一种基于人工噪声的空间调制物理层安全传输方法
专利汇可以提供一种基于人工噪声的空间调制物理层安全传输方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种基于随机人工噪声的空间调制安全传输方法，在每次传输开始的时候，先确定源 节点 和目的节点，并源对节点和目的节点依次发送训练序列，这样源节点和目的节点能够估计出二者之间的信道信息；再利用比特交织编码调制技术确定编码，再构造空间调制矩阵集合，并基于这些空间调制矩阵集合，产生所要发送的码字集合，最后通过源节点从码字集合中选择发送码字，并在发送的符号中加入人工噪声，该人工噪声不干扰合法接收者，只干扰窃听节点；对发送的含有人工噪声的码字进行设计，使合法接收者不受噪声的干扰，且能获得两阶的发射分集，而窃听节点的性能因噪声的存在而恶化，从而达到抵抗窃听节点窃取信息的物理层安全传输。，下面是一种基于人工噪声的空间调制物理层安全传输方法专利的具体信息内容。
1.一种基于随机人工噪声的空间调制安全传输方法，其特征在于：在每次传输开始的时候，先确定源节点和目的节点，并源对节点和目的节点依次发送训练序列，这样源节点和目的节点能够估计出二者之间的信道信息；再利用比特交织编码调制技术确定编码，再构造空间调制矩阵集合，并基于这些空间调制矩阵集合，产生所要发送的码字集合，最后通过源节点从码字集合中选择发送码字，并在发送的符号中加入人工噪声，该人工噪声不干扰合法接收者，只干扰窃听节点；对发送的含有人工噪声的码字进行设计，使合法接收者不受噪声的干扰，且能获得两阶的发射分集，而窃听节点的性能因噪声的存在而恶化，从而达到抵抗窃听节点窃取信息的物理层安全传输。
2.如权利要求1所述的基于随机人工噪声的空间调制安全传输方法，其特征在于：所述的利用比特交织编码调制技术确定编码是利用源节点将输入信息比特分为两个部分，一部分是符号调制比特；另一部分是空间调制比特；将符号调制比特与空间调制比特进行异或，得到伪空间调制比特；将符号调制比特与空间调制比特进行异或，得到伪空间调制比特；利用伪空间调制比特与符号调制比特选择发送的天线集合和Unitary码字。
3.如权利要求1所述的基于随机人工噪声的空间调制安全传输方法，其特征在于：所述的产生所要发送的码字集合是利用右移矩阵和空间调制矩阵基构造空间调制矩阵集合，并基于这些空间调制矩阵集合和酉空时码字，产生所要发送的码字集合。
4.如权利要求1所述的基于随机人工噪声的空间调制安全传输方法，其特征在于：所述的通过源节点从码字集合中选择发送码字是源节点利用伪空间调制矩阵比特和符号调制比特从码字集合中选择发送码字；分为四个时隙发送码字，前两个时隙发送相同的符号，后两个时隙发送另一符号。
5.如权利要求1所述的基于随机人工噪声的空间调制安全传输方法，其特征在于：所述的码字集合的构造至少包括如下过程：
运行条件：考虑一个含有窃听节点的SM‐MISO系统；假设源节点Alice配置Nt>4根天线，合法接收者Bob有Nr＝1根接收天线，窃听者Eve有Ne＝1根天线；在信息传输开始之前，Alice、Bob发送训练序列，估计出二者之间的信道状态信息；假设信道为瑞利衰落信道，服从零均值方差为 的复高斯分布；噪声为加性高斯白噪声，服从零均值，方差为σ2的复高斯分布；本技术方案所考虑的系统，在每个发送时隙源节点只激活一根天线；
步骤1，定义一个Nt×4维空间调制矩阵基，它的第一个对角元素为1，空间调制矩阵基SB的形式如下式所示：
式中1
步骤2，定义如下形式的一个Nt×Nt维的右移矩阵
使用式(1)中空间调制矩阵基和式(2)中的右移矩阵形成Nt-1个空间调制矩阵RlSB，其中l＝{1,2,…,Nt-1}。基于这些空间调制矩阵，产生的发送码字集合χ为如下：
式中 Xq＝Rq-1SBV′l表示发送码字集合中的第q个码字；V′l为当前发送的符号矩阵，为对角阵，对角线元素为{w1x1,w2x1,w3x2,w4x2}，其中x1，x2为酉空时码Vl中的符号，酉空时码Vl为对角阵，对角线元素为{x1,x2}，wi(i＝1,2,3,4)为随机加权系数；
步骤3，我们对生成的码字集合进行检查，如果生成的码字集合中含有相同的激活天线序号，我们舍弃该集合，否则，我们将使用生成的码字集合进行发送。
6.如权利要求1所述的基于随机人工噪声的空间调制安全传输方法，其特征在于：所述SM物理层安全方案的加权因子生成方法如下：
在发送的符号中加入随机人工噪声，该人工噪声恶化窃听者的性能，使合法接收者获得两阶的发射分集；整个比特序列分为四个时隙发送，每个时隙Bob的接收信号为：
式中，yi表示第i个时隙的Bob的接收信号，i＝1,2,3,4； 表示发送的总功率；表示第i个时隙选择的合法信道，zi表示第i个时隙的Bob处的加性高斯白噪声，i＝1,2,3,4；令Hb表示Alice到Bob的信道向量，则每个时隙选择的信道 和 可由HbRq-1Sk得到，依据前面的Sk构造规则可得，他们是互不相同的；
接收者将第1、2个时隙接收到的信号进行相加，第3、4个时隙接收到的信号进行相加，接收的信号可等效为：
式中y为接收信号向量矩阵y＝[y1+y2 y3+y4]， z＝
[z1+z2 z3+z4]；
类似地，我们可以推导出Eve的等效接收信号；
式中r为Eve接收信号向量r＝[r1+r2 r3+r4]， n＝
[n1+n2 n3+n4]；
为了防止窃听节点的窃听，本文提出在每个时隙发送的信号中加入随机干扰，干扰Eve的接收信号，并且使其不干扰Bob的接收信号；
选定发送码字之后，发送过程如前面所述，Bob和Eve的接收信号分别为式(8)和式(9)，为了干扰Eve端的接收信号，我们作如下设置：
wi＝βxαi+βtα′idi (10)
式中βx、βt分别为有用信号和随机人工噪声分别所占总功率的比值，αi，α′i分别为有用信号和随机人工噪声部分的预编码，i＝1,2,3,4；di表示随机干扰，假设为高斯分布生成，均值为0，方差为1；
加权系数的基本设计思想是保证Bob不受干扰信号的影响，也即，Bob前两个时隙接收的信号相加，干扰信号随之消除，后两个时隙的接收信号相加之后，干扰信号也随之消除，且Bob的等效信道 和 的剩余部分互相独立，从而保证了2阶的发射分集；
由此可得随机干扰的预编码设计准则为：
1)
2) 满秩；由于合法信道和窃听信道的独立性，满足该准则的预编
码会使得 即Eve处的随机干扰一直存在。
7.如权利要求1所述的基于随机人工噪声的空间调制安全传输方法，其特征在于：所述的将符号调制比特与空间调制比特进行异或是为了防止天线携带的比特信息被窃听，将空间调制比特和符号调制比特进行异或，得到伪空间调制比特，再利用伪空间调制比特和符号调制比特选择发送的码字；
选定发送码字之后，发送过程如前面所述，Bob和Eve的接收信号分别为式(10)和式(19)，为了干扰Eve端的接收信号，作如下设置：
wi＝βxαi+βtα′idi (18)
式中：
βx、βt——有用信号和随机人工噪声分别所占总功率的比值；
αi，α′i——有用信号和随机人工噪声部分的预编码，i＝1,2,3,4；
di——随机数按高斯分布生成，分布均值为0，方差为1；
加权系数的基本设计思想是保证Bob不受干扰信号的影响，也即，Bob前两个时隙接收的信号相加，干扰信号随之消除，后两个时隙的接收信号相加之后，干扰信号也随之消除；
也即， 只要满足上述条件即可，由此，加权系数可重写为：
将(23)‐(26)值代入相应的等效信道式(11)、(12)和(20)、(21)中，Bob和Eve的等效信道可重写为：
从上面的等效信道可以看出，Eve处的随机干扰一直存在；Bob处的解码采用最大似然解码，译码器为：
式中：
K——天线集合的总数目。
一种基于人工噪声的空间调制物理层安全传输方法
技术领域
背景技术
架上对传统加密体制的必要补充，能够增强无线通信的安全性。
比于单天线系统，有更好的安全容量，并且随着发送天线总数目的增大，中断安全容量增益
也随之增大。Guan xingrong等人分析了输入信号为有限字母输入时，SM‐MIMO系统的安全
容量，首次得到整个系统的安全容量闭式表达式。SM‐MIMO系统的安全容量随着发送天线数
目的增多而增大，并表明输入信号为有限字母时的SM系统安全容量接近于输入信号为高斯
信号时的SM系统安全容量。为了进一步的提高SM‐MIMO系统的安全容量，吴飞龙等人提出了
发送预编码的方法(PSM)。通过最小化窃听者的接收信噪比和最大化合法接收者的信噪比
联合设计最优的预编码。然而，该方法需要已知源节点到窃听者的信道信息，对于消极或者
恶意的窃听者而言，先验信道状态信息在实际中是很难得到的，因此该方法的使用是比较
受限的。针对源节点到窃听节点的信道状态信息是未知的情况，吴飞龙进一步提出了随机
预编码方法(SPSM)。SPSM方案不需要窃听者信道的先验信息，能够实现抵抗恶意窃听者的
窃听。但是，预编码与数据符号相关，而且PSM和SPSM方案的部分信息比特是利用接收者的
天线序号进行传输，这将会增加接收者处的译码复杂度。王莉等人利用人工噪声抵抗SM‐
MIMO系统中位置未知窃听者的窃听，联合优化信号功率和人工噪声功率最大化安全容量。
然而，该方案需要利用到信号零空间，也就是需要发送者的天线数大于接收者的天线数，并
且该方案需要激活多根天线发射人工干扰，需要多个射频链路，在提供安全性的基础上，丧
失了SM的避免信道间干扰、无需信号同步、减少射频链路等优势。
利在UC-SM方案的基础上，提出了一种既能恶化窃听节点性能又能在合法接收者处获得两
阶的发射分集的物理层安全传输方案。
干扰成型的传输方法。该方法主要包括三个阶段：中继分类，信源广播，中继转发。在信息传
输前，通过RTS/CTS机制，获得所有的信道信息及确定中继是否适合参与译码转发，中继端
的CCN(central control node)求解功率约束下的最优权系数矢量。在信源广播阶段，在信
源发送信息的同时，那些分类阶段出现译码错误的中继将发送一个目的端已知的取自高斯
空间的噪声样本。在中继转发阶段，那些正确译码的中继将作为信息传输的媒介，译码转发
源加权的信号。与此同时，干扰集合里的中继转发一个加权的干扰信号。另外，窃听者只是
未经过系统鉴权的用户，所以能反馈其信道信息。
的路由方法，该方法可以保证无线环境中信息安全传输概率的最大化，同时具有低算法复
杂度以及信息交互代价。本发明的特点是：基于窃听节点相互协作与否，来制定相应最优的
路由算法，保证合法节点间消息传输时被窃听者获取信息的可能性最小。
全传输方法，包括以下步骤：1)在信息传输开始前，源节点和目的节点均依次发送训练序
列，使源节点和目的节点估计出源节点到目的节点的等效信道信息hn,k，其中，n∈{1,...,
Nr}，k∈{1,...,Nt}，Nt为源节点设置的天线数目，Nr为目的节点的天线数目；2)源节点对
待发送数据进行编码，得待发送符号以及发送该待发送符号的天线序号，然后再对待发送
符号添加人工噪声，然后将增加人工噪声后的待发送符号通过选择出来的天线发送至目的
节点；3)目标节点接收源节点发送过来的符号，然后对源节点发送过来的符号通过最大似
然译码器进行译码，完成信息的物理层安全传输。
到了如何抵抗窃听节点窃取信息的物理层安全传输，但是仍然没有解决前面所述的问题，
因此前面所述问题依然存在，仍有必要进一步加以研究。
发明内容
方案，该方法基于空间调制技术，在源节点处先将符号调制比特与空间调制比特异或，并在
发射符号中加入随机的人工噪声，在恶化窃听节点性能的同时使得合法接收者不受影响。
并且合法接收者能获得两阶的发射分集。
的节点依次发送训练序列，这样源节点和目的节点能够估计出二者之间的信道信息；再利
用比特交织编码调制技术确定编码，再构造空间调制矩阵集合，并基于这些空间调制矩阵
集合，产生所要发送的码字集合，最后通过源节点从码字集合中选择发送码字，并在发送的
符号中加入人工噪声，该人工噪声不干扰合法接收者，只干扰窃听节点；对发送的含有人工
噪声的码字进行设计，使合法接收者不受噪声的干扰，且能获得两阶的发射分集，而窃听节
点的性能因噪声的存在而恶化，从而达到抵抗窃听节点窃取信息的物理层安全传输。
空间调制比特进行异或，得到伪空间调制比特；将符号调制比特与空间调制比特进行异或，
得到伪空间调制比特；利用伪空间调制比特与符号调制比特选择发送的天线集合和
Unitary码字。
集合。
时隙发送相同的符号，后两个时隙发送另一符号。
Alice、Bob发送训练序列，估计出二者之间的信道状态信息；假设信道为瑞利衰落信道，服
从零均值方差为 的复高斯分布；噪声为加性高斯白噪声，服从零均值，方差为σ2的复高斯
分布；所技术方案考虑的系统，在每个发送时隙源节点只激活一根天线。
机加权系数。
在发送的符号中加入人工噪声是在发送的符号中加入随机人工噪声，该人工噪声恶化窃听
者的性能，使合法接收者获得两阶的发射分集。整个比特序列分为四个时隙发送，每个时隙
Bob的接收信号为
4。令Hb表示Alice到Bob的信道向量，则每个时隙选择的信道 和 可由HbRq-1SB
得到，依据前面的SB构造规则可得，他们是互不相同的。
到伪空间调制比特，再利用伪空间调制比特和符号调制比特选择发送的码字。
除。也即， 只要满足上述条件即可，由此，加权系数可重写
为
具体实施方式
合法接收者Bob有Nr＝1根接收天线，窃听者Eve有Ne＝1根天线。在信息传输开始之前，
Alice、Bob发送训练序列，估计出二者之间的信道状态信息。假设信道为瑞利衰落信道，服
从零均值方差为 的复高斯分布。噪声为加性高斯白噪声，服从零均值，方差为σ2的复高斯
分布。本技术方案所考虑的系统，在每个发送时隙源节点只激活一根天线。
特选择发送天线集合。整个比特序列在4个连续时隙上发送。符号调制比特将从一个循环信
号星座集合V＝{V0,…,VL-1}中选出一个酉空时码(unitary码)Vl＝diag{x1,x2}，其中
m∈{1,2}表示发送符号，酉空时码字中的参数u1,u2∈{0,1,…,L-1}可以优
化。 是酉空时码字的总数目，其中Ru是酉空时码的比特速率。当酉空时码字选定以
后，前两个时隙发送x1，后两个时隙发送另一个符号x2。为了保证系统的安全性，对每个时隙
发送的符号乘以一个加权系数wi(i＝1,2,3,4)，目的是恶化窃听者的性能而不影响目的节
点的解码。源节点在4个时隙中发送的加权后的酉空时码字定义为V′l，其中V′l＝diag
{w1x1,w2x1,w3x2,w4x2}，其中diag{a1 … an}表示以{a1 … an}为对角线元素的对角阵。令Nt
×4维矩阵S为空间调制矩阵，该矩阵中的元素代表着在4个连续时隙中天线的激活状态。经
过上述过程，最终发送的空时码字X可写为：
调制矩阵的数目可通过在总的天线中循环移动激活的天线来提高。在总的天线阵列中循环
移动激活的天线的规则如下。
RSB，其中l＝{1,2,…,Nt-1}。基于这些空间调制矩阵，产生的发送码字集合χ如下：
道向量，则每个时隙选择的信道 和 可由HbRq-1SB得到，依据前面的SB构造规则
可得，他们是互不相同的。
符号调制比特选择发送的码字。
除。也即， 只要满足上述条件即可，由此，加权系数可重写
为
任意的发送码字，任意一对发送码字差为Δ＝(Vl-Vl′)H(Vl-Vl′)，相应的分集积为
离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所
提交的权利要求书确定专利保护范围。
的节点依次发送训练序列，这样源节点和目的节点能够估计出二者之间的信道信息；再利
用比特交织编码调制技术确定编码，再构造空间调制矩阵集合，并基于这些空间调制矩阵
集合，产生所要发送的码字集合，最后通过源节点从码字集合中选择发送码字，并在发送的
符号中加入人工噪声，该人工噪声不干扰合法接收者，只干扰窃听节点；对发送的含有人工
噪声的码字进行设计，使合法接收者不受噪声的干扰，且能获得两阶的发射分集，而窃听节
点的性能因噪声的存在而恶化，从而达到抵抗窃听节点窃取信息的物理层安全传输。
空间调制比特进行异或，得到伪空间调制比特；将符号调制比特与空间调制比特进行异或，
得到伪空间调制比特；利用伪空间调制比特与符号调制比特选择发送的天线集合和
Unitary码字。
集合。
时隙发送相同的符号，后两个时隙发送另一符号。
好的窃听性能。
值为零，方差为1的高斯分布。当Nt＝8，所用的码字通过S1生成，所用的激活的天线序号集合
为
1，2；16，1，2，3}。
代表传输速率为2.0bits/s/Hz，此时总的发送天线数目Nt＝16。对于不同的发送天线数，激
活的天线序号依上述所示。从图中可看出，所提方案在相同的功率分配条件下，随着传输速
率的增大，Eve的BER越大，也意味着，Eve的窃听性能越差；在相同的传输速率条件下，随着
随机干扰处的功率增大，Eve的BER越大，Eve的窃听性能越差。当随机干扰分配功率较大时，
Eve处的BER可维持在0.5左右。相同的功率分配，低速率时的Bob性能好于高速率时Bob的
BER性能，这主要是，高速率时码字增益小于低速率时的码字增益。相同的传输速率时，信号
功率越高，Bob处的性能越好。不论功率分配、传输速率如何，从图中可以看出，Bob都能获得
两阶的发射分集，验证了合法接收者发射分集的分析。
Eve能获得等效信道的第一部分信息；对比方案王莉方案中则采用Nt＝2，并且对比方案采
用对Eve节点最不利的情况，即Eve不知合法信道，此时Eve无法消除所加的人工噪声。所有
的接收天线都为1。从图中可以看出，所提方案能获得比对比方案更好的安全性能，所提方
案Eve处的BER一直高于对比方案，也即Eve的窃听性能很差。在高信噪比时，所提方案的Bob
性能好于对比方案，且能获得两阶的发射分集，而对比方案不能获得任何的发射分集。对比
方案在应用之前，需要解决同步和信道间干扰等问题
| 标题 | 发布/更新时间 | 阅读量 |
|---|---|---|
| 基于光频调制与直接探测的ФOTDR与传感方法 | 2020-05-17 | 715 |
| 一种分集衰落产生及应用方法 | 2020-05-15 | 974 |
| 基于人工瑞利衰落结合自适应调制的安全通信方法 | 2020-05-12 | 683 |
| 一种时域自相关平坦衰落信道建模方法 | 2020-05-15 | 743 |
| 带衰落信道仿真器的实现方法 | 2020-05-16 | 356 |
| 分布式振动传感器消除干涉衰落的振动信息定位方法 | 2020-05-17 | 481 |
| 无线Mesh自组网通信产品通信性能的测试方法及系统 | 2020-05-15 | 754 |
| 基于人工瑞利衰落结合自适应调制的安全通信方法 | 2020-05-13 | 560 |
| 一种用于瑞利信道的校正均值在线信噪比估计方法 | 2020-05-14 | 316 |
| 一种SUZUKI衰落信道仿真方法及其仿真系统 | 2020-05-13 | 256 |
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
