本發(fā)明涉及一種基于mimo(multiple-inputmultiple-output)竊聽信道的保密通信方法，屬于物理層信息安全技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

wyner等于1975年提出的竊聽信道模型是物理層的安全傳輸基礎(chǔ)模型。該竊聽信道模型中，如果主信道比竊聽信道有更好的信道條件，則進(jìn)行物理層的安全傳輸是可能的，如何實(shí)現(xiàn)有效地構(gòu)造竊聽信道模型卻一直是一個(gè)開放的問題。wyner竊聽信道的模型中，竊聽信道需要比合法信道有更高的噪聲，這在實(shí)際通信中是不現(xiàn)實(shí)的，因此需要利用信道的噪聲來建立一個(gè)邏輯信道——也就是竊聽信道，以實(shí)現(xiàn)合法信道具有更好的信道特性。而mimo技術(shù)中，兩個(gè)接收者在相互距離大于等于波長(zhǎng)時(shí)，其mimo信道就是不相關(guān)的，兩個(gè)接收者是不可能完全知道對(duì)方的信道特性的，這個(gè)性質(zhì)使得建立竊聽信道這個(gè)邏輯信道成為可能。

wyner曾經(jīng)證明過如果竊聽端的信道相比于主信道更差的情況下，秘密容量就可以實(shí)現(xiàn)，從而合法接受端可以以不需要公共密鑰的形式接收發(fā)送端的保密信息。實(shí)際系統(tǒng)中合法接收的信道不一定比竊聽者的信道性能更好。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：設(shè)計(jì)建立合法通信雙方的信道比竊聽者的信道性能更好的通信協(xié)議。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供了一種mimo竊聽信道下基于反饋的保密通信方法，實(shí)現(xiàn)擁有n個(gè)發(fā)射天線的目標(biāo)用戶與源端之間的保密通信，防止竊聽者的竊聽，其特征在于，在所述保密通信方法中，作為接收端的源端通過優(yōu)化反饋性能增益，進(jìn)而使其接收信噪比高于竊聽者，具體包括以下步驟：

第一步、作為接收端的源端根據(jù)信道狀態(tài)信息計(jì)算出最大的信道反饋性能增益gf，進(jìn)而把相應(yīng)的最優(yōu)反饋比特b發(fā)送給目標(biāo)用戶；

第二步、目標(biāo)用戶將輸入的比特流[s1s2]映射為符號(hào)流，然后發(fā)送到geo-stbcs編碼器得到碼字c作為發(fā)射信號(hào)，碼字c的編碼結(jié)構(gòu)與輸入符號(hào)s1、s2及其共軛的組合相關(guān)，同時(shí)，目標(biāo)用戶根據(jù)源端發(fā)送的最優(yōu)反饋比特b旋轉(zhuǎn)發(fā)射信號(hào)的相位，以使作為接收端的源端的接收信噪比相對(duì)于竊聽端的接收信噪比能夠獲得較高的值，并通過mimo主信道把相位旋轉(zhuǎn)后的發(fā)射信號(hào)發(fā)送給源端；

第三步、源端接收到目標(biāo)用戶發(fā)送的反饋信號(hào)經(jīng)過譯碼和解調(diào)后得到信號(hào)pa，源端把信號(hào)pa疊加到保密序列m中，隨后把疊加有信號(hào)pa和保密序列m的序列進(jìn)行l(wèi)dpc編碼，然后通過mimo主信道發(fā)送給目標(biāo)用戶。

優(yōu)選地，在所述第二步中，通過geo-stbcs編碼器得到碼字c包括以下步驟：

在兩個(gè)連續(xù)的時(shí)隙t1和t2，geo-stbcs編碼器把輸入的s1和s2編碼為長(zhǎng)度為n的符號(hào)流：

式中，c^(k)表示第k個(gè)發(fā)射天線的發(fā)射信號(hào)，表示向上取整，編碼后的信號(hào)經(jīng)信道傳輸，其中信道系數(shù)hi(1≤i≤n)是均值為0、方差為0.5的獨(dú)立的高斯隨機(jī)變量。

優(yōu)選地，在所述第一步中，最大的信道反饋性能增益gf的計(jì)算方法包括以下步驟：

步驟1.1、反饋比特b的優(yōu)化過程表示為：

式中，bi表示反饋比特，通過對(duì)公式的窮舉搜索優(yōu)選出最優(yōu)反饋比特b；

步驟1.2、將最優(yōu)反饋比特b代入以下公式中：

式中，m表示接收天線個(gè)數(shù)，hj，i表示信道系數(shù)。

文獻(xiàn)h.wen，g.gong，andp.-h.ho，“build-inwiretapchanneliwithfeedbackandldpccodes，”j.commun.andnetworks，vol.11，no.6，pp.538-643，dec.2009.(以下簡(jiǎn)稱文獻(xiàn)[1])提出了一種基于二進(jìn)制對(duì)稱竊聽信道(bscwire-tapchannel)能實(shí)現(xiàn)保密信息優(yōu)先提取的交互式通信。在本發(fā)明中，將文獻(xiàn)[1]的通信模式應(yīng)用到了mimo竊聽信道(mimowire-tapchannel)中，為了能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，本發(fā)明歸納了擴(kuò)展型正交時(shí)空分組碼(geo-stbcs)，并提出了反饋方案。通過優(yōu)化反饋性能增益，從而得到最優(yōu)反饋比特b以及最大的合法接收端信噪比?；趃eo-stbcs和反饋技術(shù)，最終可以實(shí)現(xiàn)合法接收端(相對(duì)于竊聽端)能夠獲得最優(yōu)的接收信噪比(signaltonoiseratio，snr)。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)提高了mimo竊聽信道的保密容量。通過理論仿真實(shí)驗(yàn)可以得知保密容量在低信噪比區(qū)域?qū)崿F(xiàn)較快增長(zhǎng)，在高信噪比區(qū)域?qū)崿F(xiàn)慢增長(zhǎng)。

(2)通過仿真實(shí)驗(yàn)可以得知，應(yīng)用了該協(xié)議的合法接收端的誤碼率性能要優(yōu)于竊聽端，數(shù)值結(jié)果如下：

1)當(dāng)本發(fā)明應(yīng)用于4個(gè)發(fā)射天線4個(gè)接收天線的mimo竊聽信道時(shí)，帶有2比特反饋的合法接收端在誤碼率為10^-5，優(yōu)于竊聽者4.1db；

2)當(dāng)本發(fā)明應(yīng)用于8個(gè)發(fā)射和8個(gè)接收天線的mimo竊聽信道時(shí)，帶有6比特反饋的合法接收端在誤碼率為10^-5，優(yōu)于竊聽者高達(dá)5.5db。

(3)本發(fā)明應(yīng)用了geo-stbcs編碼和反饋技術(shù)，相比于其他編碼技術(shù)，歸納化擴(kuò)展型正交時(shí)空分組碼geo-stbcs能夠獲得最大的分集增益和編碼速率，而且在接收端解碼時(shí)只需要簡(jiǎn)單的線性處理。

(4)本發(fā)明不僅可以提高合法接收端的接收信噪比，同時(shí)可以擴(kuò)大mimo竊聽信道的反饋性能增益。通過理論仿真實(shí)驗(yàn)可以得知反饋性能增益隨著信噪比的增長(zhǎng)呈線性增長(zhǎng)的關(guān)系，同時(shí)理論仿真表明應(yīng)用該協(xié)議的合法接收端與竊聽端的安全差距隨著發(fā)射天線數(shù)量和(或)信噪比的增長(zhǎng)而加大。

附圖說明

圖1為應(yīng)用本發(fā)明的mimo竊聽信道模型流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定的范圍。

本發(fā)明提供了一種mimo竊聽信道下基于反饋的保密通信方法，實(shí)現(xiàn)擁有n個(gè)發(fā)射天線的目標(biāo)用戶(以bob表示)與源端(以alice表示)之間的保密通信，防止竊聽者(以eve表示)的竊聽。在所述保密通信方法中，作為接收端的alice通過優(yōu)化反饋性能增益，進(jìn)而使其接收信噪比高于eve，具體包括以下步驟：

第一步、作為接收端的alice根據(jù)信道狀態(tài)信息(channelstateinformation，csi)計(jì)算出最大的信道反饋性能增益gf，進(jìn)而把相應(yīng)的最優(yōu)反饋比特b發(fā)送給bob；

第二步、bob將輸入的比特流[s1s2]映射為符號(hào)流，然后發(fā)送到geo-stbcs編碼器得到碼字c作為發(fā)射信號(hào)，碼字c的編碼結(jié)構(gòu)與輸入符號(hào)s1、s2及其共軛的組合相關(guān)，同時(shí)，bob根據(jù)alice發(fā)送的最優(yōu)反饋比特b旋轉(zhuǎn)發(fā)射信號(hào)的相位，以使作為接收端的alice的接收信噪比相對(duì)于竊聽端的接收信噪比能夠獲得較高的值，并通過mimo主信道把相位旋轉(zhuǎn)后的發(fā)射信號(hào)發(fā)送給alice；

第三步、alice接收到bob發(fā)送的反饋信號(hào)經(jīng)過譯碼和解調(diào)后得到信號(hào)pa，alice把信號(hào)pa疊加到保密序列m中，隨后把疊加有信號(hào)pa和保密序列m的序列進(jìn)行l(wèi)dpc編碼，然后通過mimo主信道發(fā)送給bob。

本發(fā)明所提出的mimo竊聽信道模型中，如果eve未知合法通信信道，即主信道的csi，使得eve不能從預(yù)編碼后的消息中提取正確的傳輸信息，而由于bob已知csi，則可以正確提取。本發(fā)明正是利用bob和eve的信息的不對(duì)稱性，從而實(shí)現(xiàn)合法接收者bob比eve具有更好的信道性能。本發(fā)明歸納了擴(kuò)展型正交時(shí)空分組碼geo-stbcs，并提出了部分反饋方案。應(yīng)用geo-stbcs和反饋技術(shù)到mimo竊聽信道模型中，alice接收到的信號(hào)由式(1)表示：

式(1)中，hba為bob至alice的信道，ul為alice發(fā)送的由最優(yōu)反饋比特b構(gòu)成的反饋矩陣，wa為作為接收端的alice的高斯白噪聲。在后續(xù)選擇最優(yōu)反饋比特b過程中，通過不斷的迭代優(yōu)化反饋性能增益gf，并及時(shí)地發(fā)送給bob。圖1描述的是應(yīng)用本發(fā)明的mimo竊聽信道模型流程圖，包括以下幾個(gè)階段：

(一)構(gòu)造歸納化的擴(kuò)展型正交時(shí)空分組碼(geo-stbcs)階段：

在兩個(gè)連續(xù)的時(shí)隙t1和t2，歸納化擴(kuò)展型正交時(shí)空分組碼geo-stbcs編碼器把輸入的s1和s2編碼為長(zhǎng)度為n的符號(hào)流：

式(2)及式(3)中，c^(k)表示第k個(gè)發(fā)射天線的發(fā)射信號(hào)，表示向上取整，編碼后的信號(hào)經(jīng)信道傳輸，其中信道系數(shù)hi(1≤i≤n)是均值為0、方差為0.5的獨(dú)立的高斯隨機(jī)變量。本發(fā)明假設(shè)輸入的噪聲w是高斯白噪聲。

(二)帶反饋的雙向mimo竊聽信道模型構(gòu)建階段：

基于csi，本發(fā)明設(shè)計(jì)反饋比特來優(yōu)化反饋性能增益gf，同時(shí)通過alice把相應(yīng)的最優(yōu)反饋比特b發(fā)送出去。

假設(shè)alice要給bob發(fā)送一個(gè)保密序列m，本發(fā)明首先對(duì)該保密通信過程實(shí)施初始化，也即bob給alice發(fā)送碼字c。進(jìn)一步的說，發(fā)送端的編碼器將調(diào)制后的序列p進(jìn)行時(shí)空編碼得到碼字c，其中送入調(diào)制器中的序列p∈{0，1}ⁿ是獨(dú)立同分布的隨機(jī)序列，也即序列pi＝0的概率和pi＝1的概率滿足pr(pi＝0)＝pr(pi＝1)＝0.5。此時(shí)alice通過前向信道hba(bob和alice之間鏈路)得到接收信號(hào)

式(4)中，表示最優(yōu)反饋矩陣。

eve通過竊聽信道hbe(bob和eve之間的鏈路)得到接收信號(hào)

式(4)中，wea表示竊聽端eve的高斯白噪聲向量。

geo-stbcs編碼器和hba信道作用在碼字c上的組合效果被稱作等效信道矩陣經(jīng)過等效轉(zhuǎn)換后，alice通過前向信道可以得到序列s′a，進(jìn)一步譯碼得到譯碼序列

對(duì)譯碼序列進(jìn)行分析得知，在接收端經(jīng)過簡(jiǎn)單的線性處理即可實(shí)現(xiàn)譯碼過程。通過分析信道增益可以得知，信道增益矩陣是由傳統(tǒng)信道增益矩陣gc和反饋性能增益矩陣gf組成。本發(fā)明可得到的gc表示如下：

式(6)中，n和m分別為發(fā)射天線和接收天線個(gè)數(shù)，hj，i為信道系數(shù)。

基于geo-stbcs編碼，本發(fā)明研究了反饋比特b的優(yōu)化過程：

式(7)中，bi表示反饋比特。

通過式(7)的窮舉搜索可以優(yōu)選出最優(yōu)比特反饋b。alice把相應(yīng)的最優(yōu)反饋比特b帶入到式(8)中可以得到最優(yōu)的反饋性能增益gf。由于發(fā)送端bob沒有接收竊聽端eve的反饋比特，因此eve沒有反饋性能增益gf。進(jìn)一步分析可知，alice把帶有最優(yōu)比特反饋b的經(jīng)過解調(diào)可得到pa，接著在接收端進(jìn)行保密序列m與pa的異或處理并得到序列q，再通過后向信道hab發(fā)送給bob。

bob通過后向信道hab獲得ldpc譯碼后的序列由于ldpc碼具有強(qiáng)大的糾錯(cuò)性能，假設(shè)認(rèn)為無窮接近于0。由于bob發(fā)送給alice隨機(jī)序列p，為了能獲得保密序列y，bob進(jìn)行了隨機(jī)序列p與序列q的異或處理并得了保密序列y：

式(9)中，wa表示噪聲。

類似的，eve通過竊聽信道獲得譯碼序列然后經(jīng)過解調(diào)獲得序列pe。為了能夠獲得保密序列z，eve進(jìn)行序列pe與序列q的異或處理并得到了保密序列z：

通過對(duì)比合法接受端bob和竊聽端eve分別獲得的保密序列y和z，顯然可以得知，竊聽端eve獲得的保密序列中額外添加了份噪聲we，這使得竊聽信道比合法信道受到了更嚴(yán)重的噪聲污染。

(三)geo-stbc編碼和反饋技術(shù)應(yīng)用到mimo竊聽信道階段：

bob接收到反饋比特b后，調(diào)整發(fā)射信號(hào)的相位，使得alice的接收信噪比高于eve。

通過geo-stbc編碼方案，接收端可獲得的信噪比η表示如下：

式(11)中，l＝nm，是可實(shí)現(xiàn)的總信道數(shù)，η0表示廣義的接收信噪比，η0＝es/n0，es表示發(fā)射信號(hào)的能量，n0表示噪聲的功率譜密度。

alice通過主信道得到接收信號(hào)eve通過竊聽信道得到通過geo-stbcs編碼和反饋技術(shù)可以得知，由于bob接收到alice發(fā)送的最優(yōu)反饋比特b，alice因而可以得到最優(yōu)的反饋性能增益gf，也即獲得最大的接收信噪比。相反，eve不能從預(yù)編碼后的消息中提取正確信息，所以也就沒有g(shù)f，相應(yīng)的信道性能也就不能得到改善。

(四)保密容量?jī)?yōu)化階段：

本發(fā)明中mimo竊聽信道的保密容量cs定義為發(fā)送端alice到合法接收端bob與發(fā)送端alice到竊聽端eve之間的容量差值：

式(12)中，η是bob端的接收信噪比，η′是eve端的接收信噪比，im表示跡為m的單位矩陣。由于發(fā)送端alice到合法接收端bob相應(yīng)的mimo信道容量中含有反饋性能增益gf，而發(fā)送端alice到竊聽端eve相應(yīng)的mimo信道容量中不含gf，因而應(yīng)用本發(fā)明得到的是優(yōu)化后的保密容量。

通過以上過程，可以在不需要密鑰信息的情況下極大程度上擴(kuò)大bob和eve的安全差距，從而實(shí)現(xiàn)秘密通信。