基于星座旋转的人工噪声的物理层安全传输方法技术

本发明专利技术提出了一种基于星座旋转的人工噪声安全传输方法，用于解决现有技术中存在的无线通信系统的保密容量小的技术问题。实现步骤为：源节点S获取其到目的节点D的信道状态信息；产生发送信号并对其进行波束成形；产生人工噪声并对其进行特定角度的星座旋转和波束成形；源节点S将波束成形后的发送信号和星座旋转后的人工噪声叠加成复合信号并进行发送；目的节点D接收到经过信道的复合信号，并对其解调获得解调信号。本发明专利技术通过对人工噪声进行星座旋转可以显著提高发送端的接收信号信噪比，并将非法窃听端的信噪比维持在低值水平，从而能够提高无线通信系统的保密容量，有效提升了无线通信系统的安全性能。

Physical layer security transmission method based on artificial noise of constellation rotation

The invention provides a safe transmission method of artificial noise based on the rotation of the constellation, which is used to solve the technical problem of the low secrecy capacity of the existing wireless communication system in the existing technology. The implementation step is that the source node S gets its channel state information to the destination node D, produces the transmission signal and forms the beamforming, produces artificial noise and carries out the constellation rotation and beamforming at a specific angle, and the source node S superposes the transmitted signal after the beamforming and the artificial noise after the constellation rotation into a compound letter. The destination node D receives the composite signal passing through the channel and demodulates it by demodulating it. This invention can improve the signal to noise ratio of the receiving signal of the transmitter by the rotation of the artificial noise, and maintain the signal to noise ratio of the illegal eavesdropping end at the low value level, thus can improve the security capacity of the wireless communication system and effectively improve the security performance of the wireless communication system.

【技术实现步骤摘要】
基于星座旋转的人工噪声的物理层安全传输方法
本专利技术属于通信
，涉及一种人工噪声的物理层传输方法，具体涉及一种基于星座旋转的人工噪声物理层安全传输方法，可用于发射端采用数字相位调制技术的保密通信系统。
技术介绍
由于无线通信系统中传输媒介的开放性、无线终端的移动性和网络结构的不稳定性，信号传输的可靠性和安全性面临着严峻的考验。研究表明，除传统的高层加密方式外，安全传输问题也可以通过物理层安全技术来解决。作为上层加密方法的一种补充或代替技术，物理层安全技术是在底层利用无线信道的多径性、互易性、空间唯一性等特征保证安全通信，其能有效地提高无线通信系统的安全性能。美国数学家，信息论的奠基人Shannon提出了完美安全(perfectsecrecy)理论，为物理层安全通信的研究奠定了理论基础。此后，Wyner从信息论角度提出窃听信道模型，两个合法的用户通过主信道进行保密信息的通信，窃听者通过退化信道窃听合法用户传输的保密信息，并证明合法用户端一定存在某种保密编码，使用该编码传输保密信息，可以使窃听者无法获得任何关于发送消息的信息量，从而实现完全的、绝对的保密。在物理层安全中以该编码方式传输的保密信息容量，定义为保密容量，即发射端能够可靠传输保密信息给合法接收端而不会被非法窃听端破译的最大速率。然而如果窃听方拥有一个优于主信道的窃听信道，则保密容量就会变成零，也就无法保证安全通信。为了恶化窃听信道，2005年R.Negi和S.Goel提出了发射端在主信道的零空间上发送人工噪声的方法，能在完全不影响合法用户通信的情况下降低窃听信道的信噪比，以提高通信系统的保密容量，从而达到安全通信的目的。研究表明，无论窃听用户在任何位置，使用人工噪声都能保证最小的安全传输速率。在现有的应用人工噪声的方案中，一般都要求人工噪声置于主信道的零空间上，不对合法接收端造成干扰，也就是在合法接收端的人工噪声功率为0，相应的人工噪声也就不会对合法接收端的信号接收有任何帮助。为了克服上述缺陷，雷维嘉2016年在《电子信息学报》上发表了“利用人工噪声提高合法接收者性能的物理层安全方案”的论文，文中提出一种自适应人工干扰的安全传输方法，发送端根据合法信道状态信息和人工噪声，判断出即将到达合法接收端的人工噪声是否对合法接收端解调信号有益，如果有益，采用全向的人工噪声波束成形，使合法接收端也能接收到人工噪声，提高解调性能；如果有害，则将人工噪声置于合法信道零空间上，从而避免对合法接收者产生干扰。该方法在一定程度上提高了合法接收端的信噪比，并同时将非法窃听端的信噪比维持在低值水平，提高了通信系统的保密容量，虽然该方法采用了自适应人工干扰方法，但是人工噪声仍然不总是对合法接收端解调信号有益，所以该方法也存在保密容量提升有限，安全性能不足的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于星座旋转的人工噪声安全传输方法，用于解决现有技术中存在的无线通信系统的保密容量小的技术问题。本专利技术的技术思路是：源节点S获取其到目的节点D的信道状态信息，产生发送信号并对其进行波束成形，再产生人工噪声并对其进行特定角度的星座旋转和波束成形，然后源节点S将波束成形后的发送信号和星座旋转后的人工噪声叠加成复合信号并进行发送，最后目的节点D接收到经过信道的复合信号，并对其解调获得解调信号。根据上述技术思路，实现本专利技术目的采取的技术方案，包括如下步骤：(1)目的节点D向源节点S发送训练符号序列；(2)源节点S获取信道状态信息h：源节点S根据接收的训练符号序列，对源节点S到目的节点D信道的状态进行估计，得到信道状态信息h；(3)源节点S获取波束成形后的发送信号w1x：(3a)源节点S对产生的待发送符号进行数字相位调制，得到发送信号x；(3b)源节点S将发送信号x对准目的节点D，得到发送信号x的波束成形矢量w1，并通过波束成形矢量w1对发送信号x进行波束成形，以实现对目的节点D接收功率的最大化，得到波束成形后的发送信号w1x，其中，w1＝hH/||h||，hH表示h的共轭转置，||h||表示h的2-范数，hH/||h||表示hH与||h||的比值；(4)源节点S获取星座旋转和波束成形后的人工噪声信号w2z·exp(jθ)：(4a)源节点S随机生成N维人工噪声矢量信号z，z＝[z1,z2,...,zi,...,zN]T,其中，zi表示人工噪声矢量信号z的第i个矢量元素，zi～CN(0,1),i＝1,2,…,N，CN(0,1)表示服从均值为0方差为1的复高斯分布，人工噪声矢量信号z的维度数目N与源节点S的发射天线数目相等；(4b)源节点S对人工噪声信号z进行星座旋转：源节点S将人工噪声矢量信号z的相位在二维平面直角坐标系xoy上绕原点进行|θ|角度的旋转，当θ＞0时，对人工噪声信号z进行顺时针旋转，当θ＜0时，对人工噪声信号z进行逆时针旋转，得到星座旋转后的人工噪声信号z·exp(jθ)，其中，θ为发送信号x与经过准静态瑞利衰落信道的人工噪声信号hz的相位差，θ＝arg(x)-arg(hz)，|θ|表示θ的绝对值，j表示虚数单位，exp(jθ)表示以自然对数e为底以jθ为幂的指数，z·exp(jθ)表示z与exp(jθ)的乘积，arg(x)表示x的相位；(4c)源节点S对星座旋转后的人工噪声z·exp(jθ)进行波束成形：源节点S将星座旋转后的人工噪声z·exp(jθ)在三维立体空间中各向同性地对准接收节点，得到人工噪声z的波束成形矩阵w2，并通过波束成形矩阵w2对星座旋转后的人工噪声信号z·exp(jθ)进行波束成形，得到星座旋转和波束成形后的人工噪声信号w2z·exp(jθ)，其中，w2＝IN，IN为N×N阶的单位矩阵；(5)源节点S获取复合信号xt并发送：源节点S对波束成形后的发送信号w1x与人工噪声信号w2z·exp(jθ)进行叠加，得到复合信号xt，并通过准静态瑞利衰落信道发送至目的节点D；(6)目的节点D获取解调信号x：目的节点D对经过准静态瑞利衰落信道的复合信号xt进行解调，得到解调信号x。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：本专利技术在人工噪声预处理时，对人工噪声进行星座旋转，提高了合法接收端的信噪比并将非法窃听端的信噪比维持在低值水平，扩大了合法接收端与非法窃听端的信噪比差值，从而提升了无线通信系统的保密容量，避免了现有技术在使用自适应波束赋形来预处理人工噪声时合法接收端信噪比提升有限，保密容量小的问题。仿真结果表明，本专利技术相比于现有技术可以显著提高无线通信系统的保密容量，提高了通信系统的安全性能。附图说明图1为本专利技术适用的MISOSE窃听模型的结构示意图；图2为本专利技术的实现流程框图；图3为本专利技术与现有技术的保密容量仿真对比结果图。具体实施方式以下结合附图和具体实施例，对本专利技术作进一步详细说明。参照图1，本专利技术适用的MISOSE窃听模型，包括装有N根天线的源节点S，装有1根天线目的节点D和装有1根天线的窃听节点E。源节点S到目的节点D的信道，称之为合法信道，对应的信道状态信息记为h，源节点S到窃听节点E的信道，称之为窃听信道，对应的信道状态信息记为g。两种信道衰落均为准静态瑞利衰落，即在一个码字的传输时间里信道系数不变，不同码字间本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于星座旋转的人工噪声的物理层安全传输方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)目的节点D向源节点S发送训练符号序列；(2)源节点S获取信道状态信息h：源节点S根据接收的训练符号序列，对源节点S到目的节点D信道的状态进行估计，得到信道状态信息h；(3)源节点S获取波束成形后的发送信号w1x：(3a)源节点S对产生的待发送符号进行数字相位调制，得到发送信号x；(3b)源节点S将发送信号x对准目的节点D，得到发送信号x的波束成形矢量w1，并通过波束成形矢量w1对发送信号x进行波束成形，以实现对目的节点D接收功率的最大化，得到波束成形后的发送信号w1x，其中，w1＝hH/||h||，hH表示h的共轭转置，||h||表示h的2‑范数，hH/||h||表示hH与||h||的比值；(4)源节点S获取星座旋转和波束成形后的人工噪声信号w2z·exp(jθ)：(4a)源节点S随机生成N维人工噪声矢量信号z，z＝[z1,z2,...,zi,...,zN]T,其中，zi表示人工噪声矢量信号z的第i个矢量元素，zi～CN(0,1),i＝1,2,...,N，CN(0,1)表示服从均值为0方差为1的复高斯分布，人工噪声矢量信号z的维度数目N与源节点S的发射天线数目相等；(4b)源节点S对人工噪声信号z进行星座旋转：源节点S将人工噪声矢量信号z的相位在二维平面直角坐标系xoy上绕原点进行|θ|角度的旋转，当θ＞0时，对人工噪声信号z进行顺时针旋转，当θ＜0时，对人工噪声信号z进行逆时针旋转，得到星座旋转后的人工噪声信号z·exp(jθ)，其中，θ为发送信号x与经过准静态瑞利衰落信道的人工噪声信号hz的相位差，θ＝arg(x)‑arg(hz)，|θ|表示θ的绝对值，j表示虚数单位，exp(jθ)表示以自然对数e为底以jθ为幂的指数，z·exp(jθ)表示z与exp(jθ)的乘积，arg(x)表示x的相位；(4c)源节点S对星座旋转后的人工噪声z·exp(jθ)进行波束成形：源节点S将星座旋转后的人工噪声z·exp(jθ)在三维立体空间中各向同性地对准接收节点，得到人工噪声z的波束成形矩阵w2，并通过波束成形矩阵w2对星座旋转后的人工噪声信号z·exp(jθ)进行波束成形，得到星座旋转和波束成形后的人工噪声信号w2z·exp(jθ)，其中，w2＝IN，IN为N×N阶的单位矩阵；(5)源节点S获取复合信号xt并发送：源节点S对波束成形后的发送信号w1x与人工噪声信号w2z·exp(jθ)进行叠加，得到复合信号xt，并通过准静态瑞利衰落信道发送至目的节点D；(6)目的节点D获取解调信号x：目的节点D对经过准静态瑞利衰落信道的复合信号xt进行解调，得到解调信号x。...

【技术特征摘要】
1.一种基于星座旋转的人工噪声的物理层安全传输方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)目的节点D向源节点S发送训练符号序列；(2)源节点S获取信道状态信息h：源节点S根据接收的训练符号序列，对源节点S到目的节点D信道的状态进行估计，得到信道状态信息h；(3)源节点S获取波束成形后的发送信号w1x：(3a)源节点S对产生的待发送符号进行数字相位调制，得到发送信号x；(3b)源节点S将发送信号x对准目的节点D，得到发送信号x的波束成形矢量w1，并通过波束成形矢量w1对发送信号x进行波束成形，以实现对目的节点D接收功率的最大化，得到波束成形后的发送信号w1x，其中，w1＝hH/||h||，hH表示h的共轭转置，||h||表示h的2-范数，hH/||h||表示hH与||h||的比值；(4)源节点S获取星座旋转和波束成形后的人工噪声信号w2z·exp(jθ)：(4a)源节点S随机生成N维人工噪声矢量信号z，z＝[z1,z2,...,zi,...,zN]T,其中，zi表示人工噪声矢量信号z的第i个矢量元素，zi～CN(0,1),i＝1,2,...,N，CN(0,1)表示服从均值为0方差为1的复高斯分布，人工噪声矢量信号z的维度数目N与源节点S的发射天线数目相等；(4b)源节点S对人工噪声信号z进行星座旋转：源节点S将人工噪声矢量信号z的相位在二维平面直角坐标系xoy上绕原点进行|θ|角度的旋转，当θ＞0时，对人工噪声信号z进行顺时针旋转，当θ＜0时，对人工噪声信号z进行逆时针旋转，得到星座旋转后的人工噪声信号z·exp(jθ)，其中，θ为发送信号x与经过准静态瑞利衰落信道的人工噪声信号hz的相位差，θ＝arg(x)-arg(hz)，|θ|表示θ的绝对值，j表示虚数单位，exp(jθ)表示以自然对数e为底以jθ为幂的指数，z·exp(jθ)表示z与exp(jθ)的乘积，arg(x)表示x的相位；(4c)源节点S对星座旋转后的人工噪声z·exp(jθ)进行波束成形：源节点S将星座旋转后的人工噪声z·exp(jθ)在三维立体空间中各向同...

【专利技术属性】
技术研发人员：高明，齐冉，葛建华，张宇，林少兴，高洋，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61