CN104581960A - 一种保密中断概率约束下的多用户协作干扰功率分配方法 - Google Patents
一种保密中断概率约束下的多用户协作干扰功率分配方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN104581960A CN104581960A CN201510039032.7A CN201510039032A CN104581960A CN 104581960 A CN104581960 A CN 104581960A CN 201510039032 A CN201510039032 A CN 201510039032A CN 104581960 A CN104581960 A CN 104581960A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- user
- gamma
- alice
- distribution method
- power distribution
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
- H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
- H04B7/022—Site diversity; Macro-diversity
- H04B7/024—Co-operative use of antennas of several sites, e.g. in co-ordinated multipoint or co-operative multiple-input multiple-output [MIMO] systems
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04J—MULTIPLEX COMMUNICATION
- H04J11/00—Orthogonal multiplex systems, e.g. using WALSH codes
- H04J11/0023—Interference mitigation or co-ordination
- H04J11/0026—Interference mitigation or co-ordination of multi-user interference
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Mobile Radio Communication Systems (AREA)
Abstract
本发明公开了无线窃听信道中一种保密中断概率约束下的多用户协作干扰功率分配方法,Alice-1向期望接收端Bob发射有用信号,其余的K-1个用户发射协作干扰信号,单天线的窃听端Eve窃听Alice-1所发送的信息;发明通过优化各个干扰用户的发射功率来提高保密通信速率,从而实现无线窃听信道下的物理层安全通信。
Description
【技术领域】
本发明涉及无线通信技术领域,特别涉及无线窃听信道中一种保密中断概率约束下的多用户协作干扰功率分配方法。
【背景技术】
随着蜂窝移动通信等无线通信技术的快速发展,无线通信安全近年来引起越来越多的关注。无线通信安全问题的根源来自于电磁波的广播特性,这说明无线通信的物理层是不安全的。因此,如何从物理层保障无线通信安全是解决无线通信安全问题的关键所在。
多天线发射可以提高保密通信速率,因此,在基站端配备多天线的情况下,蜂窝移动通信系统的下行物理层安全是可以保障的。然而,蜂窝移动通信的上行过程主要是单天线用户发射,此时可以通过多用户协作来提高保密通信速率,其中最常用的方法是协作干扰。
2011年3月IEEE Transactions On Signal Processing,VOL.59,NO.3上发表的题为Optimal Cooperative Jamming to Enhance Physical Layer Security Using Relays的文章,提出了一种分布式协作干扰的方案。该方案要求协作干扰用户之间共享干扰信号。在2013年7月IEEE Transactions On Information Forensics And Security,VOL.8,NO.7上发表的题为Uncoordinated Cooperative Jamming for Secret Communications的文章,提出了一种利用多天线协作用户发射人工噪声的协作干扰方案。该方案要求协作干扰用户必须配置多天线。考虑到现实中协作用户往往仅配置单天线,并且彼此之间无法共享干扰信号,上述两种方法都不太适合于在实际中使用。
【发明内容】
本发明的目的在于提供保一种保密中断概率约束下的多用户协作干扰功率分配方法,以解决上述无线通信物理层安全方法不适用于实际蜂窝移动通信上行传输的问题。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种保密中断概率约束下的多用户协作干扰功率分配方法,采用的通信系统模型包括:K个单天线的发射用户Alice-1、Alice-2、…、Alice-K,一个单天线的期望接收端Bob和一个单天线的窃听端Eve;Alice-1与期望接收端Bob构成通信对,Alice-2,…,Alice-K作为协作干扰用户发送高斯白噪声以干扰窃听端Eve;
所述多用户协作干扰功率分配方法具体包括以下步骤:
(1)从第2个协作干扰用户Alice-2开始到第K个协作干扰用户Alice-K为止,对各个协作干扰用户的干扰功率依次进行如下搜索:对第i个协作干扰用户,以Pi,0为功率初始值,μ为步长,为终点进行搜索;其中,i=2,...,K;在每步搜索中将当前搜索的功率值P赋给Pi,...,PK,如果 则取 根据 和解得当前的A值,并根据Rs的表达式计算出此时的保密速率;找出Pi在上使得保密速率Rs取得最大值的最佳功率值Pi,opt;
其中:Pi为待确定的用户Alice-i的发射功率,且满足Pi>0;是各个协作干扰用户的功率上限;
(2)如果则以为第i+1个用户的功率搜索初始值Pi+1,0,重复步骤(1)中的搜索过程;否则进行第i+2个用户的功率搜索,直到确定出所有协作用户的发射功率。
优选的,第2个发射用户的功率初始值为0。
优选的,
其中[·]+=max{0,·}。
优选的,当 时, 当 时,
优选的,
与现有的保障无线通信安全的方法相比,本发明具有以下有益效果:本发明中协作用户彼此之间无需共享干扰信号,更符合实际通信系统中的情况;协作用户配置单天线,实现难度小且更适用于蜂窝移动通信的上行通信过程;本发明通过优化各个干扰用户的发射功率来提高保密通信速率,从而实现无线窃听信道下的物理层安全通信。另外,在无法准确知道窃听者信道状态信息的情况下,可以通过满足一定的保密中断概率约束来最大化保密传输速率。
【附图说明】
图1是本发明方法所涉及的多用户协作干扰无线窃听信道系统模型。
图2是本发明方法和传统单发单收(SISO)方法的保密速率随发射功率变化的对比曲线。
【具体实施方式】
如图1所示,本发明采用的通信系统模型包括:K个单天线的发射端,分别为Alice-1、…、Alice-K,一个单天线期望接收端Bob和一个单天线窃听端Eve,发射用户Alice-1与期望接收端Bob之间构成通信对。记hB,i为Alice-i到Bob的信道系数,hE,i表示Alice-i到Eve的信道系数,假设无线信道慢衰落,并建模为准静态瑞利衰落,hB,i和hE,i相互独立,且均服从均值为零的复高斯分布,其分布分别表示为hB,i~CN(0,ΓB,i)和hE,i~CN(0,ΓE,i),其中ΓB,i>0和ΓE,i>0,表示复高斯分布的方差,反映信道的大尺度衰落。通信过程中,固定Alice-1向Bob发射承载信息的有用信号,Alice-2,…,Alice-K发送高斯白噪声以干扰窃听端。
Alice-i所发送的信号xi(i=1,...,K)是零均值复高斯信号,且满足和其中是各个发射端的功率上限,Pi为待确定的用户Alice-i的发射功率,且满足Pi>0。此时Bob与Eve接收到的信号分别为:
和
其中,nB和nE分别为Bob和Eve接收到的加性高斯白噪声,噪声方差归一化为1。
令 则有
和
令它们的概率密度函数分别为:
和
在已知的情况下,不失一般性,我们可以假设然而,由于无法知道窃听信道需要在保密中断概率的约束下最大化保密速率。保密中断概率定义为:
Pout=Pr{CM-CW≤Rs|hB,1,...,hB,K} (7)
其中Rs表示系统的保密速率,CM和CW分别为主信道与窃听信道的信道容量,分别表示为:
设通信系统所需要满足的保密中断概率为ε(0<ε<1),利用矩母函数可求得
对 两边取对数可得 再根据A的表达式可得保密速率为:
其中[·]+=max{0,·}。
为使得Rs获得最大值,需要用到保密速率取得最大值的必要条件:
1)当 时,
2)当 时,
考虑到再根据上面条件可知,若要保密速率取得最大值,各个用户的干扰功率须满足且之间尽量平均分配。
本发明一种保密中断概率约束下的多用户协作干扰功率分配方法,具体包括以下步骤:
(1)从第2个协作干扰用户开始到第K个协作干扰用户为止,依次对协作干扰用户的干扰功率进行如下搜索:对第i个协作干扰用户,以Pi,0为功率初始值(第2个发射用户的功率初始值为0),μ为步长,Pi为终点进行搜索;在每步搜索中将当前搜索的功率值P赋给Pi,...,PK,如果 则取 根据 和解得当前的A值,并根据Rs的表达式计算出此时的保密速率;找出Pi在上使得保密速率Rs取得最大值的最佳功率值Pi,opt。
(2)如果则以为第i+1个用户的功率搜索初始值Pi+1,0,重复(1)中的搜索过程;否则进行第i+2个用户的功率搜索,直到确定出所有协作用户的发射功率。
在仿真实验中以无协作干扰的SISO系统为参考对象,选取发射用户数K=4,各个干扰用户的平均功率值为Alice-1的功率取值范围设定为0dB~20dB。中断概率ε分别取为0.01和0.1。信道参数为ΓB1=ΓB2=ΓB3=ΓB4=ΓE1=ΓE2=ΓE3=ΓE4=1。仿真中进行了1000次试验并取平均值。图2是参考方法和本发明方法所能获得的保密速率随Alice-1的发射功率值变化对比曲线。由图可见:在本发明方法中不论保密中断概率为0.01或者0.1,所获得的保密速率均明显大于SISO系统中的保密速率。
至此,技术方案与仿真结果都可以验证本发明方法在保障无线通信物理层安全传输方面的有效作用,本发明方法相较参考方法的优越性也得以体现。
Claims (6)
1.一种保密中断概率约束下的多用户协作干扰功率分配方法,其特征在于,采用的通信系统模型包括:K个单天线的发射用户Alice-1、Alice-2、…、Alice-K,一个单天线的期望接收端Bob和一个单天线的窃听端Eve;Alice-1与期望接收端Bob构成通信对,Alice-2,…,Alice-K作为协作干扰用户发送高斯白噪声以干扰窃听端Eve;
所述多用户协作干扰功率分配方法具体包括以下步骤:
(1)从第2个协作干扰用户Alice-2开始到第K个协作干扰用户Alice-K为止,对各个协作干扰用户的干扰功率依次进行如下搜索:对第i个协作干扰用户,以Pi,0为功率初始值,μ为步长,为终点进行搜索;其中,i=2,...,K;在每步搜索中将当前搜索的功率值P赋给Pi,...,PK,如果 k=i+1,i+2,...,K则取 根据 和 解得当前的A值,并根据Rs的表达式计算出此时的保密速率;找出Pi在上使得保密速率Rs取得最大值的最佳功率值Pi,opt;
其中:Pi为待确定的用户Alice-i的发射功率,且满足Pi>0;Pi是各个协作干扰用户的功率上限;
(2)如果则以为第i+1个用户的功率搜索初始值Pi+1,0,重复步骤(1)中的搜索过程;否则进行第i+2个用户的功率搜索,直到确定出所有协作用户的发射功率。
2.根据权利要求1所述的一种保密中断概率约束下的多用户协作干扰功率分配方法,其特征在于,第2个发射用户的功率初始值为0。
3.根据权利要求1所述的一种保密中断概率约束下的多用户协作干扰功率分配方法,其特征在于,
其中[·]+=max{0,·}。
4.根据权利要求3所述的一种保密中断概率约束下的多用户协作干扰功率分配方法,其特征在于,当 时, 当 时,
5.根据权利要求3所述的一种保密中断概率约束下的多用户协作干扰功率分配方法,其特征在于,
6.根据权利要求1所述的一种保密中断概率约束下的多用户协作干扰功率分配方法,其特征在于, i=2,...,K。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201510039032.7A CN104581960B (zh) | 2015-01-26 | 2015-01-26 | 一种保密中断概率约束下的多用户协作干扰功率分配方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201510039032.7A CN104581960B (zh) | 2015-01-26 | 2015-01-26 | 一种保密中断概率约束下的多用户协作干扰功率分配方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN104581960A true CN104581960A (zh) | 2015-04-29 |
CN104581960B CN104581960B (zh) | 2018-04-17 |
Family
ID=53096894
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201510039032.7A Active CN104581960B (zh) | 2015-01-26 | 2015-01-26 | 一种保密中断概率约束下的多用户协作干扰功率分配方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN104581960B (zh) |
Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105119645A (zh) * | 2015-09-15 | 2015-12-02 | 国网山东省电力公司莱芜供电公司 | Mimo系统中接收天线跳空的保密通信方法 |
CN105657698A (zh) * | 2015-12-24 | 2016-06-08 | 电子科技大学 | 多小区网络中基于协作干扰的安全传输方法 |
CN105915472A (zh) * | 2016-05-20 | 2016-08-31 | 电子科技大学 | 主信道与协作信道非理想信道估计条件下基于人工噪声的协作网络中功率分配方法 |
CN109041009A (zh) * | 2018-07-06 | 2018-12-18 | 北京科技大学 | 一种车联网上行功率分配方法及装置 |
CN109728865A (zh) * | 2018-04-19 | 2019-05-07 | 南京邮电大学 | 一种大规模天线阵中基于人工噪声的窃听编码方法 |
CN109788479A (zh) * | 2019-02-27 | 2019-05-21 | 西安交通大学 | 一种最小化保密中断概率的分布式协作干扰功率分配方法 |
CN111163464A (zh) * | 2020-01-16 | 2020-05-15 | 电子科技大学 | 一种抗随机窃听的多业务传输功率分配方法 |
CN111555836A (zh) * | 2020-04-27 | 2020-08-18 | 西安交通大学 | 一种基于多节点协作干扰阻塞的无线隐蔽通信模型及方法 |
CN112468437A (zh) * | 2020-10-22 | 2021-03-09 | 北京邮电大学 | 一种用于传输数据的方法、装置、设备以及存储介质 |
CN112822662A (zh) * | 2020-11-24 | 2021-05-18 | 西安交通大学 | 一种基于联合内容传送和干扰阻塞的d2d缓存用户安全协作方法及系统 |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103986545A (zh) * | 2014-05-09 | 2014-08-13 | 西安交通大学 | 用于simo无线通信系统的物理层安全传输方法 |
-
2015
- 2015-01-26 CN CN201510039032.7A patent/CN104581960B/zh active Active
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103986545A (zh) * | 2014-05-09 | 2014-08-13 | 西安交通大学 | 用于simo无线通信系统的物理层安全传输方法 |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
PENGCHENG MU ET AL: "A New Scheme to Improve the Secrecy Throughput under the Constraints of Secrecy Outage Probability and Average Transmit Power", 《COMMUNICATIONS WORKSHOPS (ICC), 2014 IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON》 * |
SHUANGYU LUO ET AL: "Outage Constrained Secrecy Rate Maximization Using Cooperative Jamming", 《STATISTICAL SIGNAL PROCESSING WORKSHOP (SSP), 2012 IEEE》 * |
钟艺玲等: "单发多收无线窃听信道中的自适应保密速率传输方案", 《西安交通大学学报》 * |
Cited By (16)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105119645B (zh) * | 2015-09-15 | 2018-03-30 | 国网山东省电力公司莱芜供电公司 | Mimo系统中接收天线跳空的保密通信方法 |
CN105119645A (zh) * | 2015-09-15 | 2015-12-02 | 国网山东省电力公司莱芜供电公司 | Mimo系统中接收天线跳空的保密通信方法 |
CN105657698A (zh) * | 2015-12-24 | 2016-06-08 | 电子科技大学 | 多小区网络中基于协作干扰的安全传输方法 |
CN105657698B (zh) * | 2015-12-24 | 2019-01-22 | 电子科技大学 | 多小区网络中基于协作干扰的安全传输方法 |
CN105915472A (zh) * | 2016-05-20 | 2016-08-31 | 电子科技大学 | 主信道与协作信道非理想信道估计条件下基于人工噪声的协作网络中功率分配方法 |
CN105915472B (zh) * | 2016-05-20 | 2019-02-26 | 电子科技大学 | 基于人工噪声的协作网络中功率分配方法 |
CN109728865B (zh) * | 2018-04-19 | 2022-10-04 | 南京邮电大学 | 大规模天线阵中基于人工噪声的窃听编码方法 |
CN109728865A (zh) * | 2018-04-19 | 2019-05-07 | 南京邮电大学 | 一种大规模天线阵中基于人工噪声的窃听编码方法 |
CN109041009A (zh) * | 2018-07-06 | 2018-12-18 | 北京科技大学 | 一种车联网上行功率分配方法及装置 |
CN109788479A (zh) * | 2019-02-27 | 2019-05-21 | 西安交通大学 | 一种最小化保密中断概率的分布式协作干扰功率分配方法 |
CN111163464A (zh) * | 2020-01-16 | 2020-05-15 | 电子科技大学 | 一种抗随机窃听的多业务传输功率分配方法 |
CN111555836A (zh) * | 2020-04-27 | 2020-08-18 | 西安交通大学 | 一种基于多节点协作干扰阻塞的无线隐蔽通信模型及方法 |
CN111555836B (zh) * | 2020-04-27 | 2021-12-28 | 西安交通大学 | 一种基于多节点协作干扰阻塞的无线隐蔽通信模型及方法 |
CN112468437A (zh) * | 2020-10-22 | 2021-03-09 | 北京邮电大学 | 一种用于传输数据的方法、装置、设备以及存储介质 |
CN112822662A (zh) * | 2020-11-24 | 2021-05-18 | 西安交通大学 | 一种基于联合内容传送和干扰阻塞的d2d缓存用户安全协作方法及系统 |
CN112822662B (zh) * | 2020-11-24 | 2022-05-20 | 西安交通大学 | 一种基于联合内容传送和干扰阻塞的d2d缓存用户安全协作方法及系统 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN104581960B (zh) | 2018-04-17 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN104581960A (zh) | 一种保密中断概率约束下的多用户协作干扰功率分配方法 | |
Elsayed et al. | When NOMA multiplexing meets symbiotic ambient backscatter communication: Outage analysis | |
CN105007578B (zh) | 5g通信系统中基于下行反馈辅助的上行安全传输方法 | |
CN105515717A (zh) | 一种基于人工噪声加扰的协同中继安全传输方法 | |
US9960880B2 (en) | Signal sending method and device | |
Bhardwaj et al. | On the performance of multihop THz wireless system over mixed channel fading with shadowing and antenna misalignment | |
CN108880734A (zh) | 量子回溯搜索优化的CCFD-Massive MIMO系统功率分配方法 | |
CN104039004A (zh) | 大规模多输入多输出系统中异构用户导频功率优化分配方法 | |
US9674846B2 (en) | Distributed multi-cell multi-user beamforming method, transmitter and relevant system | |
CN105491563A (zh) | 利用人工噪声提高miso安全通信系统安全速率的方法和系统 | |
Bhowal et al. | RIS-aided communications in indoor and outdoor environments: Performance analysis with a realistic channel model | |
CN105657698A (zh) | 多小区网络中基于协作干扰的安全传输方法 | |
Ding et al. | Ultra-dense networks: Is there a limit to spatial spectrum reuse? | |
CN110798282B (zh) | 软件无线电miso系统的人工噪声实现方法 | |
Pant et al. | Channel Capacity Analysis of Wireless System under ORA scheme over $\kappa-\mu/$ Inverse Gamma and $\eta-\mu/$ Inverse Gamma Composite Fading Models | |
Li et al. | Secure communications via sending artificial noise by both transmitter and receiver: optimum power allocation to minimise the insecure region | |
CN104717035A (zh) | 一种基于d2d通信的蜂窝网络的干扰对齐方法 | |
Li et al. | Spectral efficiency analysis of Uplink cell-free massive MIMO Symbiotic Radio | |
Ghadi et al. | RIS-aided secure communications over Fisher-Snedecor F fading channels | |
Zhao et al. | Analysis on Human Blockage Path Loss and Shadow Fading in Millimeter‐Wave Band | |
Azzahra | NOMA signal transmission over millimeter-wave frequency for backbone network in HAPS with MIMO antenna | |
Ermolova et al. | Performance Analysis of Communication Systems over Generalized alpha-lambda-eta-µ Fading Radio Channels | |
Rizi et al. | Effective Rate Analysis of MISO Wireless Communication Systems over EGK Fading Channels | |
Zeng et al. | Physical Layer Security for CRNs over Beaulieu‐Xie Fading Channels | |
Georgiou | Polarized rician fading models for performance analysis in cellular networks |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |