基于波束成形和安全編碼聯(lián)合的無條件安全通信模型建立方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于信息技術(shù)安全領(lǐng)域，特別是一種基于波束成形和安全編碼聯(lián)合的無條件安全通信模型建立方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于無線通信的廣播特性使得無線網(wǎng)絡(luò)缺乏物理邊界，沒有物理連接無線通信對(duì)于外來的竊聽者來說是開放的，在物理層解決無線通信的安全已經(jīng)成為物理層的一個(gè)必要問題。物理層的安全技術(shù)是基于Shannont1]的安全模型，它是解決無線通信邊界、有效性和可靠性的理論模型。
[0003]1975年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的Wyner提出的竊聽信道模型首次把通信的安全技術(shù)和通信的可靠技術(shù)聯(lián)合起來考慮，如圖1圖示，Wyner指出:只有在竊聽信道比合法信道更差的條件下(即合法通信者具有優(yōu)勢信道的基礎(chǔ)上)，通過“安全編碼”實(shí)現(xiàn)無條件秘密通信是可行的，Wyner的模型提出了“無條件秘密”通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的兩步:第一步是建立合法通信者具有更好信道條件的優(yōu)勢竊聽信道模型建立，第二步是通過“安全編碼”來“擴(kuò)大”合法接收者的優(yōu)勢。但Wyner]等都沒有給出如何實(shí)現(xiàn)竊聽信道比合法信道更差的方法，即，沒有給出竊聽信道模型建立的實(shí)現(xiàn)方法，也沒有給出“安全編碼”的編、譯碼方法，在很長的時(shí)間內(nèi)Wyner等的研宄成果沒有得到足夠的重視和進(jìn)一步發(fā)展.
[0004]beamforming(波束成形)是天線技術(shù)與數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的結(jié)合，目的用于定向信號(hào)傳輸或接收。源于自適應(yīng)天線的一個(gè)概念。接收端的信號(hào)處理，可以通過對(duì)多天線陣元接收到的各路信號(hào)進(jìn)行加權(quán)合成，形成所需的理想信號(hào)。從天線方向圖(pattern)視角來看，這樣做相當(dāng)于形成了規(guī)定指向上的波束。例如，將原來全方位的接收方向圖轉(zhuǎn)換成了有零點(diǎn)、有最大指向的波瓣方向圖。同樣原理也適用用于發(fā)射端。對(duì)天線陣元饋電進(jìn)行幅度和相位調(diào)整，可形成所需形狀的方向圖。
[0005]如果要采用波束成形[2][3]技術(shù)，前提是必須采用多天線系統(tǒng)。例如，多進(jìn)多出(MMO)，不僅采用多接收天線，還可用多發(fā)射天線。由于采用了多組天線，從發(fā)射端到接收端無線信號(hào)對(duì)應(yīng)同一條空間流(spatial streams)，是通過多條路徑傳輸?shù)?，從而?shí)現(xiàn)在空間流的合法用戶能實(shí)現(xiàn)更好的接收性能。而在空間流外的竊聽者只能收到噪聲信號(hào)，從而達(dá)到建立合法通信雙方優(yōu)勢信道的目的，完成Wyner模型的第一步。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于波束成形和安全編碼聯(lián)合的無條件安全通信模型建立方法，該方法先通過多天線的模型實(shí)現(xiàn)合法通信者優(yōu)勢信道建立，再根據(jù)竊聽者和合法用戶接受誤碼率差異給出具體的安全編碼的編、譯碼措施，從而較好的做到竊聽信號(hào)模型中的優(yōu)勢信道的建立以及實(shí)現(xiàn)安全編碼，保證合法用戶在較低誤碼率下接收信號(hào)。
[0007]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:基于波束成形和安全編碼聯(lián)合的無條件安全通信模型建立方法，它包括如下步驟:
[0008]S1:合法接收用戶發(fā)送導(dǎo)頻序列RS給合法發(fā)送用戶，RS分別經(jīng)過合法信道和竊聽信道到達(dá)合法發(fā)送用戶，合法信道矩陣為Hl，竊聽信道矩陣為H2 ;
[0009]S2:合法發(fā)送用戶接收合法接收用戶發(fā)來的導(dǎo)頻序列Yre，導(dǎo)頻序列Yre由導(dǎo)頻序列RS經(jīng)過合法信道瑞利衰落后得到的，即:
[0010]Yes= Hl*RS+n(I)
[0011 ] 采用LS算法做上行信道估計(jì):
[0012]H_esti = YK*RS-1(2)
[0013]得到H_esti，對(duì)H_esti做轉(zhuǎn)置處理，得到Hlesti ；
[0014]S3:將合法發(fā)送用戶即將發(fā)送的二進(jìn)制比特V _bits做調(diào)制后得到復(fù)值符號(hào)V ;
[0015]S4:提取 Hlesti 中的 CSI，對(duì) Hlesti 進(jìn)行 SVD 分解:
[0016]Hlesti= UDVh(3)
[0017]取出V中對(duì)應(yīng)于最大奇異值的列向量，組成預(yù)編碼矩陣W ;
[0018]S5:發(fā)射端對(duì)V做SVD預(yù)編碼處理得到W*X’，并發(fā)送出去；
[0019]S6:經(jīng)過合法信道和竊聽信道后分別被合法接收用戶和竊聽用戶接收，其中合法接收用戶接受到信號(hào)Y1’，ΥΓ表示為:
[0020]Y1，= H1*WX，+η I(4)
[0021]竊聽用戶接收到信號(hào)Υ2’，Υ2’表示為:
[0022]Υ2’ = H2*WX’ +n2(5)
[0023]S7:合法接收用戶和竊聽用戶分別在接收端對(duì)接收到的信號(hào)做判決和譯碼處理，恢復(fù)信號(hào)比特:
[0024]合法接收用戶在接收端用矩陣He = H1*W對(duì)接收到的Y1’做麗SE譯碼處理:
[0025]XI，= (He-1He+I* σ 2F1He^Yr (6)
[0026]然后對(duì)ΧΓ做判決和解調(diào)后，得到二進(jìn)制比特流X’_bitsl，然后和原始比特流X’_bits對(duì)比計(jì)算誤碼率BER1’ ；
[0027]竊聽用戶在接收端用矩陣HE = H2*W對(duì)接收到的Y2’做麗SE譯碼處理:
[0028]X2，= (ΗΕ-1ΗΕ+Ι*σ S—iHEiY〗’ (7)
[0029]然后對(duì)X2’做判決和解調(diào)后，得到二進(jìn)制比特流X’_bits2，然后和原始比特流X’_bits對(duì)比計(jì)算誤碼率BER2’ ；
[0030]S8:根據(jù)誤碼率BER2’，計(jì)算安全編碼參數(shù)，確認(rèn)安全編碼秘密碼；
[0031]S9:將合法發(fā)送用戶即將發(fā)送的二進(jìn)制比特X_bits先進(jìn)行安全編碼，然后做調(diào)制后得到復(fù)值符號(hào)X，而W*x即為發(fā)射端對(duì)X做預(yù)編碼處理并發(fā)送出去的信號(hào)；
[0032]S10:合法發(fā)送用戶發(fā)送出預(yù)處理后的信號(hào)后，經(jīng)過合法信道和竊聽信道后分別被合法接收用戶和竊聽用戶接收，其中合法接收用戶接受到信號(hào)Yi，Yi表示為:
[0033]Yl = Hl*WX+n3 (8)
[0034]竊聽用戶接收到信號(hào)Y2，Y2表示為:
[0035]Y2 = H2*WX+n4 (9)
[0036]Sll:合法接收用戶和竊聽用戶分別在接收端對(duì)接收到的信號(hào)做判決和譯碼處理，恢復(fù)信號(hào)比特:
[0037]合法接收用戶在接收端用矩陣He = H1*W對(duì)接收到的Yl做麗SE譯碼處理:
[0038]Xl = (He-1He+I* σ 2F1He^Yl (10)
[0039]然后對(duì)Xl做判決和解調(diào)后，得到二進(jìn)制比特流X_bitsl，對(duì)X_bitsl做安全譯碼，得到傳遞的信號(hào)；
[0040]竊聽用戶在接收端用矩陣HE = H2*W對(duì)接收到的Y2做麗SE譯碼處理:
[0041]X2 = (ΗΕ_1ΗΕ+Ι* σ 2)_1ΗΕ_1*Υ2 (11)
[0042]然后對(duì)Χ2做判決和解調(diào)后，得到二進(jìn)制比特流X_bits2，對(duì)X_bits2做安全譯碼，得到竊聽到的信號(hào)；
[0043]其中n、nl、n2、n3、n4為隨機(jī)高斯白噪聲，I為單位矩陣，σ為高斯噪聲白的方差；
[0044]由于竊聽用戶缺乏合法信道Hl的信息，故無法解除接收到的信號(hào)的預(yù)編碼處理，誤碼率高。
[0045]所述的步驟S3中的調(diào)制方式為16QAM、64QAM、QPSK、8PSK和BPSK中的任意一種；步驟S7和Sll中的解調(diào)方式與調(diào)制方式相對(duì)應(yīng)。
[0046]所述的步驟S7和步驟Sll中的判決方式為軟判決。
[0047]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明提供了一種基于波束成形和安全編碼聯(lián)合的無條件安全通信模型建立方法，該方法先通過多天線的模型實(shí)現(xiàn)合法通信者優(yōu)勢信道建立，再根據(jù)竊聽者和合法用戶接受誤碼率差異給出具體的安全編碼的編、譯碼措施，從而較好的做到竊聽信號(hào)模型中的優(yōu)勢信道的建立以及實(shí)現(xiàn)安全編碼，保證合法用戶在較低誤碼率下接收信號(hào)。在信號(hào)發(fā)送方處，采用了波束成形的SVD預(yù)編碼處理方案結(jié)合了安全編碼措施；在信號(hào)接收處，采用了波束成形的解除預(yù)編碼的處理方案結(jié)合安全譯碼來恢復(fù)信息比特。
【附圖說明】
[0048]圖1為Wyner竊聽信道模型；
[0049]圖2為波束成形和安全編碼相結(jié)合的無條件安全通信模型；
[0050]圖3為不同天線數(shù)目下合法接收用戶和竊聽用戶的誤碼率曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0051]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于以下所述。
[0052]本發(fā)明中采用了基于上行信道估計(jì)的beamforming傳輸方案，在方案中，假設(shè)有一個(gè)合法發(fā)送方，一個(gè)合法接收用戶以及一個(gè)竊聽用戶。對(duì)照?qǐng)D1的模型，引入了安全編碼來進(jìn)一步擴(kuò)大合法接收用戶和竊聽用戶的誤碼率差距，模型圖如圖2所示。
[0053]基于波束成形和安全編碼聯(lián)合的無條件安全通信模型建立方法，它包括如下步驟:
[0054]S1:合法接收用戶發(fā)送導(dǎo)頻序列RS給合法發(fā)送用戶，RS分別經(jīng)過合法信道和竊聽信道到達(dá)合法發(fā)送用戶，合法信道矩陣為Hl，竊聽信道矩陣為H2 ;
[0055]S2:合法發(fā)送用戶接收合法接收用戶發(fā)來的導(dǎo)頻序列Yre，導(dǎo)頻序列Yre由導(dǎo)頻序列RS經(jīng)過合法信道瑞利衰落后得到的，即:
[0056]Yes= Hl*RS+n(I)
[0057]采用LS算法做上行信道估計(jì):
[0058]H_esti = YK*RS-1(2)
[0059]得到H_esti，對(duì)H_esti做轉(zhuǎn)置處理，得到Hlesti ；
[0060]S3:將合法發(fā)送用戶即將發(fā)送的二進(jìn)制比特V _bits做調(diào)制后得到復(fù)值符號(hào)V ;
[0061]S4:提取 Hlesti 中的 CSIMHlesti 進(jìn)行 SVD 分解:
[0062]Hlesti= UDVh(3)
[0063]取出V中對(duì)應(yīng)于最大奇異值的列向量，組成預(yù)編碼矩陣W ；
[0064]S5:發(fā)射端對(duì)V做SVD預(yù)編碼處理得到W*X’，并發(fā)送出去；
[0065]S6: