一种基于波束成形的提高多天线系统通信安全的方法

摘要

本发明公开了一种基于波束成形的提高多天线系统通信安全的方法，包括如下步骤：合法接收方发送信道估计序列，合法发送方根据序列估计合法通信的信道信息；合法发送方发送信息时乘以权值；通信过程采用具有对称符号集的MPSK调制方式调制；接收方利用最大似然解调信号；当合法发送方天线大于合法接收方天线时，利用阵列冗余优势对权系数进行处理，最后得到发送的信号。本发明的有益效果：以较小的代价取得比传统安全和物理层安全系统更高的安全性，采用阵列冗余优势，对发送信号权系数进行处理，进一步防止窃听方利用盲均衡方式进行攻击，提高安全性。

主权项

一种基于波束成形的提高多天线系统通信安全的方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：在通信之前，合法接收方向合法发送方发送信道估计序列，合法发送方根据接收的信道估计序列估计合法通信的信道信息H_BA，根据TDD系统信道的互易性，得出H_BA＝H_AB，窃听方窃取此序列估计H_BE，无法根据序列获取信道信息H_BA和H_AE；S2：合法发送方发送信息s(n)，在发送信息s(n)时乘以权值w(n)，最终发出的信息x(n)＝w(n)s(n)；在发送过程中，合法通信双方共享二进制序列Q_control＝(q₁，q₂，…，q_n)，q_i∈GF(2)，I_E为对角线元素为1的N_r维单位阵，令$\begin{array}{c}\left\{\begin{array}{ccc}\mathrm{if}& q_i=0,& H_A{w}_i^0=I_E\\ \mathrm{if}& q_i=1,& H_A{W}_i^1={-I}_E\end{array}\right.\\ W^0=\{w_1^0,w_2^0...,w_n^0\},W^1=\{w_1^1,w_2^1...,w_n^1\}\end{array};$S3：在通信过程中，采用具有对称符号集的MPSK调制方式，即对调制符号集S，对其中任意一个调制符号s_i∈S，总存在一个星座符号与调制比特的映射按如下准则：U_i＝(u₁,u₂,...u_M)_i→s_i$U_j=U_i\oplus (\mathrm{1,1},...,)\to s_j={-s}_i;$其中，M为调制阶数，U_i(i＝1，2，…，M)为M比特的待调比特向量；S4：当U_i映射符号s_i时保证与U_i汉明距离最远的向量U_j映射到‑s_i，同时保证相邻的符号对应的比特向量平均汉明距离最小，则合法接收方接收到信号y_r(n)利用最大似然解调s_i如下：${\hat{s}}_i=\underset{s_i\in S}{\arg }{\min \left|\right|y_r-I_E{s}_i\left|\right|}^2$$\left\{\begin{array}{ccc}\mathrm{if}& q_i=0,& {\bar{s}}_i={\hat{s}}_i\\ \mathrm{if}& q_i=1& {\bar{s}}_i=-{\hat{s}}_i\end{array}\right.;$同时，窃听方接收到信号y_e，用同样方式解调收到的信号：$\begin{array}{c}{\hat{s}}_i=\underset{s_i\in S}{\arg }\min {\left|\right|y_e-I_E{S}_i\left|\right|}^2\\ =\underset{s_i\in S}{\arg }\min {\left|\right|H_E{w}_{i}s\left(n\right)+v_E-I_E{s}_i\left|\right|}^2\end{array};$S5：当合法发送方天线N_t大于合法接收方天线N_r时，令发送发权系数时变；利用阵列冗余优势，在每个符号发送时隙i对于权系数做出如下处理：$H_A=\left[H_0{H}_1\right],w=\left[\begin{array}{c}{w}_0\\ w_1\end{array}\right]$则有，$\begin{array}{c}{H}_{A}w=H_0{w}_0+H_1{w}_1=(\pm 1_{\mathrm{qi}})I_E\\ x\left(n\right)=w·s\left(n\right)=\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{w}_{0}s\left(n\right)\\ w_{1}s\left(n\right)\end{array}\right]=\begin{array}{}\end{array}\left[\begin{array}{c}{x}_0\left(n\right)\\ x_1\left(n\right)\end{array}\right]\end{array}\end{array};$其中，$\left\{\begin{array}{ccc}\mathrm{if}& q_i=0,& (\pm 1_{\mathrm{qi}})=1\\ \mathrm{if}& q_i=1,& (\pm 1_{\mathrm{qi}})=-1\end{array}\right.;$H₀为N_r×N_r子矩阵，H₁为N_r×(N_t‑N_r)子矩阵；令x₁(n)＝w₁(n)s(n)为随机变量，且服从高斯随机分布，均值μ，协方差矩阵Σ；那么解方程可得x₀(n)＝H₀^‑1[(±1_qi)I_Es(n)‑H₁x₁(n)]；S6：最后可得发送信号：$x\left(n\right)=\left[\begin{array}{c}{H_0}^{-1}[(\pm 1_{\mathrm{qi}})I_{E}s\left(n\right)-H_1{x}_1\left(n\right)]\\ x_1\left(n\right)\end{array}\right].$