法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2019-07-19
授权
授权
2016-12-14
实质审查的生效 IPC(主分类):H04W12/02 申请日:20160606
实质审查的生效
2016-11-16
公开
公开
技术领域
本发明属于无线通信领域,涉及安全传输方案,具体涉及无线通信网络中联合信号反馈与人工噪声设计的物理层安全通信方案。
背景技术
由于无线通信的广播特性,设备与设备之间的通信很容易被偷听端窃听。虽然,传统的物理层安全方案在一定程度上能够有效地提升通信的安全性,但其依然存在一些缺点。比如,一、发送端已知偷听端的瞬时信道信息或者统计信道信息。但实际上,对于一个完全被动的偷听者(即偷听者不发送任何信息,只接收信息)而言,合法用户很难获取其信道信息。二、发送端或者合法接收端需要比偷听端有更多的天线。实际中,一方面发送端或接收端可能由于尺寸和成本的原因并不能配置多个天线,另一方面,天线数量上的优势显然对偷听端来说是不公平的,因为它可以使用更多的天线。三、发送端与合法接收端需要外部协作节点(例如,中继)的帮助。实际中,很可能不存在外部的帮助者,或许这个帮助者本身就是不可靠的,它可能会破译合法用户的信息。
发明内容
为了解决上述已有方案中潜在的问题,本发明提出了一种新的物理层安全方案来实现设备之间的通信安全。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
根据本发明实施例提供的无线通信网络联合信号反馈与人工噪声物理层安全通信方法,包括下述步骤:
第一阶段,发送端使用信道反转技术,在需要保密的信息s中混杂带有方差为
第二阶段,合法接收端也采用信道反转技术,向发送端反馈信号xb,这个反馈信号是基于合法接收端接收到的第一阶段信息
第三阶段,发送端依然使用信道反转技术,发送在反馈信号中包括需要保密的信息s、带有方差为
通过引入额外的第一阶段方差为
进一步,所述第一阶段中,当信道系数|hAB|2大于截断门限γ0时,发送端使用信道反转技术发送信号:xa1=(s+w1)/hAB。
进一步,发送端的功率限制
进一步,第一阶段中,合法接收端接收到第一阶段信息:
>
偷听端接收到第一阶段的信息:
>
进一步,第二阶段中,在信道系数满足条件|hBA|2>γ0时,向发送端反馈信号:
>
进一步,第二阶段中,发送端接在第二阶段收到的反馈信号为
>
发送端可以把w1消掉,消掉w1后的接收信号为
>
但是,偷听端在第二阶段收到的信号ye2,偷听端不能把带有的人工噪声w1消掉;偷听端收到的信号ye2为
>
进一步,第三阶段中,当信道系数满足|hAB|2>γ0时,发送信号:
>
第三阶段中,合法接收端收到第二阶段的信号为
>
接收端接收信号变为
>
此时,偷听端的接收第三阶段信号为
>
进一步,在第一、三阶段的合法接收端相应的接收信干噪比为
>
在第一、二、三阶段偷听端的高斯白噪声
>
本发明具有以下有益的技术效果:
通过引入额外的第一阶段高斯人工噪声w1、第二阶段高斯人工噪声w2和第三阶段高斯人工噪声w3,并同时保证第二阶段反馈信号满足功率限制、以及第一阶段和第三阶段发送信号满足功率限制,且要使得合法接收端的接收信干噪比大于偷听端的信干噪比,即
本发明的方案里,合法的通信设备没有天线上的优势(即所有的用户都只有单根天线),没有外部帮助者,没有偷听端的任何信道信息(包括偷听端的加性高斯白噪声水平),但却依然可以实现安全通信,本发明在通信安全方面具备优越性。
附图说明
图1为本发明的系统模型图;
图2为安全容量随噪声功率所占总功率比例的变化图;
图3为安全容量随发送功率的变化图;
图4为安全容量随截断门限的变化图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明,但并不作为对发明做任何限制的依据。
本发明无线通信网络联合信号反馈与人工噪声物理层安全通信方法,首先给出本发明的系统模型,模型图见附图1所示:
系统中存在三个节点,一个发送端,一个合法接收端和一个偷听端。所有的设备都只有单根天线。偷听端能够接收到发送端发给合法接收端的信号,也能接收到合法接收端反馈给发送端的信号。从发送端到合法接收端、从合法接收端到发送端,从发送端到偷听端,从合法接收端到偷听端的信道分别为hAB,hBA,hAE和hBE。其中,hAB和hBA是0均值单位方差的循环对称复高斯信道,并且经历准静态衰落,即在一段时间内信道保持不变。发送端和合法接收端的传输功率>a和Pb。发送端和合法接收端的所有加性高斯白噪声都归一化为0均值和单位方差。发送端、合法接收端以及偷听端都知道hAB和hBA的准确信息。偷听端确知自己信道(即hAE和hBE)的准确信息。但是,发送端、合法接收端都不知道hAE、hBE以及偷听端的加性高斯白噪声
无线通信网络联合信号反馈与人工噪声的物理层安全通信方法步骤如下:
第一阶段:发送端使用信道反转技术,当信道系数|hAB|2大于截断门限γ0(即|hAB|2>γ0)时,在需要保密的信息s中混杂带有方差为
其中,s是需要保密的信息,w1是第一阶段混杂的高斯人工噪声,它的均值为0,方差为
其中,
p(x)=e-x。
合法接收端接收到第一阶段的信息为
>
其中,
偷听端接收到的第一阶段信息为
>
其中,hAE是发送端到偷听端的信道,ne1是偷听端在第一阶段的加性高斯白噪声,均值为0,方差为
同时,偷听端接相应的接收信干噪比γe1。
第二阶段:合法接收端也采用信道反转技术,并在信道系数满足条件|hBA|2>γ0时,反馈信号
其中,Pb为发送端瞬时的发送功率限制,
因此,发送端接在第二阶段收到的反馈信号为
>
其中,na是发送端的加性高斯白噪声,均值为0,方差为
>
偷听端在第二阶段收到的信号为
>
其中,
考虑信道是准静态的,即第三阶段与第一阶段hAB保持不变。于是,发送端在第三阶段依然使用信道反转技术,当信道系数满足|hAB|2>γ0时,发送信号>w3是混杂在反馈信号中的高斯人工噪声,它的均值为0,方差为
因此,β可以表示为
于是,第三阶段合法接收端收到的第二阶段信号为
>
其中,
>
同时,合法接收端相应的接收信干噪比
此时,偷听端的接收信号为
>
其中,
正是由于合法接收端在第二阶段反馈回去的人工噪声w2在第三阶段可以被>2对偷听端造成足够大的损害,从而实现安全通信。具体的w2设计是通过满足下述公式>来体现的。
根据公式(3)和(14)可以得到合法接收端相应的接收信干噪比为
>
同样地,根据公式(4)、(10)和(15)可以得到偷听端的接收信噪比为
>
由于发送端并不知道偷听端的信道信息,包括偷听端的高斯白噪声
>
假设合法接收端和偷听端都采用最大比合并接收机,则合法接收端和偷听端的容量分别为
>
以及
>
其中,Pno_out是指在三个阶段里使用信道反转技术时没有发生中断的概率,其具体可以表示为
于是,可以得到在某一个固定的截断门限γ0下,系统的安全容量为
>
通过遍历所有可能的γ0,
>
为了使得信息能够安全传输,则必须保证安全容量大于0。观察公式(21)可知,要使得安全容量大于0,则必须满足
不失一般性,归一化合法接收端和发送端的加性高斯白噪声,即
>
只要这个不等式成立,那么系统就可以实现安全传输。同时,这个式子给出了本发明中w2的具体设计思路。
为了从理论上验证方案在实现安全方面的优越性,本发明进行了如下分析。
不失一般性,假设发送端和合法接收端有相同的功率限制,即Pa=Pb以及
>
其中,x<p。由此,安全容量可以表示为
>
从这个表达式可以得出,只要f(x)>h(x),安全速率就可以大于0。f(x)>h(x)意味着发送的人工噪声足以保护需要保密的信息。极限的情况是,将几乎所有的可用功率用来充当人工噪声,并且这些人工噪声正好可以保护稍大于0的私密信号,即当x→p,
>
其中,f(p)=h(p)=0。根据导数的定义,上述公式可以写成f′(p)=h′(p),这里f′(p)和h′(p)分别表示f(x)和h(x)在x=p处的导数。解方程f′(p)=h′(p),可以得出p=p0=5.913。这意味着,只要功率p>p0=5.913,就存在人工噪声使得发送端和接收端可以安全通信。
这个结果表明了本发明的优势,它意味着即使偷听端处于比合法接收端更有 利的位置(例如偷听端离合法端更近),没有天线优势,没有外部帮助者,只要有足够的发送功率,依然可以实现安全。而在传统的安全方案中,不借助天线优势或者外部帮助者,只要偷听端信道质量比合法接收端好,那么即使是功率为无穷大,也不能实现安全传输。
为了从仿真上验证本发明在安全通信方面的效果,附图2,3,4给出了具体的仿真结果。
附图2给出了安全容量随噪声功率所占总功率比例的变化。可以看出,选择合适的噪声功率可以使得安全容量大于0,并且可以使安全容量随着噪声功率占总功率的比例变化,当比例为0.6左右,安全容量达到最大。
附图3给出了安全容量在不同的人工噪声功率下随发送功率的变化。显然,发送功率越大,安全容量越大,而且在高信噪比时几乎是线性增长。
附图4给出了安全容量随截断门限变化的曲线。可以看到,随着截断门限的增加,安全容量先增大后减小。选择合适的门限,可以使得安全容量达到最大。
综上,本发明克服了传统方案的缺点,在没有偷听端信道信息,没有天线优势,以及没有外部帮助者的情况下,依然可以实现安全通信。
本发明并不局限于上述实施例,在本发明公开的技术方案的基础上,本领域的技术人员根据所公开的技术内容,不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形,这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
机译: 无线通信网络中低延迟和低功耗物理层安全性的方法和装置
机译: 无线通信网络建设终端,无线通信网络参与终端,无线通信系统,无线通信方法和程序
机译: 无线通信网络建设终端,无线通信网络参与终端,无线通信系统和无线通信方法