一种基于物理层的防窃听编码方法技术

本发明专利技术公开了一种基于物理层的防窃听编码方法，其特征在于，在协作通信系统中增加一个防窃听编码矩阵Wi，使得接收端信号随机化；所述防窃听编码矩阵Wi被分解为静态和动态两部分，该防窃听编码矩阵Wi是根据信道状态信息以及当前需要发送的信息生成的。该方法以低窃听概率为标准，可以让原有的协作通信系统通过增加一个防窃听矩阵之后，变成一个具有物理层保密效果的通信系统，使得窃听端即使使用盲信道估计之后，也无法窃听到发送端的信息。

【技术实现步骤摘要】
一种基于物理层的防窃听编码方法
本专利技术属于无线通信
，涉及一种保密编码方法，是一种基于物理层的防窃听编码方法，该方法适用于协作通信系统的保密编码。
技术介绍
由于无线通信的广播特性，无线传输可以被传输范围内的任意节点窃听，因此无线传输的保密性是无线通信面临的一个重大问题。为了防止无线传输的信息被未授权的偷听者窃听，无线网络中常采用高层的加密算法，高层加密算法中密钥的分配和管理自身存在困难，且容易受到攻击。在没有基础设施的网络中，例如AdHoc网络，高层加密较难实现。最近，如何利用无线信道的物理特性来进行物理层保密设计的问题引起了广泛关注。已有文献给出了保密信道容量的定义，即最大可达保密传输的速率，并指出：只要窃听者的信道是接收者信道的恶化情况，不需要任何密钥也能达到完全的保密；同时，当接收机和窃听者具有分别的信道时，若窃听者的信道容量比接收者的信道容量小，保密通信是有可能实现的。已有的物理层保密通信研究表明，保密通信也可以通过物理层技术来实现。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于物理层的防窃听编码方法，该方法以低窃听概率为标准，可以让原有的协作通信系统通过增加一个防窃听矩阵之后，变成一个具有物理层保密效果的通信系统，使得窃听端即使使用盲信道估计之后，也无法窃听到发送端的信息。本专利技术的目的是通过以下技术方案来解决的：这种基于物理层的防窃听编码方法为：在协作通信系统中增加一个防窃听编码矩阵Wi，使得接收端信号随机化；所述防窃听编码矩阵Wi被分解为静态和动态两部分，该防窃听编码矩阵Wi是根据信道状态信息以及当前需要发送的信息生成的。进一步，以上方法具体按照以下步骤：1)在每个相干时间开始时，协作传输的多个用户节点通过时分复用的方式向目的节点发送导频信号，目的节点估计出各个节点到它的信道状态信息，然后，目的节点在同一频率上向所有用户节点发送导频，用户节点利用该导频估计出该节点到目的节点的信道状态信息；2)用户节点之间通过时分复用的方式共享估计出的信道状态信息；3)用户节点通过估计出来的信道状态信息计算出该相干时间内的防窃听编码矩阵Wi；4)设未增加防窃听矩阵前，系统发射信号为：设增加防窃听矩阵之后，发射信号为：则窃听节点端的接收信号被随机化为其中V是编码矩阵，s(i)为一个子帧中的第i个符号，G是用户节点到窃听节点的信道矩阵，Zi为高斯白噪声,Pt为发送功率。进一步，将上述防窃听编码矩阵Wi分解为静态和动态两部分的具体方法为：设静态部分为动态部分为则防窃听编码矩阵所述动态部分根据当前符号需要发送的信息以及当前相干时间内的初始信道状态信息生成；静态部分根据每个相干时间起始阶段估计出的信道状态信息来确定；其中静态部分在一个相干时间内是保持不变的，而动态部分在每个符号内是保持不变的，但是相邻符号之间是变动的，所以动态部分在一个相干时间内是不断变化的；这样即使窃听节点采用盲信道估计的算法，窃听节点也只能估计出静态部分不能估计出动态部分进一步的，在设计防窃听编码矩阵Wi时，需要遵守保密性原则和能量限制原则；所述保密性原则为：当窃听节点采用盲信道估计的方法时，应该保证其无法估计出防窃听编码矩阵Wi；或者，当其估计出静态部分之后，不能估计出动态部分并且不能通过静态部分计算出动态部分所述能量限制原则为：选择最大发送能量限制原则或者平均发送能量限制原则。上述静态部分和动态部分的其中一种计算公式为：其中，u1,…,uN是|u|N＝1的N个解，hN为第N个用户uN到公共目的节点D的信道，uN是|u|N＝1的第N个解，βx,βt是两个可调参数，这两个可调参数的选择必须满足最大能量限制准则，即并且sn(i)为第n个用户在第i个子帧内需要发送的信息，将sn(i)写成二进制序列bn,i＝[bn,i(1),bn,i(2),…,bn,i(log2M)]，通过bn,i计算出上述静态部分和动态部分的的另一种计算公式为：其中，u1,…,uN是|u|N＝1的N个解，αx,αt是两个可调参数，这两个可调参数的选择必须满足最大能量限制准则，即αx+αt＝1，并且将sn(i)写成二进制序列bn,i＝[bn,i(1),bn,i(2),…,bn,i(log2M)]，通过bn,i可以计算出其中是第k个元素，M为符号sn(i)中包含的比特数，即将其表示成二进制的位数，N为用户数。本方案从物理层的角度出发为异步协作通信系统设计一种抵抗窃听的编码传输方案，该抗窃听编码设计以低窃听概率为准则，使得窃听节点对每个信息比特都有低的窃听概率。为了解决协作通信系统的异步问题，本方法采用了空时网络编码的思想。本方案中，利用信道互易性，协作节点可以得到各自到目的节点的信道状态信息，而窃听节点却不能从中获得任何有用信息。基于协作节点各自的信道信息，为每个节点设计了抗窃听系数，该系数能随机化窃听者的接收信号而不影响目的节点的解码，从而达到防止窃听的目的。理论分析及仿真实验表明，本方法所提方案在保证目的节点满分集的同时能够恶化窃听者的性能，同时本方案能获得很好的系统性能。附图说明图1为本专利技术的系统模型图；图2为防窃听空时编码的符号结构；图3为第一种具体设计方案的仿真图；图4为第二种具体设计方案的仿真图。具体实施方式本专利技术基于物理层的防窃听编码方法为：在协作通信系统中增加一个防窃听编码矩阵Wi，使得接收端信号随机化；所述防窃听编码矩阵Wi被分解为静态和动态两部分，该防窃听编码矩阵Wi是根据信道状态信息以及当前需要发送的信息生成的。具体按照以下步骤：1)在每个相干时间开始时，协作传输的多个用户节点通过时分复用的方式向目的节点发送导频信号，目的节点估计出各个节点到它的信道状态信息，然后，目的节点在同一频率上向所有用户节点发送导频，用户节点利用该导频估计出该节点到目的节点的信道状态信息；2)用户节点之间通过时分复用的方式共享估计出的信道状态信息；3)用户节点通过估计出来的信道状态信息计算出该相干时间内的防窃听编码矩阵Wi；所述防窃听编码矩阵Wi分解为静态和动态两部分的具体方法为：设静态部分为动态部分为则防窃听编码矩阵所述动态部分根据当前符号需要发送的信息以及当前相干时间内的初始信道状态信息生成；静态部分根据每个相干时间起始阶段估计出的信道状态信息来确定；其中静态部分在一个相干时间内是保持不变的，而动态部分在每个符号内是保持不变的，但是相邻符号之间是变动的，所以动态部分在一个相干时间内是不断变化的；这样即使窃听节点采用盲信道估计的算法，窃听节点也只能估计出静态部分不能估计出动态部分设计防窃听编码矩阵Wi时，需要遵守保密性原则和能量限制原则。所述保密性原则为：当窃听节点采用盲信道估计的方法时，应该保证其无法估计出本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于物理层的防窃听编码方法，其特征在于，在协作通信系统中增加一个防窃听编码矩阵Wi，使得接收端信号随机化；所述防窃听编码矩阵Wi被分解为静态和动态两部分，该防窃听编码矩阵Wi是根据信道状态信息以及当前需要发送的信息生成的。

【技术特征摘要】
1.一种基于物理层的防窃听编码方法，其特征在于，在协作通信系统中增加一个防窃听编码矩阵Wi，使得接收端信号随机化；所述防窃听编码矩阵Wi被分解为静态和动态两部分，该防窃听编码矩阵Wi是根据信道状态信息以及当前需要发送的信息生成的；具体按照以下步骤：1)在每个相干时间开始时，协作传输的多个用户节点通过时分复用的方式向目的节点发送导频信号，目的节点估计出各个节点到它的信道状态信息，然后，目的节点在同一频率上向所有用户节点发送导频，用户节点利用该导频估计出该节点到目的节点的信道状态信息；2)用户节点之间通过时分复用的方式共享估计出的信道状态信息；3)用户节点通过估计出来的信道状态信息计算出该相干时间内的防窃听编码矩阵Wi；4)设未增加防窃听矩阵前，系统发射信号为：设增加防窃听矩阵之后，发射信号为：则窃听节点端的接收信号被随机化为其中V是编码矩阵，s(i)为一个子帧中的第i个符号，G是用户节点到窃听节点的信道矩阵，Zi为高斯白噪声,Pt为发送功率；将所述防窃听编码矩阵Wi分解为静态和动态两部分的具体方法为：设静态部分为动态部分为则防窃听编码矩阵所述动态部分根据当前符号需要发送的信息以及当前相干时间内的初始信道状态信息生成；静态部分根据每个相干时间起始阶段估计出的信道状态信息来确定；其中静态部分在一个相干时间内是保持不变的，而动态部分在每个符号内是保持不变的，但是相邻符号之间是变动的，所以动态部分在一个相干时间内是不断变化的；这样即使窃听节点采用盲信道估计的算法，窃听节点也只能估计出静态部分不能估计出动态部分在设计防窃听编码矩阵Wi时，需要遵守保密性原则和能量限制原则；所述保密性原则为：当窃听节点采用盲信道估计的方法时，...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖学文，李祥，高贞贞，朱世华，吕刚明，常培梁，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：