基于时间反演技术的信息安全传输方法技术

本发明专利技术涉及无线通信技术领域，公开了一种基于时间反演技术的信息安全传输方法；采用导频图案对合法信道和窃听信道进行信道估计；通过探测信道以获取信道状态信息；把信道状态信息进行时间反演；在发送端发送抗干扰噪声和有用信息；本发明专利技术采用了时间反演技术，利用其空间聚焦性，减小了信息被截获的可能性，增强了信息传输过程的安全性，由于信息聚焦于接收方，信息容易在接收点附近被窃听，在发送序列中加入干扰信息，所述干扰信息对接收方没有影响，对窃听方造成自干扰，从而有效降低了接收方误比特率，提高了保密容量，改善了系统的安全性能。

【技术实现步骤摘要】
基于时间反演技术的信息安全传输方法
本专利技术涉及无线通信
，特别涉及一种基于时间反演技术的信息安全传输方法。
技术介绍
无线通信依靠的是开放的自由空间，所有传输的信号都开放在信道之中。非法用户可能在信息传输过程对信息进行监听/捕获，因此，如何更有效的保证信息传输的安全成为日益突出的问题。近年来对于无线信道的研究越来越深入，人们可以利用合法信道的唯一性以及互易性，来实现加密信息，产生密码，辨识合法用户的特性，增强物理层传输的安全性。时间反演技术在实现物理层安全方面有着独有的优势。它具有时间和空间聚焦性，使得信号只有在特定的时间和特定的空间内才可以被检测出来，而超出这个范围的信号很难被检测出来，从而提高信息传输安全。信息的安全传输固然重要，但是信息的高效传输也是未来无线通信研究的主要方向。宽带无线通信系统与其它通信系统相比，具有高通信容量、高多径分辨率、不需要新频谱、保密性好等独特优点，成为下一代无线通信的关键技术之一。目前相关文献已经提出了一些用于增强信息传输安全性的方法，其中零空间人工噪声方法和天线阵列随机加权方法是增强信息传输安全性的有效手段。另外，有人提出一种在合法信道的零空间内加人工噪声的方法，具体步骤为：发送者利用天线阵列冗余在合法信道的零空间内加入人工噪声，在合法信道方向上发送保密信号。当发送信号经过合法信道后，合法信道的零空间内人工噪声在自然信道中消除，合法信道方向上的保密信号被正常接收，因此人工噪声对合法接收者不产生影响。由于不同接收者的无线信道具有差异性，发送者所发送的人工噪声经过窃听者的信道后不会自然消除，导致窃听者接收信号的信噪比下降，进而保证了无线保密通信系统的低截获概率。在现有技术中，上述安全传输方法都是利用多天线技术，但是随着天线数的增加，其计算复杂度也会急剧增加，使得该方法在实际传输过程中很难使用；同时，宽带通信网络同样面临许多挑战，比如多径能量的收集，接收机复杂度的降低，符号间干扰(InterSymbolInterference，简称ISI)的抑制等。而物理层中Wyner窃听信道模型是研究信息传输安全性的一个重要模型，因而如何将时间反演技术与物理层安全技术相结合，是需要亟待研究和解决的问题。
技术实现思路
鉴于以上问题，本专利技术讨论了针对Wyner窃听信道模型的宽带网络中的物理层安全问题，提出一种多天线系统中基于时间反演时间聚焦性的在发送端加人工噪声干扰的安全传输方案，具体为一种基于时间反演技术的信息安全传输方法，可以有效地反信源截获和抗干扰噪声，并能实现信息的安全传输，降低合法用户被窃听的概率，本专利技术提出的一种基于时间反演技术的信息安全传输方法：包括以下步骤：S101：采用导频图案对合法信道和窃听信道进行信道估计；S102：通过探测信道以获取信道状态信息；S103：把所述信道状态信息进行时间反演；S104：将抗干扰噪声和有用信息在发送端发送。本专利技术的有益效果在于：本专利技术针对物理层安全研究中的窃听信道问题，提出了一种基于时间反演技术的信息安全传输方法。首先，在一个典型窃听信道模型中采用时间反演技术，利用其时空聚焦性提高信息传输过程中的安全性；其次，由于信息在聚焦点附近容易被窃听，在发送端加入人工噪声来扰乱窃听用户对保密信息的窃听。本专利技术采用的方案可以有效地提高保密信干噪比和可达保密速率，降低合法用户的误比特率。附图说明图1为本专利技术的一种基于时间反演技术的信息安全传输方法流程图；图2为本专利技术多径信道下保密SINR随SNR变化的仿真比较图；图3为本专利技术功率分配因子随可达保密速率变化的仿真比较图；图4为本专利技术QAM调制下合法用户和窃听用户的平均误比特率随SNR变化的仿真比较图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。下面结合附图与具体实施例对本专利技术作进一步说明：本专利技术提出了一种基于时间反演技术的信息安全传输方法，包括：S101：采用导频图案对合法信道和窃听信道进行信道估计；S102：通过探测信道以获取信道状态信息；S103：把所述信道状态信息进行时间反演；S104：将抗干扰噪声和有用信息在发送端发送；进一步的，采用导频图案和人工噪声对干扰进行抑制包括：考虑信道估计误差，进行窃听信道和合法信道两次信道估计，具体包括：作为一种可选方式，合法接收方把导频发送长度Tp平均分为n段，每段长度为：ΔT＝Ti＝Tp/n,i＝1,…n，选取其中的m段发送导频信号，剩余的n-m段不发送导频信号；在n-m段导频发送空间里，合法接收方不发送导频信号，窃听方发送导频干扰信号，发送方利用n-m段导频空间对应的接收信号获取窃听信道的近似信道估计所述近似信道估计为第一次信道估计。在m段导频发送区间里，合法接收方增大导频发送功率，窃听方继续发送导频干扰，发送方进行第二次信道估计得用所述窃听信道的第一次信道估计消除m段导频信号对应的第二次信道估计中的窃听信道部分。作为另一种可选方式，在m段导频发送区间里，合法接收方增大导频发送功率，窃听方还是发送导频干扰，发送方进行第二次信道估计，在第二次信道估计结果中减去窃听信道，获取最终的信道估计结果；其中，第二次信道估计为：其中，PB是导频信号发送功率，Tp是导频信号的长度，NB是合法接收方天线数，HBA为主信道状态矩阵，HEA为窃听信道状态矩阵，βBA表示发送方和合法接收方之间的大尺度路径损耗衰减系数，βEA表示发送方和窃听方之间的大尺度路径损耗衰减系数，PEp2为m段区间里的导频干扰功率，nA是发送方的独立加性复高斯噪声，对发送方来说，它无法区分窃听方的导频干扰功率和系统噪声功率，所以只能将作为干扰功率；NE为窃听方天线数，CP为归一化后的导频信号，为CP对应的共轭转置信号，满足为导频信号的单位矩阵，为发送方处的噪声功率。于是在第二次信道估计结果中减去窃听信道，最终的信道估计结果可以表示为：进一步的，发送方或接收方首先发送探测脉冲以获取信道状态信息，发送探测脉冲的限制条件包括：接收信号中的噪声较小或无噪声；接收信号的多径分量之间不相互重叠、可以分辨。进一步的，作为一种可选方式，发射天线上的发射信号为pm(t)，接收天线上的接收信号为rmn(t)，t表示时间；其具体实现过程包括：①：参数输入：输入信号pm(t)，输出信号rmn(t)，阈值β；②：初始化clean谱：令c(t)＝0和迭代次数记录i＝0；③：建立方程；④：搜索峰值Γi，并记录其在Γ(t)的位置τi；⑤：清除对应分量，也即：rmn(t)＝rmn(t)-Γipm(t)；⑥：更新clean谱：c(t)＝c(t)+Γiδ(t-τi)，更新迭代次数i＝i+1；⑦：如果Γi>β，返回③，如果Γi<β，则停止；⑧：所得hmn(t)＝c(t)即为时域信道脉冲响应。进一步的，将人工噪声和有用信息在发送端发送包括：采用基于马尔科夫块的维纳编码方案，生成抗干扰噪声；得到基于零空间的抗干扰噪声；将所述基于零空间的抗干扰噪声和有用信息同时按本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于时间反演技术的信息安全传输方法，其特征在于，包括以下步骤：S101：采用导频图案对合法信道和窃听信道进行信道估计；S102：通过探测信道以获取信道状态信息；S103：把所述信道状态信息进行时间反演；S104：将抗干扰噪声和有用信息在发送端发送。

【技术特征摘要】
1.一种基于时间反演技术的信息安全传输方法，其特征在于，包括以下步骤：S101：采用导频图案对合法信道和窃听信道进行信道估计；S102：通过探测信道以获取信道状态信息；S103：把所述信道状态信息进行时间反演；S104：将抗干扰噪声和有用信息在发送端发送。2.根据权利要求1所述的一种基于时间反演技术的信息安全传输方法，其特征在于，所述采用导频图案对合法信道和窃听信道进行信道估计包括：根据信道估计误差进行窃听信道估计和合法信道估计，并获取最终的信道估计结果，具体包括：合法接收方把导频发送长度Tp平均分为n段，选取其中的m段向发送方发送导频信号，剩余的n-m段不发送导频信号；在n-m段导频发送空间里，合法接收方不发送导频信号，窃听方发送导频干扰信号，发送方利用n-m段导频空间对应的接收信号获取窃听信道的近似信道估计所述近似信道估计为第一次信道估计，在m段导频发送区间里，合法接收方增大导频发送功率，窃听方继续发送导频干扰，发送方进行第二次信道估计得用所述窃听信道的第一次信道估计消除m段导频信号对应的第二次信道估计中的窃听信道部分。3.根据权利要求1所述的一种基于时间反演技术的信息安全传输方法，其特征在于，所述通过探测信道以获取信道状态信息包括：信道冲激响应被假定至少在一个固定的探测和传输周期中，用clean算法对信道进行探测，具体包括：发送方或接收方发送探测脉冲以获取信道状态信息，发送探测脉冲的限制条件包括：接收信号中的噪声较小或无噪声，以及接收信号的多径分量之间不相互重叠。4.根据权利要求1所述的一种基于时间反演技术的信息安全传输方法，其特征在于，所述把所述信道状态信息进行时间反演包括：所述时间反演包括时域时间反演和频域时间反演，所述频域时间反演包括：分别探测传输函数的幅值传输函数与相位传输函数，在所述幅值传输函数不变的情况下，将所述相位传输函数共轭转置后，得到时间反演函数；所述时域时间反演包括：直接将信道冲激响应在二维坐标系上的图像关于y轴对称，得到所述时域时间反演后的时间反演函数图像，从而得到时间反演函数。5.根据权利要求1所述的一种基于时间反演技术的信息安全传输方...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱江，王雁，李方伟，杨甜，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50