CN104581960B

CN104581960B - 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

Info

Publication number: CN104581960B
Application number: CN201510039032.7A
Authority: CN
Inventors: 穆鹏程; 钟艺玲; 胡晓燕; 殷勤业; 王慧明; 王文杰
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2015-01-26
Filing date: 2015-01-26
Publication date: 2018-04-17
Anticipated expiration: 2035-01-26
Also published as: CN104581960A

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；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。

Description

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

【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P_i，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P_i,...,P_K，如果则取根据和解得当前的A值，并根据R_s的表达式计算出此时的保密速率；找出P_i在上使得保密速率R_s取得最大值的最佳功率值P_i,opt；

其中：P_i为待确定的用户Alice-i的发射功率，且满足P_i>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P_i+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h_B,i为Alice-i到Bob的信道系数，h_E,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，h_B,i和h_E,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h_B,i～CN(0,Γ_B,i)和h_E,i～CN(0,Γ_E,i)，其中Γ_B,i>0和Γ_E,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x_i(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，P_i为待确定的用户Alice-i的发射功率，且满足P_i>0。此时Bob与Eve接收到的信号分别为：

和

其中，n_B和n_E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

此时Bob与Eve接收到的信号分别变为：

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：

P_out＝Pr{C_M-C_W≤R_s|h_B,1,...,h_B,K} (7)

其中R_s表示系统的保密速率，C_M和C_W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

其中

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R_s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P_i，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，P_i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P_i,...,P_K，如果则取根据和解得当前的A值，并根据R_s的表达式计算出此时的保密速率；找出P_i在上使得保密速率R_s取得最大值的最佳功率值P_i,opt。

(2)如果则以为第i+1个用户的功率搜索初始值P_i+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Γ_B1＝Γ_B2＝Γ_B3＝Γ_B4＝Γ_E1＝Γ_E2＝Γ_E3＝Γ_E4＝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

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：

<mrow> <msub> <mi>R</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>=</mo> <msup> <mrow> <mo>&lsqb;</mo> <mi>l</mi> <mi>o</mi> <mi>g</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>K</mi> </munderover> <msub> <mover> <mi>P</mi> <mo>~</mo> </mover> <mi>k</mi> </msub> <msub> <mover> <mi>&gamma;</mi> <mo>~</mo> </mover> <mrow> <mi>B</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub> <mover> <mi>P</mi> <mo>~</mo> </mover> <mn>1</mn> </msub> <mi>A</mi> <mo>)</mo> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mn>2</mn> </mrow> <mi>K</mi> </munderover> <msub> <mover> <mi>P</mi> <mo>~</mo> </mover> <mi>k</mi> </msub> <msub> <mover> <mi>&gamma;</mi> <mo>~</mo> </mover> <mrow> <mi>B</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&rsqb;</mo> </mrow> <mo>+</mo> </msup> </mrow>

其中[·]⁺＝max{0,·}；

(2)如果则以为第i+1个用户的功率搜索初始值P_i+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；ε为通信系统所需要满足的保密中断概率，0<ε<1；

其中，i的取值为k时，获得h_B,i为Alice-i到Bob的信道系数，Alice-i到Eve的信道系数为h_E,i，h_B,i和h_E,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h_B,i～CN(0,Γ_B,i)和h_E,i～CN(0,Γ_E,i)，其中Γ_B,i>0和Γ_E,i>0，表示复高斯分布的方差，反映信道的大尺度衰落。

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，当时，当时，

4.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，

5.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，x_i为Alice-i所发送的信号。