基于极化预编码的无线通信物理层安全实现方法及装置与流程
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种基于极化预编码的无线通信物理层安全实现方法及装置。
背景技术：
随着无线通信技术的快速发展和应用需求的不断增加，无线通信传输的安全问题越来越重要。由于无线通信链路的开放性和广播特性，承载着重要信息的信号完全暴露在电磁空间中，任何在传输范围内的人都可以截获分析，因此无线通信系统存在信息泄漏的巨大安全隐患。
目前大部分的安全防护措施只覆盖到通信协议栈的链路层及更高层，依靠认证和密码技术来解决无线通信的安全传输问题，如对称密钥加密算法和公钥加密算法的应用等。随着计算机处理能力的提升，这种建立在计算能力基础上的弱安全方案面临巨大挑战。而且对于这种高层无线通信协议，物理层信息很容易遭受窃听和恶意攻击。对于已知传输协议的窃听者，物理层传输的信号是透明的，可以轻易接收信号并恢复出截获信息。因此，物理层安全问题在无线通信中已经成为一个亟需解决的问题。
物理层安全技术可以直接阻止恶意攻击者基于开放的传输媒介获取传输信息。现有的物理层安全实现方法中从降低窃听信道质量的角度提出一种加入人工噪声实现物理层安全通信的方法，当发送端有多个天线时，可通过设计在主信道方向上发送信号，其他方向发送噪声，来增大主信道和窃听信道质量差异。现有技术中提出一种波束成形技术，即在多天线发送单天线接收模型中，利用主信道和窃听信道方向的差异，调节天线阵的各个天线单元的加权向量形成期望方向图，将主波束调至主信道方向，而在窃听信道方向产生零陷。
然而，波束成形技术要求发送端已知主信道和窃听信道的全部或部分状态信息，而在实际系统应用中发送端是很难得到窃听信道信息的，而且难免存在信道估计误差，需要考虑随机误差约束的问题。另一方面，人工噪声技术虽然不需要已知窃听信道信息，但需要考虑噪声和有用信号的功率分配和优化，且要求发送端天线数量多于窃听端天线数量，在实际模型中难以保证。
技术实现要素：
本发明实施例提供一种基于极化预编码的无线通信物理层安全实现方法及装置，用于解决现有的窃听信道信息获取困难、需要对窃听端天线数量进行限定的问题。
本发明实施例提供了一种基于极化预编码的无线通信物理层安全实现方法，包括：
接收通信接收方发送的通信请求信息，所述通信请求信息包括导频序列；
根据所述导频序列获取合法通信信道，对所述合法通信信道的信道矩阵进行奇异值分解；
将待发送的信源比特进行极化状态调制获得符号星座点；
根据奇异值分解结果确定加权集合，从所述加权集合中选择一个加权因子，对所述符号星座点进行加权处理获得待发送的符号；
将所述待发送的符号通过正交双极化天线向外发射。
可选地，所述对所述合法通信信道的信道矩阵进行奇异值分解，包括：
根据如下公式对所述合法通信信道的信道矩阵进行奇异值分解：
其中，HAB为通信发送方到通信接收方的合法通信信道；UAB和VAB为2×2的酉矩阵，VAB*表示为VAB的共轭转置；和为奇异值，满足λAB,1≥λAB,2＞0。
可选地，所述将待发送的信源比特进行极化状态调制获得符号星座点，包括：
根据如下公式将待发送的信源比特进行极化状态调制获得符号星座点：
其中，Sn为符号星座点；Mp是极化状态调制阶数，(δk,φk)为极化状态的描述子，0≤δk≤π/2，-π≤φk＜π；j为虚数单位。
可选地，所述根据奇异值分解结果确定加权集合，包括：
根据如下公式根据奇异值分解结果确定加权集合：
其中，Ck为加权集合；UAB和VAB为2×2的酉矩阵，VAB*表示为VAB的共轭转置，UAB*表示为UAB的共轭转置；和为奇异值，满足λAB,1≥λAB,2＞0；N为正整数。
本发明实施例提供了一种基于极化预编码的无线通信物理层安全实现方法，包括：
通过正交双极化天线接收通信发送方发送的载波调制信号；
将所述载波调制信号左乘去编码矩阵后获得接收信号；
对所述接收信号进行解调提取发送符号。
本发明实施例提供了一种基于极化预编码的无线通信物理层安全实现装置，包括：
通信请求信息接收单元，用于接收通信接收方发送的通信请求信息，所述通信请求信息包括导频序列；
奇异值分解单元，用于根据所述导频序列获取合法通信信道，对所述合法通信信道的信道矩阵进行奇异值分解；
符号星座点获取单元，用于将待发送的信源比特进行极化状态调制获得符号星座点；
加权处理单元，用于根据奇异值分解结果确定加权集合，从所述加权集合中选择一个加权因子，对所述符号星座点进行加权处理获得待发送的符号；
符号发射单元，用于将所述待发送的符号通过正交双极化天线向外发射。
可选地，所述奇异值分解单元进一步用于：
根据如下公式对所述合法通信信道的信道矩阵进行奇异值分解：
其中，HAB为通信发送方到通信接收方的合法通信信道；UAB和VAB为2×2的酉矩阵，VAB*表示为VAB的共轭转置；和为奇异值，满足λAB,1≥λAB,2＞0。
可选地，所述符号星座点获取单元进一步用于：
根据如下公式将待发送的信源比特进行极化状态调制获得符号星座点：
其中，Sn为符号星座点；Mp是极化状态调制阶数，(δk,φk)为极化状态的描述子，0≤δk≤π/2，-π≤φk＜π；j为虚数单位。
可选地，所述加权处理单元进一步用于：
根据如下公式根据奇异值分解结果确定加权集合：
其中，Ck为加权集合；UAB和VAB为2×2的酉矩阵，VAB*表示为VAB的共轭转置，UAB*表示为UAB的共轭转置；和为奇异值，满足λAB,1≥λAB,2＞0；N为正整数。
本发明实施例提供了一种基于极化预编码的无线通信物理层安全实现装置，包括：
载波调制信号接收单元，用于通过正交双极化天线接收通信发送方发送的载波调制信号；
接收信号获取单元，用于将所述载波调制信号左乘去编码矩阵后获得接收信号；
发送符号提取单元，用于对所述接收信号进行解调提取发送符号。
本发明实施例提供的基于极化预编码的无线通信物理层安全实现方法及装置，接收通信接收方发送的通信请求信息，所述通信请求信息包括导频序列；根据所述导频序列获取合法通信信道，对所述合法通信信道的信道矩阵进行奇异值分解；将待发送的信源比特进行极化状态调制获得符号星座点；根据奇异值分解结果确定加权集合，从所述加权集合中选择一个加权因子，对所述符号星座点进行加权处理获得待发送的符号；将所述待发送的符号通过正交双极化天线向外发射。本发明实施例充分利用了无线信道的特点严重恶化窃听信道质量，扰乱窃听者接收的信号极化星座点，大大增大了破译信息的难度；信道慢变环境下，通过快速变化预编码因子来等效信道的快速变化，有效防止窃听者获取信息。同时可有效防止重放攻击。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一个实施例的基于极化预编码的无线通信物理层安全实现方法的流程示意图；
图2是本发明实施例的极化状态在Poincare球上的表示示意图；
图3是本发明一个实施例的基于极化预编码的无线通信物理层安全实现方法的原理图；
图4是本发明一个实施例的4-POLSK的星座图；
图5是本发明另一个实施例的基于极化预编码的无线通信物理层安全实现方法的流程示意图；
图6是本发明实施例接收信噪比为30dB时Eve恢复出的4-POLSK的星座图；
图7a是本发明实施例视角1中接收信噪比为30dB时Bob恢复出的4-POLSK的星座图；
图7b是本发明实施例视角2中接收信噪比为30dB时Bob恢复出的4-POLSK的星座图；
图8是本发明一个实施例的基于极化预编码的无线通信物理层安全实现装置的结构示意图；
图9是本发明一个实施例的基于极化预编码的无线通信物理层安全实现装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
物理层安全技术的基本思想是利用无线信道的空间唯一性、短时互易性、不可检测性等特点，使主信道比窃听信道具有更大的信道优势。这种方法无需限定攻击者的计算能力，可有效避免传统加密算法中复杂的密钥分发与管理问题。
图1是本发明一个实施例的基于极化预编码的无线通信物理层安全实现方法的流程示意图。如图1所示，该实施例的方法以通信发送方为执行主体，包括：
S11：接收通信接收方发送的通信请求信息，所述通信请求信息包括导频序列；
需要说明的是，本发明实施例的通信接收方和通信发送方互相发送未经过预编码处理的通信请求信息，包括用于信道估计的通信双方已知的导频序列。S12：根据所述导频序列获取合法通信信道，对所述合法通信信道的信道矩阵进行奇异值分解；
需要说明的是，本发明实施例的通信双方基于导频序列利用最小均方误差估计MMSE方法估计出合法通信信道。
S13：将待发送的信源比特进行极化状态调制获得符号星座点；
需要说明的是，根据天线理论，在给定频率和空间指向的远场区，天线存在着某一确定的极化方式，随着工作频率和空间指向的不同，天线辐射场的极化方式也有所不同。除了幅度、相位及频率可以承载用户信息外，信号的极化状态也可以用来承载信息。
本发明实施例的通信双方采用极化状态调制与解调方案，采用的通信系统模型为正交双极化天线发送和正交双极化天线接收，系统为时分双工(TDD)，信道是慢变的，满足互易性。窃听者也采用正交双极化天线接收。记合法通信发送方为Alice，合法通信接收方为Bob，窃听方为Eve。
S14：根据奇异值分解结果确定加权集合，从所述加权集合中选择一个加权因子，对所述符号星座点进行加权处理获得待发送的符号；
需要说明的是，本发明实施例通过引入极化预编码，恶化窃听信道接收质量，保障信息的安全传输。这种方法不需要已知窃听信道信息，且对窃听者天线数量未做任何限定。
S15：将所述待发送的符号通过正交双极化天线向外发射。
本发明实施例提供的基于极化预编码的无线通信物理层安全实现方法，充分利用了无线信道的特点严重恶化窃听信道质量，扰乱窃听者接收的信号极化星座点，大大增大了破译信息的难度；信道慢变环境下，通过快速变化预编码因子来等效信道的快速变化，有效防止窃听者获取信息。同时可有效防止重放攻击。
本发明实施例与传统的幅度、相位、频率调制不同，利用信号的极化状态来承载信息。对于任意电磁矢量信号的极化状态均可用Jones矢量和Stoke矢量表示，如下：
其中，0≤δ≤π/2，-π≤φ＜π；(δ,φ)称为极化状态的描述子，tanδ表示垂直和水平支路信号的幅度比，φ表示相位差。
可以看出，信号的任意极化状态均可由水平和垂直极化分量的幅度比和相位差来表示，有且可由被(δ,φ)唯一表征。任意一种极化状态，在单位庞加莱Poincare球上存在唯一一点(g1,g2，g3)与其对应，2δ为P到水平极化状态PH的弧长，φ为该弧与球面赤道的夹角，如图2所示。理论上，可以采用任意的幅度比和相位差表征信息，在本发明中采用离散的极化状态进行分析。
进一步地，所述对所述合法通信信道的信道矩阵进行奇异值分解，包括：
根据如下公式对所述合法通信信道的信道矩阵进行奇异值分解：
其中，HAB为通信发送方到通信接收方的合法通信信道；UAB和VAB为2×2的酉矩阵，VAB*表示为VAB的共轭转置；和为奇异值，满足λAB,1≥λAB,2＞0。
可选地，所述将待发送的信源比特进行极化状态调制获得符号星座点，包括：
根据如下公式将待发送的信源比特进行极化状态调制获得符号星座点：
其中，Sn为符号星座点；Mp是极化状态调制阶数，(δk,φk)为极化状态的描述子，0≤δk≤π/2，-π≤φk＜π；j为虚数单位。
在实际应用中，Alice将待发送的信源比特进行分帧分组，并利用极化状态调制(POLarization Shift Keying,POLSK)获得符号星座点。
进一步地，所述根据奇异值分解结果确定加权集合，包括：
根据如下公式根据奇异值分解结果确定加权集合：
其中，Ck为加权集合；UAB和VAB为2×2的酉矩阵，VAB*表示为VAB的共轭转置，UAB*表示为UAB的共轭转置；和为奇异值，满足λAB,1≥λAB,2＞0；N为正整数。
本发明实施例根据符号星座点对应的极化状态描述子(δk,φk)确定预编码矩阵集Ck，(伪)随机选择其中一个作为预编码矩阵因子Cp，对星座点进行加权后利用水平-垂直正交双极化天线发射出去，采用的调制方式为2-POLSK，4-POLSK和8-POLSK，本实施实例中调制阶数Mp＝4，N＝3。
符号进行预编码后，并不会改变极化信号功率。这样，对于每一种幅度比因子δk都对应着12种加权矩阵可供选择，对于Mp-POLSK，若有Mδ种幅度比因子，则共有2×Mδ×6种加权矩阵可选择，一种加权矩阵对应一种信道，具体选择顺序由Alice和Bob共同约定，通过这种方式，实现慢变信道下等效信道的快速变化。
本发明中实施例中，Mp＝4，以和四种极化状态描述映射四种极化状态为例进行分析，Poincare球上分布见图4，则此时有Mδ＝1。然后对Sn进行预编码加权，得到最终调制后的符号调制后的数字基带信号的Jones矢量表示如下：
其中，A为信号的幅度，xH(t)和xv(t)分别表示水平和垂直极化分量。T为符号周期，uT(t)是成形滤波函数，本实施实例中采用升余弦成形滤波，滚降因子为0.35。
最后通过上变频等处理将加权后的符号通过水平-垂直正交双极化天线发射出去。
图5是本发明另一个实施例的基于极化预编码的无线通信物理层安全实现方法的流程示意图。如图5所示，该实施例的方法以通信接收方为执行主体，包括：
S51：通过正交双极化天线接收通信发送方发送的载波调制信号；
S52：将所述载波调制信号左乘去编码矩阵后获得接收信号；
S53：对所述接收信号进行解调提取发送符号。
本发明实施例提供的基于极化预编码的无线通信物理层安全实现方法，充分利用了无线信道的特点严重恶化窃听信道质量，扰乱窃听者接收的信号极化星座点，大大增大了破译信息的难度；信道慢变环境下，通过快速变化预编码因子来等效信道的快速变化，有效防止窃听者获取信息。同时Bob无法识别Eve转发的Alice发出的信号，可有效防止重放攻击。
具体地，Bob利用正交双极化天线接收载波调制信号，通过下变频变换到数字基带信号，左乘去编码矩阵Dn后得到接收符号：
其中，wB,n为合法通信信道中的噪声，
Bob利用最大似然法对符号进行解调判决，提取发送信息；
其中，dist(X,Y)为计算极化状态X和Y在单位Poincare球上对应的球面距离。
同样，Eve利用正交双极化天线接收信号。由于当两个接收者相距半个波长时，无线信道状态不相关。因此实际应用中，一般满足两个无线信道不相关。因此，Eve接收到的信号表示如下：
如果选择的调制星座中有Mδ种幅度比因子δk，则Alice有2×Mδ×2N种预编码系数可以选择，对信号星座图进行了(伪)随机的刚性旋转和功率变换，预编码系数的快速变化使得窃听用户无法利用盲均衡方法进行解码。若采用最大似然方法解码，误码率为50％以上。可见，通过这种极化预编码的极化状态调制技术，可以实现信息的物理层安全传输。
即使不考虑噪声，Eve接收到的信息是对原符号的幅度和相位的是随机扰乱，星座图产生严重畸变，无法通过最大似然准则直接译码。经过预编码，快速变化的信道使得Eve很难通过盲均衡算法获取信息，从而保证了信息的安全传输。在本发明中，通过极化预编码，使信道等效为快变信道，窃听端的接收符号星座图会产生严重畸变，达到恶化窃听信道质量的目的。
图6是本发明实施例接收信噪比为30dB时Eve恢复出的4-POLSK的星座图；图7a是本发明实施例视角1中接收信噪比为30dB时Bob恢复出的4-POLSK的星座图；图7b是本发明实施例视角2中接收信噪比为30dB时Bob恢复出的4-POLSK的星座图。由图6和图7a、图7b所示，Bob的星座图是规则的，而即使在高接收信噪比下，Eve接收到的星座图也是发散的，如果四个星座点选择不同的幅度比因子，星座图会更加发散。
图8是本发明一个实施例的基于极化预编码的无线通信物理层安全实现装置的结构示意图。如图8所示，本发明实施例的装置包括通信请求信息接收单元81、奇异值分解单元82、符号星座点获取单元83、加权处理单元84和符号发射单元85，具体地：
通信请求信息接收单元81，用于接收通信接收方发送的通信请求信息，所述通信请求信息包括导频序列；
奇异值分解单元82，用于根据所述导频序列获取合法通信信道，对所述合法通信信道的信道矩阵进行奇异值分解；
符号星座点获取单元83，用于将待发送的信源比特进行极化状态调制获得符号星座点；
加权处理单元84，用于根据奇异值分解结果确定加权集合，从所述加权集合中选择一个加权因子，对所述符号星座点进行加权处理获得待发送的符号；
符号发射单元85，用于将所述待发送的符号通过正交双极化天线向外发射。
奇异值分解单元82进一步用于：
根据如下公式对所述合法通信信道的信道矩阵进行奇异值分解：
其中，HAB为通信发送方到通信接收方的合法通信信道；UAB和VAB为2×2的酉矩阵，VAB*表示为VAB的共轭转置；和为奇异值，满足λAB,1≥λAB,2＞0。
符号星座点获取单元83进一步用于：
根据如下公式将待发送的信源比特进行极化状态调制获得符号星座点：
其中，Sn为符号星座点；Mp是极化状态调制阶数，(δk,φk)为极化状态的描述子，0≤δk≤π/2，-π≤φk＜π；j为虚数单位。
加权处理单元84进一步用于：
根据如下公式根据奇异值分解结果确定加权集合：
其中，Ck为加权集合；UAB和VAB为2×2的酉矩阵，VAB*表示为VAB的共轭转置，UAB*表示为UAB的共轭转置；和为奇异值，满足λAB,1≥λAB,2＞0；N为正整数。
图9是本发明一个实施例的基于极化预编码的无线通信物理层安全实现装置的结构示意图。如图9所示，本发明实施例的装置包括载波调制信号接收单元91、接收信号获取单元92和发送符号提取单元93，具体地：
载波调制信号接收单元91，用于通过正交双极化天线接收通信发送方发送的载波调制信号；
接收信号获取单元92，用于将所述载波调制信号左乘去编码矩阵后获得接收信号；
发送符号提取单元93，用于对所述接收信号进行解调提取发送符号。
本发明实施例的装置可以用于执行上述方法实施例，其原理和技术效果类似，此处不再赘述。
本发明实施例提供的基于极化预编码的无线通信物理层安全实现方法及装置，接收通信接收方发送的通信请求信息，所述通信请求信息包括导频序列；根据所述导频序列获取合法通信信道，对所述合法通信信道的信道矩阵进行奇异值分解；将待发送的信源比特进行极化状态调制获得符号星座点；根据奇异值分解结果确定加权集合，从所述加权集合中选择一个加权因子，对所述符号星座点进行加权处理获得待发送的符号；将所述待发送的符号通过正交双极化天线向外发射。本发明实施例充分利用了无线信道的特点严重恶化窃听信道质量，扰乱窃听者接收的信号极化星座点，大大增大了破译信息的难度；信道慢变环境下，通过快速变化预编码因子来等效信道的快速变化，有效防止窃听者获取信息。同时可有效防止重放攻击。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
需要说明的是术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而能够理解的是，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。类似地，应当理解，为了精简本发明公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释呈反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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