一种无线通信安全传输方法

1.本发明属于无线通信安全领域，特别是涉及一种无线通信安全传输方法。


背景技术：

2.随着物联网(internet of things,iot)快速发展，万物互联技术应用于各个领域，并产生显著的经济效益，在物与物、人与物之间交互信息时，网络信息安全越发成为焦点。当工业互联、规模农业、无人驾驶、车联网等新型产业不断涌现时，通信设备接入量增多，产生的数据量也在急速增长，满足用户日常需求的同时也给数据在通信网络传输的带来了更多的隐私安全威胁。
3.传统的上层密钥加密技术基于计算优势，但在量子计算机的出现后，这种计算优势受到了极大的挑战，因此也需要底层安全传输技术的支持。物理层安全(physical layer,phy)技术基于信息理论，通过各类编码技术能实现隐私数据在通信网络中的安全传输，为保障用户数据安全提供了新思路。
4.物理层安全相关研究最初只考虑信道模型中存在额外独立窃听者窃取隐私信息的情况，并且在窃听信道上建立了弱保密概念。随着6g时代到来，覆盖范围和网络异构性大幅增加，6g的安全和隐私可能会比前几代更差。因此不应局限于弱保密安全的实现，需要考虑强保密安全下的通信安全。窃听信道的合法接收者也不应该局限于一个，在复杂的无线多点网络中还存在合法接收者兼具窃听者的情况。


技术实现要素：

5.针对目前网络通信环境中信号覆盖范围和网络异构性大幅增加，存在多窃听者的情况，弱保密安全不能满足需求，需要考虑强保密下的通信安全，本发明提供一种无线通信安全传输方法，使用嵌套格码编码方案最小化窃听者的信息泄露率来达到通信系统的强保密安全，使用多用户预编码技术实现合法信道间的保密消息传输，实现通信网络中各点间的数据安全传输。
6.本发明的一种无线通信安全传输方法，包括如下步骤：
7.步骤1，信息发送者将发送给各合法接收者的信息通过嵌套格码编码成细格λ上的码字；
8.其中，所述嵌套格码包括粗格λe和细格λ，信息发送者对发送给每个合法接收者的信息，随机从粗格λe上选取一个格点作为辅助消息用于迷惑窃听者，通过一个映射函数f将要发送的信息映射到粗格λe的陪集上形成保密消息，由辅助消息和保密消息构成要发送的细格λ上的码字；
9.步骤2，信息发送者获得与合法接收者间的信道状态信息，使用迫零预编码生成预编码矩阵对发送信号进行预编码，隔离多个合法接收者之间的信号，生成最终发送信号，实现消息的保密传输；
10.步骤3，合法接收者对接收到的信号解码获得信息发送者要发送的消息；
11.其中，首先将信号量化为距离细格λ上最近的格点λ
λ
，再对λ
λ
与λe进行取模运算，对得到的估计值进行映射函数的反映射得到估计的信息发送者要发送的消息。
12.相对于现有技术，本发明方法的优点在于：本发明方法利用无线通信信道传输介质固有的随机性和合法信道与窃听信道间的差异性，使用嵌套格码编码方案最小化窃听者的信息泄露率来达到通信系统的强保密安全，同时通过使用多用户预编码技术实现合法信道间的保密消息传输，实现通信网络中各点间的数据安全传输。
附图说明
13.图1是本发明的无线通信安全传输方法的流程示意图；
14.图2是本发明的无线通信安全传输方法的一个应用场景架构示意图；
15.图3是本发明在无线通信系统中发送端处编码过程示意图；
16.图4是本发明嵌套格码编码中粗格λe和细格λ的关系示意图；
17.图5是本发明在无线通信系统中接收端处解码过程示意图。
具体实施方式
18.下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
19.本发明提供的一种无线通信安全传输方法，对发送信息使用嵌套格码编码，嵌套格码即nested lattice码，再通过使用多用户预编码技术实现合法信道间的保密消息传输，本发明方法可最小化窃听者的信息泄露率，实现通信网络中各点间的数据安全传输。
20.如图1所示，本发明的一种无线通信安全传输方法，分以下4个步骤说明。
21.步骤1：通信网络中的信息发送者需在窃听者实时窃听的情况下，充分利用通信无线信道的特征，对需要保密的信息进行编码，同时要确保网络中的合法接收者们可靠消息解码和窃听者的最小信息量获取。信息发送者和合法接收者有信道状态信息，并且考虑最坏的通信情况，窃听者不止有自己的信道状态信息还有合法接收者的信道状态信息。通信双方配置多天线可以提高网络通信编码传输的分集增益和可靠性。
22.如图2所示，信息发送者将信息m1,m2,
…mn
经编码器(encoder)编码形成信号x后发送出去，获得信息发送者到各个合法接收者i的信道矩阵hi，i＝1,2,
…
n；各合法接收者对接收的信号经解码器(decoder)解码，获得信息。
23.步骤2：信息发送者需要将要发送的信息mi通过嵌套格码编码成最后要发送的格λ上的格点xi，即每个消息需要映射到输出信号，其中n为码长，k为格的维度，r为信息传输速率，为可发送的消息数量集合。如图3所示，发送者随机从嵌套格子中的粗格λe上选取一个格点作为辅助消息来迷惑通信系统中的窃听者，将实际需要保密传输的消息通过一个映射函数f映射到粗格λe的陪集上，联合辅助消息和保密消息构成要发送的信号xi。为了确保合法接收者之间消息的保密性，还需要使用多用户预编码技术隔离要发送给多个合法接收者的信号。
24.信息发送者需要执行嵌套格码的编码操作，嵌套格码包括一个粗格λe和一个细格子λ，并且两个格子之间满足关系：如图4所示，黑色实心点为细格λ上的格点，带圆圈的黑色点为粗格λe上的格点，每个格点对应是一个码字。信息发送者随机从粗格λe上选取一个格点λ作为辅助消息来迷惑通信系统中的窃听者，来实现系统的强保密。然后将
需要保密传输的消息mi通过编码映射函数映射成粗格λe的陪集向量λm，λ/λe代表λe的陪集，然后由辅助消息λ和保密消息λm构成了要发送的码字xi＝λ+λm。本发明实施例中，发送者需要给n个合法接收者发送信息，i＝1，2，...n。
25.同时为了实现合法接收者之间消息不可窃听，还需要使用多用户预编码技术隔离要发送给多个合法接收者的信号xi，最终信息发送者生成的发送信号x用公式表示如下：
[0026][0027]
其中，w＝[w1w2…
wn]代表预编码矩阵，n对应n个合法接收者，也对应x的码长。
[0028]
在合法接收者i处接收的信号yi表示为：
[0029][0030]
其中，hi表示从发送者到合法接收者i的信道矩阵，ni是合法接收者i处的噪声。
[0031]
步骤3：信息发送者在对消息进行编码后，通过天线将信号发射出去。信号经过信道传输，受噪声的影响，可能会偏离原始发送的格点。因此合法接收者需要对接收到的信号做信号检测，通信系统中的消息合法接收者需要从接收的信号观察值中恢复出信息发送者想要发送的信息。
[0032]
合法接收者需要从接收到的信号观察中恢复出发送者想要发送的信号估计值，并且要确保合法接收者无法接收到其他接收者的信号。例如，如果信息发送者使用迫零(zero forcing，zf)预编码设计预编码矩阵，那么对应的预编码矩阵满足w＝[w1w2…
wn]＝βh
*
(h
*
h)-1
可以达到合法接收者i只能收到信号xi，得不到其他(n-1)个用户的信号，即合法接收者i得到的接收信号如下：
[0033][0034]
其中n
t
为发送者配备的天线数目，trace是指求矩阵的迹，总信道矩阵h＝[h1h2…hn
]，上角标*表示共轭转置，上角标-1表示逆矩阵。在高信噪比下，可以实现网络中各节点的通信安全。
[0035]
步骤4：为了实现可靠通信，合法接收者需要从发送信号的估计值解码出发送者想要发送的保密消息mi。如图5所示，合法接收者对发送信号的估计值做细格λ量化把量化成细格λ上距离它最近的格点，量化的定义如下：
[0036][0037]
其中‖
·
‖表示欧几里得范数，λ
λ
表示细格λ上的格点。
[0038]
进行量化后得到距离细格λ上最近的格点λ
λ
，再对λ
λ
进行取模运算modλe，能在一定错误概率下得到发送信号的估计值即：
[0039][0040]
对得到的估计值进行编码映射函数的反映射即可得到保密消息
即：
[0041][0042]
其中表示合法接收者i估计得出的发送者发送来的信息。
[0043]
除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。本发明省略了对公知组件和公知技术的描述，以避免赘述和不必要地限制本发明。上述实施例中所描述的实施方式也并不代表与本技术相一致的所有实施方式，在本发明技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性的劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种无线通信安全传输方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，信息发送者将发送给各合法接收者的信息通过嵌套格码编码成细格λ上的码字；其中，所述嵌套格码包括粗格λ
e
和细格λ，信息发送者对发送给每个合法接收者的信息，随机从粗格λ
e
上选取一个格点作为辅助消息用于迷惑窃听者，通过一个映射函数f将要发送的信息映射到粗格λ
e
的陪集上形成保密消息，由辅助消息和保密消息构成要发送的细格λ上的码字；步骤2，信息发送者获得与合法接收者间的信道状态信息，使用迫零预编码生成预编码矩阵对发送信号进行预编码，隔离多个合法接收者间的信号，生成最终发送信号；步骤3，合法接收者对接收到的信号解码获得信息发送者要发送的消息；其中，首先将信号量化为距离细格λ上最近的格点λ
λ
，再对λ
λ
与λ
e
进行取模运算，对得到的估计值进行映射函数的反映射得到估计的信息发送者要发送的消息。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤1中，设信息发送者发送给合法接收者i的信息为m
i
，对于该信息，从粗格λ
e
上随机选取一个格点λ作为辅助消息，再通过映射函数f将m
i
编码映射成粗格λ
e
的陪集向量λ
m
，则获得要发送的码字x
i
＝λ+λ
m
。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的步骤2中，设信息发送者要给n个合法接收者发送信息，先由嵌套格码编码获得发送给各合法接收者的在细格λ上的码字x
i
，i＝1,2,
…
n，n为正整数；设信息发送者获得与n个合法接收者的信道矩阵h
i
,i＝1,2,
…
n，设计迫零预编码矩阵w＝βh
*
(h
*
h)-1
，*表示共轭转置，-1表示逆矩阵，h＝[h1h2…
h
n
]；合法接收者i处收到的信号为其中，参数n
t
为信息发送者配备的天线数目，trace表示求矩阵的迹，n
i
是合法接收者i处的噪声。4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述的步骤3中，设合法接收者i接收的信号为首先做细格λ量化，得到距离细格λ上最近的格点λ
λ
，表示如下：其中，‖
·
‖表示欧几里得范数；然后，再对λ
λ
进行取模运算modλ
e
，得到发送信号的估计值再对估计值进行映射函数的反映射f-1
得到估计的信息发送者要发送来的消息

技术总结
本发明公开了一种无线通信安全传输方法，属于无线通信安全领域。本发明方法包括：信息发送者将发送给各合法接收者的信息通过嵌套格码编码成细格上的码字，其中对每个信息生成一个保密消息和辅助消息，辅助消息是随机从粗格上选取的一个格点，保密消息是通过映射函数映射到粗格的陪集上形成；再使用预编码技术隔离发送给各合法接收者的信息，生成最终发送信号；合法接收者对接收到的信号解码获得信息发送者要发送的消息。本发明方法使用嵌套格码编码方案最小化窃听者的信息泄露率来达到通信系统的强保密安全，同时通过使用多用户预编码技术实现合法信道间的保密消息传输，实现通信网络中各点间的数据安全传输。网络中各点间的数据安全传输。网络中各点间的数据安全传输。


技术研发人员：王强 张艺佳 陈镜伊 张文琦
受保护的技术使用者：北京邮电大学
技术研发日：2023.06.20
技术公布日：2023/8/6