[发明专利]一种基于时间反演技术的室内保密通信方案

说明书

针对物理层无线通信的窃听信道问题，提出了一种基于时间反演技术的室内保密通信方案。首先，建立了均衡时间反演窃听模型，在信号发送端将均衡器级联配置，利用信道均衡技术提高信息传输的保密性能。其次，通过传统时间反演(TR)技术的等效信道分析对均衡器进行了设计，根据均衡后的信道推导了系统保密信干噪比、系统保密容量、误码率的闭合表达式。理论分析和仿真结果表明，与传统的TR技术相比，ETR的保密信干噪比、系统保密容量更高，合法接收用户的误码率更低。

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种基于时间反演技术的室内保密通信方案。

背景技术

无线通信具有开放性的特点,终端之间的信息传递容易被非法用户窃听，使得无线通信信息安全面临严峻的考验。由于无线信道具有频域、空域、时域多样性的特征，为无线通信安全提供可研究的空间。Wyner最先提出了窃听信道模型，根据信息理论提出利用无线信道的差异性来保证信息传输安全，并证明存在某种安全编码可以实现以不大于安全容量的传输速率以保证信息安全传输而不被非法用户获取。目前物理层安全研究已经在安全编码与密钥提取、协同干扰^[3]、天线阵列随机加权、人工噪声等研究方向取得了较好研究成果。

时间反演是一种信号处理技术，不仅具有聚焦信号的特点、还有简化接收机复杂度、用于多输入多输出超宽带(MIMO)通信和超越衍射极限的超分辨率等特性。TR能够在丰富的散射环境下发挥出其最大的作用，封闭或者半封闭的室内具有丰富的散射场景，环境相对较为复杂，信道通常缓慢变化，信道状态信息不需要快速的更新。因此，将TR运用在室内通信是很好的选择。TR还被广泛运用于室内定位、癌症探测、水下通信等诸多领域。在一个TR过程中，位于合法接收端附近的时间反演镜(TRM)接收来自合法接收端的探测信号，TRM各单元将接收信号在时域上对信号持续时间的二分之一进行翻转，然后将翻转的信号向合法接收端进行发送。由于时间反演的空间聚焦和时间聚焦特性，合法接收端将接收到一个较高主峰值幅度的信号，且信号在时域有压缩现象。时间反演原理是先收到的信号后发送，后收到的信号先发送，利用信道的互易性，信号会在多条路径同时间到达。时间反演具有空时聚焦特性，聚焦点外电磁能量较低，使其在物理层安全传输方面得到大量关注。

研究专家提出了MIMO超宽带(UWB)系统与TR技术相结合的方法。主要研究了带有TR的MIMO-UWB系统中物理层保密性的评估。TR的空间聚焦是所有的多径分量在接收机的位置上相干相加，而它们在空间中的其它位置非相干地组合。信道状态响应(CIR)中包含特定的空间签名，多路径分量同相增加发生在特定的采样时刻，是TR预滤波器产生的作用。TR技术相对于传统多载波系统的主要优点是在接收机处，使接收计算复杂度显著下降。

针对物理层无线通信的窃听信道问题，提出了一种适用于室内频率选择性衰落信道的均衡时间反演(ETR)保密通信方法。首先，建立了均衡时间反演窃听模型，在信号发送端将均衡器级联配置，利用信道均衡技术提高信息传输的保密性能。其次，通过传统时间反演技术的等效信道分析对均衡器进行了设计，根据均衡后的信道推导了系统保密信干噪比、系统保密容量、误码率的闭合表达式。理论分析和仿真结果表明，与传统的TR技术相比，ETR的保密信干噪比、系统保密容量更高，合法接收用户的误码率更低。

发明内容

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：