多輸入單輸出系統(tǒng)中基于空移鍵控的物理層安全傳輸方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多輸入單輸出系統(tǒng)中基于空移鍵控的物理層安全傳輸方法，包括步驟：第一步：多輸入單輸出通信系統(tǒng)包括源節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)和竊聽節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)裝配有M根發(fā)送天線，目的節(jié)點(diǎn)和竊聽節(jié)點(diǎn)分別裝配1根天線；第二步：源節(jié)點(diǎn)信息分組：源節(jié)點(diǎn)將待發(fā)送比特信息序列，按相同比特長度進(jìn)行比特分組；第三步：空移鍵控：源節(jié)點(diǎn)將信息比特分組包含的比特信息映射到對(duì)應(yīng)序號(hào)的發(fā)送天線上；通過空移鍵控，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送天線序號(hào)成為了信源信息的承載體；第四步：預(yù)編碼處理：源節(jié)點(diǎn)對(duì)各發(fā)送天線發(fā)送的符號(hào)進(jìn)行預(yù)編碼處理。該方法能夠突破單天線系統(tǒng)對(duì)物理層安全的限制，又能夠簡化收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)，克服傳統(tǒng)多天線物理層安全傳輸方法的缺陷。
【專利說明】多輸入單輸出系統(tǒng)中基于空移鍵控的物理層安全傳輸方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種采用空移鍵控（空移鍵控英文為：Space Shift Keying，文 中簡稱：SSK)的物理層安全傳輸方法，具體來說，涉及一種多輸入單輸出（多輸入單輸出英 文為：Multiple-Input-Single-Output，文中簡稱：MIS0)系統(tǒng)中基于空移鍵控的物理層安 全傳輸方法。

【背景技術(shù)】
[0002]由于傳輸媒介的開放性，無線通信在給人們生活帶來極大便利的同時(shí)，也使用戶 的個(gè)人隱私、財(cái)產(chǎn)安全受到威脅。因此，如何確保無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，使其不被竊取、破 譯，是無線通信必須解決的重要問題。傳統(tǒng)上，無線通信網(wǎng)絡(luò)的安全機(jī)制主要借鑒于有線 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，其中的信息保密性問題主要由基于對(duì)稱密鑰體制和公開密鑰體制的加密算法 解決，破解密碼所需的極高計(jì)算復(fù)雜度保證了加密算法的有效性。雖然這些密碼學(xué)方法在 信息安全領(lǐng)域的應(yīng)用已取得了巨大成功，為維護(hù)信息安全發(fā)揮了重要作用，但隨著計(jì)算機(jī) 運(yùn)算能力與運(yùn)算速度的提升，這種建立在計(jì)算復(fù)雜度上的安全性正日益受到挑戰(zhàn)。另一方 面，無線網(wǎng)絡(luò)不同于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的重要特點(diǎn)是其信息傳播的廣播特性，這導(dǎo)致密鑰的在線 分發(fā)、維護(hù)管理更加困難。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 技術(shù)問題：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種多輸入單輸出系統(tǒng)中基于空 移鍵控的物理層安全傳輸方法，該方法一方面能夠突破單天線系統(tǒng)對(duì)物理層安全的限制， 另一方面又能夠簡化收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)，克服傳統(tǒng)多天線物理層安全傳輸方法的缺陷。
[0004] 技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0005] -種多輸入單輸出系統(tǒng)中基于空移鍵控的物理層安全傳輸方法，該傳輸方法包括 以下步驟：
[0006] 第一步：在物理層安全場景下的多輸入單輸出通信系統(tǒng)，包括一個(gè)源節(jié)點(diǎn)s以及 兩個(gè)信宿節(jié)點(diǎn)，兩個(gè)信宿節(jié)點(diǎn)都是系統(tǒng)的合法用戶；在通信過程中，源節(jié)點(diǎn)向一個(gè)信宿節(jié)點(diǎn) 發(fā)送信息，該信宿節(jié)點(diǎn)為目的節(jié)點(diǎn)D ;另一個(gè)信宿節(jié)點(diǎn)意圖竊聽該信息，為竊聽節(jié)點(diǎn)E ;源節(jié) 點(diǎn)S裝配有Μ根發(fā)送天線，目的節(jié)點(diǎn)D和竊聽節(jié)點(diǎn)E分別裝配1根天線，源節(jié)點(diǎn)s中的第m 根發(fā)送天線到目的節(jié)點(diǎn)D的信道為，源節(jié)點(diǎn)S的發(fā)送天線到目的節(jié)點(diǎn)D的信道集合為 源節(jié)點(diǎn)S中的第m根發(fā)送天線到竊聽節(jié)點(diǎn)Ε的信道為，所有信道相互 獨(dú)立；目的節(jié)點(diǎn)D通過信道估計(jì)得到信道，竊聽節(jié)點(diǎn)Ε通過信道估計(jì)得到信道％^，目 的節(jié)點(diǎn)D和竊聽節(jié)點(diǎn)Ε將得到的信道信息反饋至源節(jié)點(diǎn)s ;Μ的取值范圍為大于1的整數(shù)， m= 1，2，···，Μ;Μ為大于1的整數(shù)；
[0007]第二步：源節(jié)點(diǎn)信息分組：源節(jié)點(diǎn)S將待發(fā)送比特信息序列X，按相同比特長度ρ 進(jìn)行比特分組，共有2P種分組情況，記為(、Aw.，jc2j,比特分組與源節(jié)點(diǎn)的發(fā)送天線序號(hào) 之間 對(duì)應(yīng)，分組長度p滿足p = l〇g2M ;
[0008]第三步：空移鍵控：按照比特分組與源節(jié)點(diǎn)的發(fā)送天線序號(hào)之間的對(duì)應(yīng)，源節(jié)點(diǎn) 將信息比特分組包含的比特信息映射到對(duì)應(yīng)序號(hào)的發(fā)送天線上；基于無線信道的隨機(jī)唯L 特性，進(jìn)行發(fā)送天線選擇的過程等效于信道選擇的過程；通過空移鍵控，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送天線序 號(hào)成為了信源信息的承載體，被選中傳輸信號(hào)的發(fā)送天線總是發(fā)送二進(jìn)制相移鍵控信號(hào)中 的符號(hào)1，該符號(hào)1記為X。，| X。|2 = 1，未被選中的M-1根天線保持靜默，不發(fā)送任何信號(hào)； [0009]第四步：預(yù)編碼處理：源節(jié)點(diǎn)對(duì)各發(fā)送天線發(fā)送的符號(hào)進(jìn)行預(yù)編碼處理，被選中 傳輸信號(hào)的第m根發(fā)送天線發(fā)送符號(hào)X。時(shí)，對(duì)X。乘以一個(gè)預(yù)編碼系數(shù) αηι滿足式（1):
[0010] amhv. =amhs：：li 式⑴
[0011]其中，表示Μ根發(fā)送天線中的第m2根發(fā)送天線的預(yù)編碼系數(shù)，且叫# m， 表示第m2根發(fā)送天線到竊聽節(jié)點(diǎn)E的信道。
[0012] 進(jìn)一步，所述的多輸入單輸出系統(tǒng)中基于空移鍵控的物理層安全傳輸方法，還包 括第五步：檢測空移鍵控信息：源節(jié)點(diǎn)首先將預(yù)編碼系數(shù)發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)共有Μ根 發(fā)送天線，共有Μ種接收信號(hào)可能，假設(shè)目的節(jié)點(diǎn)實(shí)際接收到的信號(hào)為化按照式⑵測算 yD與各種可能接收信號(hào)之間的歐氏距離：
[0013]

【權(quán)利要求】
1. 一種多輸入單輸出系統(tǒng)中基于空移鍵控的物理層安全傳輸方法，其特征在于：該傳 輸方法包括以下步驟： 第一步：在物理層安全場景下的多輸入單輸出通信系統(tǒng)，包括一個(gè)源節(jié)點(diǎn)S以及兩個(gè) 信宿節(jié)點(diǎn)，兩個(gè)信宿節(jié)點(diǎn)都是系統(tǒng)的合法用戶；在通信過程中，源節(jié)點(diǎn)向一個(gè)信宿節(jié)點(diǎn)發(fā)送 信息，該信宿節(jié)點(diǎn)為目的節(jié)點(diǎn)D;另一個(gè)信宿節(jié)點(diǎn)意圖竊聽該信息，為竊聽節(jié)點(diǎn)E;源節(jié)點(diǎn)S 裝配有M根發(fā)送天線，目的節(jié)點(diǎn)D和竊聽節(jié)點(diǎn)E分別裝配1根天線，源節(jié)點(diǎn)S中的第m根 發(fā)送天線到目的節(jié)點(diǎn)D的信道為心#，源節(jié)點(diǎn)S的發(fā)送天線到目的節(jié)點(diǎn)D的信道集合為 ，源節(jié)點(diǎn)S中的第m根發(fā)送天線到竊聽節(jié)點(diǎn)E的信道為/，所有信道相 互獨(dú)立；目的節(jié)點(diǎn)D通過信道估計(jì)得到信道心^，竊聽節(jié)點(diǎn)E通過信道估計(jì)得到信道心， 目的節(jié)點(diǎn)D和竊聽節(jié)點(diǎn)E將得到的信道信息反饋至源節(jié)點(diǎn)S;M的取值范圍為大于1的整 數(shù)，m= 1，2,. ..，M;M為大于1的整數(shù)； 第二步：源節(jié)點(diǎn)信息分組：源節(jié)點(diǎn)S將待發(fā)送比特信息序列X，按相同比特長度p進(jìn)行 比特分組，共有2P種分組情況，記為+VX2,...,X2^，比特分組與源節(jié)點(diǎn)的發(fā)送天線序號(hào)之間 --對(duì)應(yīng)，分組長度P滿足P=Iog2M; 第三步：空移鍵控：按照比特分組與源節(jié)點(diǎn)的發(fā)送天線序號(hào)之間的對(duì)應(yīng)，源節(jié)點(diǎn)將信 息比特分組包含的比特信息映射到對(duì)應(yīng)序號(hào)的發(fā)送天線上；基于無線信道的隨機(jī)唯一特 性，進(jìn)行發(fā)送天線選擇的過程等效于信道選擇的過程；通過空移鍵控，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送天線序號(hào) 成為了信源信息的承載體，被選中傳輸信號(hào)的發(fā)送天線總是發(fā)送二進(jìn)制相移鍵控信號(hào)中的 符號(hào)1，該符號(hào)1記為χ〇,IxcJ2 = 1，未被選中的M-I根天線保持靜默，不發(fā)送任何信號(hào)； 第四步：預(yù)編碼處理：源節(jié)點(diǎn)對(duì)各發(fā)送天線發(fā)送的符號(hào)進(jìn)行預(yù)編碼處理，被選中傳輸 信號(hào)的第m根發(fā)送天線發(fā)送符號(hào)Xtl時(shí)，對(duì)Xtl乘以一個(gè)預(yù)編碼系數(shù)am，Cim滿足式（1): 《"A,,.，式（1) 其中，α?2表示M根發(fā)送天線中的第m2根發(fā)送天線的預(yù)編碼系數(shù)，且m2尹m, 表示 第m2根發(fā)送天線到竊聽節(jié)點(diǎn)E的信道。
2. 按照權(quán)利要求1所述的多輸入單輸出系統(tǒng)中基于空移鍵控的物理層安全傳輸方法， 其特征在于：還包括第五步：檢測空移鍵控信息：源節(jié)點(diǎn)首先將預(yù)編碼系數(shù)發(fā)送給目的節(jié) 點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)共有M根發(fā)送天線，共有M種接收信號(hào)可能，假設(shè)目的節(jié)點(diǎn)實(shí)際接收到的信號(hào)為 yD，按照式（2)測算yD與各種可能接收信號(hào)之間的歐氏距離： y〇 ~ ^PatJ1SmDxH式⑵ 其中，P表示源節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，am表示第m根發(fā)送天線的預(yù)編碼系數(shù)； 從上述所得M個(gè)歐氏距離中選取最小值所對(duì)應(yīng)發(fā)送天線序號(hào)，為源節(jié)點(diǎn)信息映射到的 源節(jié)點(diǎn)發(fā)送天線序號(hào)，從而得到該發(fā)送天線序號(hào)所對(duì)應(yīng)的源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息比特分組；目 的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息檢測，按照式（3)采用最大似然檢測算法： m-argminyn -^PaJis/rv0 式（3) m m 其中，/?表示目的節(jié)點(diǎn)對(duì)發(fā)送天線序號(hào)的檢測值； 目的節(jié)點(diǎn)的平均成對(duì)差錯(cuò)概率為：
其中，APEPd表示目的節(jié)點(diǎn)的平均成對(duì)差錯(cuò)概率，Q表示互補(bǔ)誤差函數(shù)，〇表示噪聲功 率；表示M根發(fā)送天線中的第m2根發(fā)送天線的預(yù)編碼系數(shù)，且m2尹m，表示第m2根 發(fā)送天線到目的節(jié)點(diǎn)D的信道； 對(duì)竊聽節(jié)點(diǎn)而言，由于式（1)的存在，無論源節(jié)點(diǎn)選擇哪根發(fā)送天線傳輸信號(hào)，竊聽節(jié) 點(diǎn)的接收信號(hào)^為： V,. - ^ +V,,式（5) 其中，vE表示竊聽節(jié)點(diǎn)的接收噪聲； 竊聽節(jié)點(diǎn)的平均成對(duì)差錯(cuò)概率APEPe為： I M M
【文檔編號(hào)】H04L1/06GK104270227SQ201410550956
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月16日
【發(fā)明者】楊煒偉, 管新榮, 蔡躍明 申請人:中國人民解放軍理工大學(xué)