專利名稱：基于多徑冗余的mmse預均衡無線信道加密方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線通信安全技術領域中的物理層加密問題，特別是涉及一種基于多徑冗余的MMSE預均衡無線信道加密方法及裝置。
背景技術：
近年來，3G、超寬帶、物聯網等各種無線通信概念層出不窮。新的無線通信技術如雨后春筍般出現，這使得越來越多的設備具有移動接入的能力，解決了傳統有線接入的連線制約，為用戶提供了各種高效高速的接入方案。雖然無線通信擺脫了有線的束縛，但是其開放的通信媒介給無線通信的安全帶來了巨大隱患。因此人們設計出各種加密技術對信息進行保護。信息在通信過程中一般會經過信源編碼、信道編碼、信道傳輸、信道解碼和信源解碼等階段，傳統的有線通信在信道傳輸過程中要求通信雙方必須“有線連接”，第三方如果沒有“有線連接”就不能獲取信息，而一旦連接就有可能完全竊取通信雙方的信息。因此， 有線通信必須在信道以外通過數據加密的方法來保障信息安全，這其實是通過信源編碼保障信息安全。然而在無線通信系統中，由于電磁信號傳播的廣播特性和無線信道的開放性， 信號通過無線電波在空間中任意傳播，失去了“有線”的束縛，使得任意處于覆蓋范圍內的接收機都可以不用任何連線便可接收到發(fā)射機所發(fā)射的信息，通信信息極易被非授權用戶獲取。因此從某種意義上說，無線通信系統比傳統有線系統具有更大的安全隱患。因此在無線通信中，如何保障無線通信的安全性也變得日益重要。無線通信的安全問題主要是由無線鏈路的特點和開放性造成的，因此由無線鏈路造成的問題只有在無線信道中解決才能更加有效。目前一個主要思路是利用物理層加密的方式使得無線信號具有低截獲概率(LPI)?，F有的物理層加密方式主要有三類1.利用波束成形技術使能量聚焦于授權用戶；2.采用擴頻的方式加擾；3.基于傳輸信道的方式。然而，波束成形技術并不能使得信號能量完全聚焦；擴頻碼也可以很容易地從接收的信號中估計出來；基于傳輸信道的方式可以通過盲信道估計得到信道狀態(tài)。這三種方法都無法使得信號具有LPI或者難以經受嚴格的LPI分析。因此，有文獻提出一種利用無線陣列冗余進行物理層加密的方法。該方法通過隨機選取各陣元的加權系數，使發(fā)送信號經過無線信道疊加后在合法的目標用戶端可以直接解調出所發(fā)射的符號序列，而對于非法用戶來說，陣元權系數的隨機化會使恒模算法(CMA)等基于盲解卷積的信道盲均衡方法失效，從而滿足具有LPI的要求。然而這種隨機加權處理會降低接收信號功率，這類方法僅適用于MIMO等能夠提供空間冗余的多天線系統，針對協助通信中每個延遲節(jié)點僅有一個天線的問題。綜合分析可知，以上研究現狀主要針對的是窄帶系統，并未考慮寬帶系統復雜的多徑傳播特性對無線信道加密性能的影響。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種基于多徑冗余的匪SE預均衡無線信道加密方法及裝置，基于無線信道的多徑冗余特點和時間分集思想，利用時間反演技術在無線寬帶通信系統中引入
5環(huán)境自適應性，利用隨機時間反演對信道進行加密，以解決無線信道的廣播特性帶來的安全問題。無線信道加密有三個特點首先是弓I入某種冗余以增加用以隨機化發(fā)送信號的自由度；然后是授權用戶可以無條件接收，并不需要額外處理，也不需要知道某些先驗信息； 最后是非授權用戶無法解出發(fā)送的信號。寬帶無線通信系統的無線鏈路存在豐富的多徑， 一方面給信號的接收帶來了干擾，限制了通信系統容量；另一方面也為利用時間分集提高系統性能提供了可能。也就是說多徑冗余增加了接收信號的自由度，因此我們通過隨機化這些自由度可以達到信道加密的目的。時間反演(Time-Reversal :TR)技術基于疊加原理、互易定理等基本原理，通過利用實際信道的沖擊響應對調制信號進行TR預處理，最終在用戶接收端實現信號的完美復原。TR技術的基本思想是利用測試信號得到的信道響應，在信號波形進入實際信道之前進行預處理。通過預處理，信號波形在實際通信信道中傳輸的過程就可以將該通信信道看作是自適應均衡器，而在接收端就會得到一個預處理之前的通信信號波形。本發(fā)明所采用的技術方案一種基于多徑冗余的MMSE預均衡無線信道加密方法，在TDD工作模式下，通過如下步驟，完成無線信道的加密處理1)接收機首先利用上行信道發(fā)送信道探測信號用以探測多徑信道；2)發(fā)射機根據接收的上行信道發(fā)送的信道探測信號估計出接收機和發(fā)射機之間的無線信道多徑信息；3)將所述無線信道多徑信息翻轉處理，并從中隨機選擇部分多徑信息作為預處理因子；4)根據所述無線信道多徑信息以及所述預處理因子，按照功率約束條件得出預均衡因子；5)利用所述預均衡因子和預處理因子對待發(fā)送信號進行預處理，然后經過發(fā)射機射頻前端發(fā)送。所述的基于多徑冗余的匪SE預均衡無線信道加密方法，步驟2)中，發(fā)射機根據預先設定好的收發(fā)機制，周期性地接收上行信號，并根據接收的上行信號估計出多徑信息估計出多徑抽頭延時線的幅度和時延；估計出多徑整體包絡信息。所述的基于多徑冗余的MMSE預均衡無線信道加密方法，步驟幻中，將所述抽頭延時線幅度和時延數據或者多徑整體包絡數據進行翻轉處理，并從所述翻轉處理結果中隨機選擇部分信息作為預處理因子。所述的基于多徑冗余的匪SE預均衡無線信道加密方法，為了進行物理層加密，引入多徑冗余信號使得自由度增加以便隨機化發(fā)送信號，發(fā)射機隨機選取用以時間反演的信道系數，接收機接收信號可以表示如下
權利要求
1.一種基于多徑冗余的MMSE預均衡無線信道加密方法，其特征是，在TDD工作模式下， 通過如下步驟，完成無線信道的加密處理1)接收機首先利用上行信道發(fā)送信道探測信號用以探測多徑信道；2)發(fā)射機根據接收的上行信道發(fā)送的信道探測信號估計出接收機和發(fā)射機之間的無線信道多徑信息；3)將所述無線信道多徑信息翻轉處理，并從中隨機選擇部分多徑信息作為預處理因子；4)根據所述無線信道多徑信息以及所述預處理因子，按照功率約束條件得出預均衡因子；5)利用所述預均衡因子和預處理因子對待發(fā)送信號進行預處理，然后經過發(fā)射機射頻前端發(fā)送。
2.根據權利要求1所述的基于多徑冗余的匪SE預均衡無線信道加密方法，其特征是，步驟i)中，發(fā)射機根據預先設定好的收發(fā)機制，周期性地接收上行信號，并根據接收的上行信號估計出多徑信息估計出多徑抽頭延時線的幅度和時延；估計出多徑整體包絡信肩、ο
3.根據權利要求2所述的基于多徑冗余的MMSE預均衡無線信道加密方法，其特征是， 步驟幻中，將所述抽頭延時線幅度和時延數據或者多徑整體包絡數據進行翻轉處理，并從所述翻轉處理結果中隨機選擇部分信息作為預處理因子。
4.根據權利要求1、2或3所述的基于多徑冗余的MMSE預均衡無線信道加密方法，其特征是為了進行物理層加密，引入多徑冗余信號使得自由度增加以便隨機化發(fā)送信號，發(fā)射機隨機選取用以時間反演的信道系數，接收機接收信號可以表示如下^ (0 = Σ s^hAB (_t + kakTs) * hAB (t) k ‘~-~'__/ ClR-VTransmitted signal其中，ω&為隨機選擇信號，長度和單徑長度相同，且cok e {1,0}； 同樣Eve接收的信號為^ (0 = Σ s^hAB + kakTs) * hAE (t) k '~-~'__/ ClR-VTransmitted signal由上式可知，Bob接收的信號峰值幅度與f/么^成正比。
5.根據權利要求4所述的基于多徑冗余的MMSE預均衡無線信道加密方法，其特征是， 步驟4)中，在進行隨機時間反演時采用預均衡在Alice端進行補償，預均衡的實現方法為S =Γτ = ^s S ... S )τ pre ^1 V°pre,0' °pre,l'°pre, L-I/其中預均衡矩陣G = diag((}。,。，Gia,…(Vm)為對角陣，S為發(fā)送的符號序列，L為均衡器階數.預均衡之后輸出的數據經過隨機時間反演器，然后在調制后通過射頻單元發(fā)射，對于接收端Bob來說，接收端的信號表示為 ^Bob = hABH ABS pre + NBob 而對于Eve來說，接收到的信號為
6.根據權利要求5所述的基于多徑冗余的MMSE預均衡無線信道加密方法，其特征在于，針對功率約束條件，保持預均衡前后傳輸符號總的功率保持不變，因此帶功率限制的預均衡條件為
7. 一種基于多徑冗余的MMSE預均衡無線信道加密裝置，包括接收機和發(fā)射機，其特征是所述接收機包括信令發(fā)射模塊用于發(fā)射無線信道探測信號，按照預定的周期時隙給發(fā)射機發(fā)射信道探測信號；接收前端用于接收Alice發(fā)送的信號；所述發(fā)射機(Alice)包括信令接收模塊用以控制Alice的時分雙工器，周期地接收Bob的信道探測信號，送給信道估計單元；信道估計單元接收信令接收模塊收到的信道探測信號，對所述接收的信道探測信號進行信道估計，以得到所需的無線信道多徑信息；預均衡器接收發(fā)送信號，用于對發(fā)送的信號按照既定規(guī)則進行預均衡處理，以降低隨機預處理單元對接收端性能的影響；隨機預處理單元接收預均衡器輸出的數據，對預均衡輸出的數據與預處理因子作卷積操作，得到加密后的發(fā)送數據，輸送到發(fā)射前端；發(fā)射前端接收并發(fā)送隨機預處理單元發(fā)送的數據，完成加密處理。
8.根據權利要求7所述的基于多徑冗余的MMSE預均衡無線信道加密裝置，其特征是 隨機預處理單元包括隨機FILO控制器；存儲器；MMSE均衡器；時間卷積器；其中， 隨機FILO控制器與存儲器連接，用于對隨機選擇的多經信息進行反轉處理； 存儲器接收信道估計模塊，用于存儲反轉前后的多經信息，并輸送多徑信息到匪SE 均衡器和時間卷積器；匪SE均衡器接收預均衡器冗余信息，用于對輸入信號作預均衡處理，并發(fā)送數據到時間卷積器；時間卷積器用于把預均衡模塊的輸出和反轉后的多經進行卷積處理，并發(fā)送到發(fā)射前端。
全文摘要
本發(fā)明涉及無線通信安全技術領域中的物理層加密問題，特別是涉及一種基于多徑冗余的MMSE預均衡無線信道加密方法及裝置。在TDD工作模式下，1)接收機首先利用上行信道發(fā)送信道探測信號用以探測多徑信道；2)發(fā)射機根據接收的上行信道發(fā)送的信道探測信號估計出接收機和發(fā)射機之間的無線信道多徑信息；3)將所述無線信道多徑信息翻轉處理；4)根據所述無線信道多徑信息，按照功率約束條件得出預均衡因子；5)利用所述預均衡因子和預處理因子對待發(fā)送信號進行預處理。本發(fā)明基于無線信道的多徑冗余特點和時間分集思想，利用時間反演技術在無線寬帶通信系統中引入環(huán)境自適應性，利用隨機時間反演對信道進行加密，解決了無線信道的廣播特性帶來的安全問題。
文檔編號H04B7/08GK102158858SQ20111014123
公開日2011年8月17日 申請日期2011年5月27日 優(yōu)先權日2011年5月27日
發(fā)明者劉雙平, 劉彩霞, 吉江, 宋華偉, 李印海, 楊梅樾, 王春銘, 羅文宇, 趙華, 金梁, 鐘州 申請人:中國人民解放軍信息工程大學