[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

摘要

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。

主权项

1.一种基于星座旋转的人工噪声的物理层安全传输方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)目的节点D向源节点S发送训练符号序列；(2)源节点S获取信道状态信息h：源节点S根据接收的训练符号序列，对源节点S到目的节点D信道的状态进行估计，得到信道状态信息h；(3)源节点S获取波束成形后的发送信号w1x：(3a)源节点S对产生的待发送符号进行数字相位调制，得到发送信号x；(3b)源节点S将发送信号x对准目的节点D，得到发送信号x的波束成形矢量w1，并通过波束成形矢量w1对发送信号x进行波束成形，以实现对目的节点D接收功率的最大化，得到波束成形后的发送信号w1x，其中，w1＝hH/||h||，hH表示h的共轭转置，||h||表示h的2‑范数，hH/||h||表示hH与||h||的比值；(4)源节点S获取星座旋转和波束成形后的人工噪声信号w2z·exp(jθ)：(4a)源节点S随机生成N维人工噪声矢量信号z，z＝[z1,z2,...,zi,...,zN]T,其中，zi表示人工噪声矢量信号z的第i个矢量元素，zi～CN(0,1),i＝1,2,...,N，CN(0,1)表示服从均值为0方差为1的复高斯分布，人工噪声矢量信号z的维度数目N与源节点S的发射天线数目相等；(4b)源节点S对人工噪声信号z进行星座旋转：源节点S将人工噪声矢量信号z的相位在二维平面直角坐标系xoy上绕原点进行|θ|角度的旋转，当θ＞0时，对人工噪声信号z进行顺时针旋转，当θ＜0时，对人工噪声信号z进行逆时针旋转，得到星座旋转后的人工噪声信号z·exp(jθ)，其中，θ为发送信号x与经过准静态瑞利衰落信道的人工噪声信号hz的相位差，θ＝arg(x)‑arg(hz)，|θ|表示θ的绝对值，j表示虚数单位，exp(jθ)表示以自然对数e为底以jθ为幂的指数，z·exp(jθ)表示z与exp(jθ)的乘积，arg(x)表示x的相位；(4c)源节点S对星座旋转后的人工噪声z·exp(jθ)进行波束成形：源节点S将星座旋转后的人工噪声z·exp(jθ)在三维立体空间中各向同性地对准接收节点，得到人工噪声z的波束成形矩阵w2，并通过波束成形矩阵w2对星座旋转后的人工噪声信号z·exp(jθ)进行波束成形，得到星座旋转和波束成形后的人工噪声信号w2z·exp(jθ)，其中，w2＝IN，IN为N×N阶的单位矩阵；(5)源节点S获取复合信号xt并发送：源节点S对波束成形后的发送信号w1x与人工噪声信号w2z·exp(jθ)进行叠加，得到复合信号xt，并通过准静态瑞利衰落信道发送至目的节点D；(6)目的节点D获取解调信号x：目的节点D对经过准静态瑞利衰落信道的复合信号xt进行解调，得到解调信号x。