一种不受限于合法信道零空间的人工噪声保密通信方法技术

一种不受限于合法信道零空间的人工噪声保密通信方法，在信息信号s上增加第一种人工噪声w

【技术实现步骤摘要】
一种不受限于合法信道零空间的人工噪声保密通信方法


[0001]本专利技术属于加密通信
，特别涉及一种不受限于合法信道零空间(NS)的人工噪声保密通信方法。

技术介绍

[0002]随着高运算能力的计算机问世和先进窃听技术的不断更新，传统基于密钥的加密技术已经不能保证信息安全可达，而且其加密算法的复杂度、密钥的保管分发等问题使得基于密钥的加密技术逐渐被淘汰。与此同时，从信息论角度研究发现利用物理层技术实现保密通信是完全有可能的，物理层安全技术便成为了无线通信领域的一个新契机。物理层安全技术独立于更高层，不依赖更高层的加密手段实现无线信道中信息的安全传输，其基本原则是利用无线信道的固有特征信息(噪声、衰落等)通过合理的设计实现信息的保密安全传输，即使窃听者计算能力不受限，也可以限制窃听者可获得的比特数，恶化窃听信道质量而对合法用户没有任何影响。
[0003]物理层保密安全通信技术是利用无线信道的固有特征信息内生安全机制来保证通信过程信息的安全。物理层安全技术主要分为以下几类：1、基于信息论的物理层安全；2、人工噪声辅助安全；3、面向安全的波束成型技术；4、物理层密钥生成技术；5、物理层加密技术。现有的物理层保密安全技术中使用最为频繁且效果显著的方案是人工噪声方案。人工噪声的产生方法有两种：多天线法和中继模拟法。多天线产生的AN方案是将人工噪声(AN)设计在合法信道的零空间(NU)中，即人工噪声与合法信道正交，在合法信道中传输因与合法信道正交而被消除，达到对合法用户无影响的目的，而严重影响窃听者的侦听。
>[0004]该人工噪声设计原理是发射机在发送保密信息的同时，利用部分可用功率发送人工噪声，设计在信道零空间的人工噪声w
k
，满足H
k
w
k
＝0。具体传输过程如下：
[0005]发射机发送s+w
k
给用户，接收者和窃听者分别接收到：
[0006]y
b
＝H
AB
(s+w
k
)+n
b
＝H
AB
s+n
b
[0007]y
e
＝H
AE
(s+w
k
)+n
b
＝H
AE
s+H
AE
w
k
+n
e
[0008]其中s是传输信号，H
AB
是合法信道矩阵，H
AE
是窃听信道矩阵，n
b
和n
e
是白噪声。
[0009]对于合法用户，人工噪声在合法信道中因与信道正交而被消除，对于窃听者，人工噪声严重影响窃听者的侦听和解密。
[0010]然而，不是所有信道都存在零空间。信道零空间定义为与信道矩阵H
k
垂直的正交基构成的矩阵，即H
k
w
k
＝0，所有w
k
构成了信道的零空间。可以将H
k
w
k
＝0与线性代数中齐次方程组Ax＝0进行等价，信道矩阵是否存在零空间等价为齐次方程组H
k
w
k
＝0是否有解。事实上，该方程总是有解的，即全零解。但是针对信道零空间设计全零的人工噪声毫无意义，因此只讨论非零解的情况。在线性代数中，齐次线性方程组存在非零解的充分必要条件是方程组系数矩阵的秩小于未知量的个数，即r(H
k
)＜n，n为w
k
的维度数，即未知量的个数，也是H
k
的列数。所以，存在非零解的充要条件为r(H
k
)小于H
k
的列数，即信道存在零空间的条件是信道矩阵的秩小于其列数。由上述分析可知，不是所有的信道都存在信道零空间，因此传统
人工噪声的设计和使用对信道矩阵有一定的要求，即传统人工噪声的设计存在局限性，其方案适用范围受限于信道矩阵，不适用于没有信道零空间的通信系统。另一方面，如果窃听端位于接收机附近，窃听信道与合法信道相似度高，该方案也不能保证信息的安全。

技术实现思路

[0011]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种不受限于合法信道零空间的人工噪声保密通信方法，通过两种人工噪声隐藏保密信息的传输，并进一步通过两阶段信号传输来抵消人工噪声对合法用户干扰，从而使得人工噪声不再受限于信道零空间，即使信道不存在零空间，也可以实现信息的安全传输；即使窃听端位于接收机附近，也无从解密。
[0012]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0013]一种不受限于合法信道零空间的人工噪声保密通信方法，在信息信号s上增加第一种人工噪声w
k
和第二种人工噪声w
m
组成传输信号x1，x1＝s+w
k
+w
m
，其中，w
k
位于合法信道矩阵的零空间，如果不存在信道零空间，则传输信号x1中无w
k
成分，w
m
位于合法信道矩阵的列空间。
[0014]在一个实施例中，选取v
k
的各分量为相互独立的均值为0方差为的高斯分布，构建所述第一种人工噪声w
k
：
[0015]w
k
＝Z
k
v
k
[0016]选取V
m
的各分量为相互独立的均值为0方差为的高斯分布，构建第二种人工噪声w
m
：
[0017]w
m
＝Γ
m
V
m
[0018]Z
k
为合法信道矩阵的零空间中的基向量，Γ
m
为合法信道矩阵的列空间中的基向量。
[0019]即，v
k
的各分量为相互独立的均值为0方差为的高斯分布的变量，V
m
的各分量为相互独立的均值为0方差为的高斯分布的变量。
[0020]在一个实施例中，所述通信方法采用两阶段通信，接收机将接收到的两个信号进行相加；其中第一阶段的传输信号为x1，第二阶段的传输信号为x2，表示为：
[0021][0022]式中，H
AB,1
为第一阶段的合法信道矩阵，H
AB,2
为第二阶段的合法信道矩阵，H
AB,1
≠H
AB,2
。
[0023]应用本专利技术不受限于合法信道零空间的人工噪声保密通信方法的通信系统，可以为MIMO通信系统或SISO通信系统或MISO通信系统。
[0024]对于MIMO通信系统，当合法信道存在零空间，设计两阶段传输信号的形式，消除两种人工噪声对合法用户的干扰；当合法信道不存在信道零空间，仅使用第二种人工噪声w
m
，通过两阶段的方式实现信息的保密传输。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种不受限于合法信道零空间的人工噪声保密通信方法，其特征在于，在信息信号s上增加第一种人工噪声w
k
和第二种人工噪声w
m
组成传输信号x1，x1＝s+w
k
+w
m
，其中，w
k
位于合法信道矩阵的零空间，如果不存在信道零空间，则传输信号x1中无w
k
成分，w
m
位于合法信道矩阵的列空间。2.根据权利要求1所述不受限于合法信道零空间的人工噪声保密通信方法，其特征在于，选取v
k
的各分量为相互独立的均值为0方差为的高斯分布，构建所述第一种人工噪声w
k
：w
k
＝Z
k
v
k
选取V
m
的各分量为相互独立的均值为0方差为的高斯分布，构建第二种人工噪声w
m
：w
m
＝Γ
m
V
m
...

【专利技术属性】
技术研发人员：栾英姿，付丘宇，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：