一种基于速率分割的联合保密和隐蔽通信方法及系统

1.本发明涉及物理层安全传输和隐蔽通信的实现问题，特别涉及一种基于速率分割的联合保密和隐蔽通信方法及系统。


背景技术：

2.随着无线通信的快速发展，无线通信的安全和隐私正成为网络运营商的一个关键考虑因素，无线通信安全已经成为任何通信系统所需要面临的核心问题。一般来说，无线通信的安全保护是基于网络设计中更高层对信息加密的方法来实现的，该方法假设窃听者的无线计算能力的有所限制，使其无法发现分配给合法用户的密钥来解密机密信息。
3.而信息理论保密(its)是一种很有前景的无线通信安全技术，其不包含对信息的加密，而是在信息的传输层面实现信息安全的保护。在一些探索性的工作中，已有学者演示了当窃听者的信道是合法用户信道的降级版本时，发送方和接收方能够实现一个满足信息保密需求的速率。此外，有几种技术提出了达到信息理论保密的方法：发射波束成形，天线选择，协作技术，人工噪声辅助传输，使用功率域非正交多址(pd-noma)等。信息理论保密的目标是保证发送给目标用户机密信息的安全，但是在很多实际应用中，比如军事通信，单纯保护信息安全是远远不够的，通信双方还希望信息被隐蔽性地传输，即通信本身不被检测到，这就是所谓的隐蔽通信；而目前传统保密通信无法同时实现隐蔽通信的问题，造成通信安全问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于速率分割的联合保密和隐蔽通信方法及系统，解决了现有技术中存在的上述不足。
5.为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
6.本发明提供的一种基于速率分割的联合保密和隐蔽通信方法，该方法基于设定的基站、保密通信用户、隐蔽通信用户、虚拟窃听方和虚拟监听方，包括以下步骤：
7.步骤1，当前时隙，基站分别获取隐蔽通信用户、保密通信用户和虚拟窃听方的信道状态信息以及位置信息；
8.步骤2，设定基站在特定时隙与隐蔽通信用户进行隐蔽通信，且基站同时与保密通信用户进行通信；在特定时隙之外，基站向保密通信用户发送消息，且未向隐蔽通信用户发送消息，则计算保密通信用户的保密通信速率；
9.设定基站同时向保密通信用户和隐蔽通信用户发送消息，则计算此时保密通信用户的保密通信速率；
10.步骤3，构建得到隐蔽通信成立的条件，进而计算得到隐蔽通信用户的隐蔽通信速率；
11.步骤4，根据步骤3得到的隐蔽通信用户的隐蔽通信速率，计算在满足保密通信，隐蔽通信以及功率限制的条件下，基站对应的功率分配系数；
12.步骤5，基站在预先约定好的时隙与隐蔽通信用户进行隐蔽通信，利用步骤4中得到的功率分配系数，向隐蔽通信用户以及保密通信用户传送信息。
13.优选地，步骤2中，设定基站在特定时隙与隐蔽通信用户进行隐蔽通信，且基站同时与保密通信用户进行通信；在特定时隙之外，基站向保密通信用户发送消息，且未向隐蔽通信用户发送消息，则计算保密通信用户的保密通信速率，具体方法是：
14.分别计算保密通信用户处和虚拟窃听方处的信噪比；
15.根据保密通信用户处和虚拟窃听方处的信噪比计算得到保密通信用户处的保密通信速率。
16.优选地，步骤2中，设定基站同时向保密通信用户和隐蔽通信用户发送消息，则计算此时保密通信用户的保密通信速率，具体方法是：
17.设定基站采用速率分割策略分别向保密通信用户和隐蔽通信用户发送消息；
18.分别计算保密通信用户处、虚拟窃听方处和虚拟窃听方处的信噪比；
19.根据保密通信用户处、虚拟窃听方处和虚拟窃听方处的信噪比分别计算对应的信道容量；
20.根据保密通信用户处、虚拟窃听方处和虚拟窃听方处的信道容量计算得到保密通信用户处的保密通信速率。
21.优选地，步骤3中，构建得到隐蔽通信成立的条件，进而计算得到隐蔽通信用户的隐蔽通信速率，具体方法是：
22.设定监听方处收到信号的表达式；
23.根据该表达式得到监听方检测错误概率最小化的最优决策规则；
24.根据得到的监听方检测错误概率最小化的最优决策规则得到监听方误报表达式和漏检表达式；
25.根据监听方误报表达式和漏检表达式得到基站与隐蔽通信用户之间达到隐蔽通信的指标要求表达式；
26.根据该指标要求表达式计算得到隐蔽通信用户处的隐蔽通信速率。
27.优选地，步骤4中，根据步骤3得到的隐蔽通信用户的隐蔽通信速率，计算在满足保密通信，隐蔽通信以及功率限制的条件下，基站对应的功率分配系数，具体方法是：
28.设定基站在每个时刻等概地给隐蔽通信用户发送隐蔽信息，则获取得到基站每个时刻的平均速率；
29.根据获取得到基站每个时刻的平均速率得到在功率限制、隐蔽通信和信息安全条件约束下使平均速率最大化的优化问题表达式；
30.根据得到的优化问题表达式得到基站最大传输功率；
31.根据得到的最大传输功率得到最大的平均速率所对应的功率分配系数。
32.优选地，步骤5中，基站采用速率分割策略向隐蔽通信用户以及保密通信用户传送信息。
33.优选地，采用速率分割策略向隐蔽通信用户以及保密通信用户传送信息，具体方法是：
34.将隐蔽通信用户和保密通信用户的信息分别分为公共部分和私有部分；
35.将隐蔽通信用户和保密通信用户的公共部分的信息合并得到公共信息；
36.将隐蔽通信用户和保密通信用户私有部分的信息分别进行编码；
37.利用步骤4得到的功率分配系数将得到的公共信息、编码后的私有部分的信息分别发送至隐蔽通信用户和保密通信用户。
38.一种基于速率分割的联合保密和隐蔽通信系统，该系统能够运行所述的方法，该方法基于设定的基站、保密通信用户、隐蔽通信用户、虚拟窃听方和虚拟监听方，包括：
39.信息获取单元，用于当前时隙，基站分别获取隐蔽通信用户、保密通信用户和虚拟窃听方的信道状态信息以及位置信息；
40.保密通信速率计算单元，用于设定基站在特定时隙与隐蔽通信用户进行隐蔽通信，且基站同时与保密通信用户进行通信；在特定时隙之外，基站向保密通信用户发送消息，且未向隐蔽通信用户发送消息，则计算保密通信用户的保密通信速率；
41.设定基站同时向保密通信用户和隐蔽通信用户发送消息，则计算此时保密通信用户的保密通信速率；
42.隐蔽通信速率计算单元，用于构建得到隐蔽通信成立的条件，进而计算得到隐蔽通信用户的隐蔽通信速率；
43.功率分配系数计算单元，用于根据得到的隐蔽通信用户的隐蔽通信速率，计算在满足保密通信，隐蔽通信以及功率限制的条件下，基站对应的功率分配系数；
44.信息传送单元，用于基站在预先约定好的时隙与隐蔽通信用户进行隐蔽通信，利用得到的功率分配系数，向隐蔽通信用户以及保密通信用户传送信息。
45.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
46.本发明提供的一种基于速率分割的联合保密和隐蔽通信方法，采用速率分割方案，利用公共信息作为对窃听方和监听方的干扰，以达到保密通信和隐蔽通信的目的；采用的速率分割方案充分地发挥了当前时隙不同需求用户在信息传输方面的作用，保密通信需求用户的信号对监听方干扰，以支持另一用户隐蔽通信需求；隐蔽通信用户的信号对窃听方干扰，以支持另一用户保密通信的需求，从而提高了基站端的功率利用率；
47.通过将合法用户信息进行分割组合，使得窃听方破解信息的难度加大，而基站选择在不同时隙发送隐蔽信息，进一步增加了监听方发现隐蔽信息的难度，提升了信号传输的安全性能。
48.综上所述，本发明以平均速率为评估指标，通过使用速率分割策略，保证用户的隐蔽通信和保密通信，同时通过对功率分配系数进行优化，以最大化信息平均速率。仿真实验证明，本发明能够合理而灵活地利用基站功率资源，相比于未采用速率分割的方案，显著提升了系统传输速率，从而提高了联合保密和隐蔽通信要求下的频带利用率。
附图说明
49.图1是本发明所涉及的simo网络联合保密和隐蔽通信传输模型；
50.图2是本发明所设计的速率分割策略示意图。
51.图3是随用户距离变化使用速率分割策略和未使用速率分割策略的平均速率的仿真图。
52.图4是随发射机功率变化使用速率分割策略和未使用速率分割策略的平均速率的仿真图。
具体实施方式
53.下面结合附图，对本发明进一步详细说明。
54.本发明提供的一种基于速率分割的联合保密和隐蔽通信方法，采用速率分割方案，利用公共信息作为对窃听方和不受信任的用户的干扰，以达到保密通信和隐蔽通信的目的。
55.如图1所示，本发明提供的一种基于速率分割的联合保密和隐蔽通信方法，设定基站alice同时服务保密通信用户bob和隐蔽通信用户carol，该基站配备n根天线，同时，该基站存在一个虚拟窃听方虚拟窃听方eve试图截获基站alice发送给保密通信用户bob的消息,以及一个虚拟监听方willie试图检测基站alice是否在向carol发送消息，并且网络中所有节点只配备单根天线。
56.具体包括以下步骤：
57.第一步，当前时隙，基站alice通过信道训练获得隐蔽通信用户carol、保密通信用户bob以及虚拟窃听方虚拟窃听方eve的信道状态信息和位置信息；
58.第二步，基站alice选择特定时隙与隐蔽通信用户carol进行隐蔽通信，且基站alice一直与保密通信用户bob进行通信；
59.在特定时隙之外，基站alice未发送隐蔽信息给隐蔽通信用户carol时，其只发送保密通信用户bob的信息；通过计算保密通信用户bob和虚拟窃听方eve处的信噪比，可得到各自的信道容量，并进行对比从而得到保密通信用户bob处的保密通信速率，具体为：
60.s1，基站alice发送的信号表达式如下：
61.x＝pssb＝ρspsbꢀꢀꢀ
ψ062.其中，p为发射机总功率；ψ0是指基站alice没有向隐蔽通信用户carol发送隐蔽信号；ρs是ψ0条件下的功率分配系数；sb为基站alice发送给保密通信用户bob的信息；ps为基站alice给保密通信用户bob发送信息的功率。
63.s2，保密通信用户bob和虚拟窃听方eve处的信噪比可表示如下：
64.γb＝ρsgb65.γe＝ρsge[0066][0067]
其中，γb是保密通信用户bob初的信噪比；γe是虚拟窃听方eve处的信噪比；gm为系统中m点处定义的信道增益；h
am
为基站alice到m点的信道衰落系数，服从复高斯分布；d
am
为基站alice到m点的距离；α为路径损耗指数；nm为m点的噪声,
[0068]
s3，保密通信用户bob处的保密通信速率可表示如下：
[0069]rsec
＝[log2(1 γb)-log2(1 γe)]

[0070]
其中，[x]

＝max{x,0}；
[0071]
第三步，当基站alice发送隐蔽信息给隐蔽通信用户carol，同时其也向保密通信用户发送消息；假设基站alice采用速率分割策略分别发送隐蔽通信用户carol和保密通信用户bob的信息，具体为：
[0072]
s1，将两个通信用户的信息分别分成一个公共部分和一个私有部分，也即两个用户的信息都有一个公共部分和私有部分；
[0073]
s2，基站在发送信息时，将两个通信用户的公共部分合并为公共信息w
com
，该公共信息使用两个用户共享的码本编码到公共信息s
com
中。私有部分私有信息w
p,b
和w
p,c
独立地编码为sb和sc。s
com
，sb和sc经过线性预编码后分别向保密通信用户和隐蔽通信用户发出，其表达式如下：
[0074]
x＝p
comscom
pbsb pcsc＝ρ
com
ps
com
ρbpsb ρcpscꢀꢀꢀ
ψ1[0075]
其中，p为发射机总功率；ψ1是指基站alice向隐蔽通信用户carol发送隐蔽信息；s
com
是经编码后的公共信息；sb是保密通信用户bob的私有信息部分经编码后的信息；sc是隐蔽通信用户carol的私有信息部分经编码后的信息；ρ
com
,ρb,ρc∈[0,1]且ρ
com
ρb ρc＝1，ρ
com
是ψ1条件下发射机对公共信息功率分配系数；ρb是ψ1条件下发射机对保密通信用户bob私有信息的功率分配系数；ρc是ψ1条件下发射机对隐蔽通信用户carol私有信息的功率分配系数；p
com
是发射机发射公共信息的功率；pb是发射机发射保密通信用户bob私有信息的功率；pc是发射机发射隐蔽通信用户carol私有信息的功率；
[0076]
s3，隐蔽通信用户carol(保密通信用户bob)根据s2中基站alice发出的信息，首先将私有信息sb以及sc视为噪声解码公共信息s
com
，并按发射机组合公共信息的策略，从公共信息中分离出属于隐蔽通信用户carol(保密通信用户bob)自己的部分；
[0077]
s4，隐蔽通信用户carol和保密通信用户bob通过使用连续干扰消除技术(sic)，将s3中解码的公共信息s
com
重新编码，预编码并从接收到的信号中减去，随后隐蔽通信用户carol(保密通信用户bob)将sb(sc)作为干扰信号并解码sc(sb)，最后隐蔽通信用户carol和保密通信用户bob分别将公共信息中属于自己的部分与私有信息组合得到完整信息。
[0078]
第四步，通过计算保密通信用户bob、虚拟窃听方eve以及隐蔽通信用户carol处的信噪比，可得到各自的信道容量，并得到保密通信用户bob处的保密通信速率，具体步骤如下：
[0079]
s1、通信用户处接收到的信号表达式为：
[0080][0081]
其中，h
am
为基站alice到m点的信道衰落系数，服从复高斯分布；d
am
为基站alice到m点的距离；α为路径损耗指数；nm为m点的噪声,
[0082]
s2，为确保公共消息对每个合法用户可解码，其实际传输速率应该满足条件：应该满足条件：其中，是公共消息的信道容量，并被定义为如下表达式：
[0083][0084]
其中：是保密通信用户bob处对于公共信息的信道容量；是隐蔽通信用户carol处对于公共信息的信道容量。
[0085]
s3，对于虚拟窃听方eve，应该满足此条件，其中，表示基站alice和虚拟窃听方eve之间对于公共信息的信道容量，这样消息w
com
就不能在虚拟窃听方eve处被解码，然后w
com
就可以作为其噪声进行干扰，表达式为：
[0086][0087]
s4、隐蔽通信用户carol、保密通信用户bob以及虚拟窃听方eve处对于公共信息信噪比的表示式分别为：
[0088][0089][0090][0091]
s5、通信用户隐蔽通信用户carol和保密通信用户bob可使用sic将公共信息的干扰消除，故隐蔽通信用户carol、保密通信用户bob以及虚拟窃听方eve处对于私有信息信噪比的表示式分别为：
[0092][0093][0094][0095]
其中，为系统中m点处定义的信道增益；
[0096]
s6，计算私有信息在保密通信用户bob和虚拟窃听方eve处的信道容量，表达式为：
[0097][0098][0099]
s7，计算保密通信用户bob处公共信息和私有信息各自的保密通信速率，表达式为：
[0100][0101][0102]
其中，k为一个常数，表示公共信息中属于保密通信用户bob的比例。
[0103]
第五步，通过对监听方willie处的接收信息功率的判断，得到隐蔽通信成立的条件，进而得到隐蔽通信速率，具体步骤如下：
[0104]
s1，在监听方willie处收到的信号表达式如下：
[0105][0106]
监听方的最终目的是判断yw是假设ψ0下的还是假设ψ1下的。监听方willie检测错误概率最小化的最优决策规则可写为：
[0107][0108]
其中，是willie在每个时隙中接收到的总功率；θ为willie的决策阈值。在ψ1情况下，即基站alice给隐蔽通信用户carol发送隐蔽信息时，若yw》θ，则willie认为存在隐蔽通信过程；同理，在ψ0情况下，即基站alice未给隐蔽通信用户carol发送隐蔽信息时，若yw《θ，则willie认为不存在隐蔽通信过程。
[0109]
s2，方便计算，定义表达式如下：
[0110][0111]
其中，其中h
aw
服从复高斯分布，则有
[0112]
s3，计算的概率密度，其服从指数分布，表达式为：
[0113][0114]
其中，
[0115]
s4，willie根据其接收到的信号功率，决定基站alice是否向隐蔽通信用户carol发送了信息。假设事件和分别表示监听方认为基站alice未向隐蔽通信用户carol发送隐蔽信息和监听方认为基站alice向隐蔽通信用户carol发送隐蔽信息。检测错误概率是衡量监听方探测性能的常用指标，它由虚警概率和漏报概率两部分加和构成。其中虚警概率定义为监听方willie在ψ0情况下倾向于的概率，漏报概率定义为willie在ψ1情况下倾向于的概率，可分别用公式表示为：
[0116][0117][0118]
s5，本文假设ψ0，ψ1发生概率相同，即发射机基站alice发送和不发送隐蔽信息的概率相同，在此假设下监听方的检测错误概率可表示为
[0119][0120]
s6，θ为监听者willie的决策阈值，则监听者误报和漏检的概率表达式为：
[0121][0122][0123]
具体计算可得表达式为：
[0124]
[0125][0126][0127]
s7，得到基站alice与隐蔽通信用户carol之间达到隐蔽通信的指标要求，其表达式为：
[0128]
当n
→
∞
[0129]
s8，在满足隐蔽通信指标后，隐蔽通信用户carol处的公共信息和私有信息的通信速率可表示为:
[0130][0131][0132]
第六步，在满足保密通信，隐蔽通信以及功率限制的条件下，对功率分配系数进行优化以获得最大的平均速率，具体步骤如下：
[0133]
s1，基站alice在每个时刻等概地给隐蔽通信用户carol发送隐蔽信息,则每个时刻的平均速率表达式为：
[0134][0135]
s2，在功率限制、隐蔽通信和信息安全条件约束下使平均速率最大化，优化问题表达式为：
[0136][0137][0138][0139][0140][0141]
0≤ρ
com
≤1,0≤ρb≤1,0≤ρc≤1,ρ
com
ρb ρc＝1
[0142]
其中，为保密通信最低速率要求，为隐蔽通信最低速率要求，为公共信息最低速率要求。
[0143]
s3，ψ0情况下的保密信息速率r
sec
，当满足gb》ge时，其是ρs的单调递增函数。因此，为了最大限度地提高平均速率，基站alice在ψ0情况下应该以最大允许的传输功率传输信息，从而使得ρs＝1。当ρs＝1时，可得：此时此时隐蔽通信的要求始终满足。
[0144]
s4，对优化问题进行数学分析，分析关于ρc的单调性，找出不同信道条件下ρc的单调区间，随后遍历ρb，根据单调性寻找不同ρb时满足约束的ρc，最后找出最大的平均速率所对应的功率分配系数ρc′
和ρ
′b。
[0145]
第七步，基站alice在预先约定好的时隙与隐蔽通信用户carol进行隐蔽通信，利用第六步中优化得到的最大的平均速率，采用速率分割策略发送隐蔽通信用户carol以及
保密通信用户bob的信息，具体步骤如下：
[0146]
s1，将隐蔽通信用户carol和保密通信用户bob的信息分别分为公共部分(w
com,c
,w
com,b
)和私有部分(w
p,c
,w
p,b
)。
[0147]
s2，将w
com,b
，w
com,c
合并到公共消息w
com
中，该消息使用两个用户共享的码本编码到公共信息s
com
中；随后私有信息w
p,b
和w
p,c
独立地编码为sb和sc，经过线性预编码后，基站alice利用第六步得到的最优功率分配系数ρc′
和ρ
′b，将信息发送出去，如下式所示：
[0148]
x＝ρ
′
com
ps
com
ρ
′bpsb ρ
′cpsc[0149]
其中，ρ
′
com
＝1-ρ
′
b-ρ
′c。
[0150]
实施例
[0151]
仿真实验验证了本专利联合保密通信和隐蔽通信的有效性和可实现性。本实施例中使用的参数如下表所示：
[0152][0153]
图3给出了对本发明方法进行计算机仿真结果，并与无速率分割方案进行了比较。此两种方法下仿真参数完全相同，图中横坐标表示基站alice与保密通信用户bob的距离dab，纵坐标表示系统遍历平均速率。从图中可见，本发明方法在不同传输距离下明显优于另一种方法；在发射机基站alice与保密需求用户保密通信用户bob距离较近时，本方案达
到的平均速率更大。
[0154]
图4给出了对本发明方法进行计算机仿真结果，并与无速率分割方案进行了比较。此两种方法下仿真参数完全相同，图中横坐标表示发射机功率p，纵坐标表示系统遍历平均速率。从图中可见，本发明方法在不同发射机功率下，明显优于另一种方法；在发射机基站alice总功率较小时，在满足保密通信和隐蔽通信的要求下，本方案达到的平均速率更大。