本發(fā)明涉及一種對抗竊聽攻擊的方法，特別涉及一種基于多無線電協(xié)作預(yù)編碼的物理層保密通信方法，屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，為了滿足不同無線終端的通信需要，當(dāng)今無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展成一個多種無線電接入技術(shù)并存的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)，比如無線個域網(wǎng)(如bluetooth)、無線局域網(wǎng)(如wi-fi)、公眾移動通信網(wǎng)(2g、3g、4g)、衛(wèi)星通信網(wǎng)以及adhoc網(wǎng)絡(luò)等。如果這些異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間不能互聯(lián)互通，那么無線用戶終端很難根據(jù)自己的業(yè)務(wù)需要進(jìn)行相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)模式切換。由此，多無線電協(xié)作技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。多無線電協(xié)作技術(shù)指的是通過多模系統(tǒng)之間的協(xié)作以及對多無線電接口的管理和資源分配以使異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)之間相互協(xié)同工作?，F(xiàn)有多無線電協(xié)作技術(shù)主要用于異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的融合以減少多模切換延時；擴(kuò)大無線通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍；提高信道容量、降低能耗等。

由于無線媒介的廣播特性，合法用戶之間的信息傳遞容易受到非法用戶的竊聽，這使得無線傳輸容易受到潛在竊聽攻擊。隨著計算機(jī)運(yùn)算速度的不斷提升，傳統(tǒng)的應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)層和網(wǎng)絡(luò)層以上的加密防竊聽方法不能保證信息傳遞的絕對安全。人們越來越重視對物理層信道特性的研究，來提升無線通信的安全性。目前考慮較多的是用合法傳輸信道容量與竊聽信道容量的差值大小來表現(xiàn)無線通信的保密性能，即差值越大保密性越好，反之保密性越差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于多無線電協(xié)作預(yù)編碼的物理層保密通信方法，在考慮實際異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景情況下，將多無線電協(xié)作應(yīng)用于提升物理層安全。通過多模協(xié)作預(yù)編碼對源節(jié)點信號進(jìn)行預(yù)處理，并將預(yù)編碼后的數(shù)據(jù)信息通過源節(jié)點的多無線電模式發(fā)送到目的節(jié)點，實現(xiàn)保密通信。本發(fā)明既考慮到實際異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景，又能實現(xiàn)以低功耗最大程度提升無線通信的安全性能。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供一種基于多無線電協(xié)作預(yù)編碼的物理層保密通信方法，該方法應(yīng)用于通過多無線電接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)，所述系統(tǒng)在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下包括一個發(fā)送節(jié)點、一個目的節(jié)點和一個竊聽節(jié)點。

該方法包括以下步驟：初始化時隙t，給定時隙t的總發(fā)射功率p；將發(fā)送節(jié)點的信號進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換；獲取多無線電通信模式在時隙t的信道狀態(tài)信息，根據(jù)所得的時隙t的信道狀態(tài)信息，對發(fā)送節(jié)點將要傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行多模協(xié)作預(yù)編碼；將預(yù)編碼后的信息通過發(fā)送節(jié)點的多無線電通信模式發(fā)送出去。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，目的節(jié)點接收到的發(fā)送節(jié)點發(fā)送的預(yù)編碼后的信號為：

ym＝w^thst+nm

其中，w表示預(yù)編碼系數(shù)矢量，wi表示第i個接口信號的預(yù)編碼系數(shù)，i＝1,2,…,n，n表示異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)所支持的無線電模式數(shù)目；h＝[k1h1,k2h2,…,knhn]^t表示從發(fā)送節(jié)點到目的節(jié)點的瞬時信道狀態(tài)信息，即主信道的瞬時狀態(tài)信息，hi表示第i種無線電模式的瞬時信道增益系數(shù)，gr表示接收端天線增益，gs表示發(fā)射端天線增益，c表示光速，fi表示第i種無線電模式的工作頻率，d示無線用戶終端至基站的距離，ni示第i種無線電模式的路徑損耗因子；st表示各接口在時隙t發(fā)出的相同的數(shù)據(jù)信息，t＝1,2,…,ts，ts表示最大的傳輸時隙；nm表示目的節(jié)點處的噪聲。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，竊聽節(jié)點接收到的發(fā)送節(jié)點發(fā)送的預(yù)編碼后的信號為：

ye＝w^tgst+ne

其中，g＝[k1g1,k2g2,…,kngn]^t表示從發(fā)送節(jié)點到竊聽節(jié)點的瞬時信道狀態(tài)信息，即竊聽信道的瞬時狀態(tài)信息，gi為第i種無線電模式的瞬時信道增益系數(shù)；ne為竊聽節(jié)點處的噪聲。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，在已知竊聽信道瞬時狀態(tài)信息的條件下，預(yù)編碼系數(shù)矢量w的計算方法如下：

首先，系統(tǒng)的安全傳輸速率為：

其中，表示主信道的輸出信噪比，p為發(fā)射信號功率，n0為噪聲功率；表示竊聽信道的輸出信噪比；

其次，建立最大化系統(tǒng)安全傳輸速率的優(yōu)化問題：

進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為：

其中，

最后，求解上述優(yōu)化問題，得到：

最優(yōu)的預(yù)編碼系數(shù)向量w^*為(i+υgg^h)^-1(i+υhh^h)的最大特征值λmax所對應(yīng)的特征向量；

系統(tǒng)的最大安全傳輸速率即系統(tǒng)安全容量為：

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，在未知竊聽信道瞬時狀態(tài)信息的條件下，預(yù)編碼系數(shù)矢量w的計算方法如下：

首先，系統(tǒng)的安全傳輸速率為：

其中，表示主信道輸出信噪比，n0為噪聲功率，p為發(fā)射信號功率；不是竊聽信道輸出信噪比；

其次，在竊聽信道瞬時狀態(tài)信息未知的條件下，考慮使主信道容量最大，由柯西不等式知得到即為最優(yōu)的預(yù)編碼系數(shù)矢量；則主信道最大輸出信噪比為此時竊聽信道輸出信噪比為則系統(tǒng)的最大安全傳輸速率即系統(tǒng)安全容量為：

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：本發(fā)明在考慮實際異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景下，將多無線電協(xié)作應(yīng)用于提升物理層安全。通過與傳統(tǒng)的多模切換方法比較，多模協(xié)作方法有效的防止竊聽者非法獲取保密信息，最大程度提升安全容量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例基于多無線電協(xié)作預(yù)編碼的物理層保密通信方法所應(yīng)用的系統(tǒng)模型圖；

圖2為本發(fā)明實施例基于多無線電協(xié)作預(yù)編碼的物理層保密通信方法的流程圖；

圖3為圖1中的實施例在已知竊聽信道瞬時狀態(tài)信息的條件下，逐漸增大發(fā)射功率,本發(fā)明提出的多模協(xié)作預(yù)編碼方法與傳統(tǒng)的多模切換選擇方法的安全容量仿真對比圖；

圖4為圖1中的實施例在未知竊聽信道瞬時狀態(tài)信息的條件下，逐漸增大發(fā)射功率,本發(fā)明提出的多模協(xié)作預(yù)編碼方法與傳統(tǒng)的多模切換選擇方法的安全容量仿真對比圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明提出一種基于多無線電協(xié)作預(yù)編碼的物理層保密通信方法，應(yīng)用于通過多無線電接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)，適用于異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中用戶終端與基站之間的安全信息傳輸。在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，用戶終端充分利用多無線電接入技術(shù)，實現(xiàn)不同通信模式間的協(xié)作安全信息傳輸。本發(fā)明分別考慮了源節(jié)點到竊聽節(jié)點之間的竊聽信道的瞬時信道狀態(tài)信息已知和未知的兩種情況，通過多模協(xié)作預(yù)編碼對源節(jié)點信號進(jìn)行預(yù)處理，并將預(yù)編碼后的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給目的節(jié)點。通過與傳統(tǒng)的多模切換選擇方法比較，本發(fā)明提出的多模協(xié)作方法顯著改善了無線傳輸?shù)陌踩珎鬏斔俾?，有助于解決多模通信場景中存在竊聽節(jié)點所帶來的安全問題。

本發(fā)明中，根據(jù)多無線電通信模式在時隙t的信道狀態(tài)信息，對發(fā)送節(jié)點將要傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行多模協(xié)作預(yù)編碼，將預(yù)編碼后的數(shù)據(jù)信息通過發(fā)送節(jié)點的多無線電模式發(fā)送到目的節(jié)點。目的節(jié)點的接收信號表示為ym＝w^thst+nm，其中，預(yù)編碼系數(shù)矢量w＝[w1,w2,…,wn]^t，wi表示第i個接口信號的預(yù)編碼系數(shù)，其中i＝1,2,…,n，n表示異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)所支持的無線電模式數(shù)目；nm為目的節(jié)點處的噪聲；st為各接口在時隙t發(fā)出的相同的數(shù)據(jù)信息，其中t＝1,2,…,ts，ts表示最大的傳輸時隙；h＝[k1h1,k2h2,…,knhn]^t表示從發(fā)送節(jié)點到目的節(jié)點的瞬時信道狀態(tài)信息(即主信道的瞬時狀態(tài)信息)，hi為第i種無線電模式的瞬時信道增益系數(shù)；c為光速，gr為接收端天線增益，gs為發(fā)射端天線增益，fi為第i種無線電模式的工作頻率，d為無線用戶終端至基站的距離，ni為第i種無線電模式的路徑損耗因子。同時，竊聽節(jié)點接收的信號表示為ye＝w^tgst+ne，其中，g＝[k1g1,k2g2,…,kngn]^t表示從發(fā)送節(jié)點到竊聽節(jié)點的瞬時信道狀態(tài)信息(即竊聽信道的瞬時狀態(tài)信息)，gi為第i種無線電模式的瞬時信道增益系數(shù)；ne為竊聽節(jié)點處的噪聲。

在已知竊聽信道瞬時狀態(tài)信息的條件下，相應(yīng)的多模協(xié)作預(yù)編碼系數(shù)向量的計算方法如下：

首先，所述無線通信系統(tǒng)的安全傳輸速率為：

其中，表示主信道的輸出信噪比，表示竊聽信道的輸出信噪比，n0為噪聲功率，p為發(fā)射信號功率。

其次，通過調(diào)整優(yōu)化預(yù)編碼系數(shù)矢量w，最大化所述系統(tǒng)的安全傳輸速率rs，即得到相應(yīng)的優(yōu)化問題為：

將約束條件代入目標(biāo)函數(shù)中，上述優(yōu)化問題可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為：

其中，

最后，通過求解，得到最優(yōu)的預(yù)編碼系數(shù)w^*為(i+υgg^h)^-1(i+υhh^h)的最大特征值λmax所對應(yīng)的特征向量，同時λmax即為問題(1)的解，進(jìn)一步可以得到系統(tǒng)的最大安全傳輸速率(即為系統(tǒng)安全容量)：

在未知竊聽信道瞬時狀態(tài)信息的條件下，相應(yīng)的多模協(xié)作預(yù)編碼系數(shù)向量的計算方法如下：

首先，所述無線通信系統(tǒng)的安全傳輸速率為：

其中，為主信道輸出信噪比，為竊聽信道輸出信噪比，n0為噪聲功率，p為發(fā)射信號功率。

其次，由于竊聽信道瞬時狀態(tài)信息未知，則考慮使主信道容量最大。

由柯西不等式知當(dāng)取“＝”時即為最優(yōu)的預(yù)編碼系數(shù)矢量，則主信道最大輸出信噪比為此時竊聽信道輸出信噪比為

進(jìn)一步得到最大安全傳輸速率(即為安全容量)為：

以包含多種載波無線電通信模式的系統(tǒng)為例，本實施例系統(tǒng)模型如圖1所示，包含1個發(fā)送節(jié)點、1個目的節(jié)點以及1個竊聽節(jié)點。

本實施例的基于多無線電協(xié)作預(yù)編碼的物理層保密通信方法，適用于蜂窩異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中無線用戶終端與基站之間的數(shù)據(jù)傳輸，如圖2所示，具體步驟包括：

1)初始化時隙t，將發(fā)射功率設(shè)為p，并設(shè)置主要參數(shù)值：c為光速，取3*10⁸米每秒；gr為接收端天線增益，即基站的接收天線增益，取5dbi；gs為發(fā)射端天線增益，即無線用戶終端的發(fā)射天線增益，取0dbi；fi為第i種無線通信制式的工作頻率，gsm為900mhz，wcdma為1900mhz，fdd-lte為2300mhz，tdd-lte為2600mhz；d為無線用戶終端至基站的距離，取200m；ni為第i種無線電模式的路徑損耗因子，取2.8，i＝1,2,…,n。

2)將發(fā)送節(jié)點信號進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換；

3)選擇信道模式數(shù)目，對發(fā)送信號將要發(fā)出的信息進(jìn)行多模協(xié)作預(yù)編碼，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)

傳輸。

4)傳輸結(jié)束進(jìn)入下一個時隙，重新執(zhí)行步驟1)。

圖3為在已知竊聽信道瞬時狀態(tài)信息的條件下，逐漸增大發(fā)射功率,本發(fā)明提出的多模協(xié)作預(yù)編碼方法與傳統(tǒng)的多模切換選擇方法的安全容量仿真對比圖。從圖3可以明顯看出，本發(fā)明提出的多模協(xié)作預(yù)編碼方法得到的安全容量遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的多模切換選擇方法得到的安全容量。

圖4為在未知竊聽信道瞬時狀態(tài)信息的條件下，逐漸增大發(fā)射功率,本發(fā)明提出的多模協(xié)作預(yù)編碼方法與傳統(tǒng)的多模切換選擇方法的安全容量仿真對比圖。從圖4可以明顯看出，本發(fā)明提出的多模協(xié)作預(yù)編碼方法在相同條件下得到的安全容量大于多模切換選擇方法得到的安全容量。

以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。