基于时间反转技术的物理层安全通信方法及装置制造方法及图纸

技术编号:19126724 阅读:11 留言:0更新日期:2018-10-10 08:06
本发明专利技术实施例提供的一种基于时间反转技术的物理层安全通信方法及装置,应用于通信系统中的信号发送端,根据与目标接收端通信的各路径的信道信息,利用时间反转技术,得到在预设时间点为0的噪声信号;将该噪声信号叠加至待传输信号中,得到加密信号;向目标接收端发送该加密信号。从而使得目标接收端在预设时间点采集到加密信号时,加密信号中噪声为0;而非法接收端因信道信息与目标接收端的不同,无论何时采集加密信号,加密信号中的噪声信号都不为0,因此,非法接收端会受噪声信号干扰而无法从采集的加密信号中识别出待传输信号,从而实现了在时域AN信号掩护下的安全通信。

【技术实现步骤摘要】
基于时间反转技术的物理层安全通信方法及装置
本专利技术涉及通信
,特别是涉及一种基于时间反转技术的物理层安全通信方法及装置。
技术介绍
随着通信技术的发展,人们可以不受传统有线通信系统的区域限制,通过无线通信系统更加便捷地传递各类信息。无线通信技术通过电磁波传输通信信息,而电磁波又可能会被不属于通信双方的窃听者采集到,因而存在通信信息被窃听者窃听的风险。为此,通常利用无线通信系统物理层特性进行安全通信,防范窃听风险。常用的物理层安全通信技术包括波束赋形技术,通过优化所发送的信号的空间分布,增强目标用户的信道质量而抑制窃听者的信道质量,避免窃听者采集到通信信息。例如,发送端通过多天线波束赋形将发送给目标用户的信号对准目标用户而避开窃听者;或者,发送端通过干扰对齐技术将发送给目标用户的信号对齐至窃听者信号空间之外的空间来避开窃听者。但是,采用上述方法时,为了将所发送的信号对准目标用户且避开窃听者,发送端需要获取用户和窃听者的信道状态信息(ChannelStateInformation,简称CSI)。当窃听者较为隐蔽时,将导致发送端无法获取到窃听者的CSI,也就无法实现安全通信。为了应对上述问题,相应的技术中,通过空域人工噪声(ArtificialNoise,简称AN)信号掩护技术实现安全通信。具体为,发送端在用户信号空间内传输待传输信号,在用户信号空间之外发送AN信号,主动干扰任何可能存在的窃听者,抑制其接收性能,使窃听者无法从采集到的信号中获取通信信息,从而实现安全通信。但是,如果窃听者拥有多个天线,或者存在多个窃听者联合窃听、且联合窃听的天线总数目大于发送端的发送天线数目,窃听者就可以借助足够多的天线计算得到AN信号传输矩阵,从而根据该矩阵完全消除AN信号。因此,空域AN信号掩护技术在用于安全通信时,依然存在被窃听的风险。
技术实现思路
本专利技术实施例的目的在于提供一种基于时间反转技术的物理层安全通信方法及装置,以实现利用时域AN信号的掩护进行安全通信,避免传统AN信号掩护技术用于安全通信时被窃听的风险。具体技术方案如下:第一方面,本专利技术实施例提供了一种基于时间反转技术的物理层安全通信方法,该方法包括:获取与目标接收端通信的各路径的信道信息;根据各路径的信道信息,利用时间反转技术,得到噪声信号,噪声信号在预设时间点为0;将噪声信号叠加至待传输信号中,得到加密信号;向目标接收端发送所述加密信号。第二方面,本专利技术实施例提供了一种基于时间反转技术的物理层安全通信装置,该装置包括:获取模块,用于获取与目标接收端通信的各路径的信道信息;第一确定模块,用于根据各路径的信道信息,利用时间反转技术,得到噪声信号,噪声信号在预设时间点为0;信号叠加模块,用于将噪声信号叠加至待传输信号中,得到加密信号;发送模块,向目标接收端发送加密信号。第三方面,本专利技术实施例提供了一种计算机设备,该设备包括:处理器、通信接口、存储器和通信总线,其中,处理器,通信接口,存储器通过总线完成相互间的通信;存储器,用于存放计算机程序;处理器,用于执行存储器上所存放的程序,实现上述第一方面提供的基于时间反转技术的物理层安全通信方法的步骤。第四方面,本专利技术实施例提供了一种计算机可读存储介质,所述存储介质内存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现上述第一方面提供的基于时间反转技术的物理层安全通信方法的步骤。本专利技术实施例提供的一种基于时间反转技术的物理层安全通信方法及装置,应用于通信系统中的信号发送端,通过获取与目标接收端通信的各路径的信道信息;根据各路径的信道信息,利用时间反转技术,得到在预设时间点为0的噪声信号;将该噪声信号叠加至待传输信号中,得到加密信号;向目标接收端发送该加密信号。加密信号从发送端传输至目标接收端时,存在传输时延,经过该传输时延,在预设时间点目标接收端才能采集到完整的加密信号,传输时延对应于与目标接收端通信的各路径的信道信息。由此,基于与目标接收端通信的各路径的信道信息,利用时间反转技术,将噪声信号设计为在与目标接收端信道信息对应的预设时间点为0,从而使得目标接收端在预设时间点采集到加密信号时,加密信号中噪声为0;而由于非法接收端的信道信息与目标接收端的不同,无论何时采集加密信号,加密信号中的噪声信号都不为0,因此,非法接收端会受噪声信号干扰而无法从采集的加密信号中识别出待传输信号,从而实现了在时域AN信号掩护下的安全通信,避免传统AN信号掩护技术用于安全通信时被窃听的风险。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。图1为本专利技术一实施例的基于时间反转技术的物理层安全通信方法的流程示意图;图2为本专利技术一实施例的基于时间反转技术的物理层安全通信方法中,目标接收端处加密信号传输示意图;图3为本专利技术一实施例的基于时间反转技术的物理层安全通信方法中,非法接收端处加密信号传输示意图;图4为本专利技术另一实施例的基于时间反转技术的物理层安全通信方法的流程示意图;图5为本专利技术一实施例的基于时间反转技术的物理层安全通信装置的结构示意图;图6为本专利技术另一实施例的基于时间反转技术的物理层安全通信装置的结构示意图;图7为本专利技术一实施例的计算机设备的结构示意图。具体实施方式为了使本领域技术人员更好地理解本专利技术中的技术方案,下面将结合本专利技术实施例中的附图,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作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。下面首先对本专利技术一实施例的基于时间反转技术的物理层安全通信方法进行介绍。本专利技术实施例提供的基于时间反转技术的物理层安全通信方法,可以应用于能够发送通信信号的计算机设备,该设备包括台式计算机、便携式计算机、服务器等,在此不作限定,任何可以实现本专利技术实施例的计算机设备,均属于本专利技术实施例的保护范围。如图1所示,本专利技术一实施例的基于时间反转技术的物理层安全通信方法的流程,应用于通信系统中的信号发送端,可以包括:S101,获取与目标接收端通信的各路径的信道信息。信号发送端与目标接收端通信的各路径的信道信息,可以包括各路径的信道增益、传输时延。信道信息是各路径固有的,而不同的接收端有不同的路径,因此,不同接收端路径的信道信息也是不同的。获取信道信息的方法,具体可以是信号发送端根据接收到的用于测量的导频信号确定出,还可以是信号发送端根据与目标接收端的历史通信信息确定出。任何用于获取目标接收端路径的信道信息的方法均可用于本专利技术,本实施例对此不作限制。S102,根据各路径的信道信息,利用时间反转技术,得到噪声信号,噪声信号在预设时间点为0。S103,将噪声信号叠加至待传输信号中,得到加密信号。S104,向目标接收端发送加密信号。时间反转技术具体为利用预设时间反转预处理函数以及卷积运算,在预设时间点聚集各路径的信道增益,使各路径传输的加密信号包含的待传输信号能量达到峰值,从而在该时间点采样可以得到完整的加密信号。因此,利用时间反转技术进行通信时,接收端会在信号全部聚集的时间点采样,以采集到全部信号。其中,预本文档来自技高网
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基于时间反转技术的物理层安全通信方法及装置

【技术保护点】
1.一种基于时间反转技术的物理层安全通信方法,其特征在于,应用于通信系统中的信号发送端,所述方法包括:获取与目标接收端通信的各路径的信道信息;根据各路径的信道信息,利用时间反转技术,得到噪声信号,所述噪声信号在预设时间点为0;将所述噪声信号叠加至待传输信号中,得到加密信号;向所述目标接收端发送所述加密信号。

【技术特征摘要】
1.一种基于时间反转技术的物理层安全通信方法,其特征在于,应用于通信系统中的信号发送端,所述方法包括:获取与目标接收端通信的各路径的信道信息;根据各路径的信道信息,利用时间反转技术,得到噪声信号,所述噪声信号在预设时间点为0;将所述噪声信号叠加至待传输信号中,得到加密信号;向所述目标接收端发送所述加密信号。2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述各路径的信道信息包括:各路径的信道增益;所述根据各路径的信道信息,利用时间反转技术,得到噪声信号,包括:根据各路径的信道增益,利用预设传输系数确定公式,计算得到各路径的噪声信号传输系数,其中,所述预设传输系数确定公式为:所述L为与所述目标接收端通信的路径的数量,所述i为路径的编号,所述hi为路径i的信道增益,所述ni为路径i的噪声信号传输系数;当预设初始噪声信号是离散信号时,根据各路径的噪声信号传输系数、信道增益和预设初始噪声信号,利用第一预设噪声信号计算公式,计算得到噪声信号,其中,所述第一预设噪声信号计算公式为:A′={h[k]*n[-k]}A,所述h[k]为所述信道增益hi的集合,所述n[-k]为所述噪声信号传输系数ni的倒序集合,所述A为所述预设初始噪声信号,所述A′为所述噪声信号;或者,当预设初始噪声信号是连续信号时,根据各路径的噪声信号传输系数、信道增益和预设初始噪声信号,利用第二预设噪声信号计算公式,计算得到噪声信号,其中,所述第二预设噪声信号计算公式为:所述h(t)为所述信道增益hi的集合,所述n(-t)为所述噪声信号传输系数ni的倒序集合;所述将所述噪声信号叠加至待传输信号中,得到加密信号,包括:当原始传输信号是离散信号时,基于原始传输信号、预设时间反转预处理函数和各路径的信道增益,利用第一待传输信号计算公式,计算得到待传输信号,其中,所述第一待传输信号计算公式为:S′={h[k]*h*[-k]}S,所述h*[-k]为所述预设时间反转预处理函数,所述S为所述原始传输信号,所述S'为所述待传输信号;或者,当原始传输信号是连续信号时,基于原始传输信号、预设时间反转预处理函数和各路径的信道增益,利用第二预设待传输信号计算公式,计算得到待传输信号,其中,所述第二预设待传输信号计算公式为:所述h*(-t)为所述预设时间反转预处理函数;利用预设信号叠加公式,叠加所述噪声信号和所述待传输信号,得到加密信号,其中,所述预设信号叠加公式为:S'+A'。3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,在所述获取与目标接收端通信的各路径的信道信息之后,所述方法还包括:根据所述目标接收端的多个预设第一信噪比以及预设安全速率确定公式,利用预设最优解算法,计算得到第一预设数量个目标安全速率;根据各目标安全速率对应的各预设第一信噪比,从各路径中,确定与各预设第一信噪比对应的各目标路径;所述根据各路径的信道增益,利用预设传输系数确定公式,计算得到各路径的噪声信号传输系数,包括:根据所述各目标路径的信道增益,利用预设目标传输系数确定公式,计算得到目标噪声信号传输系数,其中,所述预设目标传输系数确定公式为:所述nj为所述目标噪声信号传输系数,所述M为所述第一预设数量,所述j为所述目标路径的编号,所述hj为目标路径j的目标信道增益;所述根据各路径的噪声信号传输系数、信道增益和预设初始噪声信号,利用预设噪声信号计算公式,计算得到噪声信号,包括:当预设初始噪声信号是离散信号时,根据各目标路径的所述目标噪声信号传输系数、目标信道增益和预设初始噪声信号,利用第一预设目标噪声信号计算公式,计算得到目标噪声信号,其中,所述第一预设目标噪声信号计算公式为:A″={ha[k]*na[-k]}A,所述ha[k]为所述目标信道增益hj的集合,所述na[-k]为所述目标噪声信号传输系数nj的倒序集合,所述A”为目标噪声信号;或者,当预设初始噪声信号是连续信号时,根据各目标路径的所述目标噪声信号传输系数、目标信道增益和预设初始噪声信号,利用第二预设目标噪声信号计算公式,计算得到目标噪声信号,其中,所述第二预设目标噪声信号计算公式为:所述ha(t)为所述目标信道增益hj的集合,所述na(-t)为所述目标噪声信号传输系数nj的倒序集合;所述基于原始传输信号、预设时间反转预处理函数和各路径的信道增益,利用待传输信号计算公式,计算得到待传输信号,包括:当原始传输信号是离散信号时,基于原始传输信号、预设目标时间反转预处理函数和各目标路径的目标信道增益,利用第一预设待传输目标信号计算公式,计算得到待传输目标信号,其中,所述第一预设待传输目标信号计算公式为:所述为所述预设目标时间反转预处理函数,所述S”为待传输目标信号;或者,当原始传输信号是连续信号时,基于原始传输信号、预设目标时间反转预处理函数和各目标路径的目标信道增益,利用第二预设待传输目标信号计算公式,计算得到待传输目标信号,其中,所述第二预设待传输目标信号计算公式为:所述为所述预设目标时间反转预处理函数;所述利用预设信号叠加公式,叠加所述噪声信号和所述待传输信号,得到加密信号,包括:利用预设目标信号叠加公式,叠加所述目标噪声信号和所述待传输目标信号,得到目标加密信号,其中,所述预设目标信号叠加公式为:S”+A”;所述向所述目标接收端发送所述加密信号,包括:向所述目标接收端发送所述目标加密信号。4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述根据所述目标接收端的多个第一预设信噪比以及预设安全速率确定公式,利用预设最优解算法,计算得到第一预设数量个目标安全速率,包括:根据自身的总发射功率,利用预设功率分配算法,确定多个待传输信号功率和多个噪声信号功率;针对各待传输信号功率以及各噪声信号功率,将该待传输信号功率和相应的噪声信号功率的比值,确定为预设第一信噪比;根据各预设第一信噪比以及非法接收端的多个预设第二信噪比,利用预设安全速率确定公式,计算得到多个安全速率;比较各安全速率的大小,按照安全速率从大到小的顺序,确定第一预设数量个安全速率,作为目标安全速率;其中,预设安全速率确定公式为:Rs=[log2(1+SNRd)-log2(1+SNRe)]+,所述SNRd为所述预设第一信噪比,所述SNRe为所述预设第二噪比。5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,所述根据自身的总发射功率,利用预设功率分配算法,确定多个待传输信号功率和多个噪声信号功率,包括:当判断自身的总发射功率小于或者等于预设总功率阈值时,基于自...

【专利技术属性】
技术研发人员:李娜李思刘尊宁徐瑨陶小峰
申请(专利权)人:北京邮电大学
类型:发明
国别省市:北京,11

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