多输入单输出系统中基于空移键控的物理层安全传输方法技术方案

本发明专利技术公开了一种多输入单输出系统中基于空移键控的物理层安全传输方法，包括步骤：第一步：多输入单输出通信系统包括源节点，目的节点和窃听节点，源节点装配有M根发送天线，目的节点和窃听节点分别装配1根天线；第二步：源节点信息分组：源节点将待发送比特信息序列，按相同比特长度进行比特分组；第三步：空移键控：源节点将信息比特分组包含的比特信息映射到对应序号的发送天线上；通过空移键控，源节点发送天线序号成为了信源信息的承载体；第四步：预编码处理：源节点对各发送天线发送的符号进行预编码处理。该方法能够突破单天线系统对物理层安全的限制，又能够简化收发机结构，克服传统多天线物理层安全传输方法的缺陷。

【技术实现步骤摘要】
多输入单输出系统中基于空移键控的物理层安全传输方法
本专利技术涉及的是一种采用空移键控(空移键控英文为：SpaceShiftKeying,文中简称：SSK)的物理层安全传输方法，具体来说，涉及一种多输入单输出(多输入单输出英文为：Multiple-Input-Single-Output，文中简称：MISO)系统中基于空移键控的物理层安全传输方法。
技术介绍
由于传输媒介的开放性，无线通信在给人们生活带来极大便利的同时，也使用户的个人隐私、财产安全受到威胁。因此，如何确保无线数据传输的安全性，使其不被窃取、破译，是无线通信必须解决的重要问题。传统上，无线通信网络的安全机制主要借鉴于有线计算机网络，其中的信息保密性问题主要由基于对称密钥体制和公开密钥体制的加密算法解决，破解密码所需的极高计算复杂度保证了加密算法的有效性。虽然这些密码学方法在信息安全领域的应用已取得了巨大成功，为维护信息安全发挥了重要作用，但随着计算机运算能力与运算速度的提升，这种建立在计算复杂度上的安全性正日益受到挑战。另一方面，无线网络不同于计算机网络的重要特点是其信息传播的广播特性，这导致密钥的在线分发、维护管理更加困难。
技术实现思路
技术问题：本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种多输入单输出系统中基于空移键控的物理层安全传输方法，该方法一方面能够突破单天线系统对物理层安全的限制，另一方面又能够简化收发机结构，克服传统多天线物理层安全传输方法的缺陷。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种多输入单输出系统中基于空移键控的物理层安全传输方法，该传输方法包括以下步骤：第一步：在物理层安全场景下的多输入单输出通信系统，包括一个源节点S以及两个信宿节点，两个信宿节点都是系统的合法用户；在通信过程中，源节点向一个信宿节点发送信息，该信宿节点为目的节点D；另一个信宿节点意图窃听该信息，为窃听节点E；源节点S装配有M根发送天线，目的节点D和窃听节点E分别装配1根天线，源节点S中的第m根发送天线到目的节点D的信道为源节点S的发送天线到目的节点D的信道集合为源节点S中的第m根发送天线到窃听节点E的信道为所有信道相互独立；目的节点D通过信道估计得到信道窃听节点E通过信道估计得到信道目的节点D和窃听节点E将得到的信道信息反馈至源节点S；M的取值范围为大于1的整数，m＝1,2,...,M；M为大于1的整数；第二步：源节点信息分组：源节点S将待发送比特信息序列x，按相同比特长度p进行比特分组，共有2p种分组情况，记为{x1,x2,...,x2p},比特分组与源节点的发送天线序号之间一一对应，分组长度p满足p＝log2M；第三步：空移键控：按照比特分组与源节点的发送天线序号之间的对应，源节点将信息比特分组包含的比特信息映射到对应序号的发送天线上；基于无线信道的随机唯一特性，进行发送天线选择的过程等效于信道选择的过程；通过空移键控，源节点发送天线序号成为了信源信息的承载体，被选中传输信号的发送天线总是发送二进制相移键控信号中的符号1，该符号1记为x0，|x0|2＝1，未被选中的M-1根天线保持静默，不发送任何信号；第四步：预编码处理：源节点对各发送天线发送的符号进行预编码处理，被选中传输信号的第m根发送天线发送符号x0时，对x0乘以一个预编码系数am，am满足式(1)：其中，表示M根发送天线中的第m2根发送天线的预编码系数，且m2≠m，表示第m2根发送天线到窃听节点E的信道。进一步，所述的多输入单输出系统中基于空移键控的物理层安全传输方法，还包括第五步：检测空移键控信息：源节点首先将预编码系数发送给目的节点，源节点共有M根发送天线，共有M种接收信号可能，假设目的节点实际接收到的信号为yD，按照式(2)测算yD与各种可能接收信号之间的欧氏距离：其中，P表示源节点的发射功率，am表示第m根发送天线的预编码系数；从上述所得M个欧氏距离中选取最小值所对应发送天线序号，为源节点信息映射到的源节点发送天线序号，从而得到该发送天线序号所对应的源节点发送的信息比特分组；目的节点进行信息检测，按照式(3)采用最大似然检测算法：其中，表示目的节点对发送天线序号的检测值，目的节点的平均成对差错概率为：其中，APEPD表示目的节点的平均成对差错概率，Q表示互补误差函数，σ表示噪声功率；表示M根发送天线中的第m2根发送天线的预编码系数，且m2≠m，表示第m2根发送天线到目的节点D的信道；对窃听节点而言，由于式(1)的存在，无论源节点选择哪根发送天线传输信号，窃听节点的接收信号yE为：其中，vE表示窃听节点的接收噪声；窃听节点的平均成对差错概率APEPE为：有益效果：与现有技术相比，本专利技术的技术方案具有以下有益效果：本专利技术的传输方法中，源节点采用空移键控技术，将信源信息映射到发送天线序号上，通过发送预编码处理消除各发送天线到窃听节点信道的差异性，从而实现信息的物理层安全传输。一方面，本方法将天线序号作为信源信息的载体，能够克服传统单天线系统中物理层安全受信道制约这一缺点，即使窃听信道质量优于主信道，也能实现物理层安全传输；另一方面，本方法每次只激活一根天线发送信号，因此相较于传统多天线物理层安全传输方法，本方法硬件实现更加简单，实用性更强，避免了传统方法中的天线间干扰、同步等问题，且只需要一条射频链路，节约了成本。附图说明图1是本专利技术的多输入单输出物理层安全通信的场景示意图。图2是本专利技术的流程框图。图3是本专利技术提供的实施例中，源节点采用空移键控技术将信源信息分组映射到天线序号并进行发送预处理的示意图。图4是本专利技术提供的实施例中，目的节点四种可能接收信号以及实际接收信号在复平面上的星座图。图5是在发送天线为M＝2，4，8条件下，经过预处理和没有经过预处理所得安全互信息量随信噪比变化曲线图。图6是在发送天线为M＝2，4，8条件下，目的节点、窃听节点采用最大似然检测时的平均成对差错概率线条图。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术的技术方案进行详细的描述。如图1所示，本专利技术的一种多输入单输出系统中基于空移键控的物理层安全传输方法，包括以下步骤：第一步：第一步：在物理层安全场景下的多输入单输出通信系统，包括一个源节点S以及两个信宿节点，两个信宿节点都是系统的合法用户；在通信过程中，源节点向一个信宿节点发送信息，该信宿节点为目的节点D；另一个信宿节点意图窃听该信息，为窃听节点E。窃听节点E窃听源节点S输送给目的节点D的信息。源节点S装配有M根发送天线，目的节点D和窃听节点E分别装配1根天线。源节点S中的第m根发送天线到目的节点D的信道为源节点S的发送天线到目的节点D的信道集合为源节点S中的第m根发送天线到窃听节点E的信道为所有信道相互独立。源节点S至目的节点D的信道为主信道，源节点S至窃听节点E的信道为窃听信道。目的节点D通过信道估计得到信道窃听节点E通过信道估计得到信道目的节点和窃听节点采用基于最小均方误差(MMSE)的信道估计方法来获知信道状态信息，信道估计的具体过程可以参见GeorgiosB.Giannakis.SignalProcessingAdvancesinWirelessandMobileCommunicationsVolume1:TrendsinChannelEs本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多输入单输出系统中基于空移键控的物理层安全传输方法，其特征在于：该传输方法包括以下步骤：第一步：在物理层安全场景下的多输入单输出通信系统，包括一个源节点S以及两个信宿节点，两个信宿节点都是系统的合法用户；在通信过程中，源节点向一个信宿节点发送信息，该信宿节点为目的节点D；另一个信宿节点意图窃听该信息，为窃听节点E；源节点S装配有M根发送天线，目的节点D和窃听节点E分别装配1根天线，源节点S中的第m根发送天线到目的节点D的信道为源节点S的发送天线到目的节点D的信道集合为源节点S中的第m根发送天线到窃听节点E的信道为所有信道相互独立；目的节点D通过信道估计得到信道窃听节点E通过信道估计得到信道目的节点D和窃听节点E将得到的信道信息反馈至源节点S；M的取值范围为大于1的整数，m＝1,2,...,M；M为大于1的整数；第二步：源节点信息分组：源节点S将待发送比特信息序列x，按相同比特长度p进行比特分组，共有2p种分组情况，记为比特分组与源节点的发送天线序号之间一一对应，分组长度p满足p＝log2M；第三步：空移键控：按照比特分组与源节点的发送天线序号之间的对应，源节点将信息比特分组包含的比特信息映射到对应序号的发送天线上；基于无线信道的随机唯一特性，进行发送天线选择的过程等效于信道选择的过程；通过空移键控，源节点发送天线序号成为了信源信息的承载体，被选中传输信号的发送天线总是发送二进制相移键控信号中的符号1，该符号1记为x0，|x0|2＝1，未被选中的M‑1根天线保持静默，不发送任何信号；第四步：预编码处理：源节点对各发送天线发送的符号进行预编码处理，被选中传输信号的第m根发送天线发送符号x0时，对x0乘以一个预编码系数αm，αm满足式(1)：αmhSmE=αm2hSm2E]]>  式(1)其中，表示M根发送天线中的第m2根发送天线的预编码系数，且m2≠m，表示第m2根发送天线到窃听节点E的信道。...

【技术特征摘要】
1.一种多输入单输出系统中基于空移键控的物理层安全传输方法，其特征在于：该传输方法包括以下步骤：第一步：在物理层安全场景下的多输入单输出通信系统，包括一个源节点S以及两个信宿节点，两个信宿节点都是系统的合法用户；在通信过程中，源节点向一个信宿节点发送信息，该信宿节点为目的节点D；另一个信宿节点意图窃听该信息，为窃听节点E；源节点S装配有M根发送天线，目的节点D和窃听节点E分别装配1根天线，源节点S中的第m根发送天线到目的节点D的信道为源节点S的发送天线到目的节点D的信道集合为源节点S中的第m根发送天线到窃听节点E的信道为所有信道相互独立；目的节点D通过信道估计得到信道窃听节点E通过信道估计得到信道目的节点D和窃听节点E将得到的信道信息反馈至源节点S；M的取值范围为大于1的整数，m＝1,2,...,M；M为大于1的整数；第二步：源节点信息分组：源节点S将待发送比特信息序列x，按相同比特长度p进行比特分组，共有2p种分组情况，记为比特分组与源节点的发送天线序号之间一一对应，分组长度p满足p＝log2M；第三步：空移键控：按照比特分组与源节点的发送天线序号之间的对应，源节点将信息比特分组包含的比特信息映射到对应序号的发送天线上；基于无线信道的随机唯一特性，进行发送天线选择的过程等效于信道选择的过程；通过空移键控，源节点发送天线序号成为了信源信息的承载体，被选中传输信号的发送天线总是发送二进制相移键控信号中的符号1，该符号1记为x0，|x0|2＝1，未被选中的M-1根天线保持静默，不发送任何信号；...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨炜伟，管新荣，蔡跃明，
申请(专利权)人：中国人民解放军理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32