本發(fā)明屬于無線多輸入多輸出系統(tǒng)的物理層安全技術領域，涉及一種抵抗竊聽節(jié)點竊取信息的物理層安全傳輸方法。

背景技術：
多輸入多輸出技術可以提供較高的系統(tǒng)容量與可靠性，是無線通信領域的重要研究課題?？臻g調(diào)制是近年來新提出的多天線傳輸技術，該技術在信息比特調(diào)制過程中引入空間維度，從而根據(jù)輸入信息改變激活天線的序號。正交空間調(diào)制在繼承了空間調(diào)制所有優(yōu)點的基礎上，又提高了整個系統(tǒng)的頻譜效率。因為空間調(diào)制的天線間干擾程度低，接收端的信號處理也較為簡單，正逐漸成為多輸入多輸出傳輸技術研究的熱點之一。隨著無線終端數(shù)目的急劇增加以及網(wǎng)絡的開放性，無線通信的安全問題面臨著嚴重的挑戰(zhàn)，與傳統(tǒng)加密方法不同，無線通信物理層安全方法是利用無線信道的動態(tài)物理特性，采取某種信號處理、編碼調(diào)制技術等手段，在避免竊聽方獲知信息的同時，提供給通信方可靠的、安全的通信?！，F(xiàn)有的針對空間調(diào)制技術的物理層安全技術研究大多是利用在源節(jié)點產(chǎn)生人工噪聲對竊聽節(jié)點進行干擾，因為這個人工噪聲是位與源節(jié)點與目的節(jié)點的信道的零空間上的，所以，該人工噪聲就不會干擾目的節(jié)點，但會對竊聽節(jié)點造成干擾，然而，當源節(jié)點與目的節(jié)點的信道是一個滿秩矩陣的時候，它們之間的信道就不存在零空間，因此，這類方案的安全性就無法得到保障。

技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點，提供了一種抵抗竊聽節(jié)點竊取信息的物理層安全傳輸方法，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)信息物理層的安全傳輸。為達到上述目的，本發(fā)明所述的抵抗竊聽節(jié)點竊取信息的物理層安全傳輸方法包括以下步驟：1)在信息傳輸開始前，源節(jié)點和目的節(jié)點均依次發(fā)送訓練序列，使源節(jié)點和目的節(jié)點估計出源節(jié)點到目的節(jié)點的等效信道信息hn,k，其中，n∈{1,...,Nr}，k∈{1,...,Nt}，Nt為源節(jié)點設置的天線數(shù)目，Nr為目的節(jié)點的天線數(shù)目；2)源節(jié)點對待發(fā)送數(shù)據(jù)進行編碼，得待發(fā)送符號以及發(fā)送該待發(fā)送符號的天線序號，然后再對待發(fā)送符號添加人工噪聲，然后將增加人工噪聲后的待發(fā)送符號通過選擇出來的天線發(fā)送至目的節(jié)點；3)目標節(jié)點接收源節(jié)點發(fā)送過來的符號，然后對源節(jié)點發(fā)送過來的符號通過最大似然譯碼器進行譯碼，完成信息的物理層安全傳輸。步驟2)中源節(jié)點將待發(fā)送的數(shù)據(jù)進行編碼，得待發(fā)送符號以及發(fā)送該待發(fā)送符號的天線序號的具體操作為：1a)源節(jié)點每次發(fā)送的數(shù)據(jù)為log2(M)+2log2(Nt)比特數(shù)據(jù)，源節(jié)點對待發(fā)送數(shù)據(jù)中第1位到第log2(M)位的數(shù)據(jù)采用M-QAM調(diào)制方式進行調(diào)制，得到待發(fā)送符號X；2a)源節(jié)點將待發(fā)送數(shù)據(jù)中第log2(M)+1位到第log2(M)+log2(Nt)位的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為到十進制數(shù)N1-1，然后選擇源節(jié)點中的第N1個天線作為發(fā)送待發(fā)送符號X中實部Xre的天線；3a)源節(jié)點將待發(fā)送數(shù)據(jù)中第log2(M)+log2(Nt)+1位到第log2(M)+2log2(Nt)位的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)N2-1，然后將源節(jié)點中的第N2個天線作為發(fā)送待發(fā)送符號X中虛部jXim的天線。步驟2)中對待發(fā)送符號添加人工噪聲的具體操作為：1b)源節(jié)點中第N1個天線到目的節(jié)點的等效信道h1以及源節(jié)點中第N2個天線到目的節(jié)點的等效信道h2分別為：其中，hm,n為源節(jié)點中的第m根天線到目的節(jié)點中的第n根天線之間的信道，其中，1≤m≤Nt，1≤n≤Nr，h1及h2均服從均值為零、方差為的復高斯分布，及分別為等效信道h1及h2的相位，|h1|及|h2|分別為等效信道h1及h2的模；2b)對待發(fā)送符號X中的實部Xre及虛部jXim進行預編碼及添加人工噪聲，得源節(jié)點中第N1根天線發(fā)送的信號XN1及源節(jié)點中第N2根天線發(fā)送的信號XN2分別為：其中，V為添加的人工噪聲，V服從均值為零、方差為的復高斯分布。步驟3)的具體操作為：目的節(jié)點收到的信號為：其中，nb為均值為零、方差為σ2的復高斯白噪聲，目的節(jié)點將其各根天線上接收到的信號相加，得信號yb，其中，然后通過目的節(jié)點的最大似然譯碼器對信號yb進行譯碼，完成信息的物理層安全傳輸，其中，目的節(jié)點的最大似然譯碼器為：其中，hm為等效的信道狀態(tài)信息，其中，為經(jīng)過最大釋然譯碼估計出的符號的實部以及虛部，為經(jīng)過最大釋然譯碼估計出的發(fā)射天線的序號。本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明所述的抵抗竊聽節(jié)點竊取信息的物理層安全傳輸方法在具體操作時，在信息傳輸?shù)倪^程中，通過對源節(jié)點對發(fā)送數(shù)據(jù)進行編碼，得到待發(fā)送符號以及發(fā)送該待發(fā)送符號的天線信號，并對待發(fā)送符號添加人工噪聲，不需要額外天線發(fā)送人工噪聲，在目的節(jié)點將人工噪聲的影響消除即可，同時在竊聽節(jié)點處無法消除人工噪聲的影響，從而實現(xiàn)信息物理層的安全傳輸，經(jīng)仿真證明，本發(fā)明能夠有效的抵抗竊聽節(jié)點的竊聽，使得竊聽節(jié)點處的誤比特率接近0.3。附圖說明圖1為本發(fā)明的原理圖；圖2為仿真實驗的情況1中本發(fā)明與現(xiàn)有技術的BER曲線圖；圖3為仿真實驗的情況2中本發(fā)明與現(xiàn)有技術的性能比較圖。具體實施方式下面結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述：參考圖1，本發(fā)明所述的抵抗竊聽節(jié)點竊取信息的物理層安全傳輸方法包括以下步驟：1)在信息傳輸開始前，源節(jié)點和目的節(jié)點均依次發(fā)送訓練序列，使源節(jié)點和目的節(jié)點估計出源節(jié)點到目的節(jié)點的等效信道信息hn,k，其中，n∈{1,...,Nr}，k∈{1,...,Nt}，Nt為源節(jié)點設置的天線數(shù)目，Nr為目的節(jié)點的天線數(shù)目；2)源節(jié)點對待發(fā)送數(shù)據(jù)進行編碼，得待發(fā)送符號以及發(fā)送該待發(fā)送符號的天線序號，然后再對待發(fā)送符號添加人工噪聲，然后將增加人工噪聲后的待發(fā)送符號通過選擇出來的天線發(fā)送至目的節(jié)點；3)目標節(jié)點接收源節(jié)點發(fā)送過來的符號，然后對源節(jié)點發(fā)送過來的符號通過最大似然譯碼器進行譯碼，完成信息的物理層安全傳輸。步驟2)中源節(jié)點將待發(fā)送的數(shù)據(jù)進行編碼，得待發(fā)送符號以及發(fā)送該待發(fā)送符號的天線序號的具體操作為：1a)源節(jié)點每次發(fā)送的數(shù)據(jù)為log2(M)+2log2(Nt)比特數(shù)據(jù)，源節(jié)點對待發(fā)送數(shù)據(jù)中第1位到第log2(M)位的數(shù)據(jù)采用M-QAM調(diào)制方式進行調(diào)制，得到待發(fā)送符號X；2a)源節(jié)點將待發(fā)送數(shù)據(jù)中第log2(M)+1位到第log2(M)+log2(Nt)位的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為到十進制數(shù)N1-1，然后選擇源節(jié)點中的第N1個天線作為發(fā)送待發(fā)送符號X中實部Xre的天線；3a)源節(jié)點將待發(fā)送數(shù)據(jù)中第log2(M)+log2(Nt)+1位到第log2(M)+2log2(Nt)位的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)N2-1，然后將源節(jié)點中的第N2個天線作為發(fā)送待發(fā)送符號X中虛部jXim的天線。步驟2)中對待發(fā)送符號添加人工噪聲的具體操作為：1b)源節(jié)點中第N1個天線到目的節(jié)點的等效信道h1以及源節(jié)點中第N2個天線到目的節(jié)點的等效信道h2分別為：其中，hm,n為源節(jié)點中的第m根天線到目的節(jié)點中的第n根天線之間的信道，其中，1≤m≤Nt，1≤n≤Nr，h1及h2均服從均值為零、方差為的復高斯分布，及分別為等效信道h1及h2的相位，|h1|及|h2|分別為等效信道h1及h2的模；2b)對待發(fā)送符號X中的實部Xre及虛部jXim進行預編碼及添加人工噪聲，得源節(jié)點中第N1根天線發(fā)送的信號XN1及源節(jié)點中第N2根天線發(fā)送的信號XN2分別為：其中，V為添加的人工噪聲，V服從均值為零、方差為的復高斯分布。步驟3)的具體操作為：目的節(jié)點收到的信號為：其中，nb為均值為零、方差為σ2的復高斯白噪聲，目的節(jié)點將其各根天線上接收到的信號相加，得信號yb，其中，然后通過目的節(jié)點的最大似然譯碼器對信號yb進行譯碼，完成信息的物理層安全傳輸，其中，目的節(jié)點的最大似然譯碼器為：其中，hm為等效的信道狀態(tài)信息，其中，為經(jīng)過最大釋然譯碼估計出的符號的實部以及虛部，為經(jīng)過最大釋然譯碼估計出的發(fā)射天線的序號。竊聽節(jié)點接收到的信號為：其中，h′m,n為源節(jié)點的第m根天線到竊聽節(jié)點的第n根天線之間的信道，1≤m≤Nt，1≤n≤Ne，Ne為竊聽節(jié)點的天線數(shù)，h′m,n服從均值為零方差為的復高斯分布，ne是均值為零、方差為的復高斯白噪聲，竊聽節(jié)點由于不知道當前符號的源發(fā)射天線及源節(jié)點-目的節(jié)點的信道狀態(tài)信息，不能對接收符號進行譯碼，本發(fā)明編碼的目的是為了防止竊聽節(jié)點通過對接收到的信號Ye進行處理，從而達到竊聽的目的，處理過程如下：對Ye左乘將傳輸?shù)男盘朮恢復出來，進而通過對X進行實部與虛部分離來達到獲取有用信號，所以竊聽節(jié)點只能按照目的節(jié)點的方式處理接收到的信號時，它只能得到如下的形式：竊聽節(jié)點只知道自己的本地信道信息，并且在竊聽節(jié)點處無法消除人工噪聲V的干擾，竊聽節(jié)點只能對所有源天線的可能性進行窮舉，進行如下的譯碼操作：為經(jīng)過最大釋然譯碼估計出的符號的實部以及虛部，為經(jīng)過最大釋然譯碼估計出的發(fā)射天線的序號。仿真結果表明，竊聽節(jié)點解碼源節(jié)點發(fā)送的信息比特錯誤概率接近0.3，這就意味著竊聽節(jié)點幾乎只能猜測源節(jié)點的信息。仿真實驗情況1：假設信道參數(shù)服從標準單位復高斯隨機分布，源節(jié)點發(fā)射功率為Ps，發(fā)射人工噪聲的功率為Pd，在目的節(jié)點處的噪聲方差為在竊聽節(jié)點處的噪聲方差為源節(jié)點有Nt＝8根天線，目的節(jié)點有Nr＝1根天線，竊聽節(jié)點有Ne＝1根天線，采用4-QAM調(diào)制，假設源節(jié)點和目的節(jié)點進行了精確的信道估計，圖2給出了采用本發(fā)明傳輸之后目的節(jié)點和竊聽節(jié)點的誤比特率(BER)曲線。由圖2可見，無論信噪比多大，竊聽節(jié)點的BER始終接近0.3，當減小人工噪聲的功率的時候，竊聽節(jié)點的性能會稍微好一點，但是性能提升很小，只能將誤比特率提升0.01左右，這是因為本發(fā)明中不僅僅依靠所添加的人工噪聲，還在在發(fā)射符號之前對符號進行了預編碼處理，但是這并不影響目的節(jié)點正確解碼源節(jié)點發(fā)送的信息，在目的節(jié)點處可以抵消人工噪聲的影響，所以合法節(jié)點的性能不受人工噪聲的功率影響，因此有效的提高了整個系統(tǒng)的安全性，同時竊聽節(jié)點只能猜測源節(jié)點發(fā)送的信息。情況2：在利用空間調(diào)制技術保障物理層安全的方案中，一種直觀的方法是在發(fā)端利用空間調(diào)制技術，將信息比特分別映射到天線索引以及發(fā)送符號上，同時，在源節(jié)點-目的節(jié)點的信道的零空間上加上人工噪聲，這樣就可以保證在不影響合法節(jié)點的同時干擾竊聽節(jié)點。為了驗證本發(fā)明的有效性，將本發(fā)明與利用空間調(diào)制技術加人工噪聲的方法進行了比較。本發(fā)明考慮的網(wǎng)絡場景與情況1的相同，假設源節(jié)點和目的節(jié)點都精確的信道估計，信號的發(fā)射功率與人工噪聲的功率相同。為了公平，考慮與本方法相同的網(wǎng)絡場景，即天線數(shù)目配置，功率的分配，系統(tǒng)的調(diào)制階數(shù)均與情況1相同。在信息傳輸之前，源節(jié)點和目的節(jié)點依次發(fā)送訓練序列，估計到源-目的節(jié)點的等效信道信息hn,k∈Hb，n∈{1,...,Nr}，k∈{1,...,Nt}；信號的傳輸過程分為兩個階段，階段1，源節(jié)點需要將待發(fā)送的比特數(shù)據(jù)進行編碼，每次可以發(fā)送log2(M)+log2(Nt)比特的數(shù)據(jù)，對第1位到第log2(M)位數(shù)據(jù)采用M-QAM調(diào)制方式進行調(diào)制，得到待發(fā)送的符號s，最后log2(Nt)位數(shù)據(jù)按照二進制到十進制的映射選擇序號為N的天線來發(fā)送待發(fā)送信號s；階段2，源節(jié)點根據(jù)之前估計出的源節(jié)點-目的節(jié)點的信道矩陣Hb，r為Hb的秩，利用SVD分解，得到Hb的零空間V⊥＝[vr+1…vNt]；在每次發(fā)送信號的時候，利用剩余的天線在該零空間上發(fā)送人工噪聲，因此，傳輸信號為：其中，人工噪聲q是服從零均值、方差為的獨立同分布的隨機變量，en為一個向量，第n位為1，其余為0，ens代表發(fā)射天線第n位發(fā)射符號s，其余天線不發(fā)送信號。因此，我們可以得到目的節(jié)點以及竊聽節(jié)點的接收信號：yb＝Hbx+nb＝Hbs+nb(12)通過人工噪聲的干擾來達到安全傳輸?shù)哪康?，圖3給出了本發(fā)明與現(xiàn)有技術在目的節(jié)點和竊聽節(jié)點處的BER性能曲線，為了保證對比的公平性，我們在相同的頻譜效率下進行了對比，為8bit/s/Hz，本發(fā)明的頻譜效率為M代表調(diào)制的階數(shù)，Nt代表發(fā)射天線的數(shù)目，因此參數(shù)設置為源節(jié)點有8根發(fā)射天線，目的節(jié)點以及竊聽節(jié)點有1根天線，系統(tǒng)采用4-QAM調(diào)制，現(xiàn)有技術的頻譜效率為log2(MNt)，因此，為保證有相同的頻譜效率，參數(shù)設置為源節(jié)點有16根天線，目的節(jié)點以及竊聽節(jié)點有1根天線，采用16-QAM調(diào)制。由仿真結果可見，現(xiàn)有技術的性能并不理想，首先，現(xiàn)有技術的對使用的場景有限制，當目的節(jié)點與源節(jié)點之間的信道為一個滿秩矩陣的時候，就不存在零空間，現(xiàn)有技術的在此情況下無法工作。本發(fā)明則沒有這種限制。其次，現(xiàn)有技術的在使用一根天線發(fā)送數(shù)據(jù)的基礎上還至少需要一根天線來發(fā)送人工噪聲，而本發(fā)明則只需要兩根天線來發(fā)送數(shù)據(jù)，從使用成本上來說，本發(fā)明也有優(yōu)勢，最后，從仿真結果圖上能看出，本發(fā)明在目的節(jié)點和竊聽節(jié)點的BER性能要比現(xiàn)有技術在目的節(jié)點和竊聽節(jié)點的BER性能要好，從圖3中也可以看出，當人工噪聲的功率降低的時候，現(xiàn)有技術的抵抗竊聽的能力下降很多，竊聽節(jié)點的譯碼成功率會提升到與目的節(jié)點差不多的水平，而本發(fā)明始終能保證竊聽節(jié)點的BER接近0.3。以上內(nèi)容是結合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施方式僅限于此，對于本發(fā)明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應當視為屬于本發(fā)明由所提交的權利要求書確定專利保護范圍。