俱瑩,殷勤業(yè),陳媛,楊騫

(1.西安交通大學電子與信息工程學院,710049,西安;2.國家無線電監(jiān)測中心陜西監(jiān)測站,710200,西安)

?

發(fā)射聚焦式的多天線跳空安全通信技術(shù)

俱瑩1,2,殷勤業(yè)1,陳媛1,楊騫1

(1.西安交通大學電子與信息工程學院,710049,西安;2.國家無線電監(jiān)測中心陜西監(jiān)測站,710200,西安)

為了提高無線通信的安全保密性,針對前向訓練模式下的0/1式跳空技術(shù)訓練機制和跳空圖案泄露后存在的泄密問題,以及權(quán)值反饋型的0/1式跳空技術(shù)信息反饋造成的實時性和可靠性不高的問題,提出了一種發(fā)射聚焦式的跳空收發(fā)技術(shù)。該技術(shù)由合法接收用戶發(fā)射訓練信號,發(fā)射端通過相關(guān)檢測和處理,加載信息后使信號原路返回并在合法接收用戶的發(fā)射天線處同相疊加,從而使能量聚焦于合法接收用戶處,合法接收用戶無需信息交換過程即可正確接收信息,而竊聽者則因快速切換天線形成的空間信道迅速變化難以解調(diào)信號。仿真結(jié)果表明,在-15 dB的低信噪比下,合法接收用戶的誤符號率低于10-2,而竊聽者的誤符號率隨著信噪比的變化始終很高,維持在0.75左右,說明該技術(shù)既保證了合法接收用戶的通信質(zhì)量,又使竊聽者無法正確接收和截獲信息。

無線通信;安全通信;跳空;發(fā)射聚焦;訓練

近年來,無線通信給人們的生活帶來了便利,但電磁波的廣播特性和無線信道的開放性卻使通信的安全性面臨著挑戰(zhàn),因而無線安全通信成為了通信領(lǐng)域研究的熱點[1-2]。跳頻技術(shù)是一種常用的安全通信的方法,但是跳頻通信存在一些難以克服的缺點,如占用大量的頻譜資源、天線尺寸需要隨著頻率的變化而改變、跳速受到鎖相環(huán)路以及天線尺寸變化速度的限制等[3-4]。另外,竊聽者一旦竊取跳頻圖案,在任何位置都能正確解調(diào)信息,其根本原因是頻率和位置無關(guān),跳頻技術(shù)并沒有利用無線通信的特性。無線信道具有時頻域之外的空域特性[5],若能將空譜資源合理利用,既能解決頻譜資源日漸匱乏的問題,又能利用空譜的多樣性來最大化合法接收用戶和竊聽者信道之間的差異性,就能在保證合法接收用戶的通信質(zhì)量的前提下實現(xiàn)通信的安全性[6-9]。

0/1式跳空技術(shù)是一種利用空譜資源來提高通信的保密性的方法,發(fā)射端電子開關(guān)在發(fā)射天線間快速切換,每次根據(jù)跳空圖案選擇不同的天線發(fā)射信號,使得信道隨著天線的變化而不斷變化。基于前向訓練的0/1式跳空技術(shù)的工作模式是發(fā)射端發(fā)送訓練序列,接收端使用訓練得到權(quán)值在正式通信時進行解調(diào),就能得到規(guī)整的星座圖,但是一旦竊聽者知道了跳空圖案并能掌握時機與合法接收用戶一起參與訓練,那么竊聽者也能正確解調(diào)[10]。權(quán)值反饋型的0/1式跳空技術(shù)采用反向訓練的方法,由接收端發(fā)射訓練序列,發(fā)射端得到收發(fā)天線間的信道信息后反饋給接收端,接收端利用信道的互易性設計權(quán)值,通過跳空圖案正確加權(quán)來解調(diào),但是需要一個反饋信道信息的過程,不僅降低了效率,而且反饋信道信息的過程中有可能會出錯,使得通信的可靠性難以保證[11]。針對以上問題,本文提出了一種發(fā)射聚焦式跳空技術(shù),先由接收端發(fā)送一個信號作為基準,發(fā)射端加載信息后,使幾根天線發(fā)射的信號原路返回到達接收端并同相疊加。另外前幾種0/1式跳空模型中,發(fā)射端每次只有一根天線發(fā)射信號,而本文提出的發(fā)射聚焦式的跳空技術(shù),發(fā)射端每次隨機選取多根天線同時發(fā)射信號,不僅使隨機性增大,竊聽者難以破譯,而且接收端收到的幾路信號同相疊加,在接收端處聚焦,使信噪比顯著提高。

本文提出的發(fā)射聚焦不同于傳統(tǒng)的波束形成技術(shù),波束形成是增強某個方向上的信號,幾個天線發(fā)出的是平行波束,如果竊聽用戶將天線架設在與合法接收用戶相同的方向上,那么竊聽用戶也會收到增強的信號,而本文提出的發(fā)射聚焦是點聚焦,只在合法接收用戶的位置上幾路信號才同相疊加,在同一方向上的其他位置不能實現(xiàn)同相疊加,即使在很近的位置也可能會反向抵消,相較于傳統(tǒng)的波束形成安全性顯著提高。

1 系統(tǒng)模型

發(fā)射端Alice配置M根天線,合法接收用戶Bob配置K根天線,竊聽用戶Eve配置F根天線,天線間距大于一個波長,系統(tǒng)工作在半雙工模式下。竊聽用戶Eve只進行被動接收,不做主動發(fā)射。假設信道慢變,即通信的一段時間內(nèi)信道特性認為是恒定的。系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 發(fā)射聚焦式安全通信技術(shù)系統(tǒng)模型

通信雙方使用相同的載波頻率,采用窄帶信號模型,則解析化的發(fā)射信號為

s(t)=s0ej(ω t+φ0)p(t)

(1)

式中:s0和φ0分別為發(fā)射信號的幅度和初相;ω為載波頻率;p(t)是調(diào)制信號的包絡。

由于多徑是無線通信最重要的特征,所以下面討論發(fā)射信號經(jīng)多徑后到達接收端的信號表達式,路徑越長,到達接收端越晚,所以接收端的信號相當于發(fā)射信號經(jīng)過不同的延時和衰減后的疊加。假設有J條路徑(包括直射徑和反射徑),那么接收端的信號為

(2)

式中:bi和τi(xi,yi,zi)分別表示第i條多徑的幅度衰減和延時,其中(xi,yi,zi)為等價電波傳輸距離的三維空間分量;n(t)為零均值的加性高斯白噪聲。

對于第i條路徑,信號延時τi(xi,yi,zi)后到達接收端,在此之前,第i條路徑的到達信號為0。當碼元時間大于多徑時延擴展時,所有路徑的信號都到達后,會有一段所有路徑信號相疊加的平穩(wěn)階段,檢測時,只考慮這段平穩(wěn)的正弦信號,對各個天線分別檢測,則第m根天線接收到的平穩(wěn)階段的信號可表示為

x(t)=bmejθm(xm,ym,zm)s(t)+n(t)=

hms(t)+n(t)

(3)

2 發(fā)射聚焦式安全通信技術(shù)

2.1 訓練階段

首先Bob的第k根天線發(fā)送式(1)所示的訓練信號,其中初相φ0隨機選取,發(fā)送訓練信號的天線k也為隨機選取。此時,Alice接收到的信號為

xA(t)=hks0ej(ω t+φ0)+nA(t)

(4)

式中:hk=[hk1,hk2,…,hkM]T=[bk1ejθk1,bk2ejθk2,…bkMejθkM]T,其中hki代表Bob的第k根天線到Alice的第i根天線的信道;nk(t)=[nA1(t),nA2(t),…,nAM(t)]T為高斯白噪聲。

假設Alice使用N倍過采樣,采樣后的信號為

(5)

假設噪聲與信號不相關(guān),則Alice第i根天線收到的信號通過匹配濾波器的輸出為

(6)

式中:<·,·>表示相關(guān)運算;E[·]為數(shù)學期望。

由上式可知,訓練階段得到了相位值θki+φ0。

2.2 發(fā)射信號階段

發(fā)射聚焦技術(shù)的目的是讓Alice的多根天線發(fā)出的信號在Bob的第k根天線處同相疊加。Alice的多根天線收到的是Bob發(fā)出的同一個信號,如果能夠原路返回,那么到達Bob端時必然會同相疊加,相當于Bob發(fā)給Alice一把尺子。Alice收和發(fā)可以相差整數(shù)個周期,不影響同相疊加。在實際的硬件中,Alice端收發(fā)信機使用同一個晶振,由晶振頻率控制的收發(fā)采樣點時刻是可以精確保證的。

對Alice的每根天線分別進行相關(guān)檢測,并根據(jù)跳空圖案選取G根天線發(fā)射信號,將這G根天線序號的集合記為ST。其中,發(fā)射天線的切換順序和切換時序可由收發(fā)雙方事先約定,稱為跳空圖案,而跳空圖案是隨機生成的,在發(fā)射天線所有可能組合中隨機選取。本文采用相移鍵控(PSK)調(diào)制方式,對這G根天線上檢測到的相位取反,加載信息y=Asejθs后發(fā)給Bob,Alice的發(fā)射信號如下

sA(t)=[Asej(ω t+θs)]diag{a}c

(7)

式中:diag{·}表示對角線元素為{·}的對角陣;c=[e-(φ0+θk1),e-(φ0+θk2),…,e-(φ0+θkM)]T表示將Alice檢測到的相位取反;a=[a1,a2,…,aM]T是根據(jù)跳空圖案產(chǎn)生的開關(guān)向量,Alice選擇第i根天線發(fā)射時ai=1,Alice不選擇第i根天線發(fā)射時ai=0。

假設信道互易,Bob的第k根和第l(l≠k)根天線收到的信號分別為

(8)

(9)

(10)

(11)

至此,用來發(fā)射訓練信號的Bob的第k根天線得到了信號相位θs,并且從以上兩式可以看出,Alice的G根天線發(fā)來的信號在Bob的第k根天線處具有相同的相位,從而實現(xiàn)了同相疊加。除發(fā)射訓練信號的天線k之外,其余天線解調(diào)后信號的星座圖均發(fā)生了旋轉(zhuǎn),第l(l≠k)根天線可根據(jù)第k根天線檢測出的相位求得自己的相位偏差βl,通過消除偏差,就能正確解調(diào)。每次當跳空圖案變化時,求解一次天線l(l≠k)的相位偏差值,后續(xù)收到的符號根據(jù)此偏差值解調(diào)。平均所有接收天線上解得的相位得到最終相位值。

3 發(fā)射聚焦技術(shù)實現(xiàn)安全通信的原因

本文采用的安全傳輸方法的核心思想是發(fā)射聚焦,由于發(fā)射端多根天線收到的是合法接收用戶發(fā)出的同一個信號,原路返回必然會在合法接收用戶的發(fā)射天線處同相疊加。合法接收用戶的其他天線能根據(jù)發(fā)射訓練信號的天線得到的相位值調(diào)整相位偏差,將所有接收天線上的相位全部調(diào)整到正確的相位上,又相當于接收聚焦。由于發(fā)射端采用多天線發(fā)射,且不同的發(fā)射天線到合法接收用戶的傳播路徑是不同的,竊聽者和合法接收用戶的位置要在所有傳播路徑上都相差整數(shù)個接收周期的可能性是微乎其微的。另外,考慮到傳播環(huán)境中存在多徑的影響,位置不同相應的多徑也是不一樣的,直達徑和反射徑綜合作用后,要在傳播路徑上找到相差整數(shù)個傳播周期的點本身就是相當困難的,所以竊聽者收到的信號就不能保證同相疊加,即使在距離較近的地方,也有可能會反向抵消。通過發(fā)射聚焦,合法接收用戶的接收信噪比顯著提高,而竊聽用戶的接收信噪比并未改善,使得合法接收用戶的信噪比明顯優(yōu)于竊聽用戶的信噪比,增加了安全性。另外,有了發(fā)射聚焦的技術(shù),就能采用多根天線同時發(fā)射的跳空模式,較前幾種每次只能一根天線發(fā)射的跳空技術(shù)的安全性更高。

另外,合法接收用戶Bob發(fā)出的信號只有合法接收用戶自己知道,無需告知發(fā)射端Alice,Alice只負責加載信息后發(fā)回Bob端,避免了交換信息過程中被竊聽者截獲的風險。即使Eve收到信號并掌握時機參與了訓練,但不知道Bob端發(fā)出的原始信號,也不能解調(diào)出正確的信息。Bob端每次發(fā)出信號的初始相位是隨機選取的,即使Eve偶然一次解調(diào)正確,但當Bob端換了發(fā)射信號后Eve便不能解調(diào)了,相當于“一次一密”。

跳空技術(shù)通過切換電子開關(guān)實現(xiàn)發(fā)射天線的切換,天線的快速切換使信道迅速變化,使竊聽者難以截獲信息。跳空技術(shù)的擴空增益取決于天線的跳速和跳幅,電子開關(guān)切換可使跳速達到很高的水平,遠高于跳頻技術(shù)可達到的跳速,且天線呈分布式排布,距離可以很遠,又能獲得很大的跳幅,因此跳空技術(shù)可獲得高擴空增益,在保證通信質(zhì)量的同時又能提高通信的安全性。另外,跳空技術(shù)利用了無線信道的特性,即不同用戶信道存在差異,其安全性不僅依賴于跳空圖案,還與收發(fā)用戶間的無線信道密切相關(guān),即使Eve竊取了跳空圖案,也無法正確解調(diào)信號。

4 仿真實驗

仿真條件如下,Alice、Bob和Eve均配置4根天線,陣元間距大于一個波長,接收時均為8倍采樣。仿真采用QPSK信號,符號長度為100個載波周期,相關(guān)序列的長度為40個載波周期。假設存在多徑,反射點隨機設置,且反射徑和直達徑之間的延時不超過20個載波周期。Alice端每次隨機選取2根天線發(fā)射。將本文的發(fā)射聚焦方法和文獻[11]中的權(quán)值反饋方法進行對比,得到的誤符號率曲線如圖2所示。

圖2 合法接收用戶和竊聽用戶在不同信噪比下的誤符號率

從圖2中可以看出,采用本文方法Bob的誤符號率在-15 dB以上時都非常小,并且低于文獻[11]方法。對Eve來說,兩種方法的誤符號率均在0.75左右。這么高的誤符號率使得Eve根本無法竊取到任何信息,而且Eve的誤符號率與信噪比無關(guān),主要是Eve和Bob的信道差異造成的,跳空的傳輸機制正是利用了空譜的多樣性來最大化這種差異。

下面仿真了Alice端每次隨機選取1～4根天線發(fā)射時Bob的誤符號率,仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 Alice不同發(fā)射天線數(shù)下的誤符號率

觀察圖3可知,Alice選取1根天線發(fā)射時的性能明顯不如選取多根天線時的發(fā)射性能,因而發(fā)射聚焦技術(shù)使得多根天線發(fā)射的信號在Bob端同相疊加提高了安全性,優(yōu)于之前每次只能用1根天線發(fā)射的跳空技術(shù)。

5 結(jié) 論

本文提出了一種發(fā)射聚焦式的跳空安全通信技術(shù),經(jīng)過訓練階段和發(fā)射階段的信號傳輸,合法接收用戶的誤符號率非常小,而竊聽者的誤符號率在信噪比較高時仍然很大。不同于傳統(tǒng)的發(fā)射平行波束的波束形成技術(shù),發(fā)射聚焦技術(shù)使信號在合法接收用戶處點聚焦,能量集中于合法接收用戶處,不僅保證了通信質(zhì)量,又增加了安全性。

跳空技術(shù)是通過快速切換天線使得信道迅速變化,在無線通信中充分利用了空域資源,使通信的可靠性和安全性得到了保障,而跳頻技術(shù)是通過使用頻譜資源來提高通信的保密性,沒有利用到無線通信的特性,使得頻譜匱乏的問題更加嚴峻。因此,研究利用空譜資源的安全通信技術(shù)如跳空技術(shù)是非常有意義的。

[1]RENZO M, DEBBAH M.Wireless physical-layer security: the challenges ahead [C]∥Proceedings of 2009 International Conference on Advanced Technologies for Communications.Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2009: 313-316.

[2]SHIN M, MA J, MISHRA A, et al.Wireless network security and interworking [J].Proceedings of IEEE, 2006, 94(2): 455-466.

[3]洪濤, 宋茂忠, 劉渝.切換天線發(fā)射的低截獲率通信信號物理層安全傳輸 [J].應用科學學報, 2011, 29(4): 368-373.

HONG Tao, SONG Maozhong, LIU Yu.Signal transmitted from switched antenna array with low interception probability for physical layer security [J].Journal of Applied Sciences, 2011, 29(4): 368-373.

[4]洪濤, 宋茂忠.一種基于天線虛擬運動的跳空擴頻調(diào)制方法 [J].南京航空航天大學學報, 2011, 43(4): 481-485.

HONG Tao, SONG Maozhong.Space hopping spread spectrum modulation based on a virtual motion antenna [J].Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, 2011, 43(4): 481-485.

[5]LI Xiaohua, HWU J, RATAZZI E P.Array redundancy and diversity for wireless transmissions with low probability of interception [C]∥Proceedings of 2006 IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing.Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2006: 525-528.

[6]JOHNSON D H, DUDGEON D E.Array signal processing, concepts and techniques [M].Upper Saddle Rover, NJ, USA: Prentice Hall, 1993.

[7]LI Xiaohua, HWU J.Using antenna array redundancy and channel diversity for secure wireless transmissions [J].Journal of Communications, 2007, 2(3): 24-32.

[8]LI Zheng, XIA Xianggen.A distributed differentially encoded OFDM scheme for asynchronous cooperative systems with low probability of interception [J].IEEE Transactions on Wireless Communications, 2009, 8(7): 3372-3379.

[9]穆鵬程, 殷勤業(yè), 王文杰.無線通信中使用隨機天線陣列的物理層安全傳輸方法 [J].西安交通大學學報, 2010, 44(6): 62-66.

MU Pengcheng, YIN Qinye, WANG Wenjie.A security method of physical layer transmission using random antenna arrays in wireless communication [J].Journal of Xi’an Jiaotong University, 2010, 44(6): 62-66.

[10]殷勤業(yè), 賈曙喬, 左莎琳, 等.分布式多天線跳空收發(fā)技術(shù): I [J].西安交通大學學報, 2013, 47(1): 1-6.

YIN Qinye, JIA Shuqiao, ZUO Shalin, et al.A distributed multi-antenna space hopping transceiver technique: I [J].Journal of Xi’an Jiaotong University, 2013, 47(1): 1-6.

[11]殷勤業(yè), 張建國, 鄭通興, 等.分布式多天線跳空收發(fā)技術(shù): II 權(quán)值反饋型反向訓練模式下的0/1式跳空技術(shù) [J].西安交通大學學報, 2013, 47(6): 1-6.

YIN Qinye, ZHANG Jianguo, ZHENG Tongxing, et al.A distributed multi-antenna space hopping transceiver technique: II 0/1 space hopping technique in backward training mode with weight-feedback[J].Journal of Xi’an Jiaotong University, 2013, 47(6): 1-6.

(編輯 劉楊)

A Multi-Antenna Space Hopping Secure Communication Technique with Transmission Focusing

JU Ying1,2, YIN Qinye1, CHEN Yuan1, YANG Qian1

(1.School of Electronics and Information Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2.Shaanxi Monitoring Station, State Radio Monitoring Center, Xi’an 710200, China)

Since there exists security problem in the 0/1 space hopping technique in forward training mode when both the training scheme and the space hopping pattern are leaked, and the feedback process in the 0/1 space hopping technique with weight feedback results in low real-time performance and low reliability, a space hopping transceiver technique with transmission focusing is proposed to improve the security of wireless communication.The legitimate user firstly transmits training signals.Then the transmitter sends a mixture of information signals and correlation detection results of the received signals and makes the signals return along the original path, and in-phase stacking is accomplished in the transmitting antenna of the legitimate user so that energy is focused on the legitimate user.Thus the legitimate user can correctly demodulate the signal without any information exchange process.Furthermore, since the transmitter quickly switches antennas to make channels change rapidly, the eavesdropper can hardly demodulate the signal.Simulation results show that the symbol error rate of the legitimate user is lower than 10-2at the low signal to noise ratio of -15 dB , while the symbol error rate of the eavesdropper always maintains a high level of about 0.75, even when the signal to noise ratio varies.The results illustrate that the proposed technique guarantees the communication quality of legitimate user while eavesdroppers are unable to intercept.

wireless communication; secure communication; space hopping; transmission focusing; training

2014-12-01。 作者簡介:俱瑩(1986—),女,博士生;殷勤業(yè)(通信作者),男,教授,博士生導師。 基金項目:國家自然科學基金資助項目(61172093,61171108);國家創(chuàng)新群體科學基金資助項目(61221063);教育部博士學科點專項基金資助項目(20130201130003)。

時間:2015-03-19

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150319.1153.005.html

10.7652/xjtuxb201506004

TN918.91

A

0253-987X(2015)06-0022-05