基于波束成形和安全編碼聯合的無條件安全通信模型建立方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于信息技術安全領域，特別是一種基于波束成形和安全編碼聯合的無條件安全通信模型建立方法。
【背景技術】
[0002]由于無線通信的廣播特性使得無線網絡缺乏物理邊界，沒有物理連接無線通信對于外來的竊聽者來說是開放的，在物理層解決無線通信的安全已經成為物理層的一個必要問題。物理層的安全技術是基于Shannont1]的安全模型，它是解決無線通信邊界、有效性和可靠性的理論模型。
[0003]1975年，貝爾實驗室的Wyner提出的竊聽信道模型首次把通信的安全技術和通信的可靠技術聯合起來考慮，如圖1圖示，Wyner指出:只有在竊聽信道比合法信道更差的條件下(即合法通信者具有優(yōu)勢信道的基礎上)，通過“安全編碼”實現無條件秘密通信是可行的，Wyner的模型提出了“無條件秘密”通信系統(tǒng)實現的兩步:第一步是建立合法通信者具有更好信道條件的優(yōu)勢竊聽信道模型建立，第二步是通過“安全編碼”來“擴大”合法接收者的優(yōu)勢。但Wyner]等都沒有給出如何實現竊聽信道比合法信道更差的方法，即，沒有給出竊聽信道模型建立的實現方法，也沒有給出“安全編碼”的編、譯碼方法，在很長的時間內Wyner等的研宄成果沒有得到足夠的重視和進一步發(fā)展.
[0004]beamforming(波束成形)是天線技術與數字信號處理技術的結合，目的用于定向信號傳輸或接收。源于自適應天線的一個概念。接收端的信號處理，可以通過對多天線陣元接收到的各路信號進行加權合成，形成所需的理想信號。從天線方向圖(pattern)視角來看，這樣做相當于形成了規(guī)定指向上的波束。例如，將原來全方位的接收方向圖轉換成了有零點、有最大指向的波瓣方向圖。同樣原理也適用用于發(fā)射端。對天線陣元饋電進行幅度和相位調整，可形成所需形狀的方向圖。
[0005]如果要采用波束成形[2][3]技術，前提是必須采用多天線系統(tǒng)。例如，多進多出(MMO)，不僅采用多接收天線，還可用多發(fā)射天線。由于采用了多組天線，從發(fā)射端到接收端無線信號對應同一條空間流(spatial streams)，是通過多條路徑傳輸的，從而實現在空間流的合法用戶能實現更好的接收性能。而在空間流外的竊聽者只能收到噪聲信號，從而達到建立合法通信雙方優(yōu)勢信道的目的，完成Wyner模型的第一步。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種基于波束成形和安全編碼聯合的無條件安全通信模型建立方法，該方法先通過多天線的模型實現合法通信者優(yōu)勢信道建立，再根據竊聽者和合法用戶接受誤碼率差異給出具體的安全編碼的編、譯碼措施，從而較好的做到竊聽信號模型中的優(yōu)勢信道的建立以及實現安全編碼，保證合法用戶在較低誤碼率下接收信號。
[0007]本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現的:基于波束成形和安全編碼聯合的無條件安全通信模型建立方法，它包括如下步驟:
[0008]S1:合法接收用戶發(fā)送導頻序列RS給合法發(fā)送用戶，RS分別經過合法信道和竊聽信道到達合法發(fā)送用戶，合法信道矩陣為Hl，竊聽信道矩陣為H2 ;
[0009]S2:合法發(fā)送用戶接收合法接收用戶發(fā)來的導頻序列Yre，導頻序列Yre由導頻序列RS經過合法信道瑞利衰落后得到的，即:
[0010]Yes= Hl*RS+n(I)
[0011 ] 采用LS算法做上行信道估計:
[0012]H_esti = YK*RS-1(2)
[0013]得到H_esti，對H_esti做轉置處理，得到Hlesti ；
[0014]S3:將合法發(fā)送用戶即將發(fā)送的二進制比特V _bits做調制后得到復值符號V ;
[0015]S4:提取 Hlesti 中的 CSI，對 Hlesti 進行 SVD 分解:
[0016]Hlesti= UDVh(3)
[0017]取出V中對應于最大奇異值的列向量，組成預編碼矩陣W ;
[0018]S5:發(fā)射端對V做SVD預編碼處理得到W*X’，并發(fā)送出去；
[0019]S6:經過合法信道和竊聽信道后分別被合法接收用戶和竊聽用戶接收，其中合法接收用戶接受到信號Y1’，ΥΓ表示為:
[0020]Y1，= H1*WX，+η I(4)
[0021]竊聽用戶接收到信號Υ2’，Υ2’表示為:
[0022]Υ2’ = H2*WX’ +n2(5)
[0023]S7:合法接收用戶和竊聽用戶分別在接收端對接收到的信號做判決和譯碼處理，恢復信號比特:
[0024]合法接收用戶在接收端用矩陣He = H1*W對接收到的Y1’做麗SE譯碼處理:
[0025]XI，= (He-1He+I* σ 2F1He^Yr (6)
[0026]然后對ΧΓ做判決和解調后，得到二進制比特流X’_bitsl，然后和原始比特流X’_bits對比計算誤碼率BER1’ ；
[0027]竊聽用戶在接收端用矩陣HE = H2*W對接收到的Y2’做麗SE譯碼處理:
[0028]X2，= (ΗΕ-1ΗΕ+Ι*σ S—iHEiY〗’ (7)
[0029]然后對X2’做判決和解調后，得到二進制比特流X’_bits2，然后和原始比特流X’_bits對比計算誤碼率BER2’ ；
[0030]S8:根據誤碼率BER2’，計算安全編碼參數，確認安全編碼秘密碼；
[0031]S9:將合法發(fā)送用戶即將發(fā)送的二進制比特X_bits先進行安全編碼，然后做調制后得到復值符號X，而W*x即為發(fā)射端對X做預編碼處理并發(fā)送出去的信號；
[0032]S10:合法發(fā)送用戶發(fā)送出預處理后的信號后，經過合法信道和竊聽信道后分別被合法接收用戶和竊聽用戶接收，其中合法接收用戶接受到信號Yi，Yi表示為:
[0033]Yl = Hl*WX+n3 (8)
[0034]竊聽用戶接收到信號Y2，Y2表示為:
[0035]Y2 = H2*WX+n4 (9)
[0036]Sll:合法接收用戶和竊聽用戶分別在接收端對接收到的信號做判決和譯碼處理，恢復信號比特:
[0037]合法接收用戶在接收端用矩陣He = H1*W對接收到的Yl做麗SE譯碼處理:
[0038]Xl = (He-1He+I* σ 2F1He^Yl (10)
[0039]然后對Xl做判決和解調后，得到二進制比特流X_bitsl，對X_bitsl做安全譯碼，得到傳遞的信號；
[0040]竊聽用戶在接收端用矩陣HE = H2*W對接收到的Y2做麗SE譯碼處理:
[0041]X2 = (ΗΕ_1ΗΕ+Ι* σ 2)_1ΗΕ_1*Υ2 (11)
[0042]然后對Χ2做判決和解調后，得到二進制比特流X_bits2，對X_bits2做安全譯碼，得到竊聽到的信號；
[0043]其中n、nl、n2、n3、n4為隨機高斯白噪聲，I為單位矩陣，σ為高斯噪聲白的方差；
[0044]由于竊聽用戶缺乏合法信道Hl的信息，故無法解除接收到的信號的預編碼處理，誤碼率高。
[0045]所述的步驟S3中的調制方式為16QAM、64QAM、QPSK、8PSK和BPSK中的任意一種；步驟S7和Sll中的解調方式與調制方式相對應。
[0046]所述的步驟S7和步驟Sll中的判決方式為軟判決。
[0047]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明提供了一種基于波束成形和安全編碼聯合的無條件安全通信模型建立方法，該方法先通過多天線的模型實現合法通信者優(yōu)勢信道建立，再根據竊聽者和合法用戶接受誤碼率差異給出具體的安全編碼的編、譯碼措施，從而較好的做到竊聽信號模型中的優(yōu)勢信道的建立以及實現安全編碼，保證合法用戶在較低誤碼率下接收信號。在信號發(fā)送方處，采用了波束成形的SVD預編碼處理方案結合了安全編碼措施；在信號接收處，采用了波束成形的解除預編碼的處理方案結合安全譯碼來恢復信息比特。
【附圖說明】
[0048]圖1為Wyner竊聽信道模型；
[0049]圖2為波束成形和安全編碼相結合的無條件安全通信模型；
[0050]圖3為不同天線數目下合法接收用戶和竊聽用戶的誤碼率曲線。
【具體實施方式】
[0051]下面結合附圖進一步詳細描述本發(fā)明的技術方案，但本發(fā)明的保護范圍不局限于以下所述。
[0052]本發(fā)明中采用了基于上行信道估計的beamforming傳輸方案，在方案中，假設有一個合法發(fā)送方，一個合法接收用戶以及一個竊聽用戶。對照圖1的模型，引入了安全編碼來進一步擴大合法接收用戶和竊聽用戶的誤碼率差距，模型圖如圖2所示。
[0053]基于波束成形和安全編碼聯合的無條件安全通信模型建立方法，它包括如下步驟:
[0054]S1:合法接收用戶發(fā)送導頻序列RS給合法發(fā)送用戶，RS分別經過合法信道和竊聽信道到達合法發(fā)送用戶，合法信道矩陣為Hl，竊聽信道矩陣為H2 ;
[0055]S2:合法發(fā)送用戶接收合法接收用戶發(fā)來的導頻序列Yre，導頻序列Yre由導頻序列RS經過合法信道瑞利衰落后得到的，即:
[0056]Yes= Hl*RS+n(I)
[0057]采用LS算法做上行信道估計:
[0058]H_esti = YK*RS-1(2)
[0059]得到H_esti，對H_esti做轉置處理，得到Hlesti ；
[0060]S3:將合法發(fā)送用戶即將發(fā)送的二進制比特V _bits做調制后得到復值符號V ;
[0061]S4:提取 Hlesti 中的 CSIMHlesti 進行 SVD 分解:
[0062]Hlesti= UDVh(3)
[0063]取出V中對應于最大奇異值的列向量，組成預編碼矩陣W ；
[0064]S5:發(fā)射端對V做SVD預編碼處理得到W*X’，并發(fā)送出去；
[0065]S6: