CN105978610A - 一种计及无线物理层安全的基站转发多天线处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计及无线物理层安全的基站转发多天线处理方法，通过基站的多天线上行接收矩阵与下行发送预编码矩阵来降低发送者、接收者之间私密消息的被窃听的风险，通过提高基站侧天线数量有效抑制恶意窃听者的恶意窃听行为，实际场景中私密消息需经过基站中继转发的情况，并结合了实际场景中基站能够获取窃听信道的统计信息，降低发送者、接收者之间的安全传输中断概率，简单实用，易于实施，具有良好的应用前景。

Description

一种计及无线物理层安全的基站转发多天线处理方法

技术领域

本发明涉及一种计及无线物理层安全的基站转发多天线处理方法，属于移动通信技术领域。

背景技术

目前，无线物理层安全逐渐受到广大研究者的关注。由于无线信号的广播特性，恶意的窃听者可以轻易的获取用户的私有信息并破解，因而给无线用户带来了严峻的信息安全威胁。早在上世纪70年代，贝尔实验室的科学家就给出了物理层安全容量的定义，即针对一个发送者(Alice)向一个接收者(Bob)发送私有数据时，存在一个恶意的窃听者(Eve)试图接收他们的私有信息，在该模型下，物理层安全信道容量定义为Alice和Bob之间通信主信道的最大安全通信速率，并且该速率的数值等于Alice和Bob之间主信道容量减去Alice到Eve的窃听信道容量，经过理论研究证明了总存在一个安全编码方式使得Alice和Bob之间的可靠安全通信速率达到物理层安全容量。

近年来，有研究人员分析了在衰落信道下Alice和Bob之间安全速率的变化特征，由于信道的衰落特性，对于主信道，研究人员通过改进调制编码技术来试图提高私有信息的保密特性，增加Bob获取有效信息的难度；还有研究人员通过在Alice发送信号中人为地增加对于Alice和Bob是已知的伪随机噪声序列来干扰Eve的窃听行为，从而提高物理层安全速率。类似地，有研究人员提出一种设置外在干扰机(jammer)的方式来增加Eve窃听的难度。通过增加伪随机噪声序列方式隐藏信息会降低有用的私密信息的接收信干噪比，从而导致传输速率的降低；而通过干扰机的方式也存在类似问题。

多天线技术从空间维度为无线通信系统提供了一个新的自由度。系统设计者可以通过采用多天线技术获得分集复用增益，从本质上说就是通过改变发送信号的波束，使之对准目标用户的方向从而可以提高信干燥比，获取更高的频率利用率，同时采用多根发送天线和/或接收天线可以获得来自空间不同方向上的接收信号，这样就可以获得分集增益，从而有效对抗信道衰落。尽管针对多天线的技术研究已有不少成果，但是利用该多天线技术解决物理层安全问题的研究尚处于起步阶段，还没有可靠的安全方法，是当前举行要解决的问题，

发明内容

本发明的目的是为了克服现在技术中对无线物理层安全问题研究存在的不足。本发明的计及无线物理层安全的基站转发多天线处理方法，通过基站的多天线上行接收矩阵与下行发送预编码矩阵来降低发送者、接收者之间私密消息的被窃听的风险，通过提高基站侧天线数量有效抑制恶意窃听者的恶意窃听行为，降低发送者、接收者之间的安全传输中断概率，简单实用，易于实施，具有良好的应用前景。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种计及无线物理层安全的基站转发多天线处理方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤(1)，设发送者向接收者发送私密消息，该私密消息通过基站转发，存在一个恶意窃听者，基站与恶意窃听者分别配置有N_R与N_E根天线；

步骤(2)，发送者向基站发送私密消息，基站接收到私密消息后再转发给接收者，当发送者通过上行信道h_AR向基站发送私密消息，或者基站通过到下行信道h_RB向接收者转发私密消息时，恶意窃听者能够分别窃听该私密消息两次，上行信道h_AR与下行信道h_RB分别通过上行或下行信道的估计获得，并且下行信道h_RB将会由接收者反馈至基站；

步骤(3)，基站依据无线信道传输模型得到恶意窃听者的MIMO信道H_RE的统计特性，基站在接收私密消息时采用w_R＝h_AR作为上行接收矩阵，w_R为上行接收矩阵，采用w_t＝h_RB/||h_RB||作为向接收者转发时下行发送预编码矩阵，w_t为下行发送预编码矩阵；恶意窃听者两次窃听时采用的接收矩阵分别为w_E,1＝h_AR和w_E,2＝H_REh_RB/||h_RB||，从而建立的传输模型；

步骤(4)，根据步骤(3)建立的传输模型，如公式(1)所示，计算安全传输中断概率

$P_c^{out}\left(R_t\right)=\mathrm{Pr}\{\frac{\min (1+{\mathrm{\&rho;}}_{AR},1+{\mathrm{\&rho;}}_{RB})}{1+{\mathrm{\&rho;}}_{AE}+{\mathrm{\&rho;}}_{RE}}<2^{R_t}\}---\left(1\right)$

其中， 分别为窃听者，基站与接收者的接收端高斯白噪声；R_t为基站转发传输速率，P_A为发送者向基站发送私密消息时的发送功率，P_R为基站转发私密消息时的发送功率；Pr{·}表示计算括弧中事件的概率；

步骤(5)，通过计算出的安全传输中断概率通过分析可知当基站天线N_R的数量逐渐增加时，能够降低安全传输中断概率减少恶意窃听者的窃听风险。

本发明的有益效果是：本发明的计及无线物理层安全的基站转发多天线处理方法，通过基站的多天线上行接收矩阵与下行发送预编码矩阵来降低发送者、接收者之间私密消息的被窃听的风险，通过提高基站侧天线数量有效抑制恶意窃听者的恶意窃听行为，实际场景中私密消息需经过基站中继转发的情况，并结合了实际场景中基站能够获取窃听信道的统计信息，降低发送者、接收者之间的安全传输中断概率，简单实用，易于实施，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明的建立基站、发送者、接收者、基站与窃听者之间的系统框图。

图2是本发明的安全中断概率随基站天线数变化的仿真曲线示意图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明做进一步说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的计及无线物理层安全的基站转发多天线处理方法，包括以下步骤，

一种计及无线物理层安全的基站转发多天线处理方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤(1)，设发送者(Alice)向接收者(Bob)发送私密消息，该私密消息通过基站转发，存在一个恶意窃听者(Eve)，基站与恶意窃听者分别配置有N_R与N_E根天线，建立基站、发送者、接收者、基站与窃听者之间的系统框图，如图1所示；

步骤(2)，发送者向基站发送私密消息，基站接收到私密消息后再转发给接收者，当发送者通过上行信道h_AR向基站发送私密消息，或者基站通过到下行信道h_RB向接收者转发私密消息时，恶意窃听者能够分别窃听该私密消息两次，上行信道h_AR与下行信道h_RB分别通过上行或下行信道的估计获得，并且下行信道h_RB将会由接收者反馈至基站；

步骤(3)，在实际场景中由于恶意窃听者被动侦听私密消息，基站很难获取其到恶意窃听者的MIMO信道H_RE的确切状态信息；但基站能够依据无线信道传输模型得到H_RE的统计特性(通常为无线信道可假设为高斯随机过程)，基站在接收私密消息时采用w_R＝h_AR作为上行接收矩阵，w_R为上行接收矩阵，采用w_t＝h_RB/||h_RB||作为向接收者转发时下行发送预编码矩阵，w_t为下行发送预编码矩阵，采用上述下行发送预编码矩阵与接收矩阵的依据是它们都是基于最大比合并算法得出的矩阵，可以将基站的接收、发送波束对准目标用户(Alice和Bob)，增强目标用户接收私密消息功率，同时降低了恶意窃听者接收私密消息功率，有效防止了私密消息的泄露；通过建立以上基站转发私密消息的传输模型，达到降低基站安全传输中断概率的目的，在该传输模型下，我们考虑最恶劣的窃听情况，即恶意窃听者通过接收信道估计获得了转发过程中两跳通信时，Alice和基站到恶意窃听者的信道状态信息，并采用最大比合并接收矩阵获取私密消息，恶意窃听者两次窃听时采用的接收矩阵分别为w_E,1＝h_AR和w_E,2＝H_REh_RB/||h_RB||，从而建立的传输模型；

步骤(4)，根据步骤(3)建立的传输模型，如公式(1)所示，计算安全传输中断概率

$P_c^{out}\left(R_t\right)=\mathrm{Pr}\{\frac{\min (1+{\mathrm{\&rho;}}_{AR},1+{\mathrm{\&rho;}}_{RB})}{1+{\mathrm{\&rho;}}_{AE}+{\mathrm{\&rho;}}_{RE}}<2^{R_t}\}---\left(1\right)$

其中， 分别为窃听者，基站与接收者的接收端高斯白噪声；R_t为基站转发传输速率，P_A为发送者向基站发送私密消息时的发送功率，P_R为基站转发私密消息时的发送功率；Pr{·}表示计算括弧中事件的概率；

步骤(5)，通过计算出的安全传输中断概率通过分析可知当基站天线N_R的数量逐渐增加时，能够降低安全传输中断概率减少恶意窃听者的窃听风险。

如图2所示，R_t＝1bits/Hz/s，仿真曲线中包含了4中典型的恶意窃听者位置，“+”代表恶意窃听者Eve距离发送者Alice与基站较远的距离，“x”代恶意窃听者Eve距离发送者Alice与基站一般的距离，“△”代表恶意窃听者Eve距离发送者Alice较近，“○”代表恶意窃听者Eve距离基站较近，从图2可以看出，采用本发明方法建立基站转发发送者和接收者之间的私密消息的传输模型后，在基站天线数逐渐增加的情况下，能够降低安全传输中断概率的取值，减少恶意窃听者的窃听风险。

综上所述，本发明的计及无线物理层安全的基站转发多天线处理方法，通过基站的多天线上行接收矩阵与下行发送预编码矩阵来降低发送者、接收者之间私密消息的被窃听的风险，通过提高基站侧天线数量有效抑制恶意窃听者的恶意窃听行为，实际场景中私密消息需经过基站中继转发的情况，并结合了实际场景中基站能够获取窃听信道的统计信息，降低发送者、接收者之间的安全传输中断概率，简单实用，易于实施，具有良好的应用前景。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种计及无线物理层安全的基站转发多天线处理方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤(1)，设发送者向接收者发送私密消息，该私密消息通过基站转发，存在一个恶意窃听者，基站与恶意窃听者分别配置有N_R与N_E根天线；

步骤(2)，发送者向基站发送私密消息，基站接收到私密消息后再转发给接收者，当发送者通过上行信道h_AR向基站发送私密消息，或者基站通过到下行信道h_RB向接收者转发私密消息时，恶意窃听者能够分别窃听该私密消息两次，上行信道h_AR与下行信道h_RB分别通过上行或下行信道的估计获得，并且下行信道h_RB将会由接收者反馈至基站；

步骤(3)，基站依据无线信道传输模型得到恶意窃听者的MIMO信道H_RE的统计特性，基站在接收私密消息时采用w_R＝h_AR作为上行接收矩阵，w_R为上行接收矩阵，采用w_t＝h_RB/||h_RB||作为向接收者转发时下行发送预编码矩阵，w_t为下行发送预编码矩阵；恶意窃听者两次窃听时采用的接收矩阵分别为w_E,1＝h_AR和w_E,2＝H_REh_RB/||h_RB||，从而建立的传输模型；

步骤(4)，根据步骤(3)建立的传输模型，如公式(1)所示，计算安全传输中断概率

$P_c^{out}\left(R_t\right)=\mathrm{Pr}\{\frac{min(1+{\mathrm{\&rho;}}_{AR},1+{\mathrm{\&rho;}}_{RB})}{1+{\mathrm{\&rho;}}_{AE}+{\mathrm{\&rho;}}_{RE}}<2^{R_t}\}$ (1)

其中， 分别为窃听者，基站与接收者的接收端高斯白噪声；R_t为基站转发传输速率，P_A为发送者向基站发送私密消息时的发送功率，P_R为基站转发私密消息时的发送功率；Pr{·}表示计算括弧中事件的概率；

步骤(5)，通过计算出的安全传输中断概率通过分析可知当基站天线N_R的数量逐渐增加时，能够降低安全传输中断概率减少恶意窃听者的窃听风险。