基于分布式空間調(diào)制的物理層安全傳輸方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本本發(fā)明屬于無(wú)線(xiàn)中繼系統(tǒng)的物理層安全技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于分布式空 間調(diào)制的物理層安全傳輸方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無(wú)線(xiàn)中繼技術(shù)利用地理上分散的無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)形成一種虛擬的多天線(xiàn)系統(tǒng)，獲得空間 分集增益。放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議和譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議是無(wú)線(xiàn)中繼系統(tǒng)中兩種常用的協(xié)議。由于現(xiàn)有的 通信系統(tǒng)一般都是數(shù)字通信系統(tǒng)，譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議得到了廣泛的應(yīng)用。譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼傳輸包 括兩個(gè)階段：階段1，源節(jié)點(diǎn)向中繼廣播自己的信息；階段2,譯碼正確的中繼將譯碼后的信 息重新編碼調(diào)制并發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)。由于無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)拈_(kāi)放性，無(wú)線(xiàn)中繼傳輸?shù)碾A段1和階段 2都面臨著被竊聽(tīng)的危險(xiǎn)。
[0003] 空間調(diào)制技術(shù)是一種減少多天線(xiàn)系統(tǒng)信道間干擾的新技術(shù)。已有的多天線(xiàn)系統(tǒng)在 發(fā)射機(jī)和接收機(jī)處需配置多個(gè)射頻鏈路，因此帶來(lái)了較大的硬件開(kāi)銷(xiāo)和復(fù)雜度，增大了天 線(xiàn)之間同步的復(fù)雜度?？臻g調(diào)制技術(shù)每次只激活一個(gè)天線(xiàn)，因此只需要一個(gè)射頻鏈路，避免 了上述的問(wèn)題。采用空間調(diào)制，數(shù)據(jù)被分成兩組發(fā)送，一組用來(lái)構(gòu)成常用的信號(hào)星座，一組 用來(lái)選擇特定的天線(xiàn)來(lái)進(jìn)行此次傳輸。利用空間調(diào)制的概念，可以為分布式的多中繼系統(tǒng) 設(shè)計(jì)分布式空間調(diào)制，并利用空間調(diào)制帶來(lái)的傳輸鏈路變化，設(shè)計(jì)抵抗竊聽(tīng)的中繼傳輸技 術(shù)。
[0004] 目前針對(duì)中繼系統(tǒng)的空間調(diào)制技術(shù)的研宄處于起步階段，國(guó)內(nèi)學(xué)者將空移鍵控 (SpaceShiftKeying)技術(shù)與空間調(diào)制技術(shù)結(jié)合應(yīng)用在雙向中繼系統(tǒng)中，但是該方法要求 中繼節(jié)點(diǎn)的天線(xiàn)數(shù)不小于源節(jié)點(diǎn)的天線(xiàn)數(shù)。國(guó)外學(xué)者提出一種利用坐標(biāo)交織編碼的空間 調(diào)制技術(shù)，但是方法只適用于中繼節(jié)點(diǎn)具有2個(gè)天線(xiàn)的情況，而且沒(méi)有利用發(fā)射天線(xiàn)序號(hào) 承載信息，因此并不是真正意義上的空間調(diào)制技術(shù)。針對(duì)中繼系統(tǒng)的物理層安全問(wèn)題，現(xiàn)有 方法主要分為波束賦形和人工干擾。這些方法要么需要知道竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)的信道信息，而實(shí)際 中竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)的信道是很難獲得的；要么需要有專(zhuān)門(mén)的節(jié)點(diǎn)發(fā)射干擾，導(dǎo)致額外的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)。 本發(fā)明首次為單天線(xiàn)的多中繼系統(tǒng)提出分布式空間調(diào)制技術(shù)，并基于該技術(shù)提出一種抵抗 竊聽(tīng)的物理物理層安全傳輸技術(shù)，該技術(shù)不需要知道竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)的信道信息或額外的干擾功 率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)上述缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于分布式空間調(diào)制的物理層 安全傳輸方法，能夠保證目的節(jié)點(diǎn)成功解碼的同時(shí)使得竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)不能正確譯碼，達(dá)到防止 竊聽(tīng)的目的。
[0006] 為達(dá)到以上目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0007] 包括以下步驟：
[0008] 1)對(duì)每個(gè)中繼進(jìn)行編號(hào)，然后中繼向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送訓(xùn)練序列，以使得源節(jié)點(diǎn)根據(jù)中 繼發(fā)送的訓(xùn)練符號(hào)估計(jì)出自己與中繼之間的第一信道信息；同時(shí)，中繼接收目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送 的訓(xùn)練序列，并根據(jù)目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的訓(xùn)練符號(hào)估計(jì)出自己到目的節(jié)點(diǎn)的第二信道信息；
[0009] 2)源節(jié)點(diǎn)將源信息比特除以第一信道信息，得到發(fā)送信號(hào)，然后再將包含第一信 道信息的發(fā)送信號(hào)發(fā)送給中繼；
[0010] 3)激活中繼對(duì)接收到的信號(hào)成功進(jìn)行解碼，將解碼后的信號(hào)除以第二信道信息， 然后再將包含第二信道信息的信號(hào)發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)；
[0011] 4)目的節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解碼，得到源信息比特。
[0012] 所述步驟2)具體包括：
[0013] 在第k次傳輸?shù)碾A段1，源節(jié)點(diǎn)首先將待發(fā)送的比特隨機(jī)分成兩組，設(shè)每次傳輸 bt個(gè)比特的信息，b t=bs+b,，其中bs是用來(lái)進(jìn)行調(diào)制的信息比特，設(shè)采用的星座為A，經(jīng)調(diào) 制后得到的調(diào)制符號(hào)為s k，\是空間調(diào)制比特，用來(lái)選擇激活中繼，對(duì)于K個(gè)中繼的系統(tǒng)， = [.Iog2 Kj,其中卜j表示向下取整；
[0014] 第k次傳輸，設(shè)激活中繼序號(hào)為tk，發(fā)送調(diào)制符號(hào)為sk，對(duì)調(diào)制符號(hào)進(jìn)行如下處理 得到發(fā)射符號(hào)：xk= s k/hsA，其中hsA是源節(jié)點(diǎn)和激活中繼之間的信道系數(shù)，則任意中繼t i 及竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)接收到的信息分別為：
[0017] 其中，匕是源節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，hsH是源到中繼、的信道系數(shù)，hes是源到竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn) 的信道系數(shù)，ndPn el分別是中繼ti和竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)處的高斯白噪聲，均值為0,方差為O 2。
[0018] 所述星座為A為PSK或QAM。
[0019] 所述步驟3)具體為：
[0020] 3.1)激活中繼1對(duì)接收信號(hào)式進(jìn)行解碼，解碼如下：
[0022] 3. 2)激活中繼tk將正確解碼的比特重新進(jìn)行調(diào)制，采用星座A，得到調(diào)制符號(hào)c k， 然后利用自己到目的節(jié)點(diǎn)的信道產(chǎn)生發(fā)送符號(hào)Xrit= c k/^dk，這樣目的節(jié)點(diǎn)和竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)接收 的符號(hào)分別為：
[0025] 由上式可見(jiàn)，目的節(jié)點(diǎn)能對(duì)調(diào)制信息進(jìn)行解碼，解碼如下：
[0027] 與現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明的有益效果為：
[0028] 本發(fā)明提供了一種基于分布式空間調(diào)制的物理層安全傳輸方法，針對(duì)存在竊聽(tīng)節(jié) 點(diǎn)的多中繼系統(tǒng)，基于分布式空間調(diào)制的概念，在不同的中繼序號(hào)上傳輸部分源信息比特， 利用：（1)授權(quán)節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的信道信息不對(duì)稱(chēng)性；（2)兩次傳輸中源信息比特的統(tǒng)計(jì)獨(dú) 立性，設(shè)計(jì)物理層安全傳輸技術(shù)，使得目的節(jié)點(diǎn)能夠完全解碼源節(jié)點(diǎn)的信息，而竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)不 能對(duì)源節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行正確解碼，降低了信息被竊聽(tīng)的概率，保護(hù)了信息傳輸?shù)陌踩浴?br>【附圖說(shuō)明】
[0029] 圖1是本發(fā)明的性能及信道估計(jì)誤差對(duì)本方法的性能影響示意圖；
[0030] 圖2是本發(fā)明與中繼協(xié)作干擾方法的性能比較示意圖；
[0031] 圖3是本發(fā)明的流程框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)描述。
[0033] 本發(fā)明具體提供了一種基于分布式空間調(diào)制的物理層安全傳輸方法?？紤]具有一 個(gè)源節(jié)點(diǎn)S，K個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)及一個(gè)竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)E的無(wú)線(xiàn)中繼網(wǎng)絡(luò)，假設(shè)所有節(jié)點(diǎn) 有單個(gè)天線(xiàn)，且不能同時(shí)進(jìn)行收發(fā)。每對(duì)節(jié)點(diǎn)之間的鏈路是瑞利塊衰落信道。每個(gè)信道相 干時(shí)間的間隔里，各節(jié)點(diǎn)首先進(jìn)行部分信道信息估計(jì)，然后再進(jìn)行中繼傳輸。階段1和階段 2的信息都有可能被竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)竊聽(tīng)?，F(xiàn)有的方法通常只能保證階段2的安全性，本發(fā)明所提 供的方案能同時(shí)保證階段1和階段2的安全性。具體傳輸過(guò)程描述如下：
[0034] 1)對(duì)每個(gè)中繼進(jìn)行編號(hào)，然后中繼向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送訓(xùn)練序列，以使得源節(jié)點(diǎn)根據(jù)中 繼發(fā)送的訓(xùn)練符號(hào)估計(jì)出自己與中繼之間的第一信道信息；同時(shí)，中繼接收目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送 的訓(xùn)練序列，并根據(jù)目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的訓(xùn)練符號(hào)估計(jì)出自己到目的節(jié)點(diǎn)的第二信道信息；
[0035] 首先，將所有中繼編號(hào)，每個(gè)中繼知道自己的編號(hào)。在中繼傳輸之前，中繼和目的 節(jié)點(diǎn)分別發(fā)送訓(xùn)練序列，源節(jié)點(diǎn)根據(jù)中繼的訓(xùn)練符號(hào)能估計(jì)出自己與中繼之間的信道信 息，中繼根據(jù)目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的訓(xùn)練符號(hào)能估計(jì)出自己到目的節(jié)點(diǎn)的信道信息。竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)也 能分別利用中繼和目的節(jié)點(diǎn)的訓(xùn)練符號(hào)估計(jì)出自己與中繼及自己與目的節(jié)點(diǎn)的信道信息。 但是竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)無(wú)法獲得源到中繼及中繼到目的節(jié)點(diǎn)的信道信息。
[0036] 2)源節(jié)點(diǎn)將源信息比特除以第一信道信息，得到發(fā)送信號(hào)，然后再將包含第一信 道信息的發(fā)送信號(hào)發(fā)送給中繼；
[0037] 中繼傳輸過(guò)程開(kāi)始，源節(jié)點(diǎn)先把信息比特隨機(jī)分成兩組，第一組采用傳統(tǒng)的調(diào)制 方式產(chǎn)生發(fā)送的符號(hào)，第二組用來(lái)空間調(diào)制。第二組比特確定由哪個(gè)中繼參與轉(zhuǎn)發(fā)，因此這 組的比特個(gè)數(shù)為= [Iog2Kj,其中U表示向下取整。傳統(tǒng)多天線(xiàn)的空間調(diào)制技術(shù)每次傳 輸只激活一個(gè)天線(xiàn)，激活天線(xiàn)的序號(hào)用來(lái)傳遞信息。因此，類(lèi)似于多天線(xiàn)的空間調(diào)制技術(shù)， 這里的中繼系統(tǒng)每次傳輸只激活一個(gè)中繼，中繼序號(hào)傳遞源信息，即第二組比特。我們稱(chēng)這 種技術(shù)為分布式空間調(diào)制技術(shù)。
[0038] 源節(jié)點(diǎn)知道每次激活的中繼序號(hào)，且知道所有中繼到自己的信道信息。階段1，源 節(jié)點(diǎn)先將發(fā)送符號(hào)除以自己到激活中繼的信道，然后再將包含信道信息的符號(hào)發(fā)送出去； 階段2,所有中繼對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解碼，由于中繼并不知道源節(jié)點(diǎn)到自己的信道信息， 只有被源節(jié)點(diǎn)信息選中的中繼能夠正確解碼。利用CRC校驗(yàn)或信道編碼檢錯(cuò)，被源節(jié)點(diǎn)選 中的中繼正確解碼后知道自己將作為激活中繼參與階段2的轉(zhuǎn)發(fā)。竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)不知道源節(jié)點(diǎn) 到自己的信道信息，并且對(duì)于它而言，每次接收到的調(diào)制信號(hào)經(jīng)歷了獨(dú)立的等效信道衰落， 因此它不能對(duì)階段1傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行正確解碼。所述星座為A為PSK或QAM
[0039] 所述步驟2)具體包括：
[0040] 在第k次傳輸?shù)碾A段1，源節(jié)點(diǎn)首先將待發(fā)送的比特分成兩