(jìn)行信號(hào)空間分集(SSD)，得到待發(fā)送符號(hào)其中：N_a為發(fā)送者的天線數(shù)，是N_a點(diǎn)的快速傅里葉逆變換(IFFT)矩陣，其(m,n)元素為將分為同相分量和正交分量

步驟3：對(duì)第N_plog₂M+1位數(shù)據(jù)到第位數(shù)據(jù)，采用二進(jìn)制到天線組合的映射關(guān)系，激活對(duì)應(yīng)的天線組合則

步驟4：對(duì)第位數(shù)據(jù)到第位數(shù)據(jù)，采用二進(jìn)制到天線組合的映射關(guān)系，激活對(duì)應(yīng)的天線組合則

步驟5：利用發(fā)送者和合法用戶間的信道矩陣H求得迫零預(yù)編碼矩陣P＝βH^H(HH^H)^-1，其中θ為功率分配系數(shù)；

通過這樣的編碼方式，可以使得天線的索引也承載了一定的信息，從而可以提升傳輸?shù)男省?/p>

至此，描述了本發(fā)明如圖2所示的預(yù)編碼輔助的廣義正交空間調(diào)制技術(shù)及信號(hào)空間分集技術(shù)。

下面重點(diǎn)說明利用該技術(shù)的物理層安全傳輸方法。

為了達(dá)到安全傳輸?shù)哪康?，將在發(fā)送者和合法用戶間信道的零空間添加人工噪聲。

物理層安全傳輸設(shè)計(jì)：

在上述預(yù)編碼輔助的廣義正交空間調(diào)制技術(shù)的基礎(chǔ)上，首先求出發(fā)送者和合法用戶間信道矩陣H的零空間V₀，可以表示為：

H＝U[D 0][V₁ V₀]^H (1)

在發(fā)送者和合法用戶間信道矩陣H的零空間添加人工噪聲V₀r，r中元素為均值為0，方差為的復(fù)高斯隨機(jī)變量，

合法用戶和竊聽用戶接收到的信號(hào)可以表示為：

其中，G為發(fā)送者和竊聽用戶之間的信道。

由此可得：

R_sec(θ)＝[R_b(θ)-R_e(θ)]⁺ (3)

其中：

保密容量C_sec可以表示為：

最后，對(duì)θ進(jìn)行一維搜索求得最優(yōu)的功率分配θ。

以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，通過上述說明內(nèi)容，本技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)工作人員可以在不偏離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，進(jìn)行多樣的改進(jìn)和替換，這些改進(jìn)和替換也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。