无线网络中基于多径衰落频率选择特性的安全传输方法技术

本发明专利技术涉及无线网络中基于多径衰落频率选择特性的安全传输方法，首先发射节点利用多径衰落频率选择特性信道的信道信息等生成基于信道状态信息的人工噪声；发射节点对待传输的保密信号矢量进行增采样，并注入生成的人工噪声形成混合发射信号；目的接收节点完成对混合发射信号的接收，并进行匹配滤波和减采样处理，输出保密信号；重复以上步骤，完成无线网络中基于多径衰落频率选择特性的安全传输。本发明专利技术人工噪声是基于主信道的信道信息生成的，在经过主信道传输和匹配滤波处理后在采样判决输出时刻输出为0，而在窃听节点处经过窃听信道的传输和同样的匹配滤波处理后在采样判决时刻输出不为0，退化了窃听者信道，保证安全传输。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线网络中的安全传输领域，尤其涉及无线网络中基于多径衰落频率选择特性的安全传输方法。
技术介绍
由于无线信道脆弱性的特点，安全无线通信已成为一个热点研究课题。在过去十年里，基于信息论概念和信号处理的物理层安全吸引了人们的巨大兴趣。物理层的安全传输方法是无线通信的一个重要特征，因为物理层安全传输方法应用的是信息论的安全性理论而不是依靠更高层的加密方法。高层加密方法很大程度上依赖于关于数学问题计算强度的假设。然而，无线媒介的开放性和计算能力的提升使得无线通信在窃听面前显得更为脆弱。Shannon在文献中提出了完美保密性的概念，一个完美的密码只有当密码和纯文本信息一样长的时候才能实现完美的保密性。因此基于这样的假设，所有的使用密码形式的加密方式在理论上的是能被破解的。Wayner提出了窃听信道的概念，实现了几乎完美的保密性。主信道(合法接收者信道)假设是离散无记忆信道，而窃听信道(窃听者信道)假设是主信道的退化版本。Later提出如果主信道和窃听信道都是加性高斯白噪声信道(AWGN)，保密容量就是合法信道与窃听信道在信道容量的差值。目前为止，物理层安全问题已被大范围研究，以改善无线媒介的保密容量。包括：高斯广播信道下的安全通信,SISO衰落信道安全通信。低密度的奇偶校验码在文献中被提出用于窃听信道的问题。然而，这些方案中大多数都是基于一些不现实的假设：例如窃听者信道比合法信道更糟糕，或者是窃听者不知道主信道。在文献中Negi和Goel提出了人工噪声用于MIMO系统的概念。人工噪声辅助方法的目标是通过产生干扰信号确保安全通信，该干扰信号能退化窃听者信道而对预期的接收者信道几乎没有影响。人工噪声辅助方法用于MIMO/MISO系统已获得了大量的关注，因为该方法中没有做出任何不现实的假定。发射机分配用于信号传输的功率中的一部分用于产生干扰信号，该干扰信号能退化窃听者信道。然而，现实中人在存在大量的不具备多天线或配置复杂协议的简单网络节点，如何实现这些单天线网络节点间的安全传输，是一个亟待解决的问题。受人工噪声辅助方法的启发，Yang和Jiao改进了人工噪声辅助方法用于多径衰落信道下的SISO系统。他们提出如果发射者知道合法接收者的信道状态信息CSI，发射者就能产生一个能减少合法接收者处码间干扰(ISI)的信号，并且该信号在窃听者处以随机噪声的形式呈现。然而，如果窃听者也知道主信道的CSI，该方案就不再有效。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供无线网络中基于多径衰落频率选择特性的安全传输方法，针对单输入单输出(SISO)无线网络系统，本专利技术方法是基于多径衰落频率选择特性的、保密性独立于信道状态信息(CSI)的保密性的安全传输方法，以解决现有无线物理层安全传输技术无法直接适用于单输入单输出(SISO)无线网络系统，或者实现的保密性无法独立于信道的状态信息(CSI)的保密性的问题。为达到以上目的，本专利技术是采用如下技术方案予以实现的：包括以下步骤：步骤1，发射节点计算出其与目的接收节点之间的多径衰落频率选择特性信道的信道信息hAB，并获取目的接收节点处的离散时间K抽头数的匹配滤波器的序列信息q，以及采样判决决策信息：每个信息承载符号的采样点数Rs，并利用hAB、q和Rs生成基于信道状态信息的人工噪声w；步骤2，发射节点对一帧待传输的保密信号矢量进行增采样，得到增采样信号s，在增采样信号中注入步骤1生成的人工噪声w形成混合发射信号x；步骤3，目的接收节点完成对混合发射信号的接收，并进行匹配滤波处理，得到滤波信号zAB；步骤4，目的接收节点对滤波信号zAB进行减采样处理，输出保密信号；步骤5：重复步骤1至步骤4，完成无线网络中基于多径衰落频率选择特性的安全传输。进一步地，发射节点和目的接收节点均为单天线节点。进一步地，步骤1中，多径衰落频率选择特性信道的信道信息hAB＝[h0,h1,…,hL]，其矩阵形式为HAB；序列信息q＝[q0,q1,…,qK]T，其矩阵形式为Q；Rs的矩阵形式为S；其中：其中，L表示多径衰落频率选择特性信道的多径数；K表示离散时间匹配滤波器的抽头数；矩阵S的第m×Rs+1行对角线元素为1，其余元素全为0，m＝0,1,...,M，M为待传输的保密信号矢量中信息承载符号的个数。进一步地，步骤1中人工噪声w的生成具体包括：利用hAB、q和Rs构建信道信息矩阵ΓAB＝SQHAB，并设计出安全传输所采用的位于信道信息矩阵ΓAB零空间的人工噪声矢量w＝Zu，其中Z为信道信息矩阵ΓAB的零空间的标准正交基，u为独立同分布的复高斯随机变量矢量，矢量的每一个复高斯变量元素的均值为0，方差为进一步地，步骤2具体包括：发射节点将一帧由M个信息承载符号组成的保密信号矢量增采样，得到N维的增采样信号s＝[s1,s2,…,sN]T，其中有N＝MRs，Rs为每符号的采样点数，并注入由步骤1中w＝Zu生成的N维人工噪声矢量w＝[w1,w2,…,wN]T，生成混合发射信号x＝s+w。进一步地，步骤3中目的接收节点接收到的混合发射信号为yAB＝hAB*x+vB，其中vB为目的接收节点处的加性高斯白噪声；匹配滤波处理后滤波器输出的滤波信号zAB＝q*yAB。进一步地，步骤4具体包括，目的接收节点对滤波信号zAB进行减采样，采样判决输出为其中ΓAB是利用hAB、q和Rs构建的信道信息矩阵，是单天线目的接收节点采样输出端的带限高斯白噪声成分。与现有技术中已有物理层安全传输方案相比，本专利技术的优点在于：1、本专利技术在安全传输方案设计上，考虑并利用无线信道多径衰落的频率选择特性信息设计一种在目的接收节点处采样判决时刻为0的人工噪声，并将生成的人工噪声加扰到待传输的保密信号以形成噪声信号；目的接收节点完成对发射信号的接收，并将接收信号进行匹配滤波、减采样判决，最后输出无人工噪声影响的保密信号；由于人工噪声是基于主信道的信道信息生成的，在经过主信道传输和匹配滤波处理后在采样判决输出时刻输出为0，而在窃听节点处经过窃听信道的传输和同样的匹配滤波处理后在采样判决时刻输出不为0，退化了窃听者信道，保证安全传输；2、在适用场合上，适用于现实中大量存在的未配置多天线的或复杂协议的简单无线网络节点组成单输入单输出(SISO)通信系统，本专利技术无线安全传输方案所要求的硬件设备简单；3、在保密信息安全传输保障上，本专利技术仅利用到了发射节点到目的接收节点之间的信道状态信息(CSI)，无需在双方之间进行复杂的协同、反馈或共享等操作，系统的资源消耗低，传输效率高；4、在安全传输保密性的独立上，本专利技术虽然利用了发射节点到目的节点之间的信道状态信息(CSI)，但是安全方案的保密性独立于信道状态信息(CSI)的保密性，有效的增强了该安全传输方案的安全性。【附图说明】图1(a)为本专利技术的传输系统模型。图中节点Alice为单天线发射节点，节点Bob为单天线目的接收节点，节点Eve为单天线无源窃听节点。图1(b)是本专利技术的流程图。图2为不同人工噪声功率下的接收节点和窃听节点的误码率对比图。图3为无线信道不同多径数(L)，L≥2下的接收节点与窃听节点的误码率对比图。图4为不同增采样速率(采样数/每符号)下的单天线目的接收节点与窃听节本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无线网络中基于多径衰落频率选择特性的安全传输方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，发射节点计算出其与目的接收节点之间的多径衰落频率选择特性信道的信道信息hAB，并获取目的接收节点处的离散时间K抽头数的匹配滤波器的序列信息q，以及采样判决决策信息：每个信息承载符号的采样点数Rs，并利用hAB、q和Rs生成基于信道状态信息的人工噪声w；步骤2，发射节点对一帧待传输的保密信号矢量进行增采样，得到增采样信号s，在增采样信号中注入步骤1生成的人工噪声w形成混合发射信号x；步骤3，目的接收节点完成对混合发射信号的接收，并进行匹配滤波处理，得到滤波信号zAB；步骤4，目的接收节点对滤波信号zAB进行减采样处理，输出保密信号；步骤5：重复步骤1至步骤4，完成无线网络中基于多径衰落频率选择特性的安全传输。

【技术特征摘要】
1.一种无线网络中基于多径衰落频率选择特性的安全传输方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，发射节点计算出其与目的接收节点之间的多径衰落频率选择特性信道的信道信息hAB，并获取目的接收节点处的离散时间K抽头数的匹配滤波器的序列信息q，以及采样判决决策信息：每个信息承载符号的采样点数Rs，并利用hAB、q和Rs生成基于信道状态信息的人工噪声w；步骤2，发射节点对一帧待传输的保密信号矢量进行增采样，得到增采样信号s，在增采样信号中注入步骤1生成的人工噪声w形成混合发射信号x；步骤3，目的接收节点完成对混合发射信号的接收，并进行匹配滤波处理，得到滤波信号zAB；步骤4，目的接收节点对滤波信号zAB进行减采样处理，输出保密信号；步骤5：重复步骤1至步骤4，完成无线网络中基于多径衰落频率选择特性的安全传输。2.根据权利要求1所述的一种无线网络中基于多径衰落频率选择特性的安全传输方法，其特征在于，发射节点和目的接收节点均为单天线节点。3.根据权利要求1所述的一种无线网络中基于多径衰落频率选择特性的安全传输方法，其特征在于，步骤1中，多径衰落频率选择特性信道的信道信息hAB＝[h0,h1,...,hL]，其矩阵形式为HAB；序列信息q＝[q0,q1,...,qK]T，其矩阵形式为Q；Rs的矩阵形式为S；其中：其中，L表示多径衰落频率选择特性信道的多径数；K表示离散时间匹配滤波器的抽头数；矩阵S的第m×Rs+1行对角线元素为1，其余元素全为0，m＝0,1,...,M，M为...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜清河，穆卡塔尔·侯赛因，李军，孙黎，任品毅，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61