[发明专利]基于星座旋转的人工噪声的物理层安全传输方法

说明书

本发明提出了一种基于星座旋转的人工噪声安全传输方法，用于解决现有技术中存在的无线通信系统的保密容量小的技术问题。实现步骤为：源节点S获取其到目的节点D的信道状态信息；产生发送信号并对其进行波束成形；产生人工噪声并对其进行特定角度的星座旋转和波束成形；源节点S将波束成形后的发送信号和星座旋转后的人工噪声叠加成复合信号并进行发送；目的节点D接收到经过信道的复合信号，并对其解调获得解调信号。本发明通过对人工噪声进行星座旋转可以显著提高发送端的接收信号信噪比，并将非法窃听端的信噪比维持在低值水平，从而能够提高无线通信系统的保密容量，有效提升了无线通信系统的安全性能。

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种人工噪声的物理层传输方法，具体涉及一种基于星座旋转的人工噪声物理层安全传输方法，可用于发射端采用数字相位调制技术的保密通信系统。

背景技术

由于无线通信系统中传输媒介的开放性、无线终端的移动性和网络结构的不稳定性，信号传输的可靠性和安全性面临着严峻的考验。研究表明，除传统的高层加密方式外，安全传输问题也可以通过物理层安全技术来解决。作为上层加密方法的一种补充或代替技术，物理层安全技术是在底层利用无线信道的多径性、互易性、空间唯一性等特征保证安全通信，其能有效地提高无线通信系统的安全性能。

美国数学家，信息论的奠基人Shannon提出了完美安全(perfect secrecy)理论，为物理层安全通信的研究奠定了理论基础。此后，Wyner从信息论角度提出窃听信道模型，两个合法的用户通过主信道进行保密信息的通信，窃听者通过退化信道窃听合法用户传输的保密信息，并证明合法用户端一定存在某种保密编码，使用该编码传输保密信息，可以使窃听者无法获得任何关于发送消息的信息量，从而实现完全的、绝对的保密。在物理层安全中以该编码方式传输的保密信息容量，定义为保密容量，即发射端能够可靠传输保密信息给合法接收端而不会被非法窃听端破译的最大速率。然而如果窃听方拥有一个优于主信道的窃听信道，则保密容量就会变成零，也就无法保证安全通信。为了恶化窃听信道，2005年R.Negi和S.Goel提出了发射端在主信道的零空间上发送人工噪声的方法，能在完全不影响合法用户通信的情况下降低窃听信道的信噪比，以提高通信系统的保密容量，从而达到安全通信的目的。研究表明，无论窃听用户在任何位置，使用人工噪声都能保证最小的安全传输速率。

在现有的应用人工噪声的方案中，一般都要求人工噪声置于主信道的零空间上，不对合法接收端造成干扰，也就是在合法接收端的人工噪声功率为0，相应的人工噪声也就不会对合法接收端的信号接收有任何帮助。为了克服上述缺陷，雷维嘉2016年在《电子信息学报》上发表了“利用人工噪声提高合法接收者性能的物理层安全方案”的论文，文中提出一种自适应人工干扰的安全传输方法，发送端根据合法信道状态信息和人工噪声，判断出即将到达合法接收端的人工噪声是否对合法接收端解调信号有益，如果有益，采用全向的人工噪声波束成形，使合法接收端也能接收到人工噪声，提高解调性能；如果有害，则将人工噪声置于合法信道零空间上，从而避免对合法接收者产生干扰。该方法在一定程度上提高了合法接收端的信噪比，并同时将非法窃听端的信噪比维持在低值水平，提高了通信系统的保密容量，虽然该方法采用了自适应人工干扰方法，但是人工噪声仍然不总是对合法接收端解调信号有益，所以该方法也存在保密容量提升有限，安全性能不足的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于星座旋转的人工噪声安全传输方法，用于解决现有技术中存在的无线通信系统的保密容量小的技术问题。

本发明的技术思路是：源节点S获取其到目的节点D的信道状态信息，产生发送信号并对其进行波束成形，再产生人工噪声并对其进行特定角度的星座旋转和波束成形，然后源节点S将波束成形后的发送信号和星座旋转后的人工噪声叠加成复合信号并进行发送，最后目的节点D接收到经过信道的复合信号，并对其解调获得解调信号。

根据上述技术思路，实现本发明目的采取的技术方案，包括如下步骤：