本發(fā)明涉及一種無線通信方法，具體涉及一種抵抗竊聽節(jié)點竊聽的空間調(diào)制物理層安全傳輸方法，主要用于基于人工噪聲的空間調(diào)制物理層安全傳輸，屬于空間調(diào)制物理層安全
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：空間調(diào)制(SM)作為一個特殊類型的MIMO技術(shù)，利用空域自由度傳輸信息比特，使得基于SM的物理層安全研究更具挑戰(zhàn)性。物理層安全從信息論角度出發(fā)，充分利用信道特征和無線通信本身的信號格式，實現(xiàn)無線信息安全傳輸，已經(jīng)受到越來越多的研究。物理層安全作為在無線通信的安全框架上對傳統(tǒng)加密體制的必要補充，能夠增強無線通信的安全性。現(xiàn)有的大部分物理層安全技術(shù)方法，比如：人工噪聲、波束賦形等，都可實現(xiàn)空間調(diào)制系統(tǒng)的物理層安全。Sinanovic等人從理論上分析了含有竊聽節(jié)點的SM‐MIMO系統(tǒng)，相比于單天線系統(tǒng)，有更好的安全容量，并且隨著發(fā)送天線總數(shù)目的增大，中斷安全容量增益也隨之增大。Guanxingrong等人分析了輸入信號為有限字母輸入時，SM‐MIMO系統(tǒng)的安全容量，首次得到整個系統(tǒng)的安全容量閉式表達式。SM‐MIMO系統(tǒng)的安全容量隨著發(fā)送天線數(shù)目的增多而增大，并表明輸入信號為有限字母時的SM系統(tǒng)安全容量接近于輸入信號為高斯信號時的SM系統(tǒng)安全容量。為了進一步的提高SM‐MIMO系統(tǒng)的安全容量，吳飛龍等人提出了發(fā)送預(yù)編碼的方法(PSM)。通過最小化竊聽者的接收信噪比和最大化合法接收者的信噪比聯(lián)合設(shè)計最優(yōu)的預(yù)編碼。然而，該方法需要已知源節(jié)點到竊聽者的信道信息，對于消極或者惡意的竊聽者而言，先驗信道狀態(tài)信息在實際中是很難得到的，因此該方法的使用是比較受限的。針對源節(jié)點到竊聽節(jié)點的信道狀態(tài)信息是未知的情況，吳飛龍進一步提出了隨機預(yù)編碼方法(SPSM)。SPSM方案不需要竊聽者信道的先驗信息，能夠?qū)崿F(xiàn)抵抗惡意竊聽者的竊聽。但是，預(yù)編碼與數(shù)據(jù)符號相關(guān)，而且PSM和SPSM方案的部分信息比特是利用接收者的天線序號進行傳輸，這將會增加接收者處的譯碼復(fù)雜度。王莉等人利用人工噪聲抵抗SM‐MIMO系統(tǒng)中位置未知竊聽者的竊聽，聯(lián)合優(yōu)化信號功率和人工噪聲功率最大化安全容量。然而，該方案需要利用到信號零空間，也就是需要發(fā)送者的天線數(shù)大于接收者的天線數(shù)，并且該方案需要激活多根天線發(fā)射人工干擾，需要多個射頻鏈路，在提供安全性的基礎(chǔ)上，喪失了SM的避免信道間干擾、無需信號同步、減少射頻鏈路等優(yōu)勢。SM系統(tǒng)有自身的特性，比如，天線序號攜帶比特信息、輸入信號為離散輸入，激活單根天線等。SM與STBC的結(jié)合，在保留SM部分優(yōu)勢的前提下，帶來了發(fā)射分集的好處。本專利在UC-SM方案的基礎(chǔ)上，提出了一種既能惡化竊聽節(jié)點性能又能在合法接收者處獲得兩階的發(fā)射分集的物理層安全傳輸方案。因此，現(xiàn)有的物理層安全技術(shù)方法仍然存在一些不足，很有必要在原有方法的基礎(chǔ)上加以改進。通過國內(nèi)專利檢索尚未發(fā)現(xiàn)與本發(fā)明技術(shù)方案一樣的文獻報道，有一些相關(guān)專利，舉例如下：1、專利申請?zhí)枮镃N201610322966.6，
專利名稱：為“面向物理層安全的自適應(yīng)聯(lián)合波束和干擾成型的傳輸方法”的發(fā)明專利公開了一種面向物理層安全的自適應(yīng)聯(lián)合波束和干擾成型的傳輸方法。該方法主要包括三個階段：中繼分類，信源廣播，中繼轉(zhuǎn)發(fā)。在信息傳輸前，通過RTS/CTS機制，獲得所有的信道信息及確定中繼是否適合參與譯碼轉(zhuǎn)發(fā)，中繼端的CCN(centralcontrolnode)求解功率約束下的最優(yōu)權(quán)系數(shù)矢量。在信源廣播階段，在信源發(fā)送信息的同時，那些分類階段出現(xiàn)譯碼錯誤的中繼將發(fā)送一個目的端已知的取自高斯空間的噪聲樣本。在中繼轉(zhuǎn)發(fā)階段，那些正確譯碼的中繼將作為信息傳輸?shù)拿浇?，譯碼轉(zhuǎn)發(fā)源加權(quán)的信號。與此同時，干擾集合里的中繼轉(zhuǎn)發(fā)一個加權(quán)的干擾信號。另外，竊聽者只是未經(jīng)過系統(tǒng)鑒權(quán)的用戶，所以能反饋其信道信息。2、專利申請?zhí)枮镃N201610311569.9，
專利名稱：為“一種在多跳無線網(wǎng)絡(luò)中基于物理層安全的路由方法”的發(fā)明專利，該專利公開了一種在多跳無線網(wǎng)絡(luò)中基于物理層安全的路由方法，該方法可以保證無線環(huán)境中信息安全傳輸概率的最大化，同時具有低算法復(fù)雜度以及信息交互代價。本發(fā)明的特點是：基于竊聽節(jié)點相互協(xié)作與否，來制定相應(yīng)最優(yōu)的路由算法，保證合法節(jié)點間消息傳輸時被竊聽者獲取信息的可能性最小。3、專利申請?zhí)枮镃N201610230517.9，
專利名稱：為“一種抵抗竊聽節(jié)點竊取信息的物理層安全傳輸方法”的發(fā)明專利，該專利公開了一種抵抗竊聽節(jié)點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)點和目的節(jié)點均依次發(fā)送訓(xùn)練序列，使源節(jié)點和目的節(jié)點估計出源節(jié)點到目的節(jié)點的等效信道信息hn,k，其中，n∈{1,...,Nr}，k∈{1,...,Nt}，Nt為源節(jié)點設(shè)置的天線數(shù)目，Nr為目的節(jié)點的天線數(shù)目；2)源節(jié)點對待發(fā)送數(shù)據(jù)進行編碼，得待發(fā)送符號以及發(fā)送該待發(fā)送符號的天線序號，然后再對待發(fā)送符號添加人工噪聲，然后將增加人工噪聲后的待發(fā)送符號通過選擇出來的天線發(fā)送至目的節(jié)點；3)目標(biāo)節(jié)點接收源節(jié)點發(fā)送過來的符號，然后對源節(jié)點發(fā)送過來的符號通過最大似然譯碼器進行譯碼，完成信息的物理層安全傳輸。上述專利雖然都提出物理層安全傳輸方法，尤其是
專利名稱：為“一種抵抗竊聽節(jié)點竊取信息的物理層安全傳輸方法”(專利申請?zhí)朇N201610230517.9)的發(fā)明專利申請，提到了如何抵抗竊聽節(jié)點竊取信息的物理層安全傳輸，但是仍然沒有解決前面所述的問題，因此前面所述問題依然存在，仍有必要進一步加以研究。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的一個目的是針對現(xiàn)有物理層安全傳輸方法所存在的問題，提出一種既能惡化竊聽節(jié)點性能又能在合法接收者處獲得兩階的發(fā)射分集的空間調(diào)制物理層安全傳輸方案，該方法基于空間調(diào)制技術(shù)，在源節(jié)點處先將符號調(diào)制比特與空間調(diào)制比特異或，并在發(fā)射符號中加入隨機的人工噪聲，在惡化竊聽節(jié)點性能的同時使得合法接收者不受影響。并且合法接收者能獲得兩階的發(fā)射分集。為達到上述目的，本發(fā)明具體所提出的技術(shù)方案為：一種基于隨機人工噪聲的空間調(diào)制安全傳輸方法，在每次傳輸開始的時候，先確定源節(jié)點和目的節(jié)點，并源對節(jié)點和目的節(jié)點依次發(fā)送訓(xùn)練序列，這樣源節(jié)點和目的節(jié)點能夠估計出二者之間的信道信息；再利用比特交織編碼調(diào)制技術(shù)確定編碼，再構(gòu)造空間調(diào)制矩陣集合，并基于這些空間調(diào)制矩陣集合，產(chǎn)生所要發(fā)送的碼字集合，最后通過源節(jié)點從碼字集合中選擇發(fā)送碼字，并在發(fā)送的符號中加入人工噪聲，該人工噪聲不干擾合法接收者，只干擾竊聽節(jié)點；對發(fā)送的含有人工噪聲的碼字進行設(shè)計，使合法接收者不受噪聲的干擾，且能獲得兩階的發(fā)射分集，而竊聽節(jié)點的性能因噪聲的存在而惡化，從而達到抵抗竊聽節(jié)點竊取信息的物理層安全傳輸。進一步地，所述的利用比特交織編碼調(diào)制技術(shù)確定編碼是利用源節(jié)點將輸入信息比特分為兩個部分，一部分是符號調(diào)制比特；另一部分是空間調(diào)制比特；將符號調(diào)制比特與空間調(diào)制比特進行異或，得到偽空間調(diào)制比特；將符號調(diào)制比特與空間調(diào)制比特進行異或，得到偽空間調(diào)制比特；利用偽空間調(diào)制比特與符號調(diào)制比特選擇發(fā)送的天線集合和Unitary碼字。進一步地，所述的產(chǎn)生所要發(fā)送的碼字集合是利用右移矩陣和空間調(diào)制矩陣基構(gòu)造空間調(diào)制矩陣集合，并基于這些空間調(diào)制矩陣集合和酉空時碼字，產(chǎn)生所要發(fā)送的碼字集合。進一步地，所述的通過源節(jié)點從碼字集合中選擇發(fā)送碼字是源節(jié)點利用偽空間調(diào)制矩陣比特和符號調(diào)制比特從碼字集合中選擇發(fā)送碼字；分為四個時隙發(fā)送碼字，前兩個時隙發(fā)送相同的符號，后兩個時隙發(fā)送另一符號。進一步地，所述的碼字集合的構(gòu)造至少包括如下過程：運行條件：考慮一個含有竊聽節(jié)點的SM‐MISO系統(tǒng)；假設(shè)源節(jié)點Alice配置Nt＞4根天線，合法接收者Bob有Nr＝1根接收天線，竊聽者Eve有Ne＝1根天線；在信息傳輸開始之前，Alice、Bob發(fā)送訓(xùn)練序列，估計出二者之間的信道狀態(tài)信息；假設(shè)信道為瑞利衰落信道，服從零均值方差為的復(fù)高斯分布；噪聲為加性高斯白噪聲，服從零均值，方差為σ2的復(fù)高斯分布；所技術(shù)方案考慮的系統(tǒng)，在每個發(fā)送時隙源節(jié)點只激活一根天線。步驟1，定義一個Nt×4維空間調(diào)制矩陣基，他的第一個對角元素為1，空間調(diào)制矩陣基SB的形式如下式所示：式中1<p1<p2<p3≤Nt，p1,p2,p3是當(dāng)前傳輸激活天線的序號,矩陣SB中的“1”代表該天線被激活，“0”代表改天線未被激活。矩陣SB中每一行都有一個非零元素，因此矩陣SB中有4個1。不同的激活天線位置p1,p2,p3對應(yīng)著不同的空間調(diào)制矩陣基。步驟2，定義如下形式的一個Nt×Nt維的右移矩陣R=000...1100...0010...0...............00...10---(2)]]>使用式(1)中空間調(diào)制矩陣基和式(2)中的右移矩陣形成Nt-1個空間調(diào)制矩陣RlSB，其中l(wèi)＝{1,2,…,Nt-1}。基于這些空間調(diào)制矩陣，產(chǎn)生的發(fā)送碼字集合χ為如下：χ={Rq-1SBVl′}q=1Nt={Xq}q=1Nt---(3)]]>式中Rl表示矩陣R的l次方，且Xq＝Rq-1SBV′l表示發(fā)送碼字集合中的第q個碼字；V′l為當(dāng)前發(fā)送的符號矩陣，為對角陣，對角線元素為{w1x1,w2x1,w3x2,w4x2}，其中x1，x2為酉空時碼Vl中的符號，酉空時碼Vl為對角陣，對角線元素為{x1,x2}，wi(i＝1,2,3,4)為隨機加權(quán)系數(shù)。步驟3，我們對生成的碼字集合進行檢查，如果生成的碼字集合中含有相同的激活天線序號，我們舍棄該集合，否則，我們將使用生成的碼字集合進行發(fā)送。進一步地，所述的在發(fā)送的符號中加入人工噪聲是在發(fā)送的符號中加入隨機人工噪聲，該人工噪聲惡化竊聽者的性能，使合法接收者獲得兩階的發(fā)射分集。整個比特序列分為四個時隙發(fā)送，每個時隙Bob的接收信號為y1=Ptht1w1x1+z1---(4)]]>y2=Ptht2w2x1+z2---(5)]]>y3=Ptht3w3x2+z3---(6)]]>y4=Ptht4w4x2+z4---(7)]]>式中，yi表示第i個時隙的Bob的接收信號，i＝1,2,3,4；表示發(fā)送的總功率；表示第i個時隙選擇的合法信道，zi表示第i個時隙的Bob處的加性高斯白噪聲，i＝1,2,3,4。令Hb表示Alice到Bob的信道向量，則每個時隙選擇的信道和可由HbRq-1SB得到，依據(jù)前面的SB構(gòu)造規(guī)則可得，他們是互不相同的。接收者將第1、2個時隙接收到的信號進行相加，第3、4個時隙接收到的信號進行相加，可有等效接收信號y′1,y′2分別可寫為y1′=Pt(ht1w1+ht2w2)x1+z1′---(8)]]>y2′=Pt(ht3w3+ht4w4)x2+z2′---(9)]]>式中z′1＝z1+z2,z′2＝z3+z4。綜合式(8)和(9)，可得Bob在4個時隙上接收的信號可等效為y=Ptht12ht34x100x2+z---(10)]]>式中y為接收信號向量矩陣y＝[y′1y′2]，z＝[z′1z′2]。類似地，我們可以推導(dǎo)出Eve的等效接收信號。首先，每個發(fā)送時隙Eve的接收信號為r1=Ptgt1w1x1+n1---(11)]]>r2=Ptgt2w2x1+n2---(12)]]>r3=Ptgt3w3x2+n3---(13)]]>r4=Ptgt4w4x2+n4---(14)]]>式中ri為第i個時隙的Eve的接收信號，表示第i個時隙選擇的竊聽信道，ni表示第i個時隙Eve處的加性高斯白噪聲，i＝1,2,3,4。Eve對接收信號采用與Bob相同的處理，將第1、2個時隙接收到的信號進行相加，第3、4個時隙接收到的信號進行相加，可得Eve在4個時隙上接收的信號可等效為r=Ptgt12gt34x100x2+n---(15)]]>式中r為Eve接收信號向量r＝[r1+r2r3+r4]，n＝[n1+n2n3+n4]。為了防止竊聽節(jié)點的竊聽，本文提出在每個時隙發(fā)送的信號中加入隨機干擾，干擾Eve的接收信號，并且使其不干擾Bob的接收信號。進一步地，所述的將符號調(diào)制比特與空間調(diào)制比特進行異或是因為有SM的存在，為了防止天線攜帶的比特信息被竊聽，我們將空間調(diào)制比特和符號調(diào)制比特進行異或，得到偽空間調(diào)制比特，再利用偽空間調(diào)制比特和符號調(diào)制比特選擇發(fā)送的碼字。選定發(fā)送碼字之后，發(fā)送過程如前面所述，Bob和Eve的接收信號分別為式(10)和式(15)，為了干擾Eve端的接收信號，我們作如下設(shè)置：wi＝βxαi+βtα′idi(16)式中βx、βt分別為有用信號和隨機人工噪聲分別所占總功率的比值，αi，α′i分別為有用信號和隨機人工噪聲部分的預(yù)編碼，i＝1,2,3,4；di表示隨機干擾，假設(shè)為高斯分布生成，均值為0，方差為1。加權(quán)系數(shù)的基本設(shè)計思想是保證Bob不受干擾信號的影響，也即，Bob前兩個時隙接收的信號相加，干擾信號隨之消除，后兩個時隙的接收信號相加之后，干擾信號也隨之消除。也即，只要滿足上述條件即可，由此，加權(quán)系數(shù)可重寫為w1=βxht2+βtd1ht1---(17)]]>w2=βxht1-βtd1ht2---(18)]]>w3=βxht4+βtd1′ht3---(19)]]>w4=βxht3-βtd1′ht4---(20)]]>將(17)‐(20)值代入相應(yīng)的等效信道式中，Bob和Eve的等效信道可重寫為ht12=βx(ht1+ht2)---(21)]]>ht34=βx(ht3+ht4)---(22)]]>gt12=βxgt1ht22+gt2ht12ht1ht2+βtd1gt1ht2-gt2ht1ht1ht2---(23)]]>gt34=βxgt3ht42+gt4ht32ht3ht4+βtd1′gt3ht4-gt4ht3ht3ht4---(24)]]>從上面的等效信道可以看出，Eve處的隨機干擾一直存在。Bob處的解碼采用最大似然解碼，譯碼器為<l^,k^>=argminVl∈V,k∈K|Y-Pth^t12h^t34Vl|2---(25)]]>式中K表示激活天線集合的總數(shù)目。從上述等效信道可以看出，Bob處的接收信號中是沒有人工干擾的存在，而Eve處的接收信號中一直存在人工干擾，Eve處的誤比特率維持在0.5左右，也說明Eve無法竊聽。本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明所提的基于隨機人工噪聲的SM物理層安全傳輸方法能夠使得合法接收者獲得兩階的發(fā)射分集，同時惡化竊聽者的竊聽能力。仿真證明該方法能夠有效抵抗竊聽節(jié)點的竊聽，使得竊聽節(jié)點處的誤比特率接近0.5，并且是合法接收者獲得兩階的發(fā)射分集。附圖說明圖1為SM三節(jié)點安全系統(tǒng)模型示意圖；圖2為當(dāng)發(fā)射天線數(shù)不同時，不同的速率下本方案的BER曲線圖；圖3相同速率下，本方案與對比方案的BER曲線圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步說明。實施例一：從附圖1可以看出，本發(fā)明涉及了一種基于隨機人工噪聲的SM物理層安全傳輸方法，參見圖1，考慮一個含有竊聽節(jié)點的SM‐MISO系統(tǒng)。假設(shè)源節(jié)點Alice配置Nt＞4根天線，合法接收者Bob有Nr＝1根接收天線，竊聽者Eve有Ne＝1根天線。在信息傳輸開始之前，Alice、Bob發(fā)送訓(xùn)練序列，估計出二者之間的信道狀態(tài)信息。假設(shè)信道為瑞利衰落信道，服從零均值方差為的復(fù)高斯分布。噪聲為加性高斯白噪聲，服從零均值，方差為σ2的復(fù)高斯分布。本技術(shù)方案所考慮的系統(tǒng)，在每個發(fā)送時隙源節(jié)點只激活一根天線。源節(jié)點將信息比特序列分為兩個部分，一部分為符號調(diào)制比特，另外一部分為空間調(diào)制比特。空間調(diào)制比特與符號調(diào)制比特異或得到偽空間調(diào)制比特，使用偽空間調(diào)制比特選擇發(fā)送天線集合。整個比特序列在4個連續(xù)時隙上發(fā)送。符號調(diào)制比特將從一個循環(huán)信號星座集合V＝{V0,…,VL-1}中選出一個酉空時碼(unitary碼)Vl＝diag{x1,x2}，其中m∈{1,2}表示發(fā)送符號，酉空時碼字中的參數(shù)u1,u2∈{0,1,…,L-1}可以優(yōu)化。是酉空時碼字的總數(shù)目，其中Ru是酉空時碼的比特速率。當(dāng)酉空時碼字選定以后，前兩個時隙發(fā)送x1，后兩個時隙發(fā)送另一個符號x2。為了保證系統(tǒng)的安全性，對每個時隙發(fā)送的符號乘以一個加權(quán)系數(shù)wi(i＝1,2,3,4)，目的是惡化竊聽者的性能而不影響目的節(jié)點的解碼。源節(jié)點在4個時隙中發(fā)送的加權(quán)后的酉空時碼字定義為V′l，其中V′l＝diag{w1x1,w2x1,w3x2,w4x2}，其中diag{a1…an}表示以{a1…an}為對角線元素的對角陣。令Nt×4維矩陣S為空間調(diào)制矩陣，該矩陣中的元素代表著在4個連續(xù)時隙中天線的激活狀態(tài)。經(jīng)過上述過程，最終發(fā)送的空時碼字X可寫為：X＝SV′l(26)為了獲得更多的發(fā)送碼字，我們可以增多酉空時碼的數(shù)目和空間調(diào)制矩陣的數(shù)目。對于給定的發(fā)送分集，酉空時碼數(shù)目L的增多意味著酉空時碼的比特速率的提高?？臻g調(diào)制矩陣的數(shù)目可通過在總的天線中循環(huán)移動激活的天線來提高。在總的天線陣列中循環(huán)移動激活的天線的規(guī)則如下。首先，定義一個Nt×4維空間調(diào)制矩陣基SB，它的第一個對角元素為1，空間調(diào)制矩陣基的形式如下式所示：式中1<p1<p2<p3≤Nt，p1,p2,p3是當(dāng)前傳輸激活天線的序號,矩陣SB中的“1”代表該天線被激活，“0”代表改天線未被激活。矩陣SB中每一行都有一個非零元素，因此矩陣SB中有4個1。不同的激活天線位置p1,p2,p3對應(yīng)著不同的空間調(diào)制矩陣基。接下來，定義如下形式的一個Nt×Nt維的右移矩陣R=000...1100...0010...0...............00...10---(28)]]>使用式(27)中空間調(diào)制矩陣基SB和式(28)中的右移矩陣形成Nt-1個空間調(diào)制矩陣RlSB，其中l(wèi)＝{1,2,…,Nt-1}?；谶@些空間調(diào)制矩陣，產(chǎn)生的發(fā)送碼字集合χ如下：χ={Rq-1SBVl′}q=1Nt={Xq}q=1Nt---(29)]]>式中Xq＝Rq-1SBV′l表示發(fā)送碼字集合中的第q個碼字；V′l為當(dāng)前發(fā)送的符號矩陣，表示為V′l＝diag{w1x1,w2x1,w3x2,w4x2}，其中x1，x2為酉空時碼Vl中的符號，酉空時碼Vl表示為Vl＝diag{x1,x2}，wi(i＝1,2,3,4)為隨機加權(quán)系數(shù)。最后，我們對生成的碼字集合進行檢查，如果生成的碼字集合中含有相同的激活天線序號，我們舍棄該集合，否則，我們將使用生成的碼字集合進行發(fā)送。假設(shè)集合χ中的第q個碼字Xq被選中，經(jīng)過四個時隙的傳輸，Bob接收信號為Yb=PtHbXq+Zb---(30)]]>式中Yb為Bob接收信號向量，Pt為Alice發(fā)送的總功率，Hb為Alice與Bob之間信道向量，Zb為Bob處的加性高斯白噪聲(AWGN)。因為Xq＝Rq-1SBV′l，(30)可寫為Yb=PtHbRq-1SBw1x10000w2x10000w3x20000w4x2+Zb---(31)]]>Eve處的接收信號為Ye=PtHeXq+Ze---(32)]]>式中Ye為Eve接收信號向量，He為Alice與Eve之間信道向量，Ze為Eve處的加性高斯白噪聲(AWGN)。傳輸過程中：整個比特序列的傳輸分為四個時隙完成，每個時隙Bob的接收信號為y1=Ptht1w1x1+z1---(33)]]>y2=Ptht2w2x1+z2---(34)]]>y3=Ptht3w3x2+z3---(35)]]>y4=Ptht4w4x2+z4---(36)]]>式中yi為第i個時隙的Bob的接收信號，i＝1,2,3,4，表示第i個時隙選擇的合法信道，zi表示第i個時隙的Bob處的加性高斯白噪聲，i＝1,2,3,4。令Hb表示Alice到Bob的信道向量，則每個時隙選擇的信道和可由HbRq-1SB得到，依據(jù)前面的SB構(gòu)造規(guī)則可得，他們是互不相同的。接收者將第1、2個時隙接收到的信號進行相加，第3、4個時隙接收到的信號進行相加，可有y1′=Pt(ht1w1+ht2w2)x1+z1′---(37)]]>y2′=Pt(ht3w3+ht4w4)x2+z2′---(38)]]>式中y′κ(κ＝1,2)表示兩個時隙Bob的接收信號之和，y′1＝y(tǒng)1+y2y′2＝y(tǒng)3+y4，z′κ表示兩個時隙Bob處的AWGN之和，z′1＝z1+z2,z′2＝z3+z4；綜合式(37)和(38)，可得Bob在4個時隙上接收的信號可等效為y=Ptht12ht34x100x2+z---(39)]]>式中y為接收信號向量矩陣y＝[y′1y′2]，z＝[z′1z′2]。類似地，我們可以推導(dǎo)出Eve的等效接收信號。首先，每個發(fā)送時隙Eve的接收信號為r1=Ptgt1w1x1+n1---(40)]]>r2=Ptgt2w2x1+n2---(41)]]>r3=Ptgt3w3x2+n3---(42)]]>r4=Ptgt4w4x2+n4---(43)]]>式中ri為第i個時隙的Eve的接收信號，表示第i個時隙選擇的竊聽信道，ni表示第i個時隙Eve處的加性高斯白噪聲，i＝1,2,3,4。Eve對接收信號采用與Bob相同的處理，將第1、2個時隙接收到的信號進行相加，第3、4個時隙接收到的信號進行相加，可得Eve在4個時隙上接收的信號可等效為r=Ptgt12gt34x100x2+n---(44)]]>式中r為Eve接收信號向量r＝[r1+r2r3+r4]，n＝[n1+n2n3+n4]。為了防止竊聽節(jié)點的竊聽，本文提出在每個時隙發(fā)送的信號中加入隨機干擾，干擾Eve的接收信號，并且使其不干擾Bob的接收信號。在研究的模型中，因為有SM的存在，為了防止天線攜帶的比特信息被竊聽，我們將空間調(diào)制比特和符號調(diào)制比特進行異或，得到偽空間調(diào)制比特，再利用偽空間調(diào)制比特和符號調(diào)制比特選擇發(fā)送的碼字。選定發(fā)送碼字之后，發(fā)送過程如前面所述，Bob和Eve的接收信號分別為式(10)和式(15)，為了干擾Eve端的接收信號，我們作如下設(shè)置：wi＝βxαi+βtα′idi(45)式中βx、βt分別為有用信號和隨機人工噪聲分別所占總功率的比值，αi，α′i分別為有用信號和隨機人工噪聲部分的預(yù)編碼，i＝1,2,3,4；di表示隨機干擾，假設(shè)為高斯分布生成，均值為0，方差為1。加權(quán)系數(shù)的基本設(shè)計思想是保證Bob不受干擾信號的影響，也即，Bob前兩個時隙接收的信號相加，干擾信號隨之消除，后兩個時隙的接收信號相加之后，干擾信號也隨之消除。也即，只要滿足上述條件即可，由此，加權(quán)系數(shù)可重寫為w1=βxht2+βtd1ht1---(46)]]>w2=βxht1-βtd1ht2---(47)]]>w3=βxht4+βtd1′ht3---(48)]]>w4=βxht3-βtd1′ht4---(49)]]>將(46)‐(49)值代入相應(yīng)的等效信道式中，Bob和Eve的等效信道可重寫為ht12=βx(ht1+ht2)---(50)]]>ht34=βx(ht3+ht4)---(51)]]>gt12=βxgt1ht22+gt2ht12ht1ht2+βtd1gt1ht2-gt2ht1ht1ht2---(52)]]>gt34=βxgt3ht42+gt4ht32ht3ht4+βtd1′gt3ht4-gt4ht3ht3ht4---(53)]]>從上面的等效信道可以看出，Eve處的隨機干擾一直存在。Bob處的解碼采用最大似然解碼，譯碼器為<l^,k^>=argminVl∈V,k∈K|Y-Pth^t12h^t34Vl|2---(54)]]>式中K表示激活天線集合的總數(shù)目接下來，分析合法接收者處的發(fā)射分集。分析所提方案在保證安全傳輸?shù)耐瑫r，實現(xiàn)合法接收者獲得2階的發(fā)射分集。合法接收者相干解調(diào)時成對錯誤概率的chernoff界是Eh[P(Vl→Vl′)]≤|I+14σ2(Vl-Vl′)γ(Vl-Vl′)H|-1≤14(Πl=1rϵl)-Nr(14σ2)-rNr---(55)]]>式中Eh表示期望，表示從ε1到εr的連乘，Vl，Vl′表示來自酉空時碼本V的兩個不同的碼字，r表示Vl→Vl′的秩，εm(m＝1,2,…,r)是Δ＝(Vl-Vl′)H(Vl-Vl′)的非零特征值γ=E(ht12*ht34*ht12ht34)=E(|ht12|2ht12*ht34ht34*ht12|ht34|2)=2σ2I---(56)]]>從(56)式中可得，γ是滿秩的，所以分集增益取決于Δ＝(Vl-Vl′)H(Vl-Vl′)的秩。分集決定了方案的性能曲線。該方案如果獲得2階的發(fā)射分集，則分集積必須大于零。對于任意的發(fā)送碼字，任意一對發(fā)送碼字差為Δ＝(Vl-Vl′)H(Vl-Vl′)，相應(yīng)的分集積為ζ=minVl≠Vl′det[(Vl-Vl′)H(Vl-Vl′)]---(57)]]>Vl，Vl′來自酉空時碼本V的兩個不同的碼字，他們都是對角結(jié)構(gòu)，并且Vl，Vl′中的任意兩個符號均不相等，所以該方案的分集積永遠(yuǎn)大于零，該方案能獲得兩階的發(fā)送分集。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實施方式僅限于此，對于本發(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范圍。通過上述實施例可以看出，本發(fā)明主要賣可以歸集為一種基于隨機人工噪聲的空間調(diào)制安全傳輸方法，在每次傳輸開始的時候，先確定源節(jié)點和目的節(jié)點，并源對節(jié)點和目的節(jié)點依次發(fā)送訓(xùn)練序列，這樣源節(jié)點和目的節(jié)點能夠估計出二者之間的信道信息；再利用比特交織編碼調(diào)制技術(shù)確定編碼，再構(gòu)造空間調(diào)制矩陣集合，并基于這些空間調(diào)制矩陣集合，產(chǎn)生所要發(fā)送的碼字集合，最后通過源節(jié)點從碼字集合中選擇發(fā)送碼字，并在發(fā)送的符號中加入人工噪聲，該人工噪聲不干擾合法接收者，只干擾竊聽節(jié)點；對發(fā)送的含有人工噪聲的碼字進行設(shè)計，使合法接收者不受噪聲的干擾，且能獲得兩階的發(fā)射分集，而竊聽節(jié)點的性能因噪聲的存在而惡化，從而達到抵抗竊聽節(jié)點竊取信息的物理層安全傳輸。進一步地，所述的利用比特交織編碼調(diào)制技術(shù)確定編碼是利用源節(jié)點將輸入信息比特分為兩個部分，一部分是符號調(diào)制比特；另一部分是空間調(diào)制比特；將符號調(diào)制比特與空間調(diào)制比特進行異或，得到偽空間調(diào)制比特；將符號調(diào)制比特與空間調(diào)制比特進行異或，得到偽空間調(diào)制比特；利用偽空間調(diào)制比特與符號調(diào)制比特選擇發(fā)送的天線集合和Unitary碼字。進一步地，所述的產(chǎn)生所要發(fā)送的碼字集合是利用右移矩陣和空間調(diào)制矩陣基構(gòu)造空間調(diào)制矩陣集合，并基于這些空間調(diào)制矩陣集合和酉空時碼字，產(chǎn)生所要發(fā)送的碼字集合。進一步地，所述的通過源節(jié)點從碼字集合中選擇發(fā)送碼字是源節(jié)點利用偽空間調(diào)制矩陣比特和符號調(diào)制比特從碼字集合中選擇發(fā)送碼字；分為四個時隙發(fā)送碼字，前兩個時隙發(fā)送相同的符號，后兩個時隙發(fā)送另一符號。本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明所提的基于隨機人工噪聲的SM物理層安全傳輸方法能夠使得合法接收者獲得兩階的發(fā)射分集，同時惡化竊聽者的竊聽能力。仿真證明該方法能夠有效抵抗竊聽節(jié)點的竊聽，使得竊聽節(jié)點處的誤比特率接近0.5，并且是合法接收者獲得兩階的發(fā)射分集。為了驗證本發(fā)明提出的物理層安全傳輸方法的性能，我們進行了如下仿真：在相同速率條件下，與王莉所提方案進行比較。在仿真中，我們考慮對Eve而言最有利的情況，Eve用盲信道估計方法估計出式(29)、(30)中的第一部分，此時，Eve能獲得最好的竊聽性能。仿真中采用Nt＝8、16，Nr＝1和Ne＝1，信道為獨立同分布的瑞利信道，服從均值為零，方差為1的高斯分布。所有仿真中，酉空時碼的碼字速率Ru＝2。加性高斯白噪聲服從均值為零，方差為1的高斯分布。當(dāng)Nt＝8，所用的碼字通過S1生成，所用的激活的天線序號集合為{1，2，3，4；2，3，4，5；3，4，5，6；4，5，6，7；5，6，7，8；6，7，8，1；7，8，1，2；8，1，2，3}。當(dāng)Nt＝16，所用的碼字通過S1生成，所用的激活的天線序號集合為{1，2，3，4；2，3，4，5；3，4，5，6；4，5，6，7；5，6，7，8；6，7，8，9；7，8，9，10；8，9，10，11；9，10，11，12；10，11，12，13；11，12，13，14；12，13，14，15；13，14，15，16；14，15，16，1；15，16，1，2；16，1，2，3}。情況1：圖2給出了所提的SM物理層安全方案，在不同的傳輸速率和功率分配情況下的BER曲線圖，圖中實線代表速率為1.75bits/s/Hz，此時總的發(fā)送天線數(shù)目Nt＝8；虛線代表傳輸速率為2.0bits/s/Hz，此時總的發(fā)送天線數(shù)目Nt＝16。對于不同的發(fā)送天線數(shù)，激活的天線序號依上述所示。從圖中可看出，所提方案在相同的功率分配條件下，隨著傳輸速率的增大，Eve的BER越大，也意味著，Eve的竊聽性能越差；在相同的傳輸速率條件下，隨著隨機干擾處的功率增大，Eve的BER越大，Eve的竊聽性能越差。當(dāng)隨機干擾分配功率較大時，Eve處的BER可維持在0.5左右。相同的功率分配，低速率時的Bob性能好于高速率時Bob的BER性能，這主要是，高速率時碼字增益小于低速率時的碼字增益。相同的傳輸速率時，信號功率越高，Bob處的性能越好。不論功率分配、傳輸速率如何，從圖中可以看出，Bob都能獲得兩階的發(fā)射分集，驗證了合法接收者發(fā)射分集的分析。情況2：給出在相同的傳輸速率2.0bits/s/Hz時，所提SM物理層安全方案與王莉方案性能對比圖如附圖3，此時，本發(fā)明所提方案采用Nt＝16，且采用對Eve最有利的情況，即Eve能獲得等效信道的第一部分信息；對比方案王莉方案中則采用Nt＝2，并且對比方案采用對Eve節(jié)點最不利的情況，即Eve不知合法信道，此時Eve無法消除所加的人工噪聲。所有的接收天線都為1。從圖中可以看出，所提方案能獲得比對比方案更好的安全性能，所提方案Eve處的BER一直高于對比方案，也即Eve的竊聽性能很差。在高信噪比時，所提方案的Bob性能好于對比方案，且能獲得兩階的發(fā)射分集，而對比方案不能獲得任何的發(fā)射分集。對比方案在應(yīng)用之前，需要解決同步和信道間干擾等問題因此綜上可知，本發(fā)明提出的SM物理層安全傳輸方法能有效抵抗竊聽節(jié)點的竊聽，并使得合法接收者獲得兩階的發(fā)射分集。當(dāng)前第1頁1 2 3