[发明专利]一种基于时间反演技术的室内保密通信方案

权利要求书

1.一种基于时间反演技术的室内保密通信方案，其特征在于，针对物理层无线通信的窃听信道问题，提出一种提升室内频率选择性衰落信道保密性能的均衡时间反演技术；采用传统的TR技术对于合法接收端而言，码间干扰(ISI)占据了接收信号中较大成份；这将会对系统产生影响：(一)系统保密信干噪比较低，会影响系统保密性能；(二)导致信号在接收端的失真，从而影响接收机对信号的检测，使得误码率较高；针对采用时间反演技术如何降低合法接收端码间干扰提升保密性能问题，考虑不增加信号合法接收端计算复杂度的情况下，在信号发送端将均衡器与TRM级联配置，所有发射天线共用该均衡器；通过TR等效信道信息进行均衡器的设计对室内无线信道进行均衡处理，降低合法接收端码间干扰成份，以提升系统保密性能；基于时间反演的安全传输方案包括以下步骤：

步骤101：构建基于时间反演的信道均衡MISO窃听信道模型；

步骤102：系统性能分析，具体从三个方面来分析：保密信干噪比、系统保密容量、误码率。

2.根据权利要求1所述的安全传输方案，其特征在于，所述步骤1构建基于时间反演的信道均衡MISO窃听信道模型包括：对Wyner窃听模型进行了改进，发送端采用均衡器与TRM级联配置；系统主要由发送端(Alice)、合法接收端(Bob)、窃听端(Eve)构成；窃听端为被动窃听，不发出主动攻击；其中发送天线数目为M，合法接收端与窃听端均采用单天线接收；为了表示方便用0表示合法接收端Bob，1表示窃听端Eve；发送端Alice与接收端n(0,1)的CIR可以表示为

式中L为无线信道的可分辨多径条数，σ_mn,l、τ_mn,l分别表示第l条路径的幅度与时延，且i∈(-∞,+∞)，由狄拉克函数的特征可知在i＝τ_mn,l时为单位冲击，其余为0；

且满足E[h_mn(i)]＝0,TRM模块对已知合法接收端的信道信息在时域上以中心抽头为中心翻转，对信号进行预处理，使得信号能在合法接收端聚焦；记为TR预滤波向量且满足

ρ为总的平均传送功率，表示h_m0的共轭，||·||表示Frobenius范数，定义为P₀为归一化因子记为时间反演后的等效信道为

其中i∈(0…2L-2)，表示卷积；上式可进一步化解

可以看出由两部分组成,第一部分是各个不同传播路径的自相关函数和,与各多径分量延迟无关；第二部分是各个不同多径的互相关函数，非相干多径经过卷积运算进行相加后值不可忽略，是造成ISI的主要因素；随着多径数量的增加,自相关函数与互相关函数的值将增大；

传统TR技术在合法接收端接收信号成份中存在较大ISI分量，根据具体的信道实现情况，ISI占总接收功率较大的百分比，从而影响信号检测；通常的解决方法是在接收端使用RAKE接收机或者均衡技术，但是这会增加计算复杂度；为减少接收复杂度，本文考虑在发送端加入单个均衡器供所有发射天线共享；均衡器与TRM级联配置，通过无线信道均衡，使接收机的ISI成份最小化；因此设计一个长度为L_E＝2L_ε+1的均衡器ε[i]；记均衡器与时间反演镜级联后等效功率归一化因子为P_ε

则发送端发送天线m发送信号s[i]经过处理后为

采用均衡结合TR方案后，接收端接收信号为

该均衡器的设计是为极大化减少合法接收端码间干扰功率而设计，其具体设计满足下式

其中i₀∈(0...2L+L_E-3)，式中带有L_E未知数和2L+L_E-2超定线性方程组用矩阵可以表示为

式中，H表示矩阵的转置；第一个矩阵是Toepliz矩阵，因此向量ε具有唯一解ε＝(H^HH)^-1H^Hδ_n0；当L_E→∞码间干扰将被完全消除，φ、分别为ε[i]与的离散傅里叶变换(discrete fourier transform,DFT)，因此在频域可以表示为

其中j为虚数单位满足j²＝-1，传统TR信道经过以上均衡处理后，等效信道重新记为

由上可知等效信道与均衡器长度和信道可分辨多径数目有关，随着L_E的增大，归一化因子增大，归一化因子的增大使得信道峰值幅度会有所下降；通过实验得TR与ETR的等效信道的结果，且发送端采用4根发射天线，接收端采用单根天线接收，从图中可以看出传统TR的等效信道范围为(0-80),而ETR的等效信道范围为(0-120),可知ETR的等效信道范围变宽；TR等效信道主峰值幅度很高，而主峰值两边副峰值也较为突出；采用ETR后的等效信道的主峰值幅度略低于TR，主峰值两边的副峰值相对于TR极大减小，使得码间干扰得到缓解；均衡后的信道归一化功率峰值幅度下降，这与以上分析推断一致，从而验证了推断的正确性；

在采用均衡后，由上分析可知合法接收端理论上可以完全消除ISI，实际上只能极大地减小，并不能完全消除；这是因为接收机的性能限制，接收机可分辨多径数目决定均衡器的设计，均衡向量的长度也会受到影响；

由于TR的聚焦特性，期望信号在接收机中心抽头处采取一个样本，而其它抽头信号样本则是码间干扰的主要因素；因此将合法端接收信号重新记为

其中接收信号由期望信号、码间干扰、加性高斯白噪声三部分组成。

3.根据权利要求1所述的安全传输方案，其特征在于，所述步骤2系统性能分析包括：

本发明将从具体从三个方面来分析：保密信干噪比、系统保密容量、误码率；假设发射端具有M根发射天线，合法接收端与窃听端均为单天线接收的数字多输入单输出(MISO)基带无线通信系统；得出ETR方案下合法用户的接收期望信号功率与符号干扰功率分别为

均衡器的设计极大地减少了合法接收端信号码间干扰成分，因此码间干扰功率将是很小的；采用ETR方案下合法用户的信干噪比记为

的减少，理论上会使得合法接收端的SINR增大，同理，窃听端的SINR可以表示为

系统的保密SINR被定义为

由上分析，保密SINR的期望可以表示为

由现有的研究知

其中η为一个非常小的数，可以忽略不计，将上式重新记为

由此可以得到保密SINR的期望；

传统TR方案中，合法接收端的SINR中，由于存在大量的ISI，使得SINR很大程度受到ISI的影响；采用ETR方案极大地减小了ISI，使得SINR得到提高，从而使得保密信干噪比也得到提高；

通常在窃听信道中，保密容量是从保密SINR推断而来的；由于保密容量被定义为合法用户信道容量和窃听用户信道容量之差，根据香农公式，保密容量的公式定义为

其中lb表示以2为底的对数，为整个体统的保密SINR，用γ表示为

对于任意窃听均实现绝对安全通信，需要满足0＜C₁≤C，C₁为安全通信的信息传输速率，通过上述对ETR的保密信干噪比分析，得到均衡后系统的保密容量C为

系统的保密容量与合法用户接收期望信号功率成正比关系，与码间干扰信号功率成反比关系；

发送端采用QPSK调制，在前面已经给出了ETR合法接收端的接收期望信号功率、码间干扰信号功率、以及噪声信号功率的表达式；将误码率的表达式记为

其中Q(·)是标准高斯随机变量的互补累积分布函数；

在传统的TR中，性能受高信噪比ISI的限制，采用ETR使得码间干扰信号功率的大幅度下降，误码性能得到提高；

不考虑发送天线数量，对TR与ETR的复杂度进行分析对比；对比了TR与ETR在时域的检测时间，传统TR中TRM预滤波的作用导致合法端接收信号的聚焦峰值能量采集在中心抽头L处；ETR中，TRM与均衡器的信道均衡使得聚焦峰值能量在时域的检测时间往后推移，具体的时间延迟是由均衡向量长度与实际检测环境的时延拓展所决定；

通过分析可知，TR的计算复杂度为O(L²)；加入均衡器后，相当于在TR等效信道卷积均衡向量ε[i]，对TR等效信道进行均衡处理将会对原信道矩阵进行一次矩阵乘法运算，可知ETR的计算复杂度为O(L²×L_E)。