一种MIMO窃听信道下基于反馈的保密通信方法技术

本发明专利技术提供了一种MIMO窃听信道下基于反馈的保密通信方法，实现拥有N个发射天线的目标用户与源端之间的保密通信，防止窃听者的窃听，其特征在于，在所述保密通信方法中，作为接收端的源端通过优化反馈性能增益，进而使其接收信噪比高于窃听者。本发明专利技术提高了MIMO窃听信道的保密容量，本发明专利技术不仅可以提高合法接收端的接收信噪比，同时可以扩大MIMO窃听信道的反馈性能增益。通过理论仿真实验可以得知反馈性能增益随着信噪比的增长呈线性增长的关系，同时理论仿真表明应用该协议的合法接收端与窃听端的安全差距随着发射天线数量和(或)信噪比的增长而加大。

A feedback based secure communication method for MIMO wiretap channels

Secure communication method based on the feedback of the invention provides a MIMO Wiretap Channel, has realized secure communication between N transmit antennas to target users with the source, to prevent eavesdropping eavesdropping, characterized by secrecy in the communication method, as the receiving end source by optimizing the performance of feedback gain then the received signal-to-noise ratio is higher than the eavesdropper. The invention improves the secrecy capacity of the MIMO Wiretap Channel, and can not only increase the received signal-to-noise ratio of the legitimate receiver, but also increase the feedback performance gain of the MIMO wiretap channel. Through the simulation experiments that the performance gain with feedback linearly increase the signal-to-noise ratio at the same time, the theory of simulation indicate that the application of the agreement of the legitimate receiver and eavesdropping end security gap with the number of transmit antennas and (or) growth and increase the signal-to-noise ratio.

【技术实现步骤摘要】
一种MIMO窃听信道下基于反馈的保密通信方法
本专利技术涉及一种基于MIMO(multiple-inputmultiple-output)窃听信道的保密通信方法，属于物理层信息安全

技术介绍
Wyner等于1975年提出的窃听信道模型是物理层的安全传输基础模型。该窃听信道模型中，如果主信道比窃听信道有更好的信道条件，则进行物理层的安全传输是可能的，如何实现有效地构造窃听信道模型却一直是一个开放的问题。Wyner窃听信道的模型中，窃听信道需要比合法信道有更高的噪声，这在实际通信中是不现实的，因此需要利用信道的噪声来建立一个逻辑信道——也就是窃听信道，以实现合法信道具有更好的信道特性。而MIMO技术中，两个接收者在相互距离大于等于波长时，其MIMO信道就是不相关的，两个接收者是不可能完全知道对方的信道特性的，这个性质使得建立窃听信道这个逻辑信道成为可能。Wyner曾经证明过如果窃听端的信道相比于主信道更差的情况下，秘密容量就可以实现，从而合法接受端可以以不需要公共密钥的形式接收发送端的保密信息。实际系统中合法接收的信道不一定比窃听者的信道性能更好。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：设计建立合法通信双方的信道比窃听者的信道性能更好的通信协议。为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是提供了一种MIMO窃听信道下基于反馈的保密通信方法，实现拥有N个发射天线的目标用户与源端之间的保密通信，防止窃听者的窃听，其特征在于，在所述保密通信方法中，作为接收端的源端通过优化反馈性能增益，进而使其接收信噪比高于窃听者，具体包括以下步骤：第一步、作为接收端的源端根据信道状态信息计算出最大的信道反馈性能增益gf，进而把相应的最优反馈比特b发送给目标用户；第二步、目标用户将输入的比特流[s1s2]映射为符号流，然后发送到GEO-STBCs编码器得到码字C作为发射信号，码字C的编码结构与输入符号s1、s2及其共轭的组合相关，同时，目标用户根据源端发送的最优反馈比特b旋转发射信号的相位，以使作为接收端的源端的接收信噪比相对于窃听端的接收信噪比能够获得较高的值，并通过MIMO主信道把相位旋转后的发射信号发送给源端；第三步、源端接收到目标用户发送的反馈信号经过译码和解调后得到信号PA，源端把信号PA叠加到保密序列m中，随后把叠加有信号PA和保密序列m的序列进行LDPC编码，然后通过MIMO主信道发送给目标用户。优选地，在所述第二步中，通过GEO-STBCs编码器得到码字C包括以下步骤：在两个连续的时隙t1和t2，GEO-STBCs编码器把输入的s1和s2编码为长度为N的符号流：式中，C(k)表示第k个发射天线的发射信号，表示向上取整，编码后的信号经信道传输，其中信道系数hi(1≤i≤N)是均值为0、方差为0.5的独立的高斯随机变量。优选地，在所述第一步中，最大的信道反馈性能增益gf的计算方法包括以下步骤：步骤1.1、反馈比特b的优化过程表示为：式中，bi表示反馈比特，通过对公式的穷举搜索优选出最优反馈比特b；步骤1.2、将最优反馈比特b代入以下公式中：式中，M表示接收天线个数，hj，i表示信道系数。文献H.Wen，G.Gong，andP.-H.Ho，“Build-inwiretapchannelIwithfeedbackandLDPCcodes，”J.Commun.andNetworks，vol.11，no.6，pp.538-643，Dec.2009.(以下简称文献[1])提出了一种基于二进制对称窃听信道(BSCwire-tapchannel)能实现保密信息优先提取的交互式通信。在本专利技术中，将文献[1]的通信模式应用到了MIMO窃听信道(MIMOwire-tapchannel)中，为了能实现本专利技术，本专利技术归纳了扩展型正交时空分组码(GEO-STBCs)，并提出了反馈方案。通过优化反馈性能增益，从而得到最优反馈比特b以及最大的合法接收端信噪比。基于GEO-STBCs和反馈技术，最终可以实现合法接收端(相对于窃听端)能够获得最优的接收信噪比(SignaltoNoiseRatio，SNR)。本专利技术具有如下优点：(1)提高了MIMO窃听信道的保密容量。通过理论仿真实验可以得知保密容量在低信噪比区域实现较快增长，在高信噪比区域实现慢增长。(2)通过仿真实验可以得知，应用了该协议的合法接收端的误码率性能要优于窃听端，数值结果如下：1)当本专利技术应用于4个发射天线4个接收天线的MIMO窃听信道时，带有2比特反馈的合法接收端在误码率为10-5，优于窃听者4.1dB；2)当本专利技术应用于8个发射和8个接收天线的MIMO窃听信道时，带有6比特反馈的合法接收端在误码率为10-5，优于窃听者高达5.5dB。(3)本专利技术应用了GEO-STBCs编码和反馈技术，相比于其他编码技术，归纳化扩展型正交时空分组码GEO-STBCs能够获得最大的分集增益和编码速率，而且在接收端解码时只需要简单的线性处理。(4)本专利技术不仅可以提高合法接收端的接收信噪比，同时可以扩大MIMO窃听信道的反馈性能增益。通过理论仿真实验可以得知反馈性能增益随着信噪比的增长呈线性增长的关系，同时理论仿真表明应用该协议的合法接收端与窃听端的安全差距随着发射天线数量和(或)信噪比的增长而加大。附图说明图1为应用本专利技术的MIMO窃听信道模型流程图。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。本专利技术提供了一种MIMO窃听信道下基于反馈的保密通信方法，实现拥有N个发射天线的目标用户(以Bob表示)与源端(以Alice表示)之间的保密通信，防止窃听者(以Eve表示)的窃听。在所述保密通信方法中，作为接收端的Alice通过优化反馈性能增益，进而使其接收信噪比高于Eve，具体包括以下步骤：第一步、作为接收端的Alice根据信道状态信息(channelstateinformation，CSI)计算出最大的信道反馈性能增益gf，进而把相应的最优反馈比特b发送给Bob；第二步、Bob将输入的比特流[s1s2]映射为符号流，然后发送到GEO-STBCs编码器得到码字C作为发射信号，码字C的编码结构与输入符号s1、s2及其共轭的组合相关，同时，Bob根据Alice发送的最优反馈比特b旋转发射信号的相位，以使作为接收端的Alice的接收信噪比相对于窃听端的接收信噪比能够获得较高的值，并通过MIMO主信道把相位旋转后的发射信号发送给Alice；第三步、Alice接收到Bob发送的反馈信号经过译码和解调后得到信号PA，Alice把信号PA叠加到保密序列m中，随后把叠加有信号PA和保密序列m的序列进行LDPC编码，然后通过MIMO主信道发送给Bob。本专利技术所提出的MIMO窃听信道模型中，如果Eve未知合法通信信道，即主信道的CSI，使得Eve不能从预编码后的消息中提取正确的传输信息，而由于Bob已知CSI，则可以正确提取。本专利技术正是利用Bob和Eve的信息的不对称性，从而实现合法接收者Bob比Eve具有更好的信道本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种MIMO窃听信道下基于反馈的保密通信方法，实现拥有N个发射天线的目标用户与源端之间的保密通信，防止窃听者的窃听，其特征在于，在所述保密通信方法中，作为接收端的源端通过优化反馈性能增益，进而使其接收信噪比高于窃听者，具体包括以下步骤：第一步、作为接收端的源端根据信道状态信息计算出最大的信道反馈性能增益gf，进而把相应的最优反馈比特b发送给目标用户；第二步、目标用户将输入的比特流[s1s2]映射为符号流，然后发送到GEO‑STBCs编码器得到码字C作为发射信号，码字C的编码结构与输入符号s1、s2及其共轭的组合相关，同时，目标用户根据源端发送的最优反馈比特b旋转发射信号的相位，以使作为接收端的源端的接收信噪比相对于窃听端的接收信噪比能够获得较高的值，并通过MIMO主信道把相位旋转后的发射信号发送给源端；第三步、源端接收到目标用户发送的反馈信号经过译码和解调后得到信号PA，源端把信号PA叠加到保密序列m中，随后把叠加有信号PA和保密序列m的序列进行LDPC编码，然后通过MIMO主信道发送给目标用户。

【技术特征摘要】
1.一种MIMO窃听信道下基于反馈的保密通信方法，实现拥有N个发射天线的目标用户与源端之间的保密通信，防止窃听者的窃听，其特征在于，在所述保密通信方法中，作为接收端的源端通过优化反馈性能增益，进而使其接收信噪比高于窃听者，具体包括以下步骤：第一步、作为接收端的源端根据信道状态信息计算出最大的信道反馈性能增益gf，进而把相应的最优反馈比特b发送给目标用户；第二步、目标用户将输入的比特流[s1s2]映射为符号流，然后发送到GEO-STBCs编码器得到码字C作为发射信号，码字C的编码结构与输入符号s1、s2及其共轭的组合相关，同时，目标用户根据源端发送的最优反馈比特b旋转发射信号的相位，以使作为接收端的源端的接收信噪比相对于窃听端的接收信噪比能够获得较高的值，并通过MIMO主信道把相位旋转后的发射信号发送给源端；第三步、源端接收到目标用户发送的反馈信号经过译码和解调后得到信号PA，源端把信号PA叠加到保密序列m中，随后把叠加...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋学芹，曹誉文，孟玉，白恩健，吴赟，杨义，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海,31