CN104378757A

CN104378757A - 一种多中继多干扰窃听网络中保障物理层安全的方法

Info

Publication number: CN104378757A
Application number: CN201410757033.0A
Authority: CN
Inventors: 刘琚; 卢冰冰; 董郑; 陈赫; 孙国霞
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2014-12-10
Filing date: 2014-12-10
Publication date: 2015-02-25
Anticipated expiration: 2034-12-10
Also published as: CN104378757B

Abstract

针对物理层的安全通信问题，本发明一种多中继多干扰窃听网络中保障物理层安全的方法结合了波束成形和人工干扰技术方法，将中继群组分为中继转发群组和干扰群组，分别用来转发信号到目的节点和发送噪声干扰窃听者。在保证系统自由度最大的情况下，优化中继转发群组和干扰群组的波束成形向量，并且寻找最佳的中继功率分配方案，最终得出系统的最大安全容量。

Description

一种多中继多干扰窃听网络中保障物理层安全的方法

技术领域

本发明公开了一种多中继多干扰窃听网络中保障物理层安全的方法，该方法属于无线通信、信号处理技术领域。

背景技术

无线通讯的迅猛发展给人们的生活和工作带来了便利，然而随之产生的安全性问题却给用户的隐私带来了巨大的隐患。在现有的无线通信系统中，通过网络层编码技术在一定程度上实现信息的安全传输，即在发送端通过一定的信源编码和信道编码进行调制，发送后在接收端根据对应的解码技术进行解调恢复源信号。通过网络层编码技术，即使其他用户能够接收或者截取信号，由于缺少对应的解码秘钥，不能在较短的时间内解调出有用的信息，或者解密信号所需要的代价大于源信号带来的价值，从而实现信息的安全传输。然而随着计算机运算能力的迅速提高，解码所需时间也越来越短，保证信息的安全传输需要的编码技术也愈加复杂。基于此，近来提出的物理层安全技术可以有效的解决这一问题。

不同于网络层编码技术，物理层安全技术是在物理层上实现信息安全传输。1975年Wyner提出，如果发送端和窃听端之间的信道信息比发送端和接收端的信道信息差，即窃听端接收到的信号互信息小于接收端的互信息，信号就能在无线通信系统中进行安全传输。通过一定的方法，比如波束成形、人工噪声等技术，可以实现Wyner的理论。波束成形技术是通过将多个天线或者多个中继节点发送的信号集中到一个对准目的节点的方向上，即可将有用的信息最大化地传送到接收端。人工噪声技术通过发送噪声到窃听端，干扰窃听端接收的信号，从而提高系统的安全性。物理层安全方面的技术，在无线通信系统中可以作为网络层编码的辅助手段保障信息传输的安全性。

通过最近几年的研究，提出了各种各样解决物理层安全问题的方法，然而这些方法各有优缺点。本发明联合波束成形和人工噪声的方案，在集中发送功率到目的节点的同时，发送噪声到窃听端，从而在保证信息安全传输的同时最大化接收端的信噪比。

发明内容

本发明提出了一种多中继多干扰窃听网络中保障物理层安全的方法；联合波束成形技术和人工噪声技术，把中继群分为中继转发群组和干扰群组，中继转发群组运用波束成形技术将信号转发到目的节点，同时干扰群组发送噪声干扰窃听端。在未知窃听端信道状态信息的情况下，通过优化中继转发群组和干扰群组的波束成形权值，保证系统最大自由度前提下，最大化系统的安全率。

本发明的技术方案如下：

一种多中继多干扰窃听网络中保障物理层安全的方法，该方法基于一个多中继多干扰协作网络，该网络由一个源节点S，一个目的节点D，一个窃听端E和一个含有M个节点的中继群组成，每个节点均配备单根半双工天线；其中在中继群中的M个节点中取出M₁个节点作为中继转发节点用来转发信号，剩余的M₂个节点作为干扰节点来发送噪声干扰窃听端；由于信道衰落的原因，源节点与目的节点之间没有直接链路连接，需要M₁个中继转发节点来转发信号；且假设窃听端可能存在于系统的任何位置，所以假设窃听端能够与源节点和中继群直接相连；由于窃听端所在的位置是未知的，因此各个节点到窃听端的信道状态信息未知；

在该系统中，第一个时隙，信号首先由源节点S广播发送，M₁个中继转发节点收到源信号，期间由于窃听端有机会窃取信号，M₂个干扰节点发送加权的广播噪声来干扰潜在的窃听者；第二个时隙，M₁个中继转发节点经过波束成形加权后放大转发接收到的混叠了噪声的源信号给目的节点，同时为了防止信息泄露，M₂个干扰节点继续广播发送经过加权的干扰噪声来混淆可能潜在于各方面的窃听者；

在首先确保系统自由度最大的情况，在中继功率的约束下，优化中继转发节点群和干扰节点群的波束成形变量来最大化系统的保密率，然后计算最佳的中继功率分配方案继而最大化系统保密率，具体步骤如下：

步骤一、从M个中继节点里选择M₁个节点组成中继转发群组，另外选择剩余的M₂个节点组成干扰节点群，其中M₂大于1，通过信道估计获得相应的信道参数；

步骤二、设置第一个时隙中干扰群组发送信号的波束成形权值为其中[·]^T表示的是向量的转置，并设定w⁽¹⁾为单位向量；

步骤三、设置第二个时隙中干扰群组发送信号的波束成形权值为w⁽²⁾从g_J的零空间里随机选取，其中g_J为干扰节点群到目的节点之间的信道参数

g_{J} = {[g_{J_{1}}, g_{J_{2}} \cdot \cdot \cdot g_{J_{M_{1}}]}}^{T};

步骤四、设置中继转发群组的波束权值向量为设定系统总功率为ρ，从中选择源节点功率P_S，从剩余的功率中选择α(ρ-P_S)的功率分配给中继转发群组，剩余的(1-α)(ρ-P_S)功率分配给干扰节点群组；利用广义瑞利熵，求得最佳的关于α的向量v；

步骤五、将求得的w⁽¹⁾、w⁽²⁾和v代入接收端的互信息函数中，得出一个关于α的函数；

步骤六、在保证接收端的互信息大于一定的门限值γ时，利用二分法重复步骤四和步骤五，求得最小的α，在保证系统接收端互信息的情况下用最大的功率来发送干扰信号干扰窃听者，从而得出较优的系统保密率。

附图说明

图1：本发明的系统模型图；

图2：本方法的工作流程图；

图3：仿真结果图。

具体实施方式

针对物理层安全问题，本发明提出了一种多中继多干扰的联合方法。通过把中继群分为中继转发群组合干扰群组来保障接收端的信噪比同时干扰窃听端接收到的信息。在保证系统最大的自由度的前提下，通过优化中继转发群组和干扰群组的波束成形向量，并且寻找最佳的中继功率分配方案，从而得到最优的系统保密容量。

下面结合具体实施例(但不限于此例)以及附图对本发明进行进一步的说明。

如附图1所示，考虑一个多中继多干扰的窃听网络，该网络中有一个源节点S，一个中继群分为中继转发群组和一个目的节点D和一个窃听端E组成。该网络中每一个节点皆配备单天线且工作在半双工机制中。由于信号的严重衰落，源节点与目的节点之间没有直接链路来进行通信，源节点与目的节点之间信号的传输要经过中继转发的波束成形加权定向传输。源节点到中继转发群组的信道参数为中继转发群和干扰节点群之间的信道参数矩阵为中继转发群组到目的节点之间的信道参数为干扰节点群到目的节点之间的信道参数为源节点到窃听端的信道参数为f_E，中继转发群组到窃听端的信道参数为干扰群组到窃听端的信道参数为这里所有的信道均是独立同分布，且符合瑞利衰落。信号首先由源节点进行广播，源节点发送信号功率设定为P_S，第一个中继群接收到叠加了噪声n_R的信号后经过波束成形加权，即乘以波束成形向量后放大转发以发送功率P_R传送给目的节点，最终目的节点会收到混叠了噪声n_D的信号。期间，源节点发送信号时，为防止信息泄露，干扰群组广播发送单位加权为能量为P_J的噪声来干扰窃听端；同时在中继转发节点转发信号时，窃听端也有可能窃听信息，所以干扰群组再次广播单位加权为能量为P_K的噪声来防止窃听端获取有用信号。信号传输期间，所有的噪声均为平稳高斯白噪声，噪声功率为σ²。

如图2所示，该方法步骤如下：

步骤一、设定中继群总节点数M为20，设定中继转发群组数目M₁为18，干扰群组数目M₂为2。设定源节点的信号发送功率P_S为20dBW，设定系统总功率ρ为40dBW至70dBW，则中继转发群组和中继干扰群组总功率ρ-P_S为20dBW至50dBW。通过信道估计获得源节点到中继转发群的信道参数向量中继转发群组与干扰群组之间的信道参数矩阵中继转发群组到目的节点的信道参数向量干扰群组到目的节点之间的信道参数向量为和噪声功率σ²。

步骤二、由于干扰群组在第一时隙发送的噪声会引起接收端的噪声增加，影响接收端的信噪比，当M₁大于M₂的时候，通过设置中继转发波束成形向量v正交与矩阵G_RH_R可消除对接收端的噪声干扰，其中G_R＝diag(g_R)是一个对角矩阵。因此未了防止信息泄露，干扰群组发送全方位的噪声信号，其中波束成形向量w⁽¹⁾设定为单位向量。

步骤三、第二时隙中干扰群组发送的噪声同样会影响接收端的信噪比，设定w⁽²⁾正交与g_J，即w⁽²⁾从g_J的零空间里选取，因此消除对接收端接收信号信噪比的影响。

步骤四、设置中继转发群组的波束权值向量为设定系统总功率为ρ，从中选择源节点功率P_S，从剩余的功率中选择α(ρ-P_S)的功率分配给中继转发群组，剩余的(1-α)(ρ-P_S)功率分配给干扰节点群组。设定干扰群在第一时隙中发送功率为P_J，在第二时隙发送干扰总能量为P_K，由于其在两个时隙中均有干扰信号发射，所以把剩余的功率平均分配到两个时隙中，其中在中继转发群组总能量约束条件和步骤二中正交条件约束下，最大化接收端的信噪比，原问题可以表述为：

使得v^HDv＝α(ρ-P_S)和v^HG_RH_R＝0，

其中{·}^H表示共轭转置，矩阵

D = P_{S} F_{R} F_{R}^{H} + P_{J} diag {H_{R} w^{(1)}} diag {H_{R} w^{(1)}}^{H} + I_{M_{1}},

F_R＝diag{f_R}，是M₁维的单位矩阵，

R_{fg} = P_{S} G_{R} f_{R} G_{R}^{H} f_{R}^{H}, R_{gg} = G_{R} G_{R}^{H} + D / α (ρ - P_{S}) .

通过等效转换，把源问题转换广义瑞利熵问题，可以表述为：

使得

v_{1}^{H} v_{1} = 1

其中矩阵

{\tilde{R}}_{fg} = {(F^{H} DF)}^{- 1 / 2} F^{H} R_{fg} F {(F^{H} DF)}^{- 1 / 2},

矩阵

{\tilde{R}}_{gg} = {(F^{H} DF)}^{- 1 / 2} F^{H} R_{gg} F {(F^{H} DF)}^{- 1 / 2},

向量通过求解广义瑞利熵问题，可以得出最优的是矩阵的最大特征值对应的特征向量，相应的最优的

步骤五、将计算出的向量w⁽¹⁾、w⁽²⁾和v_opt代入接收端D的互信息公式中，表述为

I (S; D) = \frac{1}{2} \log (1 + \frac{P_{S} {| | v^{H} G_{R} f_{R} | |}^{2}}{P_{J} {| | v^{H} G_{R} H_{R} w^{(1)} | |}^{2} + {| | v^{H} g_{R} | |}^{2} + P_{K} {| | w^{{(2)}^{H}} g_{J} | |}^{2} + 1})

得出系统保密率是一个关于α的函数，表述为I(S；D)＝f(α)。

步骤六、在保证接收端的互信息大于一定的门限值γ时，剩余的系统功率越多的用来发送干扰，即(1-α)(ρ-P_S)越大，也就是α越小，越能够保证系统的安全性。这里优化问题变为：

使得I(S；D)≥γ

利用二分法求得此问题的解。设定α的初始区间为[l，u]，这里设定l＝0.01，u＝1，其中区间内包含合适的α。计算中间值作为一个参数到步骤四和步骤五中计算出相应的v_opt和I(S；D)。如果计算结果符合约束条件I(S；D)≥γ，则更新α的区间上界为如果计算结果不符合约束条件I(S；D)≥γ，则更新下界为重复这个过程直到区间u-l小于一个特定的比较小的值ξ，这里ξ设定为0.01。并且把最后的u记做α的值，从而得出系统的功率分配在优化过程中，由于窃听端的信道信息未知，所以

I (S; E) = \frac{1}{2} \log (1 + \frac{P_{S} {| f_{E} |}^{2}}{P_{J} {| | w^{{(1)}^{H}} q_{E} | |}^{2} + 1} + \frac{P_{S} {| | v^{H} G_{R} f_{R} | |}^{2}}{P_{J} {| | v^{H} G_{E} H_{R} w^{(1)} | |}^{2} + {| | v^{H} c_{E} | |}^{2} + P_{K} {| | w^{{(2)}^{H}} q_{E} | |}^{2} + 1})

未知，精确的系统保密容量C_S＝{I(S；D)-I(S；E)}⁺也未知，其中{a}⁺＝max{a，0}，所以在仿真过程中根据给定的信道分布信息设置随机的窃听端信道，从而得出系统的保密容量C_S。在图3中可以看出，随着中继总功率的增加，本发明所提出的方法中安全容量随之成线性增加。传统的方案中，所有的中继节点均作为转发节点，随着转发功率的提高，信息泄露的也越多，所以安全容量不随着提高。

Claims

1.一种多中继多干扰窃听网络中保障物理层安全的方法，该方法基于一个多中继多干扰协作网络，该网络由一个源节点S，一个目的节点D，一个窃听端E和一个含有M个节点的中继群组成，每个节点均配备单根半双工天线；其中在中继群中的M个节点中取出M₁个节点作为中继转发节点用来转发信号，剩余的M₂个节点作为干扰节点来发送噪声干扰窃听端；由于信道衰落的原因，源节点与目的节点之间没有直接链路连接，需要M₁个中继转发节点来转发信号；且假设窃听端可能存在于系统的任何位置，所以假设窃听端能够与源节点和中继群直接相连；由于窃听端所在的位置是未知的，因此各个节点到窃听端的信道状态信息未知；

步骤一、从M个中继节点里选择M₁个节点组成中继转发群组，另外选择剩余的M₂个节点组成干扰节点群，通过信道估计获得相应的信道参数；

步骤二、设置第一个时隙中干扰群组发送信号的波束成形权值为其中[·]^T表示的是向量的转置，并设定w⁽¹⁾为单位向量。

g_{J} = {[g_{J_{1}}, g_{J_{2}} . . . g_{J_{M_{1}}}]}^{T};