基于单向训练预补偿的双向跳空方法研究

陈 燕，杨雪梅，徐家品

(1.四川大学 电子信息学院，四川 成都 610065；2.四川大学 锦江学院，四川 彭山 620860)

基于单向训练预补偿的双向跳空方法研究

陈 燕1，杨雪梅2，徐家品1

(1.四川大学 电子信息学院，四川 成都 610065；2.四川大学 锦江学院，四川 彭山 620860)

为进一步解决传统0/1式跳空系统的物理层安全问题，安全通信的单向限制，同时提高系统训练效率，提出了一种基于单向训练预补偿的双向0/1式跳空方法。通信双方只需要通过一次单向训练，获取信道信息，利用此信道信息设计通信双方的预补偿系数，并对发射信号进行预补偿。接收方使用初始接收权值就可以对信号进行正确接收。最后计算出接收方和窃听方的接收信噪比和误比特率，并与预补偿反向训练0/1式跳空方法(BTM-PC)进行比较。理论分析和实验仿真表明，该方法能够有效地保障系统双向通信的安全性，提升系统的训练效率，同时在不降低合法用户的接收性能的情况下，提升系统的防窃听能力。

双向安全通信；0/1式跳空；预补偿；物理层安全

无线通信为人们带来了通信自由，却也比传统有线通信系统具有更大的安全隐患。目前无线通信中常用的物理层安全措施是跳频，但是跳频通信在实际中却存在难以克服的技术问题。0/1式跳空技术是一种利用空间谱资源[1]解决无线信道物理层安全的传输方案。该技术是在收发端均配置多根天线，发射端根据跳空图案快速切换选择一根天线进行发射，利用时刻变换的空间信道保障无线物理层的传输安全。

文献[2]提出了一种基于前向训练的0/1式跳空技术。文献[3]提出了一种权值反馈型反向训练模式下的0/1式跳空技术(BTM-WF，Backward Training Method with Weight-Feedback)。文献[5]提出了一种基于预补偿反向训练的0/1式多天线跳空技术(Backward Training Method with Pre-Compensation，BTM-PC)。以上方法在一定程度上解决了无线通信系统的物理层安全问题，但只能实现系统单向的安全通信，浪费空谱资源，并且还存在提高系统训练效率的空间。

本文针对这些问题，建立了双向0/1式跳空通信模型，提出一种基于单向训练预补偿的双向0/1式跳空方法(One-way Training Method with Pre-Compensation，OTM-PC)。该方法是利用OFDM技术进行一次单向训练，获取合法用户之间的信道信息，根据信道信息设计补偿系数。正式通信时，发送端根据跳空图案快速切换天线发射补偿后的信号。由于信道的唯一性，窃听方接收到的信号与其信道不匹配，无法正确获取信息信号。因此，该系统在保障合法用户之间正确通信的同时防止窃听方窃取信息。

1 双向0/1式跳空系统模型

无线安全传输的双向0/1式跳空模型如图1所示。Alice和Bob为合法用户，分别配有M、N根天线，同时具有无线收发功能；Eve为窃听者，配有K根天线，在通信过程中只被动接收而不主动发射信号。假设发射信号为

s(t)=s0ej(ωt+φ0)

(1)

其中，s0和φ0分别表示信号的幅度和初始相位；ω为载波频率。发射方第j根天线到接收方第i根天线之间的信道表示为hj,i=Aj,ie-jωτj,i，其中Aj,i和τi,j分别表示信道衰落系数和多径时延。

图1 双向0/1式跳空模型示意图

2 双向0/1式跳空方法

该方法的基本过程为：

(1)选择一合法用户(Alice或者Bob，两者收发地位可互换)作为训练序列发射方，所有天线同时发射已知训练符号，另一用户作为训练序列接收方，通过训练获取合法用户间的信道信息，设计双方的预补偿系数；

(2)训练序列接收方将发射方的预补偿系数反馈回去；

(3)合法用户(Alice或者Bob，两者收发地位可互换)根据跳空图案快速切换天线，对信号进行相应的预补偿，发射预补偿信号。

2.1 双向0/1式跳空的训练方法

该系统的训练方法如图2所示。

图2 双向0/1式跳空系统的训练方法示意图

假设选择Bob作为训练序列发送方，则训练时Bob的所有天线同时发送信号给Alice进行训练。发送信号为

(2)

其中，Si(t)为Bob第i根天线发送的信号；s0为已知训练符号；ωi为Bob第i根天线的载波频率。Alice接收到的信号为

(3)

(4)

0/1式跳空的通信过程示意图如3所示。正向通信时，发射方(Alice或者Bob，两者收发地位可互换)。根据跳空图案快速切换天线，选择

图3 0/1式跳空系统通信过程示意图

相应的预补偿系数对信号进行补偿。当发射方为Alice时，假设选定第j根天线发射信息信号s(t)，则发射信号X(t)=s(t)PA,j。那么Bob接收到的信号为

(5)

其中，n(t)表示加性高斯白噪声。使用相关检测，根据式(1)检测后的信号为

(6)

目标用户Bob根据接收权值对信号进行接收

(7)

因此，目标用户Bob能够正确接收到信息信号。同理，当发射方为Bob时，目标用户Alice也能够正确接收到信息信号。

3 仿真与性能分析

下面将通过理论分析及实验仿真验证基于单向训练预补偿的双向0/1式跳空跳空方法的安全性能，即保证合法用户正常双向通信，同时窃听方无法窃听信息信号。建立仿真模型，设定合法用户Alice、Bob和窃听者Eve均配有4根天线，信道采用jakes模型产生的平坦型瑞利衰落信道，信号调制方式采用QPSK调制。发送信号采用帧结构，共1 000帧，每帧为1 024 Byte。统计在不同输入信噪比情况下，OTM-PC接收方与窃听方的接收信噪比与平均误比特率，并与BTM-PC进行比较，验证其性能优越性。

3.1 OTM-PC的安全性

下面将对OTM-PC的安全性进行分析。通信过程中，当合法用户(Alice或者Bob)根据跳空图案选择第j根天线发射预补偿信号时，窃听者Eve接收到的信号为

(8)

其中，WE为窃听者Eve的接收权值；hE,j为合法用户发射方第j根天线到窃听者Eve之间的信道信息；W表示合法用户接收方的接收权值；hj表示合法用户发射方第j根天线到接收方的信道信息。

假设系统的发射信噪比为S0/N0，则合法用户的接收信噪比为(S/N)OTM=S0/(|WT|2N0)，由于仿真模型中均采用4根天线阵列，接收权值均为W=[1 1 1 1]/4，因此(S/N)OTM=4S0/N0；而窃听方的接收信噪比为(S/N)OTM_E=S0/|rE(t)-s(t)|2。

对于合法用户来说，预补偿是其正确接收的手段；而对于窃听方而言，由于预补偿系数与其信道并不匹配，预补偿是一种噪声干扰。根据图4，合法用户Bob的接收信噪比与发射输入信噪比成线性关系，并稳定提升6 dB；而对于窃听方Eve，随着发射信噪比的增加，窃听方的接收信噪比缓慢增加，并逐渐趋近-8.7 dB，始终远低于接收方，因此无法正确窃取信息。

图4 OTM-PC接收方与窃听方的接收信噪比

如图5所示，无论正向通信还是反向通信，随着信噪比的增加，接收方(Alice或Bob)的误比特率迅速降低，窃听者Eve的误比特率一直都>0.5，随着信噪比的增加，Eve的误比特率并没有降低，而是逐渐>0.75，远不如0.25的猜测正确率。因此，窃听者Eve无法正确截获信号信息，OTM-PC是能够实现双向安全通信的。

图5 OTM-PC接收方与窃听者Eve的误比特率

3.2 与BTM-PC比较

BTM-PC在正式通信前进行一次反向训练，获取与信道信息相关的预补偿系数，但为了能够正确接收，还需要进行前向训练，调整接收方Bob的接收权值。而OTM-PC模式中，只需在正式通信前进行一次单向训练，即可获取双方的预补偿系数，并将另一方的系数反馈回去，提高了系统的训练效率，充分利用了空间频谱资源。

图6 OTM-PC和BTM-PC的误比特率

同样在Alice发射Bob接收的情况下，OTM-PC和BTM-PC的接收误比特率如图6所示。可以看到，两者接收方的误比特率基本一致，随着信噪比的增加，OTM-PC接收性能有逐渐优于BTM-PC的趋势。同时两者窃听方的误比特率都>0.5，并逐渐接近于0.875，显然当信噪比一定时，OTM-PC窃听方的误比特率>BTM-PC，充分证明了OTM-PC保障合法用户正确通信的情况下，其优越的防窃听性能。

4 结束语

在频谱资源如此紧张的今天，跳空技术的研究无疑是非常有意义的。本文针对传统0/1式跳空通信的空谱资源浪费问题，以及BTM-PC存在提高训练效率的空间，提出了基于单向训练预补偿的双向0/1式跳空方法。该方法只需通过一次单向训练，即可获取通信双方之间的信道信息。通信时，发射方根据跳空图案切换天线，对信号进行相应的预补偿，而接收方使用预定的接收权值就能正确接收信号。

通过理论分析和实验仿真，并与BTM-PC进行比较，验证了该方法的可行性及其优越的安全性能。OTM-PC既能保障双向通信的安全，又解决了传统0/1式跳空技术的单向通信限制问题，同时提高了系统的训练效率。

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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

陈燕(1991-)，女，硕士研究生。研究生方向：通信与信息系统。杨雪梅(1983-)，女，讲师。研究方向：通信与信息系统。徐家品(1957-)，男，教授。研究方向：通信与信息系统。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.05.036

TN918

A

1007-7820(2017)05-131-05