1.本发明属于物理层安全通信领域,特别是涉及一种基于人工噪声的安全通信方法。
背景技术：2.物理层安全近年来已经成为一个备受关注的问题。尽管上层能使用较为有效的加密算法和协议来防止窃听者获取机密信息，但是并不能阻止窃听者在物理层直接拦截通信信号，这为窃听者破译信息和试探通信提供了可能。
3.人工噪声技术被广泛地应用于物理层安全通信领域。常见的运用有，多天线场景下，将人工噪声投射到接收信道的零空间中辅助信号传输，在保证合法接收机能正常接收的同时，阻断非法窃听机对期望信号的窃取；将人工噪声与波束成形、预编码等技术结合，通过优化的方法求解最优的人工噪声设计方案。单天线场景下，将人工噪声设计为已知的随机序列，接收机采用自干扰抑制的方式去除人工噪声的影响。
4.上述技术的缺陷在于，优化算法常常具有较高的算法复杂度，也需要依赖信道状态信息；干扰检测和抑制技术将给接收机带来较大的资源开销。
技术实现要素：5.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于人工噪声的安全通信方法，在保证合法接收机正常接收的同时，阻断了非法窃听机对期望信号的窃取。
6.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于人工噪声的安全通信方法，包括以下步骤：
7.s1.将期望信号进行星座映射，并根据星座映射结果设计人工噪声；
8.所述步骤s1中，设期望信号经过星座映射之后为x，则设计人工噪声y为：
[0009][0010]
其中，和分别表示取复信号x的实部和虚部，py表示人工噪声信号的功率，表示取x的符号。
[0011]
s2.发射机将期望信号和人工噪声叠加后得到信号s进行发射，由接收机进行信道估计对接收信号进行补偿得到信号
[0012]
所述步骤s2包括：
[0013]
s201.发射机将期望信号x和人工噪声y叠加作为信号s发射:
[0014]
s＝x+y
[0015]
s202.经过平坦衰落之后，接收机收到的信号为：
[0016][0017]
其中，hb表示信道系数，nb表示接收机处的热噪声；
[0018]
s203.接收机进行信道估计，并对接收到的信号进行补偿，得到信号
[0019][0020]
其中，表示信道估计值；ε表示归一化的信道估计误差，表示信道补偿之后的等效噪声。
[0021]
s3.接收机根据信号重建出人工噪声
[0022]
所述步骤s3包括以下子步骤：
[0023]
s301.对信号求取实部和虚部：
[0024][0025][0026]
为了有效进行安全通信，假设人工噪声功率远大于期望信号功率；同时，假设接收机引入的热噪声功率很小，从而信道估计的误差很小；其中，人工噪声比期望信号的功率比大于20db，则认为人工噪声功率远大于期望信号功率；接收机的信噪比大于20db时，则认为热噪声功率很小，从而信道估计误差很小；在此条件下，公式中，
[0027]
分子的第二项远小于第一项，同时远小于前一项，因此对进行简化有：
[0028][0029]
[0030]
其中，
[0031]
s302.针对信号的实部和虚部后取符号，结合步骤s301的结果，得到：
[0032][0033][0034]
s303.接收机重建出人工噪声为：
[0035][0036]
s4.根据补偿得到信号和重建出的人工噪声得到恢复后的期望信号
[0037]
所述步骤s4包括：
[0038]
将重建出的人工噪声从信道补偿后的信号中减去，得到恢复后的期望信号
[0039][0040]
优选地，在步骤s4得到恢复后的期望信号后，接收机可以进一步对信号进行解调后续操作。
[0041]
本发明的有益效果是：本发明在保证合法接收机正常接收的同时，阻断了非法窃听机对期望信号的窃取，具有较低的算法复杂度，不会给接收机带来较大的资源开销。
附图说明
[0042]
图1为本发明合法收发机工作的原理示意图；
[0043]
图2为本发明的方法流程图；
[0044]
图3为传输信号星座图。
具体实施方式
[0045]
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
[0046]
本技术中，发射机产生人工噪声并叠加信号发射。合法接收机接收信号后先抑制人工噪声，再进行信号解调。而窃听机由于没有人工噪声生成方法的先验信息，无法有效抑制人工噪声从而恢复信号，合法收发机的原理在附图1中给出；具体地安全通信方法如下：
[0047]
如图2所示，一种基于人工噪声的安全通信方法，包括以下步骤：
[0048]
s1.将期望信号进行星座映射，并根据星座映射结果设计人工噪声；
[0049]
所述步骤s1中，设期望信号经过星座映射之后为x，则设计人工噪声y为：
[0050][0051]
其中，和分别表示取复信号x的实部和虚部，py表示人工噪声信号的
功率，表示取x的符号。
[0052]
s2.发射机将期望信号和人工噪声叠加后得到信号s进行发射，由接收机进行信道估计对接收信号进行补偿得到信号
[0053]
所述步骤s2包括：
[0054]
s201.发射机将期望信号x和人工噪声y叠加作为信号s发射:
[0055]
s＝x+y
[0056]
s202.经过平坦衰落之后，接收机收到的信号为：
[0057][0058]
其中，hb表示信道系数，nb表示接收机处的热噪声；
[0059]
s203.接收机进行信道估计，并对接收到的信号进行补偿，得到信号
[0060][0061]
其中，表示信道估计值；ε表示归一化的信道估计误差，表示信道补偿之后的等效噪声。
[0062]
s3.接收机根据信号重建出人工噪声
[0063]
所述步骤s3包括以下子步骤：
[0064]
s301.对信号求取实部和虚部：
[0065][0066][0067]
为了有效进行安全通信，假设人工噪声功率远大于期望信号功率；同时，假设接收机引入的热噪声功率很小，从而信道估计的误差很小；其中，人工噪声比期望信号的功率比大于20db，则认为人工噪声功率远大于期望信号功率；接收机的信噪比大于20db时，则认为热噪声功率很小，从而信道估计误差很小；在此条件下，公式中，
[0068]
分子的第二项远小于第一项，同时远小于前一项，因此对进行简化有：
[0069][0070][0071]
其中，
[0072]
s302.针对信号的实部和虚部后取符号，结合步骤s301的结果，得到：
[0073][0074][0075]
s303.接收机重建出人工噪声为：
[0076][0077]
s4.根据补偿得到信号和重建出的人工噪声得到恢复后的期望信号
[0078]
所述步骤s4包括：
[0079]
将重建出的人工噪声从信道补偿后的信号中减去，得到恢复后的期望信号
[0080][0081]
在本技术的实施例中，在步骤s4得到恢复后的期望信号后，接收机可以进一步对信号进行解调后续操作。
[0082]
在本技术的实施例中，对提出的人工噪声波形设计方法进行仿真分析和评估，具体的参数设置如下表所示。
[0083]
表1.人工噪声波形设计方法的仿真参数设置
[0084][0085]
附图3显示了本方法下，人工噪声和期望信号功率比为20db的时候，传输信号的星座图和合法接收机抑制人工噪声之后的星座图，以及未叠加人工噪声的期望信号星座图。可见，经过本方法的处理，原期望信号16qam调制的特征逐渐消失，而被qpsk调制的特征掩盖。如果增加人工噪声和期望信号的功率比，qpsk的特征将更加显著，这将迷惑窃听机使其解调出错。同时观察到，在接收机抑制人工噪声之后，星座图成功被复原，不会影响后续解调。
[0086]
上述说明示出并描述了本发明的一个优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
技术特征：1.一种基于人工噪声的安全通信方法，其特征在于：包括以下步骤：s1.将期望信号进行星座映射，并根据星座映射结果设计人工噪声；s2.发射机将期望信号和人工噪声叠加后得到信号s进行发射，由接收机进行信道估计对接收信号进行补偿得到信号s3.接收机根据信号重建出人工噪声s4.接收机根据补偿得到信号和重建出的人工噪声得到恢复后的期望信号2.根据权利要求1所述的一种基于人工噪声的安全通信方法，其特征在于：所述步骤s1中，设期望信号经过星座映射之后为x，则设计人工噪声y为：其中，和分别表示取复信号x的实部和虚部，p
y
表示人工噪声信号的功率，表示取x的符号。3.根据权利要求1所述的一种基于人工噪声的安全通信方法，其特征在于：所述步骤s2包括：s201.发射机将期望信号x和人工噪声y叠加作为信号s发射:s＝x+ys202.经过平坦衰落之后，接收机收到的信号为：其中，h
b
表示信道系数，n
b
表示接收机处的热噪声；s203.接收机进行信道估计，并对接收到的信号进行补偿，得到信号s203.接收机进行信道估计，并对接收到的信号进行补偿，得到信号其中，表示信道估计值；ε表示归一化的信道估计误差，表示信道补偿之后的等效噪声。4.根据权利要求1所述的一种基于人工噪声的安全通信方法，其特征在于：所述步骤s3包括以下子步骤：s301.对信号求取实部和虚部：
为了有效进行安全通信，假设人工噪声功率远大于期望信号功率；同时，假设接收机引入的热噪声功率很小，从而信道估计的误差很小；其中，人工噪声比期望信号的功率比大于20db，则认为人工噪声功率远大于期望信号功率；接收机的信噪比大于20db时，则认为热噪声功率很小，从而信道估计误差很小；在此条件下，公式中，分子的第二项远小于第一项，同时远小于前一项，因此对进行简化有：进行简化有：其中，s302.针对信号的实部和虚部后取符号，结合步骤s301的结果，得到：的实部和虚部后取符号，结合步骤s301的结果，得到：s303.接收机重建出人工噪声为：5.根据权利要求1所述的一种基于人工噪声的安全通信方法，其特征在于：所述步骤s4包括：将重建出的人工噪声从信道补偿后的信号中减去，得到恢复后的期望信号将重建出的人工噪声从信道补偿后的信号中减去，得到恢复后的期望信号
技术总结本发明公开了一种基于人工噪声的安全通信方法，S1.将期望信号进行星座映射，并根据星座映射结果设计人工噪声；S2.发射机将期望信号和人工噪声叠加后得到信号s进行发射，由接收机进行信道估计对接收信号进行补偿得到信号S3.接收机根据信号重建出人工噪声S4.接收机根据补偿得到信号和重建出的人工噪声得到恢复后的期望信号本发明提供的安全通信方法在保证合法接收机正常接收的同时，阻断了非法窃听机对期望信号的窃取。阻断了非法窃听机对期望信号的窃取。阻断了非法窃听机对期望信号的窃取。
技术研发人员：郭文博 林朗 赵宏志 邵士海 唐友喜
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2022.04.18
技术公布日：2022/7/5
