基于加權(quán)分?jǐn)?shù)傅里葉變換的多業(yè)務(wù)空間疊加物理層保密通信方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及保密通信領(lǐng)域，具體涉及基于加權(quán)分?jǐn)?shù)傅里葉變換的多業(yè)務(wù)空間疊加 物理層保密通信技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在當(dāng)今信息社會里，隨著無線移動通信產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新以及驚人的業(yè)務(wù)量增長，數(shù) 字化信息逐漸成為人們之間信息交流的主要載體。很多傳統(tǒng)的基于紙面的，常常需要簽名 蓋章的重要憑證，諸如紙幣、合同、支票、身份證件、證書等，已陸續(xù)轉(zhuǎn)換或者增加為數(shù)字電 子媒體的形式在網(wǎng)絡(luò)上傳播，隨著社會生活的這種電子化、數(shù)字化的變化趨勢，信息在傳播 過程中的傳播安全以及保密顯得越來越重要。然而由于電磁信號傳播的開放性，處于發(fā)射 機(jī)信號覆蓋范圍的任意接收機(jī)都可以無阻礙的接收并處理發(fā)射機(jī)的發(fā)射信號。通信環(huán)境中 大量非目的接收機(jī)的存在無疑使得信息安全受到了極大的威脅。因此無線通信系統(tǒng)在給人 類生活帶來方便的同時，也帶來了很大的安全隱患：敏感信息可能輕易地被竊取、篡改、非 法復(fù)制和傳播等。
[0003] 在傳統(tǒng)的信號保密技術(shù)中最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的就是直擴(kuò)、跳頻、跳時和混沌 擴(kuò)頻等方式。其中直擴(kuò)和混沌擴(kuò)頻的主要出發(fā)點(diǎn)都是將信號的發(fā)射功率放在更寬的頻帶 上，降低信號的功率譜密度，使得信號能夠淹沒在噪聲中，達(dá)到抗截獲的目的；跳時和跳頻 則是通過一定的算法靈活分配信號占用的時隙或者頻帶，當(dāng)非合作接收機(jī)不能獲知信號占 用時隙或者頻帶規(guī)律的時候，截獲發(fā)生困難。然而近年來針對直接序列擴(kuò)頻技術(shù)的截獲手 段已經(jīng)取得了較大的提高，這些傳統(tǒng)保密方式已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需求。而基于密鑰加 密等體制的信息加密技術(shù)則往往是通過高計(jì)算復(fù)雜度的加密規(guī)則保證安全，勢必消耗大量 的計(jì)算資源，增加接收終端的功耗和復(fù)雜度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有信號保密技術(shù)對信息的保護(hù)能力不足，基于密鑰加密體制 的信息加密技術(shù)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高的問題，從而提供一種基于加權(quán)分?jǐn)?shù)傅里葉變換的多業(yè)務(wù) 空間疊加物理層保密通信方法。
[0005] 基于加權(quán)分?jǐn)?shù)傅里葉變換的多業(yè)務(wù)空間疊加物理層保密通信方法，
[0006] 該方法應(yīng)用于具有多跟發(fā)射天線的發(fā)射機(jī)以及具有N個單天線合作接收機(jī)的場 景下，N為正整數(shù)；每兩個合作接收機(jī)的地理分布距離大于預(yù)設(shè)值，且能夠保證發(fā)射機(jī)對每 個接收機(jī)在空間域進(jìn)行識別，并且每兩個合作接收機(jī)均能夠通過向發(fā)射機(jī)發(fā)送訓(xùn)練序列實(shí) 現(xiàn)向發(fā)射機(jī)反饋其信道環(huán)境；
[0007] 對于每兩個合作接收機(jī)，定義為一號合作接收機(jī)和二號合作接收機(jī)；
[0008] 設(shè)發(fā)射機(jī)發(fā)送至一號合作接收機(jī)和二號合作接收機(jī)的信息流分別為Da和DB;則發(fā) 射機(jī)發(fā)射經(jīng)多個天線發(fā)送至信道的基帶信號S為：
[0009]
[0010] 其中：Pl(k)和qi(k)表示對于在時隙k時發(fā)射機(jī)第i跟天線所采用的加權(quán)系數(shù)； F° [ ·]和Fe [ ·]表示加權(quán)分?jǐn)?shù)傅里葉變換運(yùn)算；
[0011] 一號合作接收機(jī)和二號合作接收機(jī)分別向發(fā)射機(jī)發(fā)射作為信道環(huán)境的訓(xùn)練數(shù)據(jù) HA(k)和 HB(k);
[0012] 則，一號合作接收機(jī)和二號合作接收機(jī)所接收到受信道影響的畸變的信號形式 為：
[0013] yA(k) = (HA(k))*(p) (k)F°[DA] (k)+q(k)Fp [DB] (k))+n(k)
[0014] yB(k) = (HB(k))*(p(k)Fa [DA] (k)+q(k)Fe [DB] (k))+n(k)
[0015] 式中：n(k)分別表示合作接收機(jī)接收所接收到的加性高斯白噪聲信號；Ha表示一 號合作接收機(jī)與發(fā)射機(jī)之間的信道矩陣；H b表示二號合作接收機(jī)與發(fā)射機(jī)之間的信道矩 陣；
[0016] 發(fā)射機(jī)根據(jù)合作接收機(jī)所發(fā)送的訓(xùn)練序列對信道進(jìn)行評估后，對發(fā)送信號進(jìn)行預(yù) 編碼處理，即發(fā)射機(jī)各天線增益矩陣P (η)和q (η)滿足：
[0017]
[0018] 則一號合法接收機(jī)和二號合法接收機(jī)所接收到的信號為：
[0019] yA(k) = (HA(k))*p(k)Fa[DA] (k)+n(k)
[0020] yB (k) = (Hb (k)) *q (k) Fe [DB] (k) +n (k)
[0021] 兩個合作接收機(jī)分別對接收信號進(jìn)行加權(quán)分?jǐn)?shù)傅里葉逆變換處理后輸出，實(shí)現(xiàn)基 于加權(quán)分?jǐn)?shù)傅里葉變換的多業(yè)務(wù)空間疊加物理層保密通信。
[0022] 兩個合作接收機(jī)分別對接收信號進(jìn)行加權(quán)分?jǐn)?shù)傅里葉逆變換處理的后的信號 為：
[0023] rA(k) = F ° [yA] (k)
[0024] = |HA(k) IF ° [Fa [Da]] (k)+N(k)
[0025] = I Ha (k) IF。[DA] (k) +N (k)
[0026] rB(k) = F( p)[yB] (k)
[0027] = I Hb (k) IF( e) [Fe [DB] ] (k) +N (k)
[0028] = I Hb (k) I F〇 [DB] (k) +N (k)
[0029] 式中：NkSn(k)經(jīng)a階加權(quán)分?jǐn)?shù)傅里葉處理后的結(jié)果；EkSe(k)經(jīng)β階加權(quán) 分?jǐn)?shù)傅里葉處理后的結(jié)果。
[0030] ρ (η)的取值為：Ha (k) / I I Ha (k) I I ;
[0031 ] q (η)的取值為:Hb (k) / I I Hb (k) I I。
[0032] 該方法充分利用無線傳輸鏈路的空域以及時域的物理傳輸特性在發(fā)送端對信號 進(jìn)行預(yù)處理，從而實(shí)現(xiàn)對通信信號的保護(hù)，此外結(jié)合利用加權(quán)分?jǐn)?shù)傅里葉變換對通信信號 的信號特征進(jìn)行改變從而對非合作接收機(jī)接收信號信噪比進(jìn)行選擇性惡化，從而進(jìn)一步實(shí) 現(xiàn)通信信息的安全傳輸性能。實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度得以大幅度降低。
【附圖說明】
[0033] 圖1是本發(fā)明的簡化工作流程示意圖；
[0034] 圖2是本發(fā)明在合作接收機(jī)為兩個的應(yīng)用場景示意圖；
[0035] 圖3是發(fā)射機(jī)的數(shù)據(jù)處理原理示意圖；
[0036] 圖4是【具體實(shí)施方式】一中〇4隨P B/PA的變換關(guān)系仿真示意圖；
[0037] 圖5是【具體實(shí)施方式】一中Da隨Δ α的變換關(guān)系仿真示意圖；
[0038] 圖6是【具體實(shí)施方式】一中誤碼率的角度對系統(tǒng)性能的影響的仿真示意圖；
[0039] 圖7是【具體實(shí)施方式】一中所述的特殊的場景下，誤碼率的角度對系統(tǒng)性能的影響 的仿真不意圖；
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0040] 一、結(jié)合圖1至3說明本，基于加權(quán)分?jǐn)?shù)傅里葉變換的 多業(yè)務(wù)空間疊加物理層保密通信方法，
[0041 ] 如圖2所示，該方案的應(yīng)用場景由一個裝備有多跟發(fā)射天線的發(fā)射機(jī)以及兩個單 天線合作接收機(jī)構(gòu)成。兩個合作接收機(jī)的地理位置分布相距較遠(yuǎn)以保證發(fā)射機(jī)可對兩者在 空間域進(jìn)行識別，并且兩個合作接收機(jī)均可通過向發(fā)射機(jī)發(fā)送訓(xùn)練序列向發(fā)射機(jī)反饋其信 道環(huán)境。
[0042] 其中發(fā)射機(jī)的數(shù)據(jù)處理框圖如圖3所示：
[0043] 假設(shè)發(fā)射機(jī)發(fā)送至合作接收機(jī)1及合作接收機(jī)2的信息流分別由Da和D Β表示，發(fā) 射機(jī)發(fā)射經(jīng)多個天線發(fā)送至信道的基帶信號表示為s，具體可表述為：
[0044]
[0045] 其中P1GO和qi(k)表示在時隙k時發(fā)射機(jī)第i跟天線所采用的加權(quán)系數(shù)。
[0046] Fa [ ·]和Fe [ ·]表示加權(quán)分?jǐn)?shù)傅里葉變換運(yùn)算。
[0047] 加權(quán)分?jǐn)?shù)傅里葉變換的定義具體可表述為：
[0048] 對于任意一個復(fù)數(shù)序列 X。(η) (η = 0,1，. . .，N-1)，假設(shè) X1 (n)，X2 (η)和 X3 (η)為 Xe (η)的1-3次DFT變換結(jié)果。此處能量歸一化DFT定義形式為：
[0049]
[0050] 則加權(quán)分?jǐn)?shù)傅里葉變換可由下式表述：
[0051] Fa [Χ0] (η) = ω 0 ( a ) X0 (η) + ω ! ( a ) X1 (η) + ω 2 ( a ) X2 (η) + ω 3 ( a ) X3 (η) (3)
[0053]
[0052] 其中加權(quán)系數(shù)~八…①=。，^』）*:
(4；)
[0054] 進(jìn)而假設(shè)在時隙k合作接收機(jī)1合作接收機(jī)2的反饋的信道條件為Ha (k)，Hb (k)， 非合作接收機(jī)所處信道條件矩陣為G(k)則合法接收機(jī)1及合法接收機(jī)2所接收到受信道 影響產(chǎn)生畸變的信號形式為：
[0055] yA(k) = (HA(k))*(p(k)Fa[DA] (k)+q(k)Fp [DB] (k))+n(k)
[0056] yB(k) = (HB(k))*(p(k)Fa [DA] (k)+q(k)Fe [DB] (k))+n(k) (5)
[0057] 非合作接收機(jī)接收信號為：
[0058] z(k) = (G(k))*(p(k)Fa[DA] (k)+q(k)Fp [Dj (k))+e(k) (6)
[0059] 式中n (k)和e (k)分別表示合作接收機(jī)與非合作接收機(jī)接收所接收到的加性高斯 白噪聲信號。Ha表示一號合作接收機(jī)與發(fā)射機(jī)之間的信道矩陣；H B表示二號合作接收機(jī)與 發(fā)射機(jī)之間的信道矩陣；G表示非合作接收機(jī)與發(fā)射機(jī)之間的信道矩陣；
[0060] 在本發(fā)明中，發(fā)射機(jī)根據(jù)合作接收機(jī)所發(fā)送的訓(xùn)練序列對信道進(jìn)行評估后對發(fā)送 信號進(jìn)行預(yù)編碼處理，即發(fā)射機(jī)各天線增益矩陣P(n)與q(n)應(yīng)滿足：
[0061] (7)
[0062] p (η)與 q (η)的典型取值可選擇為 Ha (k) / I I Ha (k) I I