發(fā)射聚焦式的多天線跳空安全通信方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉及無(wú)線通信安全傳輸方法，特別涉及一種發(fā)射聚焦式的多天線跳空安全 通信方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 近年來(lái)，無(wú)線通信給人們的生活帶來(lái)了便利，但電磁波的廣播特性和無(wú)線信道的 開放性卻使通信的安全性面臨著挑戰(zhàn)，因而無(wú)線安全通信成為了通信領(lǐng)域研宄的熱點(diǎn)。跳 頻技術(shù)是一種常用的安全通信的方法，但是跳頻通信存在一些難以克服的缺點(diǎn)，如占用大 量的頻譜資源、天線尺寸需要隨著頻率的變化而改變、跳速受到鎖相環(huán)路以及天線尺寸變 化速度的限制等。另外，竊聽者一旦竊取跳頻圖案，在任何位置都能正確解調(diào)信息，其根本 原因是頻率和位置無(wú)關(guān)，跳頻技術(shù)并沒(méi)有利用無(wú)線通信的特性。
[0003] 無(wú)線信道具有時(shí)頻域之外的空域特性，若能將空譜資源合理利用，既能解決頻譜 資源日漸匱乏的問(wèn)題，又能利用空譜的多樣性來(lái)最大化合法接收用戶和竊聽者信道之間的 差異性，就能在保證合法接收用戶的通信質(zhì)量的前提下實(shí)現(xiàn)通信的安全性。
[0004] 0/1式跳空技術(shù)是一種利用空譜資源來(lái)提高通信的保密性的方法，發(fā)射端電子開 關(guān)在發(fā)射天線間快速切換，每次根據(jù)跳空?qǐng)D案選擇不同的天線發(fā)射信號(hào)，使得信道隨著天 線的變化而不斷變化。
[0005] 基于前向訓(xùn)練的0/1式跳空技術(shù)發(fā)射端發(fā)送訓(xùn)練序列，接收端使用訓(xùn)練得到權(quán)值 在正式通信時(shí)進(jìn)行解調(diào)，就能得到規(guī)整的星座圖。但是一旦竊聽者知道了跳空?qǐng)D案并能掌 握時(shí)機(jī)和合法接收用戶一起參與訓(xùn)練，那么竊聽者也能正確解調(diào)信號(hào)。
[0006] 權(quán)值反饋型的0/1式跳空技術(shù)采用反向訓(xùn)練的方法，由接收端發(fā)射訓(xùn)練序列，發(fā) 射端得到收發(fā)天線間的信道信息后反饋給接收端，接收端利用信道的互易性設(shè)計(jì)權(quán)值，通 過(guò)跳空?qǐng)D案正確加權(quán)來(lái)解調(diào)信號(hào)。但是需要一個(gè)反饋信道信息的過(guò)程，不僅降低了效率，而 且反饋信道信息的過(guò)程中有可能會(huì)出錯(cuò)，使得通信的可靠性難以保證。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種發(fā)射聚焦式的多天線跳空安全通信方法，該通信方法 通過(guò)利用時(shí)頻域之外的空譜資源，采用發(fā)射聚焦的傳輸方法，使信號(hào)在合法接收用戶處同 相疊加，最大化合法接收用戶和竊聽者信道之間的差異性，在保證合法接收用戶通信質(zhì)量 的前提下實(shí)現(xiàn)通信的安全性。
[0008] 為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采取如下的技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
[0009] 發(fā)射聚焦式的多天線跳空安全通信方法，采用發(fā)射端和合法接收用戶均配置多天 線的傳輸模型，包括如下步驟：
[0010] 1)訓(xùn)練階段：
[0011] a、由合法接收用戶發(fā)射訓(xùn)練信號(hào)；
[0012] b、發(fā)射端接收訓(xùn)練信號(hào)，并對(duì)每根天線上接收到的訓(xùn)練信號(hào)進(jìn)行內(nèi)積相關(guān)檢測(cè)， 得到發(fā)射信號(hào)階段用來(lái)處理信號(hào)的相位值；
[0013] 2)發(fā)射信號(hào)階段：
[0014] a、發(fā)射端選取一種調(diào)制方式將要發(fā)送的信息調(diào)制為射頻信號(hào)，根據(jù)跳空?qǐng)D案選取 要發(fā)射信號(hào)的天線；
[0015] b、發(fā)射端將訓(xùn)練階段檢測(cè)到的相位取反，加載信息后使合法接收用戶發(fā)來(lái)的信號(hào) 原路返回，在合法接收用戶處同相疊加；
[0016] c、合法接收用戶的每根天線分別進(jìn)行內(nèi)積相關(guān)檢測(cè)，用來(lái)發(fā)射訓(xùn)練信號(hào)的第k根 天線能夠正確解調(diào)信號(hào)，其余天線根據(jù)第k根天線檢測(cè)出的相位求取并消除相位偏差，平 均所有天線上解得的相位值，得到最終的解調(diào)信號(hào)。
[0017] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，發(fā)射端配置M根天線，M多2,合法接收用戶配置K根天 線，K多2，發(fā)射端和合法接收用戶的相鄰天線間距離均大于一個(gè)波長(zhǎng)。
[0018] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，訓(xùn)練信號(hào)是由合法接收用戶的第k根天線發(fā)出的，為 反向訓(xùn)練，且訓(xùn)練信號(hào)的初相由合法接收用戶隨機(jī)選取，無(wú)需告知發(fā)射端。
[0019] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，發(fā)射端每次根據(jù)跳空?qǐng)D案隨機(jī)選取多根天線發(fā)射信號(hào) 以實(shí)現(xiàn)發(fā)射聚焦，天線的切換是利用電子開關(guān)實(shí)現(xiàn)的。
[0020] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益成果是：
[0021] 1、本發(fā)明的核心是發(fā)射聚焦，由于發(fā)射端多根天線收到的是合法接收用戶發(fā)出的 同一個(gè)信號(hào)，原路返回必然會(huì)在合法接收用戶的發(fā)射天線處同相疊加。而竊聽者收到的信 號(hào)就不能保證同相疊加，即使在距離較近的地方，也有可能會(huì)反向抵消。通過(guò)發(fā)射聚焦，合 法接收用戶的接收信噪比顯著提高，而竊聽用戶的接收信噪比并未改善，使得合法接收用 戶的信噪比明顯優(yōu)于竊聽用戶的信噪比，增加了安全性。另外，有了發(fā)射聚焦的技術(shù)，就能 采用多根天線同時(shí)發(fā)射的跳空模式，較前幾種每次只能一根天線發(fā)射的跳空技術(shù)的安全性 更尚。
[0022] 2、合法接收用戶發(fā)出的信號(hào)只有合法接收用戶自己知道，無(wú)需告知發(fā)射端，發(fā)射 端只負(fù)責(zé)加載信息后發(fā)回給合法接收用戶，避免了交換信息過(guò)程中被竊聽者截獲的風(fēng)險(xiǎn)。 即使竊聽者收到信號(hào)并掌握時(shí)機(jī)參與了訓(xùn)練，不知道合法接收用戶發(fā)出的原始信號(hào)，也不 能解調(diào)出正確的信息。合法接收用戶每次發(fā)出信號(hào)的初始相位隨機(jī)選取，即使竊聽者偶然 一次解調(diào)正確，合法接收用戶換了發(fā)射信號(hào)后竊聽者仍然不能解調(diào)，相當(dāng)于"一次一密"。
[0023] 3、跳空技術(shù)通過(guò)切換電子開關(guān)實(shí)現(xiàn)發(fā)射天線的切換，天線的快速切換使信道迅速 變化，使竊聽者難以截獲信息。跳空技術(shù)的擴(kuò)空增益取決于天線的跳速和跳幅，電子開關(guān)切 換可使跳速達(dá)到很高的水平，遠(yuǎn)高于跳頻技術(shù)可達(dá)到的跳速。且天線分布式排布，距離可以 很遠(yuǎn)，又能獲得很大的跳幅，因此，跳空技術(shù)可獲得高擴(kuò)空增益，在保證通信質(zhì)量的同時(shí)又 能提高通信的安全性。
【附圖說(shuō)明】：
[0024]圖1是本發(fā)明所涉及的發(fā)射聚焦式安全通信技術(shù)的系統(tǒng)模型圖。
[0025] 圖2是合法接收用戶和竊聽用戶在不同信噪比下的誤符號(hào)率圖，其中，圖2(a)為 線性坐標(biāo)下的合法接收用戶和竊聽用戶在不同信噪比下的誤符號(hào)率圖，圖2(b)為對(duì)數(shù)坐 標(biāo)下的合法接收用戶和竊聽用戶在不同信噪比下的誤符號(hào)率圖。
[0026]圖3是發(fā)射端不同發(fā)射天線數(shù)目下的誤符號(hào)率圖。
【具體實(shí)施方式】：
[0027] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0028] 本發(fā)明所涉及的發(fā)射聚焦式安全通信技術(shù)的系統(tǒng)模型如圖1所示，發(fā)射端Alice 和合法接收用戶Bob均配置多天線，偵聽方Eve為了獲取信息也增設(shè)多天線。其中，Eve只 竊聽消息而不發(fā)射信號(hào)。
[0029] 在分析信道模型時(shí)，有如下假設(shè)：①傳播介質(zhì)是均勻線性和各向同性的；②各陣 元間距離大于波長(zhǎng)A，陣元間的影響可忽略不計(jì)；③各陣元和信道中的噪聲均為高斯加性 白噪聲，是相互獨(dú)立的，且與信號(hào)無(wú)關(guān)；④信道是慢變的，即在通信的一段時(shí)間內(nèi)信道特性 認(rèn)為是恒定的。
[0030] 通信雙方使用相同的載波頻率，采用窄帶信號(hào)模型，則解析化的發(fā)射信號(hào)為 沖，S(|和（J) ^分別為發(fā)射信號(hào)的幅度和初相，《為載波頻率，p(t)是調(diào)制信號(hào) 的包絡(luò)。
[0031] 信號(hào)在空間經(jīng)過(guò)多徑傳輸，經(jīng)過(guò)不同的延時(shí)和衰減后，假設(shè)有J條路徑（包括直射 徑和反射徑），接收端的信號(hào)為：
[0032]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 發(fā)射聚焦式的多天線跳空安全通信方法，采用發(fā)射端和合法接收用戶均配置多天線 的傳輸模型，其特征在于，包括如下步驟： 1) 訓(xùn)練階段： a、 由合法接收用戶發(fā)射訓(xùn)練信號(hào)； b、 發(fā)射端接收訓(xùn)練信號(hào)，并對(duì)每根天線上接收到的訓(xùn)練信號(hào)進(jìn)行內(nèi)積相關(guān)檢測(cè)，得到 發(fā)射信號(hào)階段用來(lái)處理信號(hào)的相位值； 2) 發(fā)射信號(hào)階段： a、 發(fā)射端選取一種調(diào)制方式將要發(fā)送的信息調(diào)制為射頻信號(hào)，根據(jù)跳空?qǐng)D案選取要發(fā) 射信號(hào)的天線； b、 發(fā)射端將訓(xùn)練階段檢測(cè)到的相位取反，加載信息后使合法接收用戶發(fā)來(lái)的信號(hào)原路 返回，在合法接收用戶處同相疊加； C、合法接收用戶的每根天線分別進(jìn)行內(nèi)積相關(guān)檢測(cè)，用來(lái)發(fā)射訓(xùn)練信號(hào)的第k根天線 能夠正確解調(diào)信號(hào)，其余天線根據(jù)第k根天線檢測(cè)出的相位求取并消除相位偏差，平均所 有天線上解得的相位值，得到最終的解調(diào)信號(hào)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)射聚焦式的多天線跳空安全通信方法，其特征在于，發(fā)射 端配置M根天線，M > 2,合法接收用戶配置K根天線，K > 2,發(fā)射端和合法接收用戶的相鄰 天線間距離均大于一個(gè)波長(zhǎng)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)射聚焦式的多天線跳空安全通信方法，其特征在于，訓(xùn)練 信號(hào)是由合法接收用戶的第k根天線發(fā)出的，為反向訓(xùn)練，且訓(xùn)練信號(hào)的初相由合法接收 用戶隨機(jī)選取，無(wú)需告知發(fā)射端。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)射聚焦式的多天線跳空安全通信方法，其特征在于，發(fā)射 端每次根據(jù)跳空?qǐng)D案隨機(jī)選取多根天線發(fā)射信號(hào)W實(shí)現(xiàn)發(fā)射聚焦，天線的切換是利用電子 開關(guān)實(shí)現(xiàn)的。
【專利摘要】發(fā)射聚焦式的多天線跳空安全通信方法，在訓(xùn)練階段，由合法接收用戶發(fā)射訓(xùn)練信號(hào)，發(fā)射端通過(guò)檢測(cè)和處理得到下一階段用于發(fā)射的相位值；在發(fā)射信號(hào)階段，發(fā)射端根據(jù)跳空?qǐng)D案選擇多根用于發(fā)射信號(hào)的天線，將訓(xùn)練階段檢測(cè)到的相位取反，加載信息后使信號(hào)原路返回，在合法接收用戶的發(fā)射天線處同相疊加，從而使能量聚焦于合法接收用戶處，合法接收用戶的每根天線分別進(jìn)行內(nèi)積相關(guān)檢測(cè)，用來(lái)發(fā)射訓(xùn)練信號(hào)的天線可正確解調(diào)信號(hào)，其余天線根據(jù)正確解調(diào)的天線消除偏差，平均所有接收天線上解得的相位，解調(diào)出正確的信息，而竊聽者卻難以正確接收和截獲信息。仿真實(shí)驗(yàn)表明，合法接收用戶的誤符號(hào)率在低信噪比時(shí)保持較低的水平，而竊聽者的誤符號(hào)率卻很高。
【IPC分類】H04B7-06
【公開號(hào)】CN104618005
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510044229
【發(fā)明人】殷勤業(yè), 俱瑩, 陳媛, 楊騫, 王慧明
【申請(qǐng)人】西安交通大學(xué)
【公開日】2015年5月13日
【申請(qǐng)日】2015年1月28日