[发明专利]MIMO系统中接收天线跳空的保密通信方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种MIMO无线系统中的保密通信方法，特别是发射机和接收机均配备多根天线时,根据待发送消息随机激活接收天线的MIMO系统中接收天线跳空的保密通信方法。

背景技术

无线通信技术的飞速发展极大地改变了人类生产、生活方式。无线电波作为传播媒介可以使人们摆脱有线电缆的束缚，随时随地接入因特网获取所需要的信息。这种电磁波的广播特性，一方面使得期望用户获取信息更方便，另一方面也使得位于无线网络覆盖范围之内的恶意用户更容易窃听到发射机传递给期望用户的私密信息。因此，提高无线网络信息传输的安全性是一个急需解决的课题。传统的基于上层数据加密协议(例如WIFI中广泛使用的WPA数据加密标准)假定窃听者计算能力有限，不能在有效时间内破译密码，但随着现代超级计算机的快速发展，这种计算意义上的安全已被打破。此外，一旦用于数据加密的密钥泄露，则会造成不可估量的损失。为了进一步提高无线网络的安全性，无线通信中独有的多径传播和信道衰落特性可以被充分利用以获得信息传输的物理层安全。这种物理层安全具体说来就是要确保当窃听者收到电磁信号时，他无法像合法用户那样正确的解调数据。

扩频技术，包括跳频扩频和直接序列扩频，是基于密码学的上层加密技术之外，一项行之有效的典型物理层保密通信技术。跳频通信广泛应用于军事通讯系统中以保证低截获率(LPI)的无线传输。然而，跳频通信中，收发双方需要预共享一个伪随机(PN)序列作为跳频图案，只有预先知道跳频图案的合法接收机，才能跟踪到当前的载波频率以顺利解调数据。从这个意义上来讲，跳频通信的安全性也是基于PN序列的私密性，一旦该PN序列泄露，窃听者则可以解调私密信息。要突破这种预先共享PN序列的保密通信机制，就需要采用新的无线通信技术。最近十几年来，多输入多输出(MIMO)技术被广泛研究并已在4G蜂窝网和最新的WIFI标准中得到应用。MIMO系统中，收发机均配置多根天线，不但可以提高无线传输的速率也能够增强系统的传输安全性。本发明就是基于MIMO系统设计一种保密通信方法。

通过检索可知，中国专利CN102970068A公开了一种“用于安全保密无线通信的分布式多天线跳空收发方法”，提出了根据收发双方约定好的跳空图案随机选择发射天线来实现保密通信，但没有采用随机选择接收天线，而且该专利需收发双方约定跳空图案，其实用性较差，频谱效率较低。目前，尚未见无需收发双方约定跳空图案，并且利用被选择激活的接收天线序号作为空域星座符合来传递二进制信息的MIMO通信方法的报道。

发明内容

本发明的目的在于设计一种MIMO系统中接收天线跳空的保密通信方法，该MIMO系统无需基站与合法用户之间预先共享密钥或PN序列，并且利用合法用户被激活的接收天线序号传递二进制信息；通过基站预编码，随机激活合法用户的多根接收天线中的某一根，使得合法用户可以采用一种低复杂度的检测算法可靠的解调基站发送过来的私密数据信息，而窃听者无法从其接收信号中破译私密信息。

为了达到以上目的，本发明所采用的技术方案是：该MIMO系统中接收天线跳空的保密通信方法，采用的通信系统模型为一个装配N_T根发射天线的基站Alice与一个配置N_R(N_R<N_T)根接收天线的合法用户Bob构成一条下行传输链路，基站Alice和合法用户Bob之间的通信内容被一个潜伏的装有N_E根天线的窃听者Eve侦听；其特征在于：包括以下步骤实现保密通信：

(1)、合法用户Bob的接收天线根数N_R设置为2的整数次幂，即N_R＝2^k，且合法用户Bob的接收天线根数N_R小于基站Alice的天线根数N_T，即N_R<N_T；当基站Alice向合法用户Bob发起通信时，根据待发送的k位二进制数据选择激活合法用户Bob的N_R根接收天线中的某一根；这样，被激活的这根接收天线序号i与k位二进制数据构成一一映射，通过检测合法用户Bob被激活的天线序号i就可以实现k比特信息传输；