Mimo系统中接收天线跳空的保密通信方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种MMO无线系统中的保密通信方法，特别是发射机和接收机均配 备多根天线时，根据待发送消息随机激活接收天线的M頂0系统中接收天线跳空的保密通 ?目方法。
【背景技术】
[0002] 无线通信技术的飞速发展极大地改变了人类生产、生活方式。无线电波作为传播 媒介可以使人们摆脱有线电缆的束缚，随时随地接入因特网获取所需要的信息。这种电磁 波的广播特性，一方面使得期望用户获取信息更方便，另一方面也使得位于无线网络覆盖 范围之内的恶意用户更容易窃听到发射机传递给期望用户的私密信息。因此，提高无线网 络信息传输的安全性是一个急需解决的课题。传统的基于上层数据加密协议（例如WIFI 中广泛使用的WPA数据加密标准）假定窃听者计算能力有限，不能在有效时间内破译密码， 但随着现代超级计算机的快速发展，这种计算意义上的安全已被打破。此外，一旦用于数据 加密的密钥泄露，则会造成不可估量的损失。为了进一步提高无线网络的安全性，无线通信 中独有的多径传播和信道衰落特性可以被充分利用以获得信息传输的物理层安全。这种物 理层安全具体说来就是要确保当窃听者收到电磁信号时，他无法像合法用户那样正确的解 调数据。
[0003] 扩频技术，包括跳频扩频和直接序列扩频，是基于密码学的上层加密技术之外，一 项行之有效的典型物理层保密通信技术。跳频通信广泛应用于军事通讯系统中以保证低截 获率（LPI)的无线传输。然而，跳频通信中，收发双方需要预共享一个伪随机（PN)序列作 为跳频图案，只有预先知道跳频图案的合法接收机，才能跟踪到当前的载波频率以顺利解 调数据。从这个意义上来讲，跳频通信的安全性也是基于PN序列的私密性，一旦该PN序列 泄露，窃听者则可以解调私密信息。要突破这种预先共享PN序列的保密通信机制，就需要 采用新的无线通信技术。最近十几年来，多输入多输出（MHTO)技术被广泛研究并已在4G 蜂窝网和最新的WIFI标准中得到应用。MIMO系统中，收发机均配置多根天线，不但可以提 高无线传输的速率也能够增强系统的传输安全性。本发明就是基于MMO系统设计一种保 密通信方法。
[0004] 通过检索可知，中国专利CN102970068A公开了一种"用于安全保密无线通信的分 布式多天线跳空收发方法"，提出了根据收发双方约定好的跳空图案随机选择发射天线来 实现保密通信，但没有采用随机选择接收天线，而且该专利需收发双方约定跳空图案，其实 用性较差，频谱效率较低。目前，尚未见无需收发双方约定跳空图案，并且利用被选择激活 的接收天线序号作为空域星座点来传递二进制信息的MIMO通信方法的报道。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于设计一种M頂0系统中接收天线跳空的保密通信方法，该MMO 系统无需基站与合法用户之间预先共享密钥或PN序列，并且利用合法用户被激活的接收 天线序号传递二进制信息；通过基站预编码，随机激活合法用户的多根接收天线中的某一 根，使得合法用户可以采用一种低复杂度的检测算法可靠的解调基站发送过来的私密数据 信息，而窃听者无法从其接收信号中破译私密信息。
[0006] 为了达到以上目的，本发明所采用的技术方案是：该M頂0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N t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潜伏的装有乂根天线的窃听者Eve侦听；其特征在于：包括以下步 骤实现保密通信：
[0007] (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= 2 k，且合法用 户Bob的接收天线根数队小于基站Alice的天线根数N τ，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N r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；
[0008] (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= Iog2(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被激活的接收天线的 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点 S]，由空域星座点ei和时域 星座点S]合成的发射信号记为X = e lS]，其中θι是一个心维列向量，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，顾名思义，本方法取名为接收天线跳空；
[0009] (3)、基站Alice根据信息反馈或者信道互易得到的下行信道信息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：
[0010]
[0011] 其中β是一个功率调整系数，V。是信道H b的零空间，R是一个（Nt-Nr) XNr的随 机矩阵，其元素服从零均值方差为g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；
[0012] (4)、合法用户Bob收到的信号为y = β elS j+nb，因此，除被激活的 第i根天线收到星座符号s ,外，其余天线上仅有热噪声n b;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符号1和S]，具体检测方法表达为
[0013] (5)、窃听者Eve收到的信号为
，；由于窃听者 Eve的每根天线都被激活，无法像合法用户Bob那样简地检测出信息符号i和S];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的信道信息Hb并算出P ,这样 窃听者Eve采用高复杂度的最大似然（ML)检测，如下所示：
[0014]
[0015] 由于干扰项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I的影响外，还受到时变色噪声V ^e1Sj的干扰；如果基站Alice让干扰项R 中的方差足够大，窃听者Eve就很难检测出i和S]，得不到任何私密信息；这样，本发明就能 实现预定的保密通信目的。
[0016] 本发明还通过如下措施实施：所述的步骤（1)和⑵中的分别实现了队阶空间调 制和M阶时域幅相调制，并且时域幅相调制可以为M阶相位调制（MPSK)或M阶正交振幅调 制（MQAM)中的一种。
[0017] 所述步骤（3)中基站Alice的下行信道信息Hb在采用频分双工（FDD)模式时由合 法用户Bob反馈得到；在采用时分双工（TDD)模式时根据信道互易原理由合法用户Bob发 送训练序列基站Alice自己进行信道估计得到；所述的发射预编码矩阵P需要满足功率约 束：trace (PPh) = Nro
[0018] 设分配给发射预编码矩阵P的f功率为Θ Nr，而分配β的功率为（1- Θ )NR，那么步 骤（3)中，参数β和巧2的计算公式分别为：
[0019]
[0020] 所述步骤（5)中，对窃听者Eve的窃听能力特意做了较强假设，以充分说明本方案 能够有效确保私密信息不被非法的第三方截获。
[0021] 本发明的有益效果在于：该MMO系统中接收天线跳空的保密通信方法，与目前的 Mnro无线通信方法相比，其突出优点是：
[0022] 1、待传输的随机二进制01序列扮演了 PN序列的角色，每组二进制数据传输时隙 内随机选择激活合法用户Bob的某一根接收天线。不同组的二进制数据将激活合法用户 Bob不同的接收天线，取得一种在合法用户Bob处跳空通信的效果。
[0023] 2、本保密通信方法无需收发双方事先预共享私密PN序列，突破了传统跳频通信 中的收发需要共享PN序列这一瓶颈。
[0024] 3、设计的预编码矩阵能够使得合法用户采用非相干接收机以低计算复杂度解调 数据。
[0025] 4、本保密通信方法无需知道窃听者Eve的信道信息，对窃听者Eve的侦听能力特 意做了过高估计，即假定Eve知道合法用户Bob的信道信息并采用高复杂度的最大似然接 收机。在此情况下，本发明仍然能有效削弱窃听者的译码能力，确保基站Alice能够传送私 密信息给合法用户Bob。
【附图说明】
[0026] 图1为本发明的基站Alice发射机到合法用户Bob接收机整个MMO通信系统的 原理示意框图。
[0027] 图2为本发明的两种功率分配因子Θ = 〇. 5和Θ = 〇. 8的误码率效果对比图。
[0028] 图3为本发明比较窃听者Eve拥有不同数量的接收天线时的通信保密性的误码率 效果图。
【具体实施方式】
[0029] 实施例1
[0030] 图1、图2给出了本发明的一个实施例。参照图1、图2作进一步说明。基站Alice 配置多根发射天线，合法用户Bob和窃听者Eve也都装置多根发射天线，但合法用户Bob和 窃听者Eve的发射天线根数不超过基站Alice的天线根数。在本实例中，基站Alice天线 数设为N t= 20,合法用户Bob的接收天线数设为N R= 4,窃听者Eve的天线数可以从N E = 4增加到10根，甚至20根。由于合法用户Bob的天线根数为4,合法用户Bob的天线序号 可以传递k = 2比特信息。比如，如果合法用户Bob检测到