一种基于人工噪声的MBM物理层安全传输方法技术

本发明专利技术公开了一种基于人工噪声的MBM物理层安全传输方法，该方法基于MBM技术的特点，利用合法信道与窃听信道的统计独立性，对相邻两个时隙传输的符号进行预编码并加入人工噪声，使得目的节点能够顺利解码源节点发送的信息，而窃听节点无法抵消人工噪声的干扰而不能正确译码，从而达到防止窃听节点窃取信息的目的。仿真结果表明，本发明专利技术能使得窃听节点的误比特率始终接近0.5，亦即窃听节点几乎只能猜测源节点信息。与现有基于MBM技术的安全方案相比，本发明专利技术不仅在使用的场景上限制更小，而且能获得更为稳定有效的安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于人工噪声的MBM物理层安全传输方法
本专利技术属于无线多输入多输出系统的物理层安全
，具体涉及一种基于人工噪声的MBM(mediabasedmodulationMBM)物理层安全传输方法。
技术介绍
媒介调制(mediabasedmodulationMBM)技术作为新提出的天线技术之一，由于其在系统容量和能量效率上存在着巨大的潜为，有望成为第五代通信系统的关键技术。MBM的基本思想是在发射机人为的改变发射天线周围的射频特性，影响发射机天线周围的传输环境，从而在发射机和接收机之间制造多个可能的信道状态，将不同的信息比特映射到不同的信道状态上，接收机通过检测信道状态来恢复传输的信息。与传统的射频调制技术相比，MBM技术不仅能够在不增加能耗的前提下增加接收星座图维度的大小，在通信质量和节省能耗上优势很大，而且还可以以较低复杂度的方式传输较高速率的数据。随着无线通信技术的飞速发展以及多种无线通信网络的泛在共存，用户对无线通信系统传输性能的需求不断提升，同时也对安全性能提出了越来越高的要求。无线通信物理层安全具有十分丰富的内涵，它以信息论为根本出发点，可充分利用无线通信本身的信号格式和无线信道的物理特征，实现保密通信。国内外已有大量关于物理层安全的研究例如基于人工噪声技术、保密波束赋形技术、扩频和跳频加密技术、信道编码加密技术和调制方式加密技术等。关于MBM物理层安全传输的研究正处于起步阶段。浙江大学的赵民建等基于多天线系统的保密MBM技术，利用在源节点各天线产生人工噪声对窃听节点进行干扰，从而达到物理层安全的目的。伊斯坦布尔科技大学的I.Yildirim等针对单天线系统提出一种通过预编码使得窃听者不可分辨发送信道的安全传输方法，然而，此方法要求源接点和目的节点均知道源-窃听节点的信道状态信息，并且此方法只能保证信道比特的安全并不能保证其传输符号比特的安全。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于人工噪声的MBM物理层安全传输方法，该方法采用预编码以及人工噪声技术，基于源节点-目的节点的信道状态信息，在源节点处添加人工噪声，在不影响目的节点解码的同时使得窃听节点不能正确解码，从而达到防止窃听节点进行窃听的目的。本专利技术采用如下技术方案来实现的：一种基于人工噪声的MBM物理层安全传输方法，该方法基于一个三节点的网络系统，系统为SISOSE系统，源节点配备Rm个射频反射镜，能够通过控制射频发射镜的开关状态来改变射频特性从而生成个独立的端对端无线信道，调制方式为M-QAM调制；其中，每次传输分为两个时隙，每个时隙需要选择一个信道来传输，第一个时隙传输待发送信号的实部和人工噪声，第二个时隙传输待发送信号的虚部和人工噪声，在目的节点处将两个时隙接收到的信号相加抵消人工噪声进行最大似然解调。本专利技术进一步的改进在于，该方法具体包括以下步骤：1)在每次传输开始的时候，源节点通过控制射频反射镜遍历前l个信道状态，源节点和目的节点在不同信道状态下依次发送训练序列，这样源节点和目的节点都能够估计到源-目的节点的前l个信道状态信息，将第个信道叫检测信道htest，其中2)源节点将待发送的数据比特进行编码，得到待发送的符号以及发送该符号的信道的序号；3)为了达到安全传输的目的，对窃听节点产生人为的随机干扰，源节点根据估计到的信道状态信息，对待发送的符号进行预编码以及加上人工噪声；4)源节点用选择的发送信道传输编码后的待发送符号；5)目的节点在接收到信号后根据估计到的源-目的节点的信道状态信息进行解调得到原始比特。本专利技术进一步的改进在于，在步骤2)中，源节点选择发送符号和发送信道包括如下步骤：201)系统每次发送log2(M)+2(Rm-1)比特数据，对第1位到第log2(M)位数据采用M-QAM调制方式进行调制，得到待发送的符号x；202)对第log2(M)+1位数据到第log2(M)+Rm-1位数据，根据二进制到十进制的映射关系，选择序号为的信道传输待发送符号x的实部xre；203)对第log2(M)+Rm位数据到第log2(M)+2(Rm-1)位数据，根据二进制到十进制的映射关系，选择序号为k的信道传输待发送符号x的虚部jxim，若d＝k，则用检测信道进行发送，为了防止当d＝k时，在窃听节点处能够通过两个时隙接收信号相加的处理抵消人工噪声，因此当目的节点通过最大似然解调得到时隙2的发送信道为检测信道时，将时隙2的信道比特解调为时隙1的信道比特。本专利技术进一步的改进在于，在步骤3)中，在源节点对待发送符号进行预编码与添加人工噪声包括如下步骤：301)根据对数据进行编码后得到的时隙1的发送信道序号，得到时隙1的发送信道hj,1，hj,1表示源节点在j次传输的时隙1中选择的发送信道，服从均值为零方差为σ2的复高斯分布；302)对待发送符号按照如下方式进行预编码以及添加人工噪声，即xj,1＝xre+hj,2V其中，V为所添加的人工噪声，服从均值为零方差为的复高斯分布,hj,2表示表示源节点在j次传输的时隙2中选择的发送信道，服从均值为零方差为σ2的复高斯分布，xre为待发送符号的实部；303)根据对数据进行编码后得到的时隙2的发送信道序号，得到时隙2的发送信道hj,2，若hj,1＝hj,2，则用检测信道进行发送，因为当hj,1＝hj,2时，人工噪声在窃听节点处的影响通过求和抵消；304)对时隙2的待发送符号按照如下方式进行预编码以及添加人工噪声，即xj,2＝xim-hj,1V其中，xim为待发送符号的虚部。本专利技术进一步的改进在于，在步骤5)中，目的节点在接收到信号后根据估计到的源-目的节点的信道状态信息进行解调得到原始比特，具体如下：501)目的节点收到的信号为：其中，nb是均值为零，方差为σ2的复高斯白噪声，目的节点在接收到信号以后，对信号进行简单的处理，将两个时隙接收到的信号全部相加，即可得到由于目的节点已有源节点-目的节点之间的信道状态信息hd，因此目的节点根据已有的信道状态信息进行最大似然译码，目的节点的最大似然译码器写成：如果hj,2＝htest，那么hj,2＝hj,1；502)窃听节点接收到的信号为：其中，gj,1表示源节点在j次传输的时隙1中选择的发送信道，服从均值为零方差为σ2的复高斯分布，gj,1表示源节点在j次传输的时隙2中选择的发送信道，服从均值为零方差为σ2的复高斯分布，ne是均值为零，方差为σ2的复高斯白噪声；由于窃听节点由于不知道当前符号的源发射天线及源节点-目的节点的信道状态信息，不能对接收符号进行译码；当窃听节点按照目的节点的方式处理接收到的信号时，得到如下的形式：但是如果当时隙1和时隙2选择发送信道相同，即hj,1＝hj,2，gj,1＝gj,2时，上式简化为：这意味着当时隙1和时隙2选择发送信道相同时，在窃听节点通过将两个时隙的接收信号相加抵消人工噪声，为了避免时隙1和时隙2中的发送信道相同，当一次传输中两个时隙的信道比特相同时，用检测信道来发送符号信息；窃听节点只知道自己的本地信道信息，并且在窃听节点处无法消除人工噪声V的干扰，窃听节点只能对所有源天线的可能性进行穷举，进行如下的译码操作：如果gj,2＝gtest，那么gj,2＝gj,1。本专利技术具有如下有益的技术效果：本专利技术提供的一种基于人工噪本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于人工噪声的MBM物理层安全传输方法，其特征在于，该方法基于一个三节点的网络系统，系统为SISOSE系统，源节点配备Rm个射频反射镜，能够通过控制射频发射镜的开关状态来改变射频特性从而生成

【技术特征摘要】
1.一种基于人工噪声的MBM物理层安全传输方法，其特征在于，该方法基于一个三节点的网络系统，系统为SISOSE系统，源节点配备Rm个射频反射镜，能够通过控制射频发射镜的开关状态来改变射频特性从而生成个独立的端对端无线信道，调制方式为M-QAM调制；其中，每次传输分为两个时隙，每个时隙需要选择一个信道来传输，第一个时隙传输待发送信号的实部和人工噪声，第二个时隙传输待发送信号的虚部和人工噪声，在目的节点处将两个时隙接收到的信号相加抵消人工噪声进行最大似然解调。2.根据权利要求1所述的一种基于人工噪声的MBM物理层安全传输方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：1)在每次传输开始的时候，源节点通过控制射频反射镜遍历前l个信道状态，源节点和目的节点在不同信道状态下依次发送训练序列，这样源节点和目的节点都能够估计到源-目的节点的前l个信道状态信息，将第个信道叫检测信道htest，其中2)源节点将待发送的数据比特进行编码，得到待发送的符号以及发送该符号的信道的序号；3)为了达到安全传输的目的，对窃听节点产生人为的随机干扰，源节点根据估计到的信道状态信息，对待发送的符号进行预编码以及加上人工噪声；4)源节点用选择的发送信道传输编码后的待发送符号；5)目的节点在接收到信号后根据估计到的源-目的节点的信道状态信息进行解调得到原始比特。3.根据权利要求2所述的一种基于人工噪声的MBM物理层安全传输方法，其特征在于，在步骤2)中，源节点选择发送符号和发送信道包括如下步骤：201)系统每次发送log2(M)+2(Rm-1)比特数据，对第1位到第log2(M)位数据采用M-QAM调制方式进行调制，得到待发送的符号x；202)对第log2(M)+1位数据到第log2(M)+Rm-1位数据，根据二进制到十进制的映射关系，选择序号为的信道传输待发送符号x的实部xre；203)对第log2(M)+Rm位数据到第log2(M)+2(Rm-1)位数据，根据二进制到十进制的映射关系，选择序号为k的信道传输待发送符号x的虚部jxim，若d＝k，则用检测信道进行发送，为了防止当d＝k时，在窃听节点处能够通过两个时隙接收信号相加的处理抵消人工噪声，因此当目的节点通过最大似然解调得到时隙2的发送信道为检测信道时，将时隙2的信道比特解调为时隙1的信道比特。4.根据权利要求3所述的一种基于人工噪声的MBM物理层安全传输方法，其特征在于，在步骤3)中，在源节点对待发送符号进行预编码与添加人工噪声包括如下步骤：301)根据对数据进行编码后得到的时隙1的发送信道序号，得到时隙...

【专利技术属性】
技术研发人员：高贞贞，白少壮，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61