[发明专利]一种基于随机波束赋形的物理层安全传输方法

说明书

本发明公开了一种基于随机波束赋形的物理层安全传输方法，包括以下步骤：1)接收端发送训练符号而发送端不发送训练符号，因此接收端不能获得任何信道信息而发送端可以得到合法收发机之间的信道；2)为了使得接收端能够正确解码，而窃听者的接收信号被随机化，并且满足主级用户的干扰限制，对随机波束赋形矢量预留出两位权值系数w_i，w_j进行设计，其他系数则随机生成；3)定义系统的可获得保密吞吐量。该方法无需消耗额外的能量去保证次级用户信息的安全传输，并且降低了次级接收机的复杂度。

技术领域

本发明属于认知无线电网络安全传输技术领域，涉及一种基于随机波束赋形的物理层安全传输方法。

背景技术

物联网，作为一个新兴的网络，旨在提供无处不在的连接和信息交换，遍及家居、车辆、医疗以及工业监测等领域。它的主要特点有：节点数目多；一些节点能量受限；一些节点处理能力较弱以及存在大量的异构网络。可以预计，在不久的将来，会有几十亿的配备有各式各样传感器或执行器的物理设备接入互联网，构成物联网。物联网的终极目标是实现任何时间、任何地点、任何人、任何物的连接。因此，它也被称为是继计算机、移动通信网与互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。

物联网中大量的设备节点带来的一个很严重的问题就是频谱稀缺。而频谱资源很宝贵并且是有限的。为了解决这个问题，认知物联网的概念被提出。在认知物联网中，一个没有授权的次级用户(IoT设备)和已获得授权许可的主级用户工作在同一频带资源上。根据感知能力的不同，IoT设备接入频谱的方式主要有Underlay频谱共享模式、Overlay频谱共享模式与频谱租赁模式。

安全性一直都是通信所关注的焦点。物联网中的通信安全问题亦不容小觑，尤其是在生物医疗、金融和军事等应用领域。然而，由于无线信道的开放性，无线通信更容易遭受窃听。传统的密钥加密算法广泛应用于上层网络，实现信息安全传输。可是，对于含有大量节点的物联网，密钥的提取、分发和管理存在一定困难。这主要是因为在物联网中，节点的资源有限并且存在大量异构网络以及不同的子系统。因此，一些轻量、高效的协议成为解决物联网中安全问题的有吸引力的方法。

物理层安全充分利用无线信道的特征和无线信号的基本格式，已被证明能获得信息论意义上的安全。物理层安全的优点是，即便窃听者具备无限的计算能力，其仍旧无法获得正确信息。此外，通信双方无需事先协商密钥，可作为在无线通信的安全框架上对传统加密体制的必要补充，增强无线通信的安全性。目前，各种各样的物理层安全技术已被提出，比如人工噪声、协作干扰、波束赋性、空间调制等。但并不是所有的物理层安全技术都能直接应用于物联网中，比如人工噪声和协作干扰技术需要消耗额外的能量；而波束赋形方案又需要发送端已知全部的信道状态信息(CSI)；空间调制一般有着一定的解调复杂度。这在物联网中都面临一定的挑战。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于随机波束赋形的物理层安全传输方法，该方法无需消耗额外的能量去保证信息的安全传输，并且接收端不需要知道任何信道状态信息，降低了接收端的复杂度。

为达到上述目的，本发明所述的基于随机波束赋形的物理层安全传输方法包括以下步骤：

1)次级网络工作在TDD模式，发射端Alice不发送训练符号，在次级传输之前，接收端Bob先发送训练符号，使发射端Alice估计自身与接收端Bob之间的信道；

发射端Alice每次发送符号前先产生随机波束赋形矢量w＝[w₁,w₂,…,w_i,…w_j,…w_N]，1≤i,j≤N,i≠j；设发送端Alice处的峰值功率为P_peak，trace(w^Hw)≤P_peak并且E[|s|²]＝1，发射端Alice利用h_b设计w使得接收端Bob处收到的等效信道为确定的常数；