CN105516997A

CN105516997A - 一种物理层安全的认知中继通信方法

Info

Publication number: CN105516997A
Application number: CN201510882069.6A
Authority: CN
Inventors: 陈宏滨; 赵峰; 李春海; 常怡亮; 苗彦涛; 陈泓渊
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2015-12-06
Filing date: 2015-12-06
Publication date: 2016-04-20

Abstract

本发明公开了一种物理层安全的认知中继通信方法，所述方法包括：在第一阶段，主用户发射机向主用户接收机发送一个信息信号，同时次用户发射机向次用户接收机发送一个组合信号，它包含次用户的信息信号和人工噪声信号。在第二阶段，中继转发接收信号，主用户接收机将两个阶段的接收信号以最大比合并，消除次用户的信息信号和人工噪声信号，恢复主用户的信息信号；次用户接收机也将两个阶段的接收信号以最大比合并，消除主用户的信息信号和人工噪声信号，恢复次用户的信息信号。本发明让次用户扮演特定干扰方的角色，可以简化系统模型，在有效干扰窃听者的同时保障主用户和次用户的通信可靠性，适用于不经过数据加密的认知中继通信系统。

Description

一种物理层安全的认知中继通信方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种物理层安全的认知中继通信方法。

背景技术

认知中继通信已经成为国内外学界和工业界的关注焦点，人们已经提出很多认知中继通信方法，分析了吞吐量和中断概率等性能。无线通信媒质是开放的，任何非法用户都可能窃听到合法用户的信息，进而扰乱合法用户的正常通信。在认知中继通信系统中，非法用户可能窃听到信息信号，扰乱主用户和次用户的通信。

为了防止信息信号被窃听，人们提出了很多种物理层安全通信模型和方法，通常的做法是干扰方发送人工噪声信号去干扰非法窃听者获取合法用户的信息。在认知中继通信系统中，人们分析了非法用户窃听信息信号时的安全容量，并且提出了有特定干扰方的物理层安全通信方案。但是特定干扰方使得认知中继通信系统变得更加复杂，干扰控制变得更加困难。

发明内容

针对现有技术的状况，本发明提供一种物理层安全的认知中继通信方法，让次用户扮演特定干扰方的角色，可以简化系统模型，同时主用户更加愿意和次用户共享频带，在有效干扰窃听者的同时保障主用户和次用户的通信可靠性，适用于不经过数据加密的认知中继通信系统。

物理层安全的认知中继通信系统中有一对主用户的发射机PT和接收机PR，一对次用户的发射机ST和接收机SR，还有一个中继节点R和一个非法窃听者E。次用户和主用户共享频带，对主用户造成干扰，因此引入中继节点来提高主用户和次用户的吞吐量；另外，系统中没有特定的干扰方，次用户作为干扰方发送人工噪声信号去干扰窃听者。如图1所示，物理层安全的认知中继通信分两阶段进行：在第一阶段，主用户发射机PT向主用户接收机PR发送一个信息信号s(t)，同时次用户发射机ST向次用户接收机SR发送一个组合信号r(t)，该组合信号r(t)包含次用户的信息信号c(t)和人工噪声信号n(t)，其中α是功率分配因子。在第二阶段，中继节点R将接收信号放大转发出去，主用户接收机PR将两个阶段的接收信号以最大比合并，消除次用户的信息信号c(t)和人工噪声信号n(t)，恢复主用户的信息信号s(t)；次用户接收机SR也将两个阶段的接收信号以最大比合并，消除主用户的信息信号s(t)和人工噪声信号n(t)，恢复次用户的信息信号c(t)；由于人工噪声信号n(t)的存在，窃听者E很难窃听到信息信号，而且很难区分主用户的信息信号s(t)和次用户的信息信号c(t)。

附图说明

图1为物理层安全的认知中继通信系统示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明，如图1所示，物理层安全的认知中继通信分两阶段进行。

在第一阶段，主用户发射机PT向主用户接收机PR发送一个信息信号s(t)，同时次用户发射机ST向次用户接收机SR发送一个组合信号r(t)，它包含次用户的信息信号c(t)和人工噪声信号n(t)，其中α是功率分配因子。主用户接收机PR、次用户接收机SR、中继节点R和窃听者E的接收信号分别表示为：

x (t) = \sqrt{P_{p}} h_{p} s (t) + \sqrt{P_{s}} h_{s p} r (t) + v (t);

y (t) = \sqrt{P_{p}} h_{p s} s (t) + \sqrt{P_{s}} h_{s} r (t) + w (t);

z (t) = \sqrt{P_{p}} h_{p r} s (t) + \sqrt{P_{s}} h_{s r} r (t) + u (t);

q (t) = \sqrt{P_{p}} h_{p e} s (t) + \sqrt{P_{s}} h_{s e} r (t) + ω (t) .

其中：P_p和P_s分别是主用户发射机PT和次用户发射机ST的发射功率；h_p和h_sp分别是主用户发射机PT和次用户发射机ST到主用户接收机PR的信道系数；h_ps和h_s分别是主用户发射机PT和次用户发射机ST到次用户接收机SR的信道系数；h_pr和h_sr分别是主用户发射机PT和次用户发射机ST到中继R的信道系数；h_pe和h_se分别是主用户发射机PT和次用户发射机ST到窃听者E的信道系数；v(t)、w(t)、u(t)和ω(t)是均值为零、方差为σ²的加性高斯白噪声。

在第二阶段，中继节点R将接收信号放大转发出去，主用户接收机PR、次用户接收机SR和窃听者E的接收信号分别表示为：

d (t) = \sqrt{β} h_{r p} z (t) + δ (t);

m (t) = \sqrt{β} h_{r s} z (t) + μ (t);

b (t) = \sqrt{β} h_{r e} z (t) + ρ (t) .

其中：β是放大增益；h_rp、h_rs和h_re分别是中继R到主用户接收机PR、次用户接收机SR和窃听者E的信道系数；δ(t)、μ(t)和ρ(t)都是均值为零、方差为σ²的加性高斯白噪声。

主用户接收机PR将x(t)和d(t)以最大比合并，消除次用户的信息信号c(t)和人工噪声信号n(t)，恢复主用户的信息信号s(t)。次用户接收机SR将y(t)和m(t)以最大比合并，消除主用户的信息信号s(t)和人工噪声信号n(t)，恢复次用户的信息信号c(t)。由于人工噪声信号n(t)的存在，窃听者E很难窃听到信息信号，而且很难区分主用户的信息信号s(t)和次用户的信息信号c(t)。

Claims

1.一种物理层安全的认知中继通信方法，所述方法包括：

系统中至少分别包含一对主用户的发射机PT和接收机PR、一对次用户的发射机ST和接收机SR、一个中继节点R和一个非法窃听者E；次用户作为干扰方发送人工噪声信号去干扰窃听者；中继通信分两阶段进行：

第一阶段：主用户发射机PT向主用户接收机PR发送一个信息信号s(t)，同时次用户发射机ST向次用户接收机SR发送一个组合信号r(t)，所述组合信号r(t)包含次用户的信息信号c(t)和人工噪声信号n(t)，其中α是功率分配因子；

第二阶段：中继节点R将接收信号放大转发出去，主用户接收机PR将两个阶段的接收信号以最大比合并，消除次用户的信息信号c(t)和人工噪声信号n(t)，恢复主用户的信息信号s(t)；次用户接收机SR也将两个阶段的接收信号以最大比合并，消除主用户的信息信号s(t)和人工噪声信号n(t)，恢复次用户的信息信号c(t)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中：第一阶段主用户接收机PR的接收信号表示为第一阶段次用户接收机SR的接收信号表示为第二阶段主用户接收机PR的接收信号表示为第二阶段次用户接收机SR的接收信号表示为

m (t) = \sqrt{β} h_{r s} z (t) + μ (t);

上述数学式中：

β是放大增益；P_p和P_s分别是主用户发射机PT和次用户发射机ST的发射功率；h_p和h_sp分别是主用户发射机PT和次用户发射机ST到主用户接收机PR的信道系数；h_ps和h_s分别是主用户发射机PT和次用户发射机ST到次用户接收机SR的信道系数；h_pr和h_sr分别是主用户发射机PT和次用户发射机ST到中继R的信道系数；h_pe和h_se分别是主用户发射机PT和次用户发射机ST到窃听者E的信道系数；h_rp、h_rs和h_re分别是中继节点R到主用户接收机PR、次用户接收机SR和窃听者E的信道系数；v(t)、w(t)、u(t)、ω(t)、δ(t)、μ(t)和ρ(t)都是均值为零、方差为σ²的加性高斯白噪声。