[發明專利]一種基于時間反演技術的室內保密通信方案

在審

• 申請號: 201910012452.4
• 申請日: 2019-01-07
• 公開（公告）號: CN109495883A
• 公開（公告）日: 2019-03-19
• 發明（設計）人: 朱江;丁強;張海波
• 申請（專利權）人: 重慶郵電大學
• 主分類號: H04W12/02
• 分類號: H04W12/02;H04L25/03
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于時間反演技術的室內保密通信方案，其特征在于，針對物理層無線通信的竊聽信道問題，提出一種提升室內頻率選擇性衰落信道保密性能的均衡時間反演技術；采用傳統的TR技術對于合法接收端而言，碼間干擾(ISI)占據了接收信號中較大成份；這將會對系統產生影響：(一)系統保密信干噪比較低，會影響系統保密性能；(二)導致信號在接收端的失真，從而影響接收機對信號的檢測，使得誤碼率較高；針對采用時間反演技術如何降低合法接收端碼間干擾提升保密性能問題，考慮不增加信號合法接收端計算復雜度的情況下，在信號發送端將均衡器與TRM級聯配置，所有發射天線共用該均衡器；通過TR等效信道信息進行均衡器的設計對室內無線信道進行均衡處理，降低合法接收端碼間干擾成份，以提升系統保密性能；基于時間反演的安全傳輸方案包括以下步驟：

步驟101：構建基于時間反演的信道均衡MISO竊聽信道模型；

步驟102：系統性能分析，具體從三個方面來分析：保密信干噪比、系統保密容量、誤碼率。

2.根據權利要求1所述的安全傳輸方案，其特征在于，所述步驟1構建基于時間反演的信道均衡MISO竊聽信道模型包括：對Wyner竊聽模型進行了改進，發送端采用均衡器與TRM級聯配置；系統主要由發送端(Alice)、合法接收端(Bob)、竊聽端(Eve)構成；竊聽端為被動竊聽，不發出主動攻擊；其中發送天線數目為M，合法接收端與竊聽端均采用單天線接收；為了表示方便用0表示合法接收端Bob，1表示竊聽端Eve；發送端Alice與接收端n(0,1)的CIR可以表示為

式中L為無線信道的可分辨多徑條數，σ_mn,l、τ_mn,l分別表示第l條路徑的幅度與時延，且i∈(-∞,+∞)，由狄拉克函數的特征可知在i＝τ_mn,l時為單位沖擊，其余為0；

且滿足E[h_mn(i)]＝0,TRM模塊對已知合法接收端的信道信息在時域上以中心抽頭為中心翻轉，對信號進行預處理，使得信號能在合法接收端聚焦；記為TR預濾波向量且滿足

ρ為總的平均傳送功率，表示h_m0的共軛，||·||表示Frobenius范數，定義為P₀為歸一化因子記為時間反演后的等效信道為

其中i∈(0…2L-2)，表示卷積；上式可進一步化解

可以看出由兩部分組成,第一部分是各個不同傳播路徑的自相關函數和,與各多徑分量延遲無關；第二部分是各個不同多徑的互相關函數，非相干多徑經過卷積運算進行相加后值不可忽略，是造成ISI的主要因素；隨著多徑數量的增加,自相關函數與互相關函數的值將增大；

傳統TR技術在合法接收端接收信號成份中存在較大ISI分量，根據具體的信道實現情況，ISI占總接收功率較大的百分比，從而影響信號檢測；通常的解決方法是在接收端使用RAKE接收機或者均衡技術，但是這會增加計算復雜度；為減少接收復雜度，本文考慮在發送端加入單個均衡器供所有發射天線共享；均衡器與TRM級聯配置，通過無線信道均衡，使接收機的ISI成份最小化；因此設計一個長度為L_E＝2L_ε+1的均衡器ε[i]；記均衡器與時間反演鏡級聯后等效功率歸一化因子為P_ε

則發送端發送天線m發送信號s[i]經過處理后為

采用均衡結合TR方案后，接收端接收信號為

該均衡器的設計是為極大化減少合法接收端碼間干擾功率而設計，其具體設計滿足下式

其中i₀∈(0...2L+L_E-3)，式中帶有L_E未知數和2L+L_E-2超定線性方程組用矩陣可以表示為

式中，H表示矩陣的轉置；第一個矩陣是Toepliz矩陣，因此向量ε具有唯一解ε＝(H^HH)^-1H^Hδ_n0；當L_E→∞碼間干擾將被完全消除，φ、分別為ε[i]與的離散傅里葉變換(discrete fourier transform,DFT)，因此在頻域可以表示為

其中j為虛數單位滿足j²＝-1，傳統TR信道經過以上均衡處理后，等效信道重新記為

由上可知等效信道與均衡器長度和信道可分辨多徑數目有關，隨著L_E的增大，歸一化因子增大，歸一化因子的增大使得信道峰值幅度會有所下降；通過實驗得TR與ETR的等效信道的結果，且發送端采用4根發射天線，接收端采用單根天線接收，從圖中可以看出傳統TR的等效信道范圍為(0-80),而ETR的等效信道范圍為(0-120),可知ETR的等效信道范圍變寬；TR等效信道主峰值幅度很高，而主峰值兩邊副峰值也較為突出；采用ETR后的等效信道的主峰值幅度略低于TR，主峰值兩邊的副峰值相對于TR極大減小，使得碼間干擾得到緩解；均衡后的信道歸一化功率峰值幅度下降，這與以上分析推斷一致，從而驗證了推斷的正確性；

在采用均衡后，由上分析可知合法接收端理論上可以完全消除ISI，實際上只能極大地減小，并不能完全消除；這是因為接收機的性能限制，接收機可分辨多徑數目決定均衡器的設計，均衡向量的長度也會受到影響；

由于TR的聚焦特性，期望信號在接收機中心抽頭處采取一個樣本，而其它抽頭信號樣本則是碼間干擾的主要因素；因此將合法端接收信號重新記為

其中接收信號由期望信號、碼間干擾、加性高斯白噪聲三部分組成。

3.根據權利要求1所述的安全傳輸方案，其特征在于，所述步驟2系統性能分析包括：

本發明將從具體從三個方面來分析：保密信干噪比、系統保密容量、誤碼率；假設發射端具有M根發射天線，合法接收端與竊聽端均為單天線接收的數字多輸入單輸出(MISO)基帶無線通信系統；得出ETR方案下合法用戶的接收期望信號功率與符號干擾功率分別為

均衡器的設計極大地減少了合法接收端信號碼間干擾成分，因此碼間干擾功率將是很小的；采用ETR方案下合法用戶的信干噪比記為

的減少，理論上會使得合法接收端的SINR增大，同理，竊聽端的SINR可以表示為

系統的保密SINR被定義為

由上分析，保密SINR的期望可以表示為

由現有的研究知

其中η為一個非常小的數，可以忽略不計，將上式重新記為

由此可以得到保密SINR的期望；

傳統TR方案中，合法接收端的SINR中，由于存在大量的ISI，使得SINR很大程度受到ISI的影響；采用ETR方案極大地減小了ISI，使得SINR得到提高，從而使得保密信干噪比也得到提高；

通常在竊聽信道中，保密容量是從保密SINR推斷而來的；由于保密容量被定義為合法用戶信道容量和竊聽用戶信道容量之差，根據香農公式，保密容量的公式定義為

其中lb表示以2為底的對數，為整個體統的保密SINR，用γ表示為

對于任意竊聽均實現絕對安全通信，需要滿足0＜C₁≤C，C₁為安全通信的信息傳輸速率，通過上述對ETR的保密信干噪比分析，得到均衡后系統的保密容量C為

系統的保密容量與合法用戶接收期望信號功率成正比關系，與碼間干擾信號功率成反比關系；

發送端采用QPSK調制，在前面已經給出了ETR合法接收端的接收期望信號功率、碼間干擾信號功率、以及噪聲信號功率的表達式；將誤碼率的表達式記為

其中Q(·)是標準高斯隨機變量的互補累積分布函數；

在傳統的TR中，性能受高信噪比ISI的限制，采用ETR使得碼間干擾信號功率的大幅度下降，誤碼性能得到提高；

不考慮發送天線數量，對TR與ETR的復雜度進行分析對比；對比了TR與ETR在時域的檢測時間，傳統TR中TRM預濾波的作用導致合法端接收信號的聚焦峰值能量采集在中心抽頭L處；ETR中，TRM與均衡器的信道均衡使得聚焦峰值能量在時域的檢測時間往后推移，具體的時間延遲是由均衡向量長度與實際檢測環境的時延拓展所決定；

通過分析可知，TR的計算復雜度為O(L²)；加入均衡器后，相當于在TR等效信道卷積均衡向量ε[i]，對TR等效信道進行均衡處理將會對原信道矩陣進行一次矩陣乘法運算，可知ETR的計算復雜度為O(L²×L_E)。