专利名称：使用发射天线阵列随机组合旋转的无线通信安全传输方法
技术领域：
本发明涉及无线通信系统物理层安全传输方法，特别涉及一种使用发射天线阵列随机组合旋转的安全传输方法。
背景技术：
无线通信技术的出现和发展解决了传统有线接入需要以线缆为媒介的制约，极大地便利了人类生活、促进了社会发展。随着无线通信技术的日益普及，涉及商业和军事机密的无线通信安全问题变得越来越重要。与有线通信不同，无线通信中电磁信号可以在空间中自由传播，不受束缚。一方面，电磁信号传播的广播性质使得任意处于覆盖范围内的接收机都可以接收到发射机所发射的信号而无需架设线缆；另一方面，处于覆盖范围内的期望用户以外的其他用户也可以 获取通信信息。因此，无线信道的开放性是一把双刃剑。就安全保密通信的角度而言，无线通信系统比传统有线通信系统具有更大的安全隐患，如何防止信息的无线泄露，保障无线通信的安全性也就更加重要。在2007 年 5 月 JOURNAL OF COMMUNICATIONS, VOL. 2，NO. 3 上发表的题为“Using Antenna Array Redundancy and Channel Diversity for SecureffirelessTransmissions”的文章中提出一种利用天线阵列冗余,对发射信号进行随机加权的无线安全传输方法。加权系数W的设计准则为HhW= I |H| |，其中H为发射端到期望接收用户的信道。在此准则下，随机选择服从某一分布的W，使得在期望用户端可以对接收信号直接使用最大似然译码获取信息。由于发射端到窃听用户的信道不同于期望用户信道，随机变化的W会对窃听用户接收到的信号星座图随机置乱，使得其无法从凌乱的接收星座图获取信息，从而保证了安全传输。然而，这种随机加权方法的主要问题是功率利用率太低，这是因为阵列加权系数的随机化造成发射信号功率在空间的过度分散，最终导致到达期望用户的信号功率不够，降低了期望用户的通信质量。
发明内容
本发明针对上述随机加权系数的设计造成功率利用率过低的问题，提出一种使用发射天线阵列随机组合旋转的无线通信物理层安全传输方法，该方法可使得基站发出的信号在期望用户处准同相叠加而得到较高的发射增益，功率利用率非常高；对于窃听用户来说，则无法有效地解调信息。为达到以上目的，本发明是采用如下技术方案予以实现的—种使用发射天线阵列随机组合旋转的无线通信安全传输方法，采用的通信系统模型包括一套多天线的基站、一个单天线移动端和一个多天线移动端，其中，单天线移动端作为期望用户，多天线移动端作为窃听用户，基站与期望用户之间构成通信对，其特征在于，包括如下步骤a)期望用户首先向基站发送未加密的请求信息，该请求信息同时包含用于信道估计的导频序列，导频序列是收发双方都已知的符号；b)基站接收请求信息，利用导频序列估计出通信对之间的信道hAB (假设信道估计没有误差)，信道估计采用已有的带导频的信道估计方法，考虑到时分双工并且信道慢变，基站向期望用户方向的信道与期望用户向 基站方向的信道是相同的，均为1 ;c)基站然后(I)将要发送的比特利用已知的一种相位调制方式调制为星座点符号b(n)，n=l、2、3、··· 0(2)发射b(n)前，需要将所有的J根天线随机划分为两组第一组有J1根天线，天线的标号组合记为第二组有J2根天线，天线的标号组合记为S2={n21,n22,...,n2JJ，并且有 S1 U S2= {I, 2，…，J}和 Λ+JfJ。记第一、二组天线的加权系数分为为W1 (n)、w2 (η)，设计分别如下w2(η):假设S2中标号为i的天线与接收天线之间的信道为A— =\hAB^，记W2(H) = K1,wh2,·· n f，对加权系数w2(n)的各个分量依据相应的信道分别进行旋转，设计=cc,e-现，i e S2，其中α i为非负的随机变量。这样设计得到的W2(η)将使基站的发射信号分别经过hAB, i作用后在期望用户处同相叠加。W1(Jl):首先随机生成J1维列向量#,( )，假设h風!#!( ) =/I 〃，其中h^a =\Α恨 u，h風 12，··，Α風nuJl ]为第一组J1根天线与接收天线之间的信道向量，r和@分别为幅度和相位；然后对加权系数W1 (η)整体进行旋转，取W1 ( ) = #,( >-〃。这样设计得到的W1(Ii)将使基站的发射信号经过信道11^作用后在期望用户处非同相叠加，但非同相叠加后的结果hAB,将与,·( )( i e S2)同相叠加(将这两种叠加一起称之为“准同相叠加”)从而在期望用户处达到较高的功率利用率。每发射一个符号，按照上述方式设计各组天线的加权系数，使加权系数快速变化。利用加权系数对待发送的星座点符号b (η)进行加权，最后按照指定的等效功率将加权后的符号在J根天线上发射出去；d)期望用户接收到加权后的符号，即加权符号，利用最大似然方法解码
权利要求
1.一种使用发射天线阵列随机组合旋转的无线通信安全传输方法，采用的通信系统模型包括一套多天线的基站、一个单天线移动端和一个多天线移动端，其中，单天线移动端作为期望用户，多天线移动端作为窃听用户，基站与期望用户之间构成通信对，其特征在于，包括如下步骤a)期望用户首先向基站发送未加密的请求信息，该请求信息同时包含用于信道估计的导频序列；b)基站接收请求信息，利用导频序列估计出通信对之间的信道hAB，考虑到时分双工并且信道慢变，基站向期望用户方向的信道与期望用户向基站方向的信道是相同的，均为(1)将要发送的比特调制为星座点符号b(n)，n=l、2、3、…；(2)发射b(n)前，将所有的OJ根天线随机划分为两组第一组有J1根天线， 天线的标号组合记为SXu1,2，.第二组有J2根天线，天线的标号组合记为 S2全，气2,...為乂}，并且有S1 U S2={1,2,J}和JfJ2=J ;记第一、二组天线的加权系数分为为W1(Ii)、w2 (η)，其中w2 (η):假设S2中标号为i的天线与接收天线之间的信道为h!H, = \hISj\e^，记 w [w 21，'2，…，，对加权系数W2(n)的各个分量依据相应的信道分别进行旋转， 设w 2; =ate^,i e S2，其中α ,为非负的随机变量，这样得到的W2 (η)将使基站的发射信号分别经ShAB，i作用后在期望用户处同相叠加；W1(Il):首先随机生成J1维列向量w,(;/)，假设，其中 h· =W脚u，h ，…Jiabjh rt ]为第一组J1根天线与接收天线之间的信道向量，r和@分别为幅度和相位；然后对加权系数…⑴整体进行旋转，取=，这样得到的W1 (η)将使基站的发射信号经过信道Iii1作用后在期望用户处非同相叠加，但非同相叠加后的结果 HffiaW1 (η)将与‘/U")同相叠加，i e S2 ；每发射一个符号，按照以上方法设计各组天线的加权系数，使加权系数快速变化，利用加权系数对待发送的星座点符号b (η)进行加权，最后按照指定的等效功率将加权后的符号在J根天线上发射出去；d)期望用户接收到加权符号，利用最大似然方法解码='.Y(Zi)-v(//)|'，其中Pe表示基站的等效功率，X (η)表示对应于一种相位调制方式的星座点，y (η)表示期望用户接收到的信号；e)窃听用户接收到加权符号，即使在获得通信对之间、基站和窃听用户之间信道信息的前提下，由于基站处理使得加权系数快速变化而无法利用最大似然方法正确解码，若直接利用最大似然方法解码，则误码率为50%。
2.如权利要求1所述的使用发射天线阵列随机组合旋转的无线通信安全传输方法，其特征在于，所述基站的天线个数大于窃听用户的天线个数。
全文摘要
本发明公开了一种使用发射天线阵列随机组合旋转的无线通信安全传输方法，单天线期望用户首先向多天线基站发送未加密的请求信息；基站接收请求信息，利用导频序列估计出基站与期望用户之间的信道；然后将要发送的比特调制为星座点符号b(n)，设计快速变化的加权系数以使得基站的发射信号在期望用户端准同相叠加，对待发送的b(n)进行加权，最后按照指定的等效功率将加权后的符号在发射天线阵列上发射出去；期望用户接收到加权符号后可采用最大似然法解码；而窃听用户即使在已知信道信息的前提下也无法利用最大似然法解码，最终实现了安全传输。
文档编号H04W12/02GK103002440SQ20121052137
公开日2013年3月27日 申请日期2012年12月6日 优先权日2012年12月6日
发明者穆鹏程, 殷勤业, 左莎琳, 王慧明, 王文杰 申请人:西安交通大学