[发明专利]MIMO系统中接收天线跳空的保密通信方法

摘要

本发明公开了MIMO系统中接收天线跳空的保密通信方法，其特征在于待发送的二进制消息序列充当伪随机噪声(PN)序列，随机选择激活合法用户接收机多根天线中的单根接收天线。基站Alice通过迫零预编码使得发射信号聚集在合法用户Bob被激活的那根接收天线上，并在预编码中故意加入扰动使得潜在的窃听者Eve收到很强的人工干扰，抑制窃听者Eve侦听私密信息。合法用户Bob被激活的那根接收天线序号实现空间调制并和传统幅相调制结合共同传递二进制信息，合法用户Bob可以使用低复杂度的检测算法解调该信息。而窃听者Eve由于每根接收天线都被激活并且收到人工干扰，即使采用高复杂度的最大似然检测算法也无法解调数据。

主权项

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NT根发射天线的基站Alice与一个配置NR(NR<NT)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装有NE根天线的潜伏的窃听者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NR设置为2的整数次幂，即NR＝2k，且合法用户Bob的接收天线根数NR小于基站Alice的天线根数NT，即NR<NT；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NR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；(2)、与步骤(1)同时，基站Alice还向合法用户Bob被激活的这根天线发送一个传统的M阶幅相调制符号，该M阶幅相调制符号可另外传递m＝log2(M)比特信息；这样，基站Alice与合法用户Bob之间的一次通信就总共传递k+m比特信息；因此，基站Alice的发射机可以将待发送的二进制数据流以每k+m比特分成一组；每组数据通过一次通信被完全发送到合法用户Bob处,其中，前k位比特负责选定合法用户Bob被激活的接收天线序号i，后m位比特负责从星座图集合S中选择某一时域星座符号sj，由空域星座符号ei和时域星座符号sj合成的发射信号记为x＝eisj，其中ei是一个NR维列向量，除第i个元素为1外，其余全为0；由于决定i取值的前k位二进制消息是随机的，因此，合法用户Bob被激活的接收天线序号i也是随机跳动的；(3)、基站Alice根据信息反馈或者信道互易得到的Alice‑Bob之间的下行信道矩阵Hb设计发射预编码矩阵P，该发射预编码矩阵P能够激活合法用户Bob的第i根接收天线，同时确保合法用户Bob的其它接收天线保持静默状态；基于此要求，基站Alice采用迫零(ZF)算法，设计发射预编码矩阵P，其设计方案如下：P=P‾+P~=βHbH(HbHbH)-1+V0R,]]>其中β是一个功率调整系数，V0是Alice‑Bob之间的下行信道矩阵Ηb的零空间，R是一个(NT‑NR)×NR的随机矩阵，其元素服从零均值方差为的复高斯分布；由于预编码矩阵中特意引入的随机干扰不会对合法用户Bob造成影响，但严重削弱窃听者Eve窃听接收信号的质量；(4)、合法用户Bob收到的信号为y＝βeisj+nb，除被激活的第i根天线收到时域星座符号sj外，其余天线上仅有热噪声nb；合法用户Bob采用一种简单的非相干检测相继解调载有信息的天线序号i和时域星座符号sj，具体检测方法表达为：其中，yi、分别是矢量信号y的第i、维元素；(5)、窃听者Eve收到的信号模型为：由于窃听者Eve的每根天线都被激活，无法像合法用户Bob在步骤(4)中那样简单地检测出天线序号i和时域星座符号sj；考虑一种对窃听者Eve最有利的情形，窃听者Eve偷听到合法用户Bob的Alice‑Bob之间的下行信道矩阵Hb并算出这样窃听者Eve采用高复杂度的最大似然(ML)检测，如下所示：He为Alice‑Eve之间的下行信道矩阵；由于干扰项随机矩阵R的随机高斯噪声特性，使得窃听者Eve进行上述检测时除了受到天线固有热噪声ne的影响外，还受到时变色噪声V0Reisj的干扰；如果基站Alice让干扰项随机矩阵R中的方差足够大，窃听者Eve就很难检测出天线序号i和时域星座符号sj，也就不能解调私密信息。