CN105846868B - 面向物理层安全的自适应联合波束和干扰成型的传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向物理层安全的自适应联合波束和干扰成型的传输方法。该方法主要包括三个阶段：中继分类，信源广播，中继转发。在信息传输前，通过RTS/CTS机制，获得所有的信道信息及确定中继是否适合参与译码转发，中继端的CCN(central control node)求解功率约束下的最优权系数矢量。在信源广播阶段，在信源发送信息的同时，那些分类阶段出现译码错误的中继将发送一个目的端已知的取自高斯空间的噪声样本。在中继转发阶段，那些正确译码的中继将作为信息传输的媒介，译码转发源加权的信号。与此同时，干扰集合里的中继转发一个加权的干扰信号。另外，窃听者只是未经过系统鉴权的用户，所以能反馈其信道信息。本发明主要选取能正确解码的中继参与信息译码转发。

Description

面向物理层安全的自适应联合波束和干扰成型的传输方法

技术领域：

本发明涉及移动通信技术领域中的中继协作传输，特别涉及一种面向物理层安全的自适应联合波束和干扰成型的传输方法。

背景技术：

随着现代社会信息技术的蓬勃兴起，对于信息传输质量的需求越来越高。众所周知，通信质量主要从有效性、可靠性方面进行衡量。除此之外，安全性也是一种重要的衡量手段。安全性是面对人为破坏和威胁的情况下，系统的抗干扰能力的表征。近几十年来，伴随着蜂窝网络、wifi网络、认知无线电网络等网络的飞跃式发展，相对于有线网络而言，无线通信由于广播性和开放性使其更容易遭受安全的威胁，因而实现安全的无线传输技术迫在眉睫。现行的无线通信系统的安全机制主要基于OSI参考模型的网络层及其以上各层的安全协议和加密算法实现，并且假设物理层提供畅通并且无差错传输。然而在实际应用中，译码设备的快速发展，这种传统的加密技术正在遭遇前所未有的挑战。因此，如何利用无线信道的阴影衰落、路径损耗、多径等内在特性，实现物理层意义上信息的可靠传输受到大家的广泛关注。

协作中继技术由于其能够利用其他中继节点的天线能提供像多天线系统的空域自由度，而被广泛的应用到无线通信网络中。协作中继系统具有无线通信所有属性，并且具有自身的特点，使得通信范围更加广阔，而且中继分布比多天线系统更多变。目前，协作中继技术已成为第四代移动通信关键技术之一，在蜂窝网内得到了具体应用，其可以实现扩展小区覆盖，完成盲区覆盖，提升系统吞吐量，而且可以实现临时与应急网络部署等应用目标。从3GPP的Release8开始，在LTE-Advanced系统中使用协作分集技术已经实现阴影区域通信的完全覆盖。

考虑到协作中继技术的优越性，因而逐渐被运用到安全领域，实现信息的保密传输。当前的中继协作安全大致可分为三类：协作波束形成、协作干扰、混合的协作波束形成和干扰。在三种方案中，混合的协作波束和干扰方案在保密传输方面显示了优越性。在中继端利用波束形成器，尽量使信息对准目的端，与此同时，中继也可以利用干扰信号，使得窃听信道大大地恶化，提升整体的保密性能。从公开的文献来看，主要从三种协作策略解决中继系统中的安全传输问题，然而大部分现有工作均假定中继能够进行无误地译码，而这种假定是有局限性的，只有在信道条件极其好的时候才适用。针对以上问题，我们对协作中继系统物理层安全问题进行展开深入的研究，提出更符合实际传输场景的新的混合的协作波束与干扰的安全传输方法。

发明内容：

本发明的目的在于克服DF中继网络下的现有物理层安全传输方法的缺陷，提供了一种面向物理层安全的自适应联合波束和干扰成型的传输方法，与传统传输方式相比，该方法可以有效的提高传输的保密性能。

为达到上述目的，本发明通过如下的技术方案予以实现：

面向物理层安全的自适应联合波束和干扰成型的传输方法，包括以下步骤：

1)在中继分类阶段，源节点首先向通信网络中的中继节点及目的节点广播所要发送的RTS数据包，中继端确定其自身译码是否正确，自适应地进入信息和干扰集合，同时中继获得其相关信道的信道信息；

2)在信源广播阶段，信源向通信网络内广播要发送的信号，中继在分类阶段已经确定自身是否能够正确解调出信息，在信息集合里能够正确解调的那些中继参与信息的译码转发，而对于那些在干扰集合里不能够正确译码的中继，将发送一个取自高斯空间的噪声样本信号，由于噪声样本在接收端已知，所以最后接收的时候能够完全消除；

3)中继转发阶段：中继中心控制节点利用已经获得的信道信息，计算出最优的波束矢量，分配给各个中继节点，在转发过程中，信息集合转发一个加权的信息信号的时候，与此同时，干扰集合发送一个干扰波束，使得窃听端的信道进一步恶化，提高整体传输的保密性能。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，在中继分类阶段，待全部中继经过解码后，中继网络分为信息集合和干扰集合两部分。干扰集合是由不能正确解码的中继组成，信息集合是由能够正确解码的中继组成的集。只有正确解码的中继才能参与后续阶段信息的译码转发，否则这些中继将不参与后续阶段信息的转发。若该中继网络没有能够正确解码的中继，则没有中继参与需进行信息的重传。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，利用RTS/CTS机制获得相关信道的信道信息，此机制通过中继发送RTS数据包，目的端以及窃听端将反馈CTS数据包，其中，CTS数据包含相关信道的信道信息。

本发明进一步的改进在于，步骤3)，中继中心控制节点在获得相关信道的信道信息的情况下，计算出最优的波束矢量然后分配给信息中继集合和干扰中继集合的中继，信息中继集合转发有用信号，干扰集合发送干扰，降低窃听端的接收信噪比，提高系统的保密性能。

本发明进一步的改进在于，整个通信网络内，窃听端是未经过系统鉴权的未知用户，能够参与相关信道信息的反馈。

本发明进一步的改进在于，设定通信网络中包括一个信源节点S，一个目的节点D，一个窃听节点E和N个中继节点；且有h_sk为第k个中继节点的前向链路的信道状态信息，h_kd为第k个中继节点到目的端的信道状态信息，n_ij为第i个节点到第j个节点的接收机的复高斯噪声，因此，步骤2)中目的端、窃听端以及中继端的接收到的信号分别如下：

其中P_s是信源发送的功率，x为要发送的信息符号，并且E{|x|²}＝1，ν是取自高斯空间的噪声样本，K为信息集合里面的中继的数目，另外，n_sd为目的端接收机的噪声，n_se为窃听端的接收机的噪声，n_si为第i个中继端的噪声；

在信源广播阶段，目的端和窃听端的接收信噪比进而表示为：

本发明进一步的改进在于，步骤3)中目的端，窃听端接收到的信号如下：

其中，z为要发送的干扰符号，并且满足E{|z|²}＝1；ω_R为信息波束的波束矢量，ω_J为干扰波束的波束矢量，另外，h_rd为信息中继集合到目的端信道，h_re为信息集合到窃听端的信道向量，同理，h_jd为干扰中继集合到目的端信道，h_je为干扰中继集合到窃听端信道；

对上述两个阶段进行最大比合并最终得到目的端和窃听端的容量为：

其中，N₀为噪声的功率，

在步骤3)中，在中继总能量存在约束的情况下，最大化可达到的保密容量，其优化问题为以下形式：

s.t.||w||²≤P_t

其中P_t是中继的总能量，经过转化内部优化问题如下：

Tr(Z)≤ψP_t

Z≥0,ψ＞0

其中，

中继的权系数为W＝Z/ψ，这里W＝ww^H,Z＝zz^H；

其中外部优化问题如下：

s.t.τ_l≤τ≤τ_u

其中τ的变化范围为：

其中

相对于现有技术，本发明具有如下技术效果：

本发明是在DF中继网络中实现可靠的安全传输方法，该方法采用的是根据中继实际解码情况来获得最优波束矢量。在中继分类阶段，中继利用已知数据包的先验信息，确定其自身是否能够参与信息译码转发过程。与传统的中继网络能够无误解码而言，更加接近实际的工作场景；另外，本系统下，在信息和干扰波束的联合设计下获得最佳的权系数，使得整体保密性能得到提升。

附图说明：

图1为本发明面向物理层安全的自适应联合波束和干扰成型的传输方法的流程图；

图2为本发明中整个系统的传输模型框图；

图3为本发明中单发送块的模型图；

图4为仿真场景的模型图；

图5为本发明中仿真性能图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

假设通信网络中包括一个信源节点S，一个目的节点D，一个窃听节点E和N个中继节点。h_sk为第k个中继节点的前向链路的信道状态信息，h_kd为第k个中继节点到目的端的信道状态信息，n_ij为接收机的复高斯噪声。

参见图1至图3，本发明面向物理层安全的自适应联合波束和干扰成型的传输方法，包括以下步骤：

1)中继分类阶段：在发送端首先向网络中的中继节点及目的节点、窃听节点广播所要发送一个RTS(request-to-send)数据包，所有的中继估计相关信道的信道系数。在这个阶段，中继知道自身是否能够正确无误地译码出从源节点传来的信息。如果无误解码，中继划分到波束集合，否则就划分到干扰集合。考虑一种极端情况，若该中继网络没有能够正确解码的中继，则没有由中继参与的重新传输过程。另外，目的端和窃听端在接到RTS数据包之后均会反馈一个CTS(clear-to-send)数据包，使得中继知道相关信道的信息。在这里我们考虑的窃听者是系统内未经过通信许可的用户，因此会反馈其自身的相关信道信息。在中继端选定一个中继作为CCN(central control node)来集中处理得到的信道系数，在功率约束的情况下，分配最佳的权系数，提高系统的保密性能。

2)信源广播阶段：信源向通信网络内广播要发送的信号，中继在分类阶段确定自身是否能够正确解调出信息，能够正确解调的那些中继参与信息的译码转发，而对于那些不能够正确译码的中继，在该阶段将随机发送一个取自高斯空间的噪声样本信号来加强信息广播过程中的安全性。

其中，上述步骤2)中目的端，窃听端以及中继端的接收到的信号如下:

其中P_s是信源发送的功率，x为要发送的信息符号，并且E{|x|²}＝1，ν是取自高斯空间的噪声样本，K为信息集合里面的中继的数目。在信源广播阶段，目的端和窃听端的接收信噪比可表示为：

3)中继转发阶段：在信息集合转发一个加权的信息信号的时候，与此同时，干扰集合发送一个干扰波束，尽可能地使窃听端的信道进一步恶化，提高整体传输的保密性能。

其中，在中继能量存在约束的情况下，使用信息集合里信息波束和干扰集合里的干扰波束进行联合的优化，可使得整体的保密性能得到极大程度地提升。在这里若中继在中继分类阶段能够全部进行正确解码，则只进行信息波束的优化。

其中，上述步骤3)中目的端，窃听端接收到的信号如下:

其中，z为要发送的干扰符号，并且满足E{|z|²}＝1。ω_R为信息波束的波束矢量，ω_J为干扰波束的波束矢量，另外，h_rd为信息中继集合到目的端信道，h_re为信息集合到窃听端的信道向量，同理，h_jd为干扰中继集合到目的端信道，h_je为干扰中继集合到窃听端信道。对上述两个阶段进行最大比合并(MRC)最终得到目的端和窃听端的容量为：

其中，N₀为噪声的功率，

在步骤3)中，在中继总能量存在约束的情况下，最大化可达到的保密容量，其优化问题为以下形式：

s.t.||w||²≤P_t

通过转化我们将求最大化保密容量的问题转化成为两层优化问题，其中外部优化是单变量的优化，内部的优化问题是经过秩1松弛后的SDP(semi-definite programming)问题.。其中内部优化问题如下：

Tr(Z)≤ψP_t

Z≥0,ψ＞0

其中，

中继的权系数为W＝Z/ψ(ψ＞0)，这里W＝ww^H,Z＝zz^H。

其中外部优化问题如下：

s.t.τ_l≤τ≤τ_u

其中最优的波束向量可以通过外部一维的变量搜索，求解每一个SDP问题来获得。在这里通过缩小变量的范围，来减少搜索的复杂度。在这里τ的变化范围为：

其中

仿真实验和效果分析

仿真模型参数为：中继总数目N＝5，信源的发送功率P_s＝1W，接收机噪声功率N₀＝1mW,P₀为中继的总功率。信道系数包含路径损耗和小尺度衰落，K₀＝1,α＝2,d_ij为节点i到节点j之间的距离。另外，为了方便起见，设发送块时间长度T＝1。

根据上面的参数设置仿真了本发明提出的平均保密容量的性能曲线，并分别将传统波束成形及信息和干扰中继随机选择作为比较方案，从图5中能够看出本发明中面向物理层安全的自适应联合波束和干扰成型的传输方法优于其他两种现存的传输方法，能够明显提高系统的安全性能。

Claims (6)

1.面向物理层安全的自适应联合波束和干扰成型的传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在中继分类阶段，源节点首先向通信网络中的中继节点及目的节点广播所要发送的RTS数据包，中继节点确定其自身译码是否正确，自适应地信息集合和干扰集合，同时中继获得其相关信道的信道信息；

2)在信源广播阶段，信源向通信网络内广播要发送的信号，中继在分类阶段确定自身是否能够正确解调出信息，在信息集合里能够正确解调的那些中继将参与信息的译码转发，而对于在干扰集合里那些不能够正确译码的中继，将发送一个取自高斯空间的噪声样本信号，由于噪声样本在接收端已知，所以最后接收的时候能够完全消除；设定通信网络中包括一个信源节点S，一个目的节点D，一个窃听节点E和N个中继节点；且有h_sk为第k个中继节点的前向链路的信道状态信息，h_kd为第k个中继节点到目的端的信道状态信息，n_ij为第i个节点到第j个节点的接收机端的复高斯噪声，因此，步骤2)中目的端、窃听端以及中继端的接收到的信号分别如下：

其中P_s是信源发送的功率，x为要发送的信息符号，并且E{|x|²}＝1，ν是取自高斯空间的噪声样本，K为干扰集合里面中继的数目，另外，n_sd为目的端接收机的噪声，n_se为窃听端的接收机的噪声，n_si为第i个中继端的噪声；

在信源广播阶段，目的端和窃听端的接收信噪比进而表示为：

3)中继转发阶段：中继中心控制节点利用已经获得的信道信息，计算出最优的波束矢量，在该阶段分配给各个中继节点，在该阶段中，信息集合转发一个加权的信息信号的时候，与此同时，干扰集合发送一个干扰波束，使得窃听端的信道进一步恶化，提高整体传输的保密性能。

2.根据权利要求1所述的面向物理层安全的自适应联合波束和干扰成型的传输方法，其特征在于，步骤1)中，在中继分类阶段，待全部中继经过解码后，中继网络分为信息集合和干扰集合两部分，干扰集合是由不能正确解码的中继组成，信息集合是由能够正确解码的中继组成的集合，只有正确解码的中继才能参与后续阶段信息的译码转发，否则该中继将不参与后续阶段信息的转发，若该中继网络没有能够正确解码的中继，则没有中继参与，需进行信息重传。

3.根据权利要求2所述的面向物理层安全的自适应联合波束和干扰成型的传输方法，其特征在于，步骤1)中，利用RTS/CTS机制获得相关信道的信道信息，此机制通过中继发送RTS数据包，目的端以及窃听端将反馈CTS数据包，其中，CTS数据包含相关信道的信道信息。

4.根据权利要求3所述的面向物理层安全的自适应联合波束和干扰成型的传输方法，其特征在于，步骤3)，中继中心控制节点在获得相关信道的信道信息的情况下，计算出最优的波束矢量分配给信息中继集合和干扰中继集合的中继，信息中继集合转发有用信号，干扰集合发送与信号无关的干扰，降低窃听端的接收信噪比，提高系统的保密性能。

5.根据权利要求4所述的面向物理层安全的自适应联合波束和干扰成型的传输方法，其特征在于，整个通信网络内，窃听端是未经过系统鉴权的未知用户，因此能够参与相关信道信息的反馈。

6.根据权利要求1所述的面向物理层安全的自适应联合波束和干扰成型的传输方法，其特征在于，步骤3)中目的端，窃听端接收到的信号如下：

其中，z为要发送的干扰符号，并且满足E{|z|²}＝1；ω_R为信息波束的波束矢量，ω_J为干扰波束的波束矢量，另外，h_rd为信息中继集合到目的端信道，h_re为信息集合到窃听端的信道向量，同理，h_jd为干扰中继集合到目的端信道，h_je为干扰中继集合到窃听端信道；

目的端接收机对接收到的y_sd和y_rd进行最大比合并接收，同理，窃听端接收机对接收到的y_se和y_re进行最大比合并接收，最终得到目的端和窃听端的容量为：

其中，N₀为噪声的功率，

在步骤3)中，在中继总能量存在约束的情况下，最大化可达到的保密容量，其优化问题为以下形式：

s.t.||w||²≤P_t

其中P_t是经过广播阶段后中继的剩余能量，经过转化内部优化问题如下：

Tr(Z)≤ψP_t

Z≥0,ψ＞0

其中，

中继的权系数为W＝Z/ψ，这里W＝ww^H,Z＝zz^H；

其中外部优化问题如下：

s.t.τ_l≤τ≤τ_u

其中τ的变化范围为：

其中