使用发射天线阵列随机组合旋转的无线通信安全传输方法

摘要

本发明公开了一种使用发射天线阵列随机组合旋转的无线通信安全传输方法，单天线期望用户首先向多天线基站发送未加密的请求信息；基站接收请求信息，利用导频序列估计出基站与期望用户之间的信道；然后将要发送的比特调制为星座点符号b(n)，设计快速变化的加权系数以使得基站的发射信号在期望用户端准同相叠加，对待发送的b(n)进行加权，最后按照指定的等效功率将加权后的符号在发射天线阵列上发射出去；期望用户接收到加权符号后可采用最大似然法解码；而窃听用户即使在已知信道信息的前提下也无法利用最大似然法解码，最终实现了安全传输。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信系统物理层安全传输方法，特别涉及一种使用发射 天线阵列随机组合旋转的安全传输方法。

背景技术

无线通信技术的出现和发展解决了传统有线接入需要以线缆为媒介的制 约，极大地便利了人类生活、促进了社会发展。随着无线通信技术的日益普 及，涉及商业和军事机密的无线通信安全问题变得越来越重要。

与有线通信不同，无线通信中电磁信号可以在空间中自由传播，不受束 缚。一方面，电磁信号传播的广播性质使得任意处于覆盖范围内的接收机都 可以接收到发射机所发射的信号而无需架设线缆；另一方面，处于覆盖范围 内的期望用户以外的其他用户也可以获取通信信息。因此，无线信道的开放 性是一把双刃剑。就安全保密通信的角度而言，无线通信系统比传统有线通 信系统具有更大的安全隐患，如何防止信息的无线泄露，保障无线通信的安 全性也就更加重要。

在2007年5月JOURNAL OF COMMUNICATIONS,VOL.2,NO.3上发表的题为 “Using Antenna Array Redundancy and Channel Diversity for Secure Wireless Transmissions”的文章中提出一种利用天线阵列冗余，对发射信 号进行随机加权的无线安全传输方法。加权系数W的设计准则为H^HW＝||H||， 其中H为发射端到期望接收用户的信道。在此准则下，随机选择服从某一分 布的W，使得在期望用户端可以对接收信号直接使用最大似然译码获取信息。 由于发射端到窃听用户的信道不同于期望用户信道，随机变化的W会对窃听 用户接收到的信号星座图随机置乱，使得其无法从凌乱的接收星座图获取信 息，从而保证了安全传输。然而，这种随机加权方法的主要问题是功率利用 率太低，这是因为阵列加权系数的随机化造成发射信号功率在空间的过度分 散，最终导致到达期望用户的信号功率不够，降低了期望用户的通信质量。

发明内容

本发明针对上述随机加权系数的设计造成功率利用率过低的问题，提出 一种使用发射天线阵列随机组合旋转的无线通信物理层安全传输方法，该方 法可使得基站发出的信号在期望用户处准同相叠加而得到较高的发射增益， 功率利用率非常高；对于窃听用户来说，则无法有效地解调信息。

为达到以上目的，本发明是采用如下技术方案予以实现的：

一种使用发射天线阵列随机组合旋转的无线通信安全传输方法，采用的 通信系统模型包括：一套多天线的基站、一个单天线移动端和一个多天线移 动端，其中，单天线移动端作为期望用户，多天线移动端作为窃听用户，

基站与期望用户之间构成通信对，其特征在于，包括如下步骤：

a)期望用户首先向基站发送未加密的请求信息，该请求信息同时包含用 于信道估计的导频序列，导频序列是收发双方都已知的符号；

b)基站接收请求信息，利用导频序列估计出通信对之间的信道h_AB（假设 信道估计没有误差），信道估计采用已有的带导频的信道估计方法，考虑到时 分双工并且信道慢变，基站向期望用户方向的信道与期望用户向基站方向的 信道是相同的，均为h_AB；

c)基站然后：

（1）将要发送的比特利用已知的一种相位调制方式调制为星座点符号 b(n)，n=1、2、3、…。

（2）发射b(n)前，需要将所有的J根天线随机划分为两组：第一组有J₁根 天线，天线的标号组合记为第二组有J₂根天线，天线的标 号组合记为并且有S₁∪S₂={1,2,...,J}和J₁+J₂=J。记第一、 二组天线的加权系数分为为w₁(n)、w₂(n)，设计分别如下：

w₂(n)：假设S₂中标号为i的天线与接收天线之间的信道为记对加权系数w₂(n)的各个分量依据相应的信道分别 进行旋转，设计i∈S₂，其中α_i为非负的随机变量。这样设计得到 的w₂(n)将使基站的发射信号分别经过h_AB，i作用后在期望用户处同相叠加。

w₁(n)：首先随机生成J₁维列向量假设其中： 为第一组J₁根天线与接收天线之间的信道向量，r和 分别为幅度和相位；然后对加权系数w₁(n)整体进行旋转，取这样设计得到的w₁(n)将使基站的发射信号经过信道h_AB，1作用后在期望用户处 非同相叠加，但非同相叠加后的结果h_AB，1w₁(n)将与（i∈S₂）同相叠加 （将这两种叠加一起称之为“准同相叠加”）从而在期望用户处达到较高的功 率利用率。

每发射一个符号，按照上述方式设计各组天线的加权系数，使加权系数 快速变化。利用加权系数对待发送的星座点符号b(n)进行加权，最后按照指定 的等效功率将加权后的符号在J根天线上发射出去；

d)期望用户接收到加权后的符号，即加权符号，利用最大似然方法解码 其中P_e表示基站的等效功率，x(n)表示对应于一 种相位调制方式的星座点，y(n)表示期望用户接收到的信号；

e)窃听用户接收到加权后的符号，即使在获得通信对之间、基站和窃听 用户之间信道信息的前提下（而现实情况下，窃听用户难以获得这两部分的 信息），由于基站处理使得加权系数快速变化，窃听用户无法利用最大似然方 法正确解码；若直接利用最大似然方法解码，则误码率为50%，最终实现了安 全传输。

上述方法中，所述基站的天线个数大于窃听用户的天线个数。

与现有的保障无线通信安全的方法相比，本发明的有益效果是：

1、在假定窃听用户天线个数小于基站天线个数的前提下，因为缺少自由 度，窃听用户将无法通过盲估计获得基站和期望用户、基站和窃听用户之间 的信道信息。即使窃听用户通过某种方式获得了这两个方面的信道信息，由 于本发明中将发射天线阵列分为随机的两组并且令其中一组天线的加权系数 的取值随机使得等效信道随机快速变化，基站信号将在窃听用户处产生一个 随机快变的干扰信号，该干扰信号将使窃听用户的解码有很高的误码率（在 窃听用户个数一定的情况下，基站天线个数越多，窃听用户的误码情况将越 严重），所以，窃听用户无法有效获取基站的发射符号，保证了安全通信

2、基站的发射信号在期望用户处准同相叠加，达到较高的功率利用率。 在背景技术所述的文章中提到了随机设计权系数保障安全的方法，但是该方 法中阵列加权系数的随机化造成发射信号功率在空间的过度分散，最终导致 到达期望用户的信号功率不够，降低了期望用户的通信质量。本发明中通过 将发射天线阵列分为随机的两组并且设计其中一组天线的加权系数使得基站 信号通过对应的信道后在期望用户处始终同相叠加，而另外一组天线的加权 系数的设计随机化，然后通过整体旋转使得该组天线对应的非同相叠加的信 号与前一组天线对应的信号在期望用户处同相叠加，提高了功率利用率。

3、基站相同发射总功率的情况下，本专利方法能够在期望用户端达到更 高的信噪比，从而使期望用户的解码性能提高。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

图1是本发明方法所涉及的安全传输的系统模型。

图2是本发明基站发射符号的加权及发送原理图。

图3是发射天线阵列随机组合旋转方法的示意图。

图4是参考方法和本发明方法无线传输中信噪比与基站的平均发射功率 曲线对照图。

图5是参考方法和本发明方法无线传输中误码率与基站的平均发射功率 曲线对照图。

具体实施方式

如图1所示，基站Alice拥有多天线，期望用户Bob使用单天线，窃听 用户Eve为了获取信息增设多天线且Eve的天线个数小于Alice的天线个数。 这里具体实施中选取基站J＝8天线，期望用户1天线，窃听用户M＝4天线。 安全通信的意义在于基站发射的符号只希望被期望用户获取，而不希望被窃 听用户获取。这里窃听用户是被动的，即其只窃听信息，不向空间发射信号。 此外，这种无线通信安全传输模型中一般要求收发信道可以互易，当信道慢 变时，这种互易性可以通过时分双工（TDD）得到充分保证。

通信过程中，Bob首先向Alice发送导频序列（导频序列是收发双方都已 知的符号），以供Alice估计二者之间的信道h_AB(n)。Alice估计到信道h_AB(n) 后，将要发送的比特利用已知的一种相位调制方式调制为星座点符号b(n)， n=1、2、3、…，然后设计加权系数，对星座点符号b(n)进行加权后分配到各 个天线发射出去。本实施例中采用的是QPSK调制方式，具体的加权及发送流 程如图2所示。

加权系数的设计方法：发射符号b(n)前，需要将所有的8根天线随机划分 为两组，假设第一组有J₁根天线；第二组有J₂根天线。按照如下方法如下设 计第一、二组天线的加权系数w₁(n)、w₂(n)：

a)w₂(n)：假设S₂中标号为i的天线与接收天线之间的信道为记 对加权系数w₂(n)的各个分量依据相应的信道信 息分别进行旋转，设计i∈S₂，其中α_i为非负的随机变量。这 样设计得到的w₂(n)将使基站的发射信号分别经过h_AB,i作用后在期望用户 处同相叠加。

b)w₁(n)：首先随机生成J₁维列向量不妨假设其中： 为第一组J₁根天线与接收天线之间的信道向量， r和分别为幅度和相位；然后对加权系数w₁(n)整体进行旋转，取 这样设计得到的w₁(n)将使基站的发射信号经过信道h_AB，1作 用后在期望用户处非同相叠加，但非同相叠加后的结果h_AB，1w₁(n)将与 （i∈S₂）同相叠加从而在期望用户处达到较高的功率利用率。 发射下一个符号时，需要按照上述方式重新设计两组天线的加权系数，所以 w₁(n)和w₂(n)的作用使得发送每个符号b(n)时，等效信道都发生变化，从而避 免了Eve获取信息。

图3是依据上述设计方法进行发射天线阵列随机组合旋转的示意图，为了 便于图示，仅考虑4根发射天线（分别标号1～4）。首先将发射天线随机分为 两组：第一组为天线1和天线2（相应的收发天线之间的信道分别记为h₁和h₂）， 第二组为天线3和天线4（相应的收发天线之间的信道分别记为h₃和h₄）。天 线1和天线2的权值（即和）随机设置，基站的信号通过信道h₁和h₂后非 同相叠加，合成信号然后对合成信号进行整体旋转使其相位为0。 依据信道h₃和h₄的情况设置天线3和天线4的权值使得h₃w₃（图示空心箭头）、 h₄w₄（图示实心缺口箭头）的相位也为0。最后，整体旋转后的第一组天线对 应的信号和第二组天线对应的信号在期望用户处同相叠加合成信号hw，其相 位为0。

生成加权系数后，Alice利用加权系数对待发送的星座点符号b(n)进行加 权，按照指定的等效功率调整发射功率，最后将加权、功率调整后的符号在J 根天线上发射出去。设等效功率为P_e，经过无线信道后，期望用户Bob接收 到的符号为

$x_{\mathrm{Bob}}\left(n\right)=h_{\mathrm{AB}}w\left(n\right)\times \mathrm{Amp}\left(n\right)\times b\left(n\right)+v_{\mathrm{Bob}}\left(n\right)=P_e^{1/2}b\left(n\right)+v_{\mathrm{Bob}}\left(n\right)---\left(1\right)$

w(n)为发射天线的加权向量，Amp(n)为功率调整系数，满足 v_Bob(n)为Bob端的白噪声，服从高斯分布。Bob可以直 接利用最大似然译码的方法得到发射符号b(n)的估计值由于基站与窃听 用户之间的信道（记为h_AE(n)）不同于基站与期望用户直接的信道h_AB(n)，信 号经过h_AE(n)后到达窃听用户端的符号为

x_Eve(n)=h_AEw(n)×Amp(n)×b(n)+v_Eve(n)    (2)

v_Eve(n)为Eve端的噪声。

一方面，由于Eve接收到的信息是对原符号b(n)的幅度和相位的随机置 乱，再加上噪声的影响，Eve不能和像期望用户Bob一样采用最大似然直接译 码。另一方面，Eve即使通过某种途径获得了Alice与Bob、Alice与Eve之 间的信道信息（即h_AB、h_AE）也无法有效恢复原始的发射信息，解释如下：

由于M<J，从而可以得出R＝rank(h_AE)≤M，所以可以建立下面的关系式

上式中，为取Moore-Penrose伪逆操作；I和0分别代表单位矩阵和零矩阵；

V为对h_AE进行奇异值分解得到的酉矩阵，满足h_AE=U∑V^H；

$\tilde{I}=\left(\begin{array}{cc}{0}_{R\times R}& 0_{R\times (J-R)}\\ 0_{(J-R)\times R}& I_{(J-R)\times (J-R)}\end{array}\right).$

假设Eve获得了h_AB和h_AE，在利用这两部分信道信息的基础上采用和Bob一样 的最大似然直接译码。

上式中：${\tilde{s}}_{\mathrm{Eve}}\left(n\right)=P_e^{1/2}b\left(n\right)=s_{\mathrm{Bob}}\left(n\right)$是期望信号，${\tilde{i}}_{\mathrm{Eve}}\left(n\right)=-h_{\mathrm{AB}}{\widetilde{\mathrm{VIV}}}^{H}w\left(n\right)\mathrm{Amp}\left(n\right)\times b\left(n\right)$是 由Alice设计的随机加权系数产生的干扰项，是Eve处的 等效噪声。由于干扰项一直存在，在Alice的天线个数远大于Eve的天 线个数的情况下，即使Eve获得了h_AB和h_AE的信息，它的误码率也会很高。另 外，在现实情况中，由于M<J，缺少自由度，Eve将很难通过盲估计获得h_AB和h_AE，其误码率将比知晓h_AB和h_AE的情况下更高，从而Eve无法实现有效的 窃听，Alice和Bob之间的无线安全通信因此得以保证。

见图4，采用参考方法和本发明方法，随着基站平均发射功率的增加，Bob 的信噪比均增加。在平均发射功率相同的情况下，采用本发明方法可以在期 望用户端获得比参考方法更好的无线传输信噪比，从而可以改善期望用户的 解码性能。

图5是参考方法和本发明方法无线传输中误码率与基站的平均发射功率 曲线对照图。考虑Eve采用两种方式恢复发射信息：“Blind”情况下，Eve将 多天线接收到的信号直接相加合成，然后利用最大似然直接译码；“Perfect” 情况下，Eve获得了h_AB和h_AE的信息，利用公式(4)和最大似然直接译码。由 图5可知：“Blind”情况下，参考方法和本发明方法下Eve的误码率均为0.5； 随着基站平均发射功率的增加，Bob的误码率会显著降低，但是为了获得同样 低的误码率，本发明方法的平均发射功率更低。

结合图4和图5可以得出如下结论：在采用相同的平均发射功率的情况 下，本发明方法可以在期望用户端获得比参考方法更好的信噪比，从而拥有 更好的误码率性能。

至此，技术方案和仿真结果都可以验证本发明方法在保障无线通信中的 安全传输的有效作用，本发明方法相较参考方法的优越性也得以体现。