[发明专利]一种基于涡旋电磁波的自适应安全通信装置及方法

说明书

一种基于涡旋电磁波的自适应安全通信装置及方法，涉及无线通信的技术领域。生成N阵元均匀圆环天线阵列在给定载波频率下的方向辐射系数表格；自适应选择发送人工噪声的轨道角动量模态；发送信号及人工噪声的轨道角动量调制；轨道角动量共轴多模复用传输。本发明仅用一个均匀圆环天线阵列即可实现安全无线通信。将人工噪声复用在非0的模态，不会对合法用户产生干扰，又降低窃听者的信道容量，实现大容量的保密通信。同时根据窃听者的方向角信息，自适应地选择人工噪声的最优模态，最大限度地屏蔽窃听者，提升系统保密性能。在窃听者方向未知时，采用人工噪声模态随机跳变的方式，屏蔽各个方向的潜在窃听者，提升系统保密容量。

技术领域

本发明涉及无线通信的技术领域，尤其涉及一种基于涡旋电磁波的自适应安全通信方法的技术领域。

背景技术

当前，无线通信的安全面临着越来越严峻的挑战。首先，基于计算理论的安全手段越来越脆弱。长期以来，无线通信的安全性主要都是依靠认证与加密技术，在通信协议栈的高层加以保障。但是，随着近年来一些广泛应用的加密算法被破解，如KASUMI、AES128/256、MD5等，暴露出被动防御体系的脆弱性。量子计算的突飞猛进也使得基于计算理论的安全手段面临严重的挑战。其次，无线通信具有天然的开放性与广播性，也更容易遭到第三方截获及窃听。第三，处在协议栈底部的物理层缺乏采取必要的安全措施。这导致窃听者是“能够获得”保密数据(甚至是秘钥)，只是“无法理解”其内容；而当窃听者窃取完整秘钥或具有强大计算能力后，则完全有可能解密密文。

为了应对这些挑战，需要突破传统基于密码学的安全策略，寻找新的安全技术。物理层安全通信技术，正是为了满足这一需求而出现的，是实现安全与通信一体化的关键手段。该技术主要基于香农(Shannon)“无条件安全理论”与Wyner“窃听信道模型”，从无线信道的多样性、唯一性与不可篡改性入手，充分利用合法接收者与窃听者物理信道的差异，对收发信号进行针对性处理，实现“合法接收者信号强而稳定，窃听者信号弱而随机”的优势局面，从而在物理层实现对窃听者的信息阻隔，使无线通信的安全性有了本质的提升，在无线通信领域有着广阔的潜在应用前景。

近年来，随着无线通信中多天线技术的蓬勃发展，学术界才发现其实早期提出的各种波束赋形(Beamforming)方法，正是一种有效建立起合法通信者优势信道的技术；完全有可能在现有的物理层安全通信理论指导下，利用无线信道的随机性与唯一性实现无条件的安全通信。具体的方案有：零空间人工噪声法、波束赋形法和调控通信法等。

人工噪声(Artificial Noise，AN)法，是在发射端添加适当的人工噪声，以牺牲部分发射功率为代价，可人为增大窃听者与合法接收者之间的信道质量差距。因此，即便合法接收者的信道噪声强于窃听者，安全传输仍可能实现。在已知接收端信道状态信息(CSI)的条件下，由于AN投影在接收端的零空间，因此AN对接收端的接收信号没有影响，而可对窃听端的信号产生强烈干扰。但是，该方法实现的前提是接收端CSI准确获得，而这在实际中往往难以实现。发射方利用天线阵列冗余在合法信道的零空间内发人工噪声，在合法信道其它空间上发送保密信号。当信号到达合法接收方，零空间内的人工噪声会在无线信道中自然消除，而保密信号则被正常的稳定接收，因此人工噪声对合法接收方不产生影响。由于无线信道具有差异性，合法发射方所发送的人工噪声在经过窃听信道后不会自然消除，导致窃听者接收信号的信噪比下降，进而保证了保密信息在无线传输中的低截获概率。但是，上述方法的应用场景受限，降低了系统用户容量。