陳 燕，楊雪梅，徐家品

(1.四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610065；2.四川大學(xué) 錦江學(xué)院，四川 彭山 620860)

基于單向訓(xùn)練預(yù)補(bǔ)償?shù)碾p向跳空方法研究

陳 燕1，楊雪梅2，徐家品1

(1.四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610065；2.四川大學(xué) 錦江學(xué)院，四川 彭山 620860)

為進(jìn)一步解決傳統(tǒng)0/1式跳空系統(tǒng)的物理層安全問題，安全通信的單向限制，同時(shí)提高系統(tǒng)訓(xùn)練效率，提出了一種基于單向訓(xùn)練預(yù)補(bǔ)償?shù)碾p向0/1式跳空方法。通信雙方只需要通過一次單向訓(xùn)練，獲取信道信息，利用此信道信息設(shè)計(jì)通信雙方的預(yù)補(bǔ)償系數(shù)，并對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償。接收方使用初始接收權(quán)值就可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行正確接收。最后計(jì)算出接收方和竊聽方的接收信噪比和誤比特率，并與預(yù)補(bǔ)償反向訓(xùn)練0/1式跳空方法(BTM-PC)進(jìn)行比較。理論分析和實(shí)驗(yàn)仿真表明，該方法能夠有效地保障系統(tǒng)雙向通信的安全性，提升系統(tǒng)的訓(xùn)練效率，同時(shí)在不降低合法用戶的接收性能的情況下，提升系統(tǒng)的防竊聽能力。

雙向安全通信；0/1式跳空；預(yù)補(bǔ)償；物理層安全

無線通信為人們帶來了通信自由，卻也比傳統(tǒng)有線通信系統(tǒng)具有更大的安全隱患。目前無線通信中常用的物理層安全措施是跳頻，但是跳頻通信在實(shí)際中卻存在難以克服的技術(shù)問題。0/1式跳空技術(shù)是一種利用空間譜資源[1]解決無線信道物理層安全的傳輸方案。該技術(shù)是在收發(fā)端均配置多根天線，發(fā)射端根據(jù)跳空?qǐng)D案快速切換選擇一根天線進(jìn)行發(fā)射，利用時(shí)刻變換的空間信道保障無線物理層的傳輸安全。

文獻(xiàn)[2]提出了一種基于前向訓(xùn)練的0/1式跳空技術(shù)。文獻(xiàn)[3]提出了一種權(quán)值反饋型反向訓(xùn)練模式下的0/1式跳空技術(shù)(BTM-WF，Backward Training Method with Weight-Feedback)。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于預(yù)補(bǔ)償反向訓(xùn)練的0/1式多天線跳空技術(shù)(Backward Training Method with Pre-Compensation，BTM-PC)。以上方法在一定程度上解決了無線通信系統(tǒng)的物理層安全問題，但只能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)單向的安全通信，浪費(fèi)空譜資源，并且還存在提高系統(tǒng)訓(xùn)練效率的空間。

本文針對(duì)這些問題，建立了雙向0/1式跳空通信模型，提出一種基于單向訓(xùn)練預(yù)補(bǔ)償?shù)碾p向0/1式跳空方法(One-way Training Method with Pre-Compensation，OTM-PC)。該方法是利用OFDM技術(shù)進(jìn)行一次單向訓(xùn)練，獲取合法用戶之間的信道信息，根據(jù)信道信息設(shè)計(jì)補(bǔ)償系數(shù)。正式通信時(shí)，發(fā)送端根據(jù)跳空?qǐng)D案快速切換天線發(fā)射補(bǔ)償后的信號(hào)。由于信道的唯一性，竊聽方接收到的信號(hào)與其信道不匹配，無法正確獲取信息信號(hào)。因此，該系統(tǒng)在保障合法用戶之間正確通信的同時(shí)防止竊聽方竊取信息。

1 雙向0/1式跳空系統(tǒng)模型

無線安全傳輸?shù)碾p向0/1式跳空模型如圖1所示。Alice和Bob為合法用戶，分別配有M、N根天線，同時(shí)具有無線收發(fā)功能；Eve為竊聽者，配有K根天線，在通信過程中只被動(dòng)接收而不主動(dòng)發(fā)射信號(hào)。假設(shè)發(fā)射信號(hào)為

s(t)=s0ej(ωt+φ0)

(1)

其中，s0和φ0分別表示信號(hào)的幅度和初始相位；ω為載波頻率。發(fā)射方第j根天線到接收方第i根天線之間的信道表示為hj,i=Aj,ie-jωτj,i，其中Aj,i和τi,j分別表示信道衰落系數(shù)和多徑時(shí)延。

圖1 雙向0/1式跳空模型示意圖

2 雙向0/1式跳空方法

該方法的基本過程為：

(1)選擇一合法用戶(Alice或者Bob，兩者收發(fā)地位可互換)作為訓(xùn)練序列發(fā)射方，所有天線同時(shí)發(fā)射已知訓(xùn)練符號(hào)，另一用戶作為訓(xùn)練序列接收方，通過訓(xùn)練獲取合法用戶間的信道信息，設(shè)計(jì)雙方的預(yù)補(bǔ)償系數(shù)；

(2)訓(xùn)練序列接收方將發(fā)射方的預(yù)補(bǔ)償系數(shù)反饋回去；

(3)合法用戶(Alice或者Bob，兩者收發(fā)地位可互換)根據(jù)跳空?qǐng)D案快速切換天線，對(duì)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)補(bǔ)償，發(fā)射預(yù)補(bǔ)償信號(hào)。

2.1 雙向0/1式跳空的訓(xùn)練方法

該系統(tǒng)的訓(xùn)練方法如圖2所示。

圖2 雙向0/1式跳空系統(tǒng)的訓(xùn)練方法示意圖

假設(shè)選擇Bob作為訓(xùn)練序列發(fā)送方，則訓(xùn)練時(shí)Bob的所有天線同時(shí)發(fā)送信號(hào)給Alice進(jìn)行訓(xùn)練。發(fā)送信號(hào)為

(2)

其中，Si(t)為Bob第i根天線發(fā)送的信號(hào)；s0為已知訓(xùn)練符號(hào)；ωi為Bob第i根天線的載波頻率。Alice接收到的信號(hào)為

(3)

(4)

0/1式跳空的通信過程示意圖如3所示。正向通信時(shí)，發(fā)射方(Alice或者Bob，兩者收發(fā)地位可互換)。根據(jù)跳空?qǐng)D案快速切換天線，選擇

圖3 0/1式跳空系統(tǒng)通信過程示意圖

相應(yīng)的預(yù)補(bǔ)償系數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)發(fā)射方為Alice時(shí)，假設(shè)選定第j根天線發(fā)射信息信號(hào)s(t)，則發(fā)射信號(hào)X(t)=s(t)PA,j。那么Bob接收到的信號(hào)為

(5)

其中，n(t)表示加性高斯白噪聲。使用相關(guān)檢測(cè)，根據(jù)式(1)檢測(cè)后的信號(hào)為

(6)

目標(biāo)用戶Bob根據(jù)接收權(quán)值對(duì)信號(hào)進(jìn)行接收

(7)

因此，目標(biāo)用戶Bob能夠正確接收到信息信號(hào)。同理，當(dāng)發(fā)射方為Bob時(shí)，目標(biāo)用戶Alice也能夠正確接收到信息信號(hào)。

3 仿真與性能分析

下面將通過理論分析及實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證基于單向訓(xùn)練預(yù)補(bǔ)償?shù)碾p向0/1式跳空跳空方法的安全性能，即保證合法用戶正常雙向通信，同時(shí)竊聽方無法竊聽信息信號(hào)。建立仿真模型，設(shè)定合法用戶Alice、Bob和竊聽者Eve均配有4根天線，信道采用jakes模型產(chǎn)生的平坦型瑞利衰落信道，信號(hào)調(diào)制方式采用QPSK調(diào)制。發(fā)送信號(hào)采用幀結(jié)構(gòu)，共1 000幀，每幀為1 024 Byte。統(tǒng)計(jì)在不同輸入信噪比情況下，OTM-PC接收方與竊聽方的接收信噪比與平均誤比特率，并與BTM-PC進(jìn)行比較，驗(yàn)證其性能優(yōu)越性。

3.1 OTM-PC的安全性

下面將對(duì)OTM-PC的安全性進(jìn)行分析。通信過程中，當(dāng)合法用戶(Alice或者Bob)根據(jù)跳空?qǐng)D案選擇第j根天線發(fā)射預(yù)補(bǔ)償信號(hào)時(shí)，竊聽者Eve接收到的信號(hào)為

(8)

其中，WE為竊聽者Eve的接收權(quán)值；hE,j為合法用戶發(fā)射方第j根天線到竊聽者Eve之間的信道信息；W表示合法用戶接收方的接收權(quán)值；hj表示合法用戶發(fā)射方第j根天線到接收方的信道信息。

假設(shè)系統(tǒng)的發(fā)射信噪比為S0/N0，則合法用戶的接收信噪比為(S/N)OTM=S0/(|WT|2N0)，由于仿真模型中均采用4根天線陣列，接收權(quán)值均為W=[1 1 1 1]/4，因此(S/N)OTM=4S0/N0；而竊聽方的接收信噪比為(S/N)OTM_E=S0/|rE(t)-s(t)|2。

對(duì)于合法用戶來說，預(yù)補(bǔ)償是其正確接收的手段；而對(duì)于竊聽方而言，由于預(yù)補(bǔ)償系數(shù)與其信道并不匹配，預(yù)補(bǔ)償是一種噪聲干擾。根據(jù)圖4，合法用戶Bob的接收信噪比與發(fā)射輸入信噪比成線性關(guān)系，并穩(wěn)定提升6 dB；而對(duì)于竊聽方Eve，隨著發(fā)射信噪比的增加，竊聽方的接收信噪比緩慢增加，并逐漸趨近-8.7 dB，始終遠(yuǎn)低于接收方，因此無法正確竊取信息。

圖4 OTM-PC接收方與竊聽方的接收信噪比

如圖5所示，無論正向通信還是反向通信，隨著信噪比的增加，接收方(Alice或Bob)的誤比特率迅速降低，竊聽者Eve的誤比特率一直都>0.5，隨著信噪比的增加，Eve的誤比特率并沒有降低，而是逐漸>0.75，遠(yuǎn)不如0.25的猜測(cè)正確率。因此，竊聽者Eve無法正確截獲信號(hào)信息，OTM-PC是能夠?qū)崿F(xiàn)雙向安全通信的。

圖5 OTM-PC接收方與竊聽者Eve的誤比特率

3.2 與BTM-PC比較

BTM-PC在正式通信前進(jìn)行一次反向訓(xùn)練，獲取與信道信息相關(guān)的預(yù)補(bǔ)償系數(shù)，但為了能夠正確接收，還需要進(jìn)行前向訓(xùn)練，調(diào)整接收方Bob的接收權(quán)值。而OTM-PC模式中，只需在正式通信前進(jìn)行一次單向訓(xùn)練，即可獲取雙方的預(yù)補(bǔ)償系數(shù)，并將另一方的系數(shù)反饋回去，提高了系統(tǒng)的訓(xùn)練效率，充分利用了空間頻譜資源。

圖6 OTM-PC和BTM-PC的誤比特率

同樣在Alice發(fā)射Bob接收的情況下，OTM-PC和BTM-PC的接收誤比特率如圖6所示?？梢钥吹?，兩者接收方的誤比特率基本一致，隨著信噪比的增加，OTM-PC接收性能有逐漸優(yōu)于BTM-PC的趨勢(shì)。同時(shí)兩者竊聽方的誤比特率都>0.5，并逐漸接近于0.875，顯然當(dāng)信噪比一定時(shí)，OTM-PC竊聽方的誤比特率>BTM-PC，充分證明了OTM-PC保障合法用戶正確通信的情況下，其優(yōu)越的防竊聽性能。

4 結(jié)束語

在頻譜資源如此緊張的今天，跳空技術(shù)的研究無疑是非常有意義的。本文針對(duì)傳統(tǒng)0/1式跳空通信的空譜資源浪費(fèi)問題，以及BTM-PC存在提高訓(xùn)練效率的空間，提出了基于單向訓(xùn)練預(yù)補(bǔ)償?shù)碾p向0/1式跳空方法。該方法只需通過一次單向訓(xùn)練，即可獲取通信雙方之間的信道信息。通信時(shí)，發(fā)射方根據(jù)跳空?qǐng)D案切換天線，對(duì)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)補(bǔ)償，而接收方使用預(yù)定的接收權(quán)值就能正確接收信號(hào)。

通過理論分析和實(shí)驗(yàn)仿真，并與BTM-PC進(jìn)行比較，驗(yàn)證了該方法的可行性及其優(yōu)越的安全性能。OTM-PC既能保障雙向通信的安全，又解決了傳統(tǒng)0/1式跳空技術(shù)的單向通信限制問題，同時(shí)提高了系統(tǒng)的訓(xùn)練效率。

[1] 穆鵬程,殷勤業(yè).空譜的描述與定義10 000個(gè)科學(xué)難題-信息科學(xué)卷[M].北京:科學(xué)出版社,2011.

[2] 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)[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2013,47(1):1-6.

[3] 殷勤業(yè),張建國,鄭通興.分布式多天線跳空收發(fā)技術(shù)(II)—權(quán)值反饋型反向訓(xùn)練模式下的0/1 式跳空技術(shù)[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2013,47(6):1-5.

[4] Zheng T,Yin Q,Zhang J.A distributed multi-antenna space hopping transceiver technique in backward training mode[C].Shanghai:Proceeding of IEEE International Conference on Signal Processing, Communication and Computing,2013.

[5] Wang Bo,Yin Qinye,Zhang Jianguo.0/1 space hopping technique using backward training method with pre-compensation[C].Lanzhou:Proceeding of IEEE International Conference on Signal Processing,Communication and Computing,2013.

[6] 李桃,徐家品.一種改進(jìn)的預(yù)補(bǔ)償反向訓(xùn)練0/1式跳空技術(shù)方法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2015,33(5):1558-1561.

[7] 朱磊,徐家品.一種改進(jìn)型的多天線加權(quán)跳空保密通信技術(shù)[J].無線電工程,2016,46(5):80-84.

[8] Zhang Weile,Gao Feifei,Yin Qinye,et al.Blind carrier frequency offset estimation for interleaved OFDMA uplink[J].IEEE Transactions on Signal Processing,2012,60(7):3616-3627.

[9] 秦威,徐家品,李桃.雙向跳空通信系統(tǒng)的物理層安全方案[J].應(yīng)用科學(xué)學(xué)報(bào),2016,34(3):263-274.

[10] Vinodhini C,Sivasankar S.Improving wireless physical layer security via co-operative techniques[C].Germany:Proceeding of IEEE International Conference on Innovations in Information,Embedded and Communication System,2015.

[11] Ju Ying,Yin Qingye,Yang Qian.Transmission focusing-a multi-antenna space hopping technique[C].Beijing:Proceeding of IEEE International Conference on Signal Processing, Communication and Computing,2015.

[12] Wang Huiming,Yin Qinye,Xia Xianggen. Distributed beamforming for physical-layer security of two-way relay networks[J].IEEE Transactions on Signal Processing,2012,60(7):3532-3545.

[13] Wu Chihyao,Lan Pangchang,Yeh Pingcheng.Practical physical layer security schemes for MIMO-OFDM systems using precoding matrix indices[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2013(9):1687-1700.

[14] 張桂華.MIMO的天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子科技,2014,27(6):82-84.

[15] 陳旭.基于MIMO系統(tǒng)的盲均衡算法研究[J].電子科技,2014,27(9):13-15.

[16] Yang Lieliang.Signal detection in antenna-hopping space-division multiple-access systems with space-shift keying modulation[J].IEEE Transactions on Signal Processing,2012,60(1):489-493.

[17] Yang J,Yu R,Zhou X,et al.An improved two-way training for discriminatory channel estimation via semiblind approach[J].IEEE Transactions on Communications,2014(8):4442-4447.

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Two-way Space Hopping Based on One-way Training with Pre-Compensation

CHEN Yan1， YANG Xuemei2，XU Jiapin1

(1.School of Electronics & Information Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China;2. School of Jinjiang, Sichuan University, Pengshan 620860, Chana)

This paper proposes a two-way 0/1 space hopping system based on the one-way training method with pre-compensation for better physical layer security and training efficiency of the system while lifting the one way limit for secure communication in the traditional 0/1 space hopping system. The communication parties gain the channel information though the one-way training, and the compensation coefficient of the communication parties is designed with the channel information to compensate the transmission signals. Then the receiver can receive the signal correctly just using the initial receiving weights. Finally, the SNR and bit error rate of the receiver and eavesdropper are calculated, and compared with 0/1 space hopping technique using backward training method with Pre-Compensation (BTM-PC). Theoretical analysis and experimental simulation show that it can ensure the security of two-way communication, improve the training efficiency of the system and the ant-eavesdropping ability of the system without reducing the receiving performance of the legitimate-users.

two-way security communication; 0/1 space hopping; pre-compensation; physical layer security

2016- 11- 17

陳燕(1991-)，女，碩士研究生。研究生方向：通信與信息系統(tǒng)。楊雪梅(1983-)，女，講師。研究方向：通信與信息系統(tǒng)。徐家品(1957-)，男，教授。研究方向：通信與信息系統(tǒng)。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.05.036

TN918

A

1007-7820(2017)05-131-05