无线通信网络联合信号反馈与人工噪声物理层安全通信方法技术

本发明专利技术公开了一种无线通信网络联合信号反馈与人工噪声物理层安全通信方法，包括：第一阶段，发送端将需要保密的信息发给合法接收端。第二阶段，合法接收端收到信息后，在接收的信息里混杂一定量的人工噪声，并将混合后的信号反馈给发送端。第三阶段，发送端将反馈回来的信号发送给接收端，合法接收端由于已知第二阶段的人工噪声，所以它能将人工噪声消除，而偷听端不能将其消除，因而性能会受到人工噪声的削减，从而实现发送端和接收端之间的安全通信。在该方案中合法的通信设备上没有天线优势，没有外部帮助者，没有偷听端的任何信道信息，便可保证合法设备之间的安全通信，本发明专利技术在通信安全方面具备优越性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线通信领域，涉及安全传输方案，具体涉及无线通信网络中联合信号反馈与人工噪声设计的物理层安全通信方案。
技术介绍
由于无线通信的广播特性，设备与设备之间的通信很容易被偷听端窃听。虽然，传统的物理层安全方案在一定程度上能够有效地提升通信的安全性，但其依然存在一些缺点。比如，一、发送端已知偷听端的瞬时信道信息或者统计信道信息。但实际上，对于一个完全被动的偷听者(即偷听者不发送任何信息，只接收信息)而言，合法用户很难获取其信道信息。二、发送端或者合法接收端需要比偷听端有更多的天线。实际中，一方面发送端或接收端可能由于尺寸和成本的原因并不能配置多个天线，另一方面，天线数量上的优势显然对偷听端来说是不公平的，因为它可以使用更多的天线。三、发送端与合法接收端需要外部协作节点(例如，中继)的帮助。实际中，很可能不存在外部的帮助者，或许这个帮助者本身就是不可靠的，它可能会破译合法用户的信息。
技术实现思路
为了解决上述已有方案中潜在的问题，本专利技术提出了一种新的物理层安全方案来实现设备之间的通信安全。本专利技术是通过下述技术方案来实现的。根据本专利技术实施例提供的无线通信网络联合信号反馈与人工噪声物理层安全通信方法，包括下述步骤：第一阶段，发送端使用信道反转技术，在需要保密的信息s中混杂带有方差为的人工噪声w1，发送第一阶段信号xa1，保证发送信号满足第一阶段功率限制合法接收端接收到第一阶段信息并相应的接收到第一阶段信干噪比偷听端接收到包括需要保密的信息s和混杂带有方差为人工噪声w1的信息偷听端并接收到相应的第一阶段接收信干噪比第二阶段，合法接收端也采用信道反转技术，向发送端反馈信号xb，这个反馈信号是基于合法接收端接收到的第一阶段信息在反馈信号中包括需要保密的信息s、混杂带有方差为的人工噪声w1，以及混杂一定量的带有方差为的高斯人工噪声w2，保证反馈信号满足第二阶段功率限制并将混合后的信号反馈给发送端；发送端接收在第二阶段反馈信号ya，发送端可以把带有方差为的人工噪声w1消掉；偷听端在第二阶段收到的信号ye2，偷听端不能把带有的人工噪声w1消掉；偷听端接收到相应的第二阶段接收信干噪比γe2；第三阶段，发送端依然使用信道反转技术，发送在反馈信号中包括需要保密的信息s、带有方差为的高斯人工噪声w2，以及混杂有方差为高斯人工噪声w3的信号保证发送信号满足功率限制合法接收端收到第二阶段信号接收端可以把w2消掉；合法接收端接收到相应的第二阶段接收信干噪比 偷听端的接收第三阶段信号偷听端不能把w2消掉，w2对偷听端造成足够大的损害；偷听端接相应的第三阶段接收信干噪比γe3；通过引入额外的第一阶段方差为的高斯人工噪声w1、第二阶段方差为的高斯人工噪声w2和第三阶段方差为高斯人工噪声w3，并同时保证第二阶段 反馈信号满足第二阶段功率限制以及第一阶段和第三阶段发送信号满足第一阶段功率限制且要使得进而该功率限制应均大于设定的功率阈值p0，使得和小于功率限制小于功率限制从而实现发送端和接收端之间的安全通信。进一步，所述第一阶段中，当信道系数|hAB|2大于截断门限γ0时,发送端使用信道反转技术发送信号:xa1＝(s+w1)/hAB。进一步，发送端的功率限制s和w1的方差必须满足进一步，第一阶段中，合法接收端接收到第一阶段信息： y b 1 = h A B x a 1 + n b 1 = h A B · 1 h A B ( s + w 1 ) + n b 1 = s + w 1 + n b 1 ]]>偷听端接收到第一阶段的信息： y e 1 = h A E x a 1 + n e 1 = h A E · 1 h A B ( s + w 1 ) + n e 1 = h A E h A B s + h A E h A B w 1 + n e 1 . ]]>进一步，第二阶段中，在信道系数满足条件|hBA|2>γ0时，向发送端反馈信号： x b = α · ( y b 1 + w 2 ) / h B A . ]]>进一步，第二阶段中，发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无线通信网络联合信号反馈与人工噪声物理层安全通信方法，其特征在于，包括下述步骤：第一阶段，发送端使用信道反转技术，在需要保密的信息s中混杂带有方差为的人工噪声w1，发送第一阶段信号xa1，保证发送信号满足第一阶段功率限制合法接收端接收到第一阶段信息并相应的接收到第一阶段信干噪比偷听端接收到包括需要保密的信息s和混杂带有方差为人工噪声w1的第一阶段信息偷听端并接收到相应的第一阶段接收信干噪比第二阶段，合法接收端也采用信道反转技术，向发送端反馈信号xb，这个反馈信号是基于合法接收端接收到的第一阶段信息在反馈信号中包括需要保密的信息s、混杂带有方差为的人工噪声w1，以及混杂一定量的带有方差为的高斯人工噪声w2，保证反馈信号满足第二阶段功率限制并将混合后的信号反馈给发送端；发送端接收在第二阶段反馈信号ya，发送端可以把带有方差为的人工噪声w1消掉；偷听端收到在第二阶段信号ye2，偷听端不能把带有的人工噪声w1消掉；偷听端接收到相应的第二阶段接收信干噪比γe2；第三阶段，发送端依然使用信道反转技术，发送在反馈信号中包括需要保密的信息s、带有方差为的高斯人工噪声w2，以及混杂有方差为高斯人工噪声w3的信号保证发送信号满足功率限制合法接收端收到第二阶段信号接收端可以把w2消掉；合法接收端接收到相应的第二阶段接收信干噪比偷听端接收第三阶段信号偷听端不能把w2消掉，w2对偷听端造成足够大的损害；偷听端接相应的第三阶段接收信干噪比γe3；通过引入额外的第一阶段方差为的高斯人工噪声w1、第二阶段方差为的高斯人工噪声w2和第三阶段方差为高斯人工噪声w3，并同时保证第二阶段反馈信号满足第二阶段功率限制以及第一阶段和第三阶段发送信号满足第一阶段功率限制且要使得进而该功率限制应均大于设定的功率阈值p0，使得和小于功率限制小于功率限制从而实现发送端和接收端之间的安全通信。...

【技术特征摘要】
1.一种无线通信网络联合信号反馈与人工噪声物理层安全通信方法，其特征在于，包括下述步骤：第一阶段，发送端使用信道反转技术，在需要保密的信息s中混杂带有方差为的人工噪声w1，发送第一阶段信号xa1，保证发送信号满足第一阶段功率限制合法接收端接收到第一阶段信息并相应的接收到第一阶段信干噪比偷听端接收到包括需要保密的信息s和混杂带有方差为人工噪声w1的第一阶段信息偷听端并接收到相应的第一阶段接收信干噪比第二阶段，合法接收端也采用信道反转技术，向发送端反馈信号xb，这个反馈信号是基于合法接收端接收到的第一阶段信息在反馈信号中包括需要保密的信息s、混杂带有方差为的人工噪声w1，以及混杂一定量的带有方差为的高斯人工噪声w2，保证反馈信号满足第二阶段功率限制并将混合后的信号反馈给发送端；发送端接收在第二阶段反馈信号ya，发送端可以把带有方差为的人工噪声w1消掉；偷听端收到在第二阶段信号ye2，偷听端不能把带有的人工噪声w1消掉；偷听端接收到相应的第二阶段接收信干噪比γe2；第三阶段，发送端依然使用信道反转技术，发送在反馈信号中包括需要保密的信息s、带有方差为的高斯人工噪声w2，以及混杂有方差为高斯人工噪声w3的信号保证发送信号满足功率限制合法接收端收到第二阶段信号接收端可以把w2消掉；合法接收端接收到相应的第二阶段接收信干噪比偷听端接收第三阶段信号偷听端不能把w2消掉，w2对偷听端造成足够大的损害；偷听端接相应的第三阶段接收信干噪比γe3；通过引入额外的第一阶段方差为的高斯人工噪声w1、第二阶段方差为的高斯人工噪声w2和第三阶段方差为高斯人工噪声w3，并同时保证第二阶段反馈信号满足第二阶段功率限制以及第一阶段和第三阶段发送信号满足第一阶段功率限制且要使得进而该功率限制应均大于设定的功率阈值p0，使得和小于功率限制小于功率限制从而实现发送端和接收端之间的安全通信。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一阶段中，当信道系数|hAB|2大于截断门限γ0时,发送端使用信道反转技术发送信号:xa1＝(s+w1)/hAB其中，s是需要保密的信息，w1是第一阶段混杂的高斯人工噪声，它的均值为0，方差为hAB是发送端到接收端的信道。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，发送端的功率限制s和w1的方差必须满足其中，为需要保密的信息的方差，Pa为发送端瞬时的发送功率限制，为求取1/|hAB|2的平均值，其中p(x)是信道系数|hAB|2的概率密度函数。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一阶段中，合法接收端接收到第一阶段信息： y b 1 = h A B x a 1 + n b 1 = h A B · 1 h A B ( s + w 1 ) + n b 1 = s + w 1 + n b 1 ]]>其中，hAB为发送端到接收端的信道，为合法接收端在第一阶段的加性高斯白噪声，均值为0，方差为偷听端接收到第一阶段信息： y e 1 = h A E x a 1 + n e 1 = h A E · 1 h A B ( s + w 1 ) + n e 1 = h A E h A B s + h A E h A B w 1 + n e 1 ]]>其中，hAE是发送端到偷听端的信道，ne1是偷听端在第一阶段的加性高斯白噪声，均值为0，方差为5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二阶段中，在信道系数满足条件|hBA|2＞γ0时，向发送端反馈信号： x b = α · ( y b 1 + w 2 ) / h B A ]]>α是为了保证反馈信号满足功率限制系数，表示为：其中，为需要保密的信息的方差，Pb为发送端瞬时的发送功率限制，为发送信号功率限制，为求取1/|hBA|2的平均值，其中q(x)是信道系数|hBA|2的概率密度函数。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二阶段中，发送端接在第二阶段收到的反馈信号为 y a = α ( s + w 1 + w 2 + n b 1 ) + n a ]]>其中，na是发送端的加性高斯白噪声，均值为0，方差为α为满足功率限制的系数，表示为：其中，为需要保密的信息的方差，为接收端的加性高斯白噪声的方差值，为求取1/|hAB|2的平均值，其中p(x)是信道系数|hAB|2的概率密度函数；发送端可以把w1消掉，消掉w1后的接收信号为 y ~ a = α s + α ( w 2 + n b 1 ) + n a ]]>但是，偷听端在第二阶段收到的信号ye2，偷听端不能把带有的人工噪声w1消掉；偷听端收到第二阶段信号ye2为 y e 2 = α h B E h B A s + α h B E h B A ( w 1 + n b 1 + w 2 ) + n e 2 ]]>其中，是偷听端在第二阶段的加性高斯白噪声，均值为0，方差为hBE是接收端到偷听端的信道，为合法接收端在第一阶段的加性高斯白噪声，均值为0，方差为7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第三阶段中，当信道系数满足|hAB|2＞γ0时，发送信...

【专利技术属性】
技术研发人员：任品毅，贺宏亮，孙黎，王熠晨，杜清河，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61