CN105515717A - 一种基于人工噪声加扰的协同中继安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明中的基于人工噪声加扰的协同中继安全传输方法，将整个传输过程分两个时隙完成，在第一时隙，信源将融合人工噪声的有用信息广播至中继和窃听者，广播前分别利用信源到中继信道的零空间正交基对人工噪声进行预编码，利用最大比发送策略对有用信息进行预编码；在第二时隙，中继对接收信息进行解码转发，同时，信源发送人工噪声干扰窃听者的接收，本发明中，由于对窃听者在两个传输时隙都进行加扰，可以有效地降低窃听者的接收信干噪比，从而提高系统安全性能，保障信息的安全传输，另外，为了提高系统功率利用率，通过计算出系统最优功率分配因子，可以通过对功率进行设定，从而以最低的功耗取得最优的系统安全性能。

Description

一种基于人工噪声加扰的协同中继安全传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信及物理层安全领域，特别涉及一种基于人工噪声加扰的协同中继安全传输方法。

背景技术

近年来，由于移动互联网的快速普及，对无线通信网络的性能要求和服务质量进一步提高。由于具有提升网络容量、信号覆盖率及发送功率利用率等优势，协同中继已作为未来无线通信网络的一种关键技术而备受关注。然而，协同中继系统中节点数多，网络结构复杂，开放性强，使得安全性问题更加复杂。并且，由于当前迅速提升的计算能力和无线信道的广播特性可能导致的窃听者对传输网络的窃听，位于开放式系统互联参考模型上层的传统密码学可能在某些高安全性要求的环境下面临窘境，因此，通过充分利用无线通信网络的物理特性(如空间特性和时变特性)来保障网络安全传输的物理层安全技术已经成为研究的热点。

为了利用协同中继系统复杂的信道空间特性，基于多天线的协作干扰通过控制干扰信号的波束方向和利用空域阵列增益和分集增益，在保障了信息传输安全的同时又改善了保密信号的传输性能。协作干扰是一种利用人工干扰信号干扰窃听节点接收保密信号的技术，目的是降低窃听节点的信干噪比，从而提高系统安全性能。协作干扰技术中的人工干扰信号一般可分为四种：①高斯噪声；②目的节点已知的干扰信号；③所有节点都已知的公共码本中的随机码本；④其他合法目的节点所需的有用信号。本发明采用高斯信号作为人工干扰信号，以提高系统的可实现度。

按照发送干扰的节点类型，人工干扰又分为：中继节点人工干扰、友好节点人工干扰、源节点人工干扰和目的节点人工干扰。在具有被动窃听节点的较为实际的协同中继通信场景中，发送端通常难以获得完全的窃听者信道状态信息，无法运用基于窃听者信道状态信息的协作波束形成等技术提升系统安全性能。

发明内容

本发明针对协同中继系统两跳传输中存在窃听者的系统安全问题，提供了一种能够有效干扰窃听者，以保证系统的安全传输的基于人工噪声加扰的协同中继安全传输方法。

本发明的实施例公开了一种人工噪声加扰的协同中继安全传输方案，该方法基于一个通信系统，所述通信系统的结构包括四个节点：分别是信源、信宿、可信中继和窃听者，其中，信源和信宿分别配置N_S和N_D根天线，中继和窃听者都是单天线，由于信源和信宿相距较远不存在直达路径，所述通信系统中各个信道都采用瑞利衰落信道，所述协同中继安全传输方法分为第一时隙和第二时隙完成安全通信，在所述第一时隙中，信源利用与中继的信道状态信息进行人工噪声辅助预编码并以最大比合并方式传输，中继和窃听者接收信源信息；在所述第二时隙中，中继采用解码转发协议转发保密信息，同时，信源发送人工噪声干扰窃听者，信宿和窃听者采用最大比合并接收信号，具体步骤如下：

1)所述第一时隙中，信源对发送信息进行预编码，编码后的信号表示为维数为N_S×1的向量：x_s＝w₁x₁+W₂v₁，其中，N_S为信源的天线数，x₁表示保密信号，为零均值单位方差的复高斯信号，v₁表示人工噪声干扰，为(N_S-1)×1的复高斯随机向量，且方差为W₂表示信源到中继的信道系数h_sr(N_S×1向量)的零空间正交基，是维数为N_S×(N_S-1)的向量，干扰信号仅会干扰窃听者而不会干扰中继，信源采用最大比发送策略对保密信号进行预编码，即w₁＝h_sr/||h_sr||，其中，||·||表示对向量求2-范数；

2)设定所述通信系统总的发送功率为P，中继接收信源信号：α表示用于保密信号的发送功率与总发送功率之比，n_r表示中继接收的零均值单位方差的高斯白噪声，窃听者接收信号：其中，n_e1表示窃听者在第一时隙接收的零均值单位方差的高斯白噪声，g_se1表示第一时隙信源到窃听者的信道系数，为N_S×1的向量，上标H表示对向量求共轭转置；

3)所述第二时隙中，中继采用解码转发协议转发来自信源的信息，同时，信源发送人工噪声干扰窃听者；信宿采用最大比合并技术合并来自中继的信号：其中，β表示中继的发送功率与总发送功率之比，h_rd表示中继到信宿的信道系数，为1×N_D的向量，N_D为信宿的天线数，x₂表示中继转发的零均值单位方差的复高斯信号，n_d表示信宿接收的零均值单位方差的高斯白噪声，窃听者的接收信号为：其中，g_re表示中继到窃听者的信道系数，g_se2表示第二时隙信源到窃听者的信道系数，为N_S×1的向量，v₂表示人工噪声干扰，为(N_S-1)×1的复高斯随机向量，且方差为n_e2表示窃听者在第二时隙接收的零均值单位方差的高斯白噪声，窃听者采用最大比合并技术合并两个时隙的接收信号；

4)计算信宿和窃听者的接收信噪比如下：

γ_d＝min{αP||h_sr||²,P_r||h_rd||²}

γ_e＝γ_e1+γ_e2

其中，min{x,y}表示求x和y中的最小值，和

${\mathrm{\γ}}_{e2}=\frac{P_r{\left|g_{re}\right|}^2}{\frac{1-\mathrm{\β}}{N_S-1}P\left|\right|g_{se2}^H{W}_2|{|}^2+1};$

5)计算系统最优功率分配因子以提高系统功率利用率如下：

将系统的安全容量表示为其中，max{x,y}表

示求x和y中的最大值；对安全容量求均值，并利用不等式关系可得到

系统遍历可达安全速率为

$E\[C_s\]\≥{\stackrel{\‾}{C}}_s=max\{E\[\frac{1}{2}{\log }_2(1+{\mathrm{\γ}}_d)\]-E\[\frac{1}{2}{\log }_2(1+{\mathrm{\γ}}_e)\],0\}$

其中，E[·]表示求均值，进一步利用詹森不等式，可以得到遍历可达安

全速率的上下界分别为

${\stackrel{\‾}{C}}_s\≤max\{E\[\frac{1}{2}{\log }_2(1+{\mathrm{\γ}}_d)\]-E\[\frac{1}{2}{\log }_2(1+e^{E\[{\mathrm{ln\γ}}_{e1}\]}+e^{E\[{\mathrm{ln\γ}}_{e2}\]})\],0\}$

${\stackrel{\‾}{C}}_s\≥max\{E\[\frac{1}{2}{\log }_2(1+{\mathrm{\γ}}_d)\]-E\[\frac{1}{2}{\log }_2(1+E\[{\mathrm{\γ}}_{e1}\]+E\[{\mathrm{\γ}}_{e2}\])\],0\}$

对遍历可达安全容量在信源和信宿天线数较大的情况下进行分析，并得到遍历可达安全速率的上界为：

其中，C表示Euler常数；

通过对上述不等式右边求偏导，可得到能使遍历可达安全速率获得最

大值的最优的功率分配因子α和β，由下列关系式给出：

当满足2e^-C-N+2Pe^-C+2NP²e^-C≤0时，

α^*＝β^*＝1

当满足2e^-C-N+2Pe^-C+2NP²e^-C>0时，

${\mathrm{\α}}^{*}={\mathrm{\β}}^{*}=\frac{-N(1+P)+\sqrt{2e^{-C}N(1+P)(1-2e^{-C}+N+NP)}}{NP(2e^{-C}-1)}$

本发明中的基于人工噪声加扰的协同中继安全传输方法，发明中的基于人工噪声加扰的协同中继安全传输方法，将整个传输过程分两个时隙完成，在第一时隙，信源将融合人工噪声的有用信息广播至中继和窃听者，广播前分别利用信源到中继信道的零空间正交基对人工噪声进行预编码，利用最大比发送策略对有用信息进行预编码；在第二时隙，中继对接收信息进行解码转发，同时，信源发送人工噪声干扰窃听者的接收，本发明中，由于对窃听者在两个传输时隙都进行加扰，可以有效地降低窃听者的接收信干噪比，从而提高系统安全性能，保障信息的安全传输，进一步的性能分析表明，通过提升信源和信宿的天线数，可以进一步提高系统安全性能，另外，为了提高系统功率利用率，通过计算出系统最优功率分配因子，可以通过对功率进行设定，从而以最低的功耗取得最优的系统安全性能。

附图说明

图1是本发明中的协同中继系统安全传输方法的传输路线框图。

图2是本发明中的协同中继系统安全传输方法的通信过程及具体实施过程的流程图；

图3是本发明中的协同中继系统安全传输方法在仿真环境下(即功率分配因子α＝β＝0.5)比较所得遍历可达安全速率的上下界与仿真遍历可达安全速率的在不同的N_S和N_D下随功率P变化曲线图；

图4是本发明中的协同中继系统安全传输方法在仿真环境下(功率分配因子α＝β＝0.5)比较大天线数情况下所得遍历可达安全速率的上界与仿真遍历可达安全速率在不同的功率P下随天线数N_S＝N_D＝N的变化曲线图；

图5是本发明中的协同中继系统安全传输方法在仿真环境下(天线数N_S＝N_D＝N＝100，功率分配因子β＝0.5)比较大天线数情况下所得遍历可达安全速率的上界与仿真遍历可达安全速率在不同的功率P下随功率分配因子α的变化曲线图；

图6是本发明中的协同中继系统安全传输方法在仿真环境下(天线数N_S＝N_D＝N＝100，功率分配因子α＝0.5)比较大天线数情况下所得遍历可达安全速率的上界与仿真遍历可达安全速率在不同的功率P下随功率分配因子β的变化曲线图；

图7是本发明中的协同中继系统安全传输方法在仿真环境下(功率分配因子α＝β＝0.5)遍历可达安全速率在不同的功率P下随天线数N_S＝N_D＝N的变化曲线图。

具体实施方式

如图1所示，图中通信系统包括四个节点，分别是信源、信宿、可信中继和窃听者，其中，信源和信宿分别配置N_S和N_D根天线，中继和窃听者都是单天线，且窃听者是被动的，即不会主动向合法节点发送信号，同时，考虑信源和信宿相距较远，不存在直达路径，系统中各个信道都采用瑞利衰落信道。

如图2所示，本发明中的协同中继安全传输方法分为第一时隙和第二时隙完成安全通信，在第一时隙中，信源利用与中继的信道状态信息进行人工噪声辅助预编码并以最大比合并方式传输，中继和窃听者接收信源信息；在第二时隙中，中继采用解码转发协议转发保密信息，同时，信源发送人工噪声干扰窃听者，信宿和窃听者采用最大比合并接收信号，具体步骤如下：

1)第一时隙中，信源对发送信息进行预编码，编码后的信号表示为维数为N_S×1的向量：x_s＝w₁x₁+W₂v₁，其中，N_S为信源的天线数，x₁表示保密信号，为零均值单位方差的复高斯信号，v₁表示人工噪声干扰，为(N_S-1)×1的复高斯随机向量，且方差为W₂表示信源到中继的信道系数h_sr(N_S×1向量)的零空间正交基，是维数为N_S×(N_S-1)的向量，干扰信号仅会干扰窃听者而不会干扰中继，信源采用最大比发送策略对保密信号进行预编码，即

w₁＝h_sr/||h_sr||，其中，||·||表示对向量求2-范数；

2)设定所述通信系统总的发送功率为P，中继接收信源信号：α表示用于保密信号的发送功率与总发送功率之比，n_r表示中继接收的零均值单位方差的高斯白噪声，窃听者接收信号：其中，n_e1表示窃听者在第一时隙接收的零均值单位方差的高斯白噪声，g_se1表示第一时隙信源到窃听者的信道系数，为N_S×1的向量，上标H表示对向量求共轭转置；

3)所述第二时隙中，中继采用解码转发协议转发来自信源的信息，同时，信源发送人工噪声干扰窃听者；信宿采用最大比合并技术合并来自中继的信号：其中，β表示中继的发送功率与总发送功率之比，h_rd表示中继到信宿的信道系数，为1×N_D的向量，N_D为信宿的天线数，x₂表示中继转发的零均值单位方差的复高斯信号，n_d表示信宿接收的零均值单位方差的高斯白噪声，窃听者的接收信号为：其中，g_re表示中继到窃听者的信道系数，g_se2表示第二时隙信源到窃听者的信道系数，为N_S×1的向量，v₂表示人工噪声干扰，为(N_S-1)×1的复高斯随机向量，且方差为n_e2表示窃听者在第二时隙接收的零均值单位方差的高斯白噪声，窃听者采用最大比合并技术合并两个时隙的接收信号。

4)计算信宿和窃听者的接收信噪比如下：

γ_d＝min{αP||h_sr||²,P_r||h_rd||²}

γ_e＝γ_e1+γ_e2

其中，min{x,y}表示求x和y中的最小值，和

${\mathrm{\γ}}_{e2}=\frac{P_r{\left|g_{re}\right|}^2}{\frac{1-\mathrm{\β}}{N_S-1}P\left|\right|g_{se2}^H{W}_2|{|}^2+1};$

5)计算系统最优功率分配因子以提高系统功率利用率如下：

将系统的安全容量表示为其中，max{x,y}表示求x和y中的最大值；对安全容量求均值，并利用不等式关系可得到系统遍历可达安全速率为

$E\[C_s\]\≥{\stackrel{\‾}{C}}_s=max\{E\[\frac{1}{2}{\log }_2(1+{\mathrm{\γ}}_d)\]-E\[\frac{1}{2}{\log }_2(1+{\mathrm{\γ}}_e)\],0\}$

其中，E[·]表示求均值，进一步利用詹森不等式，可以得到遍历可达安全速率的上下界分别为

${\stackrel{\‾}{C}}_s\≤max\{E\[\frac{1}{2}{\log }_2(1+{\mathrm{\γ}}_d)\]-E\[\frac{1}{2}{\log }_2(1+e^{E\[{\mathrm{ln\γ}}_{e1}\]}+e^{E\[{\mathrm{ln\γ}}_{e2}\]})\],0\}$

${\stackrel{\‾}{C}}_s\≥max\{E\[\frac{1}{2}{\log }_2(1+{\mathrm{\γ}}_d)\]-E\[\frac{1}{2}{\log }_2(1+E\[{\mathrm{\γ}}_{e1}\]+E\[{\mathrm{\γ}}_{e2}\])\],0\}$

对遍历可达安全容量在信源和信宿天线数较大的情况下进行分析，并得到遍历可达安全速率的上界为：

其中，C表示Euler常数；

通过对上述不等式右边求偏导，可得到能使遍历可达安全速率获得最

大值的最优的功率分配因子α和β，由下列关系式给出：

当满足2e^-C-N+2Pe^-C+2NP²e^-C≤0时，

α^*＝β^*＝1

当满足2e^-C-N+2Pe^-C+2NP²e^-C>0时，

${\mathrm{\α}}^{*}={\mathrm{\β}}^{*}=\frac{-N(1+P)+\sqrt{2e^{-C}N(1+P)(1-2e^{-C}+N+NP)}}{NP(2e^{-C}-1)}.$

如图3所示，图3给出了所得遍历可达安全速率的上下界与仿真遍历可达安全速率的在不同的N_S和N_D下随功率P变化的情况，仿真表明本发明的方案能够得到较好的安全传输性能，并且所得到遍历可达安全速率的上下界与准确值是比较接近的，并且随着天线数(N_S和N_D)的增大，近似的效果更好，安全性能也更强。

如图4所示，图4给出了大天线数情况下所得遍历可达安全速率的上界与仿真遍历可达安全速率在不同的功率P下随天线数N_S＝N_D＝N的变化情况，仿真表明本发明的方案得到上界与准确值较为接近，遍历可达安全速率随功率的增大而增大，因此，在实施天线数较大的信源和信宿系统时，通过本发明的方案，能够更加容易地调节系统参数提高系统安全性能。

图5和图6给出了大天线数情况下所得遍历可达安全速率的上界与仿真遍历可达安全速率在不同的功率P下随功率分配因子α和β的变化情况，仿真表明遍历可达安全速率随功率的增大而增大，并且存在最优的功率分配因子能够使遍历可达安全速率取得最大值。

图7给出了最优功率分配因子、所提功率分配因子和等功率分配因子(α＝β＝0.5)的仿真遍历可达安全速率在不同的功率P下随天线数N_S＝N_D＝N的变化情况，仿真表明本发明所提的功率分配因子与仿真得到的最优功率分配因子基本一致，通过本发明所提的功率分配因子，能够使系统在不同的功率下取得最优的安全性能。

本发明所采用的人工噪声辅助预编码是一种基于多天线的源节点人工噪声干扰方式，该技术在发送端窃听者信道状态信息不完全可知的情况下，源节点为了干扰窃听节点，需要在发送保密信号的同时发送人工噪声干扰信号，利用多天线的预编码技术将该干扰信号限制在主信道的零空间中，从而在干扰窃听节点的同时又能保护保密信号在目的节点的正常接收，本发明中，在信号传输的第二时隙，信源所采用的是一种单纯发送人工噪声的技术，目的用于干扰窃听者，降低窃听者的接收信干噪比，以保证中继的安全传输。

综上所述，本发明中的基于人工噪声加扰的协同中继安全传输方法，将整个传输过程分两个时隙完成，在第一时隙，信源将融合人工噪声的有用信息广播至中继和窃听者，广播前分别利用信源到中继信道的零空间正交基对人工噪声进行预编码，利用最大比发送策略对有用信息进行预编码；在第二时隙，中继对接收信息进行解码转发，同时，信源发送人工噪声干扰窃听者的接收，本发明中，由于对窃听者在两个传输时隙都进行加扰，可以有效地降低窃听者的接收信干噪比，从而提高系统安全性能，保障信

息的安全传输，进一步的性能分析表明，通过提升信源和信宿的天线数，可以进一步提高系统安全性能，另外，为了提高系统功率利用率，通过计算出系统最优功率分配因子，可以通过对功率进行设定，从而以最低的功耗取得最优的系统安全性能。

上述仅为本发明的一个具体实施例，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (1)

1.一种基于人工噪声加扰的协同中继安全传输方法，其特征在于：该方法基于一个通信系统，所述通信系统的结构包括四个节点：分别是信源、信宿、可信中继和窃听者，其中，信源和信宿分别配置N_S和N_D根天线，中继和窃听者都是单天线，由于信源和信宿相距较远不存在直达路径，所述通信系统中各个信道都采用瑞利衰落信道，所述协同中继安全传输方法分为第一时隙和第二时隙完成安全通信，在所述第一时隙中，信源利用与中继的信道状态信息进行人工噪声辅助预编码并以最大比合并方式传输，中继和窃听者接收信源信息；在所述第二时隙中，中继采用解码转发协议转发保密信息，同时，信源发送人工噪声干扰窃听者，信宿和窃听者采用最大比合并接收信号，具体步骤如下：

1)所述第一时隙中，信源对发送信息进行预编码，编码后的信号表示为维数为N_S×1的向量：x_s＝w₁x₁+W₂v₁，其中，N_S为信源的天线数，x₁表示保密信号，为零均值单位方差的复高斯信号，v₁表示人工噪声干扰，为(N_S-1)×1的复高斯随机向量，且方差为W₂表示信源到中继的信道系数h_sr(N_S×1向量)的零空间正交基，是维数为N_S×(N_S-1)的向量，干扰信号仅会干扰窃听者而不会干扰中继，信源采用最大比发送策略对保密信号进行预编码，即w₁＝h_sr/||h_sr||，其中，||·||表示对向量求2-范数；

2)设定所述通信系统总的发送功率为P，中继接收信源信号：α表示用于保密信号的发送功率与总发送功率之比，n_r表示中继接收的零均值单位方差的高斯白噪声，窃听者接收信号：其中，n_e1表示窃听者在第一时隙接收的零均值单位方差的高斯白噪声，g_se1表示第一时隙信源到窃听者的信道系数，为N_S×1的向量，上标H表示对向量求共轭转置；

3)所述第二时隙中，中继采用解码转发协议转发来自信源的信息，同时，信源发送人工噪声干扰窃听者；信宿采用最大比合并技术合并来自中继的信号：其中，β表示中继的发送功率与总发送功率之比，h_rd表示中继到信宿的信道系数，为1×N_D的向量，N_D为信宿的天线数，x₂表示中继转发的零均值单位方差的复高斯信号，n_d表示信宿接收的零均值单位方差的高斯白噪声，窃听者的接收信号为：其中，g_re表示中继到窃听者的信道系数，g_se2表示第二时隙信源到窃听者的信道系数，为N_S×1的向量，v₂表示人工噪声干扰，为(N_S-1)×1的复高斯随机向量，且方差为n_e2表示窃听者在第二时隙接收的零均值单位方差的高斯白噪声，窃听者采用最大比合并技术合并两个时隙的接收信号。

4)计算信宿和窃听者的接收信噪比如下：

${\mathrm{\γ}}_d=min\left\{\mathrm{\α}P\right|\left|h_{sr}\right|{|}^2,P_r\left|\right|h_{rd}\left|{|}^2\right\}$

γ_e＝γ_e1+γ_e2

其中，min{x,y}表示求x和y中的最小值，和

${\mathrm{\γ}}_{e2}=\frac{P_r{\left|g_{re}\right|}^2}{\frac{1-\mathrm{\β}}{N_S-1}P\left|\right|g_{se2}^H{W}_2|{|}^2+1};$

5)计算系统最优功率分配因子以提高系统功率利用率如下：

将系统的安全容量表示为其中，max{x,y}表示求x和y中的最大值；对安全容量求均值，并利用不等式关系可得到系统遍历可达安全速率为

$E\[C_s\]\≥{\stackrel{\‾}{C}}_s=max\{E\[\frac{1}{2}{\log }_2(1+{\mathrm{\γ}}_d)\]-E\[\frac{1}{2}{\log }_2(1+{\mathrm{\γ}}_e)\],0\}$

其中，E[·]表示求均值，进一步利用詹森不等式，可以得到遍历可达安全速率的上下界分别为

${\stackrel{\‾}{C}}_s\≤max\{E\[\frac{1}{2}{\log }_2(1+{\mathrm{\γ}}_d)\]-E\[\frac{1}{2}{\log }_2(1+e^{E\[{\mathrm{ln\γ}}_{e1}\]}+e^{E\[{\mathrm{ln\γ}}_{e2}\]})\],0\}$

${\stackrel{\‾}{C}}_s\≥max\{E\[\frac{1}{2}{\log }_2(1+{\mathrm{\γ}}_d)\]-E\[\frac{1}{2}{\log }_2(1+E\[{\mathrm{\γ}}_{e1}\]+E\[{\mathrm{\γ}}_{e2}\])\],0\}$

对遍历可达安全容量在信源和信宿天线数较大的情况下进行分析，并得到遍历可达安全速率的上界为：

其中，C表示Euler常数；

通过对上述不等式右边求偏导，可得到能使遍历可达安全速率获得最大值的最优的功率分配因子α和β，由下列关系式给出：

当满足2e^-C-N+2Pe^-C+2NP²e^-C≤0时，

α^*＝β^*＝1

当满足2e^-C-N+2Pe^-C+2NP²e^-C>0时，

${\mathrm{\α}}^{*}={\mathrm{\β}}^{*}=\frac{-N(1+P)+\sqrt{2e^{-C}N(1+P)(1-2e^{-C}+N+NP)}}{NP(2e^{-C}-1)}.$