基于接收端空间调制的噪声消除安全传输方法技术

本发明专利技术基于接收端空间调制的噪声消除安全传输方法，包括步骤：发端将待传输信息分为两部分，一部分根据映射规则映射成合法用户接收端天线序号l；另一部分进行幅度相位调制。发端选择一根信道质量最好的天线先发送调制符号和噪声αl，同时选择一根信道质量最差的天线发送噪声βl，设计噪声αl和噪声βl满足在合法用户接收端第l根天线上相消。合法用户在接收端用最大似然检测解调出调制符号和检测性能最好的一根天线，放弃其他接收天线，根据检测的天线序号和调制符号可以完整的检测出发送端的源信息；而由于无线信道之间的差异性，窃听用户在接收端无法获得和合法用户相同的接收形式，而且受到噪声的干扰，所以失去窃听的能力。因此，本发明专利技术方法提升了系统安全性。

【技术实现步骤摘要】

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本专利技术属于无线通信
，涉及一种多天线系统中物理层安全方法，具体涉及一种基于接收端空间调制的噪声消除安全传输方法。

技术介绍
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空间调制(SpatialModulation,SM)技术利用天线位置信息携带部分信息，提高了系统的频谱效率。由于SM技术每次只需要激活一根天线，避免了信道间干扰与多天线间的同步问题，而且每次只需要一个射频链路，有效降低了接收端的实现复杂度和成本，且有助于环保，因此受到广泛的关注。
由于无线信道的开放性，通信过程中信息的安全越来越受到关注，目前无线通信中的安全保障技术基本上是继承于有线通信中的密钥加密措施，这类加密方法一般复杂度较高，且随着计算机处理能力的提升，是可以被破解的。无线信道除了具有开放性，还具有随机性、时变性、互易性等特点。物理层安全正是在物理层充分利用无线信道的上诉特性，根据不同的通信环境进行特定的编码、调制及传输技术来保障通信的安全，由于物理层安全具有较明确的评价指标，且算法复杂度较低，因此受到广泛关注。
现有的物理层安全研究一般是从基于信息论的安全通信理论出发，研究实现物理层安全通信的信号处理和编码技术。这类方法一般以获得大于零的保密容量为目标，但计算安全容量需要已知窃听用户的信道信息，与实际情况不相符。添加人工噪声是一种常见的物理层安全技术，原理是在发送端添加位于合法信道零空间内的噪声，由于合法信道与窃听信道间的差异，会对窃听用户产生较大的干扰。但这类方法需要额外的功率去提升安全性，且发送端的天线数目需要大于合法用户接收端的天线数目才能才生不唯一的人工噪声，而且当窃听用户的天线数目大于发送端天线数目时，可采用盲均衡估计的方法检测出源信号。现有结合空间调制的物理层安全技术研究并没有利用空间调制本身的特殊性来提高安全性，只是把现有的物理层安全技术运用到空间调制系统中。传统的空间调制在发端选择天线的过程只是物理位置上的切换，并不能阻止窃听用户的窃听，而基于接收端空间调制的安全传输方法可以利用合法用户与窃听用户信道间的差异性来提升系统的安全性，到目前为止，还没有针对利用接收端空间调制和噪声消除相结合的物理层安全技术研究。

技术实现思路
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本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于接收端空间调制的噪声消除安全传输方法，该方法可在发送端天线数目和接收端天线数目无约束条件，且无需激活发端所有天线的情况下，提供了一种多天线无线通信系统中的物理层全方法。
为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案来实现的：
基于接收端空间调制的噪声消除安全传输方法，包括以下步骤：
1)发送端配有NT根天线，合法用户和窃听用户接收端分别配有NR、NE根天线；发送端将待传输的比特信息B分为空间比特信息和调制比特信息，空间比特信息由映射规则映射成合法用户接收端天线序号l，调制比特信息由传统的M阶幅度相位调制成符号x，其中，NT≥2，NR＞1，NE＞1；
2)发送端选择信道质量最好的天线传输调制符号x和干扰噪声αl，同时选择信道质量最差的天线传输干扰噪声βl，并设计干扰噪声αl,βl使得其在合法用户接收端第l根天线上消除；
3)合法用户接收端采用选择合并比和最大似然方法检测出检测性能最好的天线l和调制符号，由调制符号解调出调制比特信息，再根据天线序号l和映射规则解调出空间比特信息。
本专利技术进一步的改进在于，步骤1)中发送端将待传输的比特信息分为空间比特信息和调制比特信息空间比特信息B1由映射规则映射成合法用户接收端天线序号l，调制比特信息B2由传统的M阶幅度相位调制成符号x，故其频谱效率为R＝log2NR+log2Mbit/s/Hz；
其中，表示NR×NT维发送端到合法接收端的信道状态信息矩阵，hi,j表示发送端第j根天线到合法用户第i根接收天线的信道增益，j＝1,2,L,NT，i＝1,2,L,NR；表示NE×NT维发送端到窃听端的信道状态信息矩阵，gi,j表示发送端第j根天线到窃听用户第i根接收天线的信道增益，j＝1,2,L,NT，i＝1,2,L,NE。
本专利技术进一步的改进在于，步骤2)中发送端选择信道质量最好的第p根天线传输调制符号x和干扰噪声αl，同时选择信道质量最差的第k根天线传输干扰噪声βl，并设计干扰噪声αl和βl，使得其在合法用户接收端第l根天线上消除，即满足：
hl,pαl+hl,kβl＝0,l＝1,2,L,NR本专利技术进一步的改进在于，由于无线信道之间的差异性，有：
hi,pαl+hi,kβl≠0,i＝1,2L,NR,i≠l
同理，由于窃听信道与合法接收信道具有差异性，所以窃听用户接收天线上无法消除噪声，即：
gj,pαl+gj,kβl≠0,j＝1,2,L。
本专利技术进一步的改进在于，步骤3)中合法用户接收端对每根接收天线采用最大似然方法检测，找出检测性能最好的天线，放弃其他接收天线，并在该根天线上解调出调制符号；再由检测出的接收天线序号和映射规则解调出调制比特信息，从而完整的检测出发送端的源信息。
相对于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：
本专利技术所述的基于接收端空间调制的噪声消除安全传输方法，首先由空间比特信息映射成接收端天线序号l，并设计干扰噪声使得添加的噪声在合法用户接收端第l根天线消除，然后发送端选择两根天线分别发送符号和噪声。由于无线信道的差异性，窃听用户无法检测出映射在合法用户接收端天线序号中的空间比特信息，而且干扰噪声降低了窃听用户检测调制符号的准确率。虽然合法用户接收天线会受到噪声干扰，但合法用户只需检测出噪声消除的第l根接收天线，并在该根天线上检测出调制符号，即可完整检测发送端源信息。因此，本文所专利技术的方法可提升系统的安全性。
附图说明：
图1为本专利技术中采用的安全模型；
图2为本专利技术中基于接收端空间调制的噪声消除安全传输方法的系统模型；
图3为本专利技术中合法用户与窃听用户在接收端的比特误码率(BER)性能图。
具体实施方式：
下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述：
假设网络中有一个源节点Alice，配有NT根天线，一个合法目的节点Bob，配有NR根天线，一个窃听节点Eve，配有NE根天线，HD为源节点到合法节点链路的信道状态信息，GE为源节点到窃听节点链路的信道状态信息。
参考图1至图3，本专利技术所述的基于接收端空间调制的噪声消除安全传输方法，包括以下步骤：
1)将发送端待传输的比特流信息分为两部分和B1称之为空间比特信息，B1映射由如表1的映射规则映射成合法用户接收端天线序号l，B2进行M阶幅度相位调制成符号x，称之为调制比特信息故本专利技术方案的频谱效率为R＝log2NR+log2Mbit/s/Hz。发送端每次激活两根天线，选择一根信道质量最好的(定义为第p根)天线发送调制符号x和干扰噪声αl，另选一根信道质量最差的(定义为第k根)天线发送干扰噪声βl；则发送向量可以表示成NT×1维向量：x＝[0,L,x+αl,L,βl,L,0]T，x中只有两个非零元素，非零元素的值表示发送的符号，非零元素的位置表示发送符号选用的天线序号。
假设合法信道信息为:窃听信道信息为：表1：为本专利技术中发送端空间比特信息与合法用户接收端天线序号间映射规则举例(假设NR＝4)。
B1＝[b1本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于接收端空间调制的噪声消除安全传输方法，其特征在于，包括以下步骤：1)发送端配有NT根天线，合法用户和窃听用户接收端分别配有NR、NE根天线；发送端将待传输的比特信息B分为空间比特信息和调制比特信息，空间比特信息由映射规则映射成合法用户接收端天线序号l，调制比特信息由传统的M阶幅度相位调制成符号x，其中，NT≥2，NR＞1，NE＞1；2)发送端选择信道质量最好的天线传输调制符号x和干扰噪声αl，同时选择信道质量最差的天线传输干扰噪声βl，并设计干扰噪声αl,βl使得其在合法用户接收端第l根天线上消除；3)合法用户接收端采用最大似然方法检测出检测性能最好的天线l和调制符号，由调制符号解调出调制比特信息，再根据天线序号l和映射规则解调出空间比特信息。

【技术特征摘要】
1.基于接收端空间调制的噪声消除安全传输方法，其特征在于，包括以下
步骤：
1)发送端配有NT根天线，合法用户和窃听用户接收端分别配有NR、NE根
天线；发送端将待传输的比特信息B分为空间比特信息和调制比特信息，空间比
特信息由映射规则映射成合法用户接收端天线序号l，调制比特信息由传统的M
阶幅度相位调制成符号x，其中，NT≥2，NR＞1，NE＞1；
2)发送端选择信道质量最好的天线传输调制符号x和干扰噪声αl，同时选
择信道质量最差的天线传输干扰噪声βl，并设计干扰噪声αl,βl使得其在合法用
户接收端第l根天线上消除；
3)合法用户接收端采用最大似然方法检测出检测性能最好的天线l和调制
符号，由调制符号解调出调制比特信息，再根据天线序号l和映射规则解调出空
间比特信息。
2.根据权利要求1所述的基于接收端空间调制的噪声消除安全传输方法，
其特征在于，步骤1)中发送端将待传输的比特信息
分为空间比特信息和调
制比特信息空间比特信息B1由映射规则映射成合法用
户接收端天线序号l，调制比特信息B2由传统的M阶幅度相位调制成符号x，故
其频谱效率为R＝log2NR+log2Mbit/s/Hz；
其中，表示NR×NT维发送端到合法
接收端的信道状态信息矩阵，hi,j表示发送端第j根天线到合法用户第i根接收天

\t线的信道增益，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王霞，王鑫，孙黎，陈新桥，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61