CN106160897A - 一种基于带宽和功率分配的防窃听抗干扰频谱接入方法 - Google Patents

Abstract

一种基于带宽和功率分配的防窃听抗干扰频谱接入方法，在该方法中，为了防止窃听者窃听自己的信息，主系统发送端使用一部分功率发送人工噪声，使用剩余的功率发送信号，同时主系统接收端发送人工噪声，使得次级用户发送端在接收主系统的信号时不被人工噪声影响；如果主系统在次级系统帮助下能够达到目标安全速率，则允许次级系统进行频谱接入；次级系统接入频谱后，利用一部分带宽帮助主系统转发信息，使其达到目标安全速率，利用剩余的带宽发送自己的信息。本发明有效消除主用户和次级用户之间相互干扰的问题、保障主用户信息的安全传输。

Description

一种基于带宽和功率分配的防窃听抗干扰频谱接入方法

技术领域

本发明属于无线通信领域中的认知无线电通信技术领域，尤其是一种防窃听频谱接入方法。

背景技术

频谱资源的稀缺和固定频谱分配策略的低效，制约着无线通信系统的发展。传统的固定频谱分配策略将频谱分为两部分：授权频谱和非授权频谱。这种分配策略授权特定的通信系统使用特定的频谱资源，即使在此系统不使用的情况下，也不允许其他用户使用此频谱资源，这在时间和空间上导致了频谱资源的浪费，从而导致频谱资源利用率的低下。认知无线电具有学习能力，能够与周围环境交互信息，以感知和利用在该空间的可用频谱，并限制和降低冲突的发生，是一种提高无线频谱利用率具有前景的技术。在不降低主用户的性能的条件下，允许非授权用户接入已经分配给主用户的频段，机会式或者共存式对已分配的授权频谱在时间，频率，空间上进行多维复用，从而提高频谱资源利用率。

在现有的共存式频谱接入方法中，次级系统接入授权频谱后利用相同的频谱同时发送主系统和自己的信息，主系统和次级系统之间会存在干扰；而且主系统在发送信号的时候没有做任何的防窃听措施，当有窃听者存在的时候，信息很容易被窃听者获取。

发明内容

针对现有共存式频谱接入方法中的信息很容易被窃听者获取的缺陷，解决主用户和次级用户之间相互干扰和的信息传输的安全问题，本发明提供一种可以消除次级用户和主用户之间相互干扰、防止信息被窃听的基于带宽和功率分配的防窃听抗干扰频谱接入方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于带宽和功率分配的防窃听抗干扰频谱接入方法，无线电通信系统包括一个主系统和一个次级系统以及一个窃听者，主系统由主用户发送端和主用户接收端组成，次级系统由次级用户发送端和次级用户接收端组成，主系统已获得一段w带宽的授权频谱，且系统支持中继功能；次级系统寻找机会接入授权频谱，所述次级系统能够模拟授权系统中的无线电协议和系统参数；所述的基于带宽和功率分配的防窃听抗干扰频谱接入方法包括以下步骤：

1)第一个时隙中，为了防止窃听者窃听自己的信息，主系统发送端使用一部分功率发送人工噪声，使用剩余的功率发送信号，同时主系统接收端发送人工噪声，使得次级用户发送端在接收主系统的信号时不被人工噪声影响，窃听者对主系统发出的信息进行窃听；

2)第二个时隙中，次级用户以协作方式接入授权频谱，次级用户接收到主用户的信息后，通过解码协作方式帮助转发主用户信息。由于窃听者只窃听主系统的信息，所以在第二个时隙保持静默；

3)计算主用户通过次级用户协作后获得的安全速率R_p；

4)如果R_p＞R_T，则主系统就允许次级用户接入自己的频谱，次级用户获得授权频谱后，利用一部分带宽帮助主系统转发信息，使其达到目标安全速率；然后利用剩余的带宽发送自己的信息。否则，次级用户不允许接入授权频谱；

主用户和次级用户之间的基于带宽和功率分配的问题建模为：

$\underset{b,\mathrm{\α}}{max}{R}_s---\left(1\right)$

满足以下条件

$\left\{\begin{array}{c}{R}_p\&GreaterEqual;R_T\\ 0<b<1\\ 0<\mathrm{\&alpha;}<1\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，R_T表示主系统的目标安全速率，b表示第二时隙中，次级系统用于转发主系统信息带宽所占的比例，α表示主系统发送端发送信息功率所占的比例，R_p和R_s分别表示次级用户接入主用户频谱后，主用户获得的安全速率和次级用户获得的速率：

$R_p=min\{R_p^1,R_p^2\}---\left(3\right)$

$R_s=\frac{1}{2}(1-b)R_4---\left(4\right)$

和分别表示主系在不同时隙所获得的安全速率：

$R_p^1=\frac{1}{2}{R}_2-R_E---\left(5\right)$

$R_p^2=\frac{1}{2}{\mathrm{bR}}_3+\frac{1}{2}(1-b)R_d-R_E---\left(6\right)$

其中：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_2=w{\log }_2(1+\frac{{\mathrm{p\&alpha;\&gamma;}}_2}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})\\ R_3=w{\log }_2(1+\frac{p_s{\mathrm{\&gamma;}}_3}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{{\mathrm{p\&alpha;\&gamma;}}_1}{p(1-\mathrm{\&alpha;})u_1^2{\mathrm{\&gamma;}}_1+{\mathrm{\&sigma;}}^2})\\ R_4=w{\log }_2(1+\frac{\frac{1}{2}{p}_s{\mathrm{\&gamma;}}_4}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})\\ R_E=\frac{1}{2}w{\log }_2\left(\frac{p\mathrm{\&alpha;}{\left|h_5\right|}^2}{{\mathrm{\&sigma;}}^2+p(1-\mathrm{\&alpha;}){\left|u_1{h}_5+u_2{h}_6\right|}^2}\right)\\ R_d=w{\log }_2(1+\frac{{\mathrm{p\&alpha;\&gamma;}}_1}{p(1-\mathrm{\&alpha;})u_1^2{\mathrm{\&gamma;}}_1+{\mathrm{\&sigma;}}^2})\end{array}\right.---\left(7\right)$

w表示主用户的授权带宽，p表示主系统发射功率，p_s表示次级系统的发射功率，σ²表示噪声功率谱密度，γ₁表示主系统发送端到主系统接收端信道增益，γ₂表示主系统发送端到次级用户发送端的信道增益，γ₃表示次级用户发送端到主系统接收端的信道增益，γ₄表示次级用户发送端到次级用户接收端的信道增益，h₅和h₆表示主系统发送端和接收端到窃听者的信道系数，u₁和u₂分别表示主系统发送端和接收端设计的人工噪声中的权重系数，满足|u₁|²+|u₂|²＝1。

通过数学优化获得最优的带宽b分配为：

$b^{*}=\frac{2(R_T+R_E)-R_d}{R_3-R_d}---\left(8\right)$

最优的功率分配通过二分法得到。

进一步，所述步骤4)中，次级用户通过两个时隙解码转发协作方式接入主用户的频谱：

第一个时隙中，占用1/2的传输时间，为了防止窃听者窃听自己的信息，主系统发送端使用全部授权带宽w和一部分功率发送人工噪声，使用剩余的功率发送信号，同时主系统接收端发送人工噪声，使得次级用户发送端在接收主系统信号时不被人工噪声影响；窃听者对主系统发出的信息进行窃听；主系统发送端到次级用户发送端的链路安全速率为

第二个时隙中，占用1/2的传输时间，次级用户以协作方式接入授权频谱，次级用户接收到主用户的信息后，利用bw带宽帮助转发主用户信息，主系统接收端使用最大合并比技术所能达到的安全速率为次级用户利用剩余的(1-b)w带宽发送自己的信息，所以次级用户的速率为R_s。

本发明的技术构思：在现有的共存式频谱接入方法中，次级系统接入授权频谱后利用相同的频谱同时发送主系统和自己的信息，主系统和次级系统之间会存在干扰；而且主系统在发送信号的时候没有做任何的防窃听措施，当有窃听者存在的时候，信息很容易被窃听者获取。本专利方法中，我们通过主系统发送人工噪声的设计使其对窃听者进行干扰从而解决安全问题，通过次级系统分配带宽，利用不同的带宽分别转发主系统的信息和发送自己的信息从而解决干扰的问题。通过带宽和功率分配的联合优化，从而实现在保证主系统安全传输信息的条件下，最大化次级系统的速率，提高频谱利用率。

本发明的有益效果主要表现在：(1)提出了一种抗干扰频谱接入方法，提高频谱资源利用率；(2)通过人工噪声的设计保证了主系统信息传输的安全。

附图说明

图1是本文的抗干扰防窃听的系统模型，PT表示主系统的发送端，PR表示主系统的接收端，ST表示次级系统的发送端，SR表示次级系统的接受端，E表示窃听者；h_i表示不同端点之间的信道系数，d_i表示不同端点之间的距离，其中i＝{1,2,3,4,5,6}。

图2是最优的带宽分配比b随着d₂的变化图；

图3是次级用户的速率R_S随着d₂的变化图；

图4是最优功率分配比α随着d₂的变化图；

具体实施方式

下面通过附图对本发明具体过程作进一步描述。

参考图1～图4，一种基于带宽和功率分配的防窃听抗干扰频谱接入方法，无线电通信系统包括一个主系统和一个次级系统以及一个窃听者，主系统由主用户发送端和主用户接收端组成，次级系统由次级用户发送端和次级用户接收端组成，主系统已获得一段w带宽的授权频谱，且系统支持中继功能；次级系统寻找机会接入授权频谱，所述次级系统能够模拟授权系统中的无线电协议和系统参数。

本实施方式的方法中，为了防止窃听者窃听自己的信息，主系统发送端在第一个时隙使用一部分功率发送人工噪声，使用剩余的功率发送信号，同时主系统接收端发送人工噪声，使得次级用户发送端在接收主系统的信号时不被人工噪声影响，窃听者对主系统发出的信息进行窃听。次级用户在第二个时隙以协作方式接入授权频谱，次级用户接收到主用户的信息后，通过解码协作方式帮助转发主用户信息。由于窃听者只窃听主系统的信息，所以在第二个时隙保持静默。计算主用户通过次级用户协作后获得的安全速率R_p。如果R_p＞R_T，则主系统就允许次级用户接入自己的频谱，次级用户获得授权频谱后，利用一部分带宽帮助主系统转发信息，使其达到目标安全速率；然后利用剩余的带宽发送自己的信息。否则，次级用户不允许接入授权频谱。

本实施方式中次级用户接入授权用户频谱后主系统的安全速率和次级用户的速率R_p和认知用户获得的速率R_s可以通过如下方法获得：

次级用户通过两个时隙译码转发协作方式接入主用户的频谱。第一个时隙中，占用1/2的传输时间，为了防止窃听者窃听自己的信息，PT使用全部授权带宽w和一部分功率发送人工噪声，使用剩余的功率发送信号，同时PR发送人工噪声，使得ST在接收SR的信号时不被人工噪声影响，E对PT发出的信息进行窃听，PT到ST链路的安全速率为：

$R_p^1=\frac{1}{2}{R}_2-R_E---\left(5\right)$

其中α表示主系统发送端发送信息功率所占的比例，w表示主用户的授权带宽，σ²表示噪声功率谱密度，p表示主系统发射功率，γ₂表示主系统发送端到次级用户发送端的信道增益，h₅和h₆表示主系统发送端和接收端到窃听者的信道系数，u₁和u₂分别表示PT和PR处设计的人工噪声中的权重系数，满足|u₁|²+|u₂|²＝1。

第二个时隙中，占用1/2的传输时间，ST接入授权频谱后，利用bw带宽通过解码协助方式帮助转发PT信息。PR利用最大合并比技术所能达到的安全速率为：

$R_p^2=\frac{1}{2}{\mathrm{bR}}_3+\frac{1}{2}(1-b)R_d-R_E---\left(6\right)$

其中p_s表示次级系统的发射功率。γ₁表示主系统发送端到主系统接收端信道增益，γ₃表示次级用户发送端到主系统接收端的信道增益。

所以主系统经过两个时隙之后的安全速率可以表示为：

$R_p=min\{R_p^1,R_p^2\}---\left(3\right)$

ST利用剩余的(1-b)w带宽发送自己的信息，从而次级用户的速率可以表示为：

$R_s=\frac{1}{2}(1-b)R_4---\left(4\right)$

其中γ₄表示次级用户发送端到次级用户接收端的信道增益。

本发明带宽和功率分配联合优化的具体实施方法为：

主用户和次级用户之间的基于带宽和功率分配的问题可以建模为：

此系统模型的优化问题可以转化为：

$\underset{b,\mathrm{\&alpha;}}{max}{R}_s---\left(1\right)$

满足以下条件

$\left\{\begin{array}{c}{R}_p\&GreaterEqual;R_T\\ 0<b<1\\ 0<\mathrm{\&alpha;}<1\end{array}\right.---\left(2\right)$

通过数学优化方法获得上述最优的带宽b^*：

$b^{*}=\frac{2(R_T+R_E)-R_d}{R_3-R_d}---\left(8\right)$

最优的功率分配可以通过二分法得到。

本实施例的基于带宽和功率分配的联合优化的防窃听抗干扰方法，能够保证主系统信息安全传输的情况下，克服传统共存式频谱接入方法中主系统和次级系统存在干扰的不足，提高频谱利用率。

在上述提出的频谱接入方法中，每个传输时隙分成两个时间相等的时隙，次级用户在第二个时隙中以可信任中继身份接入授权频谱。利用bw带宽帮助主系统转发信息，使其达到目标安全速率，利用(1-b)w带宽发送自己的信息。通过分配带宽，使主系统和次级系统利用不同的带宽发送各自信息，从而消除干扰。在本实施方式中，假设PT,PR,ST位于同一条直线上，PT和PR分别位于(0，0)，(1，0)点，E固定在距离PT0.14，距离PR为1的位置处，SR和ST之间的距离固定为0.5，让ST从PT端开始向PR处移动。我们假定路径损耗系数为3，授权频谱带宽为1，主系统和次级系统的功率分别为P＝8dB，P_S＝10dB。

图2显示了本发明中最优的带宽分配，图3是在保证主系统安全速率的情况下，次级用户可实现的最大速率图，图4显示了最优的功率分配。从图中可以看出，采用本发明的接入策略后，不仅能够保证主系统达到目标安全速率，次级系统还能够获得比较好的传输速率，达到双赢的结果。

Claims (3)

1.一种基于带宽和功率分配的防窃听抗干扰频谱接入方法，无线电通信系统包括一个主系统和一个次级系统以及一个窃听者，主系统由主用户发送端和主用户接收端组成，次级系统由次级用户发送端和次级用户接收端组成，主系统已获得一段w带宽的授权频谱，且系统支持中继功能；次级系统寻找机会接入授权频谱，所述次级系统能够模拟授权系统中的无线电协议和系统参数；其特征在于：所述的基于带宽和功率分配的防窃听抗干扰频谱接入方法包括以下步骤：

1)第一个时隙中，为了防止窃听者窃听自己的信息，主系统发送端使用一部分功率发送人工噪声，使用剩余的功率发送信号，同时主系统接收端发送人工噪声，使得次级用户发送端在接收主系统的信号时不被人工噪声影响，窃听者对主系统发出的信息进行窃听；

2)第二个时隙中，次级用户以协作方式接入授权频谱，次级用户接收到主用户的信息后，通过解码协作方式帮助转发主用户信息，由于窃听者只窃听主系统的信息，所以在第二个时隙保持静默；

3)计算主用户通过次级用户协作后获得的安全速率R_p；

4)如果R_p＞R_T，则主系统就允许次级用户接入自己的频谱，次级用户获得授权频谱后，利用一部分带宽帮助主系统转发信息，使其达到目标安全速率；然后利用剩余的带宽发送自己的信息，否则，次级用户不允许接入授权频谱；

主用户和次级用户之间的基于带宽和功率分配的问题建模为：

$\underset{b,\mathrm{\&alpha;}}{max}{R}_s---\left(1\right)$

满足以下条件

$\left\{\begin{array}{c}{R}_p\&GreaterEqual;R_T\\ 0<b<1\\ 0<\mathrm{\&alpha;}<1\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，R_T表示主系统的目标安全速率，b表示第二时隙中，次级系统用于转发主系统信息带宽所占的比例，α表示主系统发送端发送信息功率所占的比例，R_p和R_s分别表示次级用户接入主用户频谱后，主用户获得的安全速率和次级用户获得的速率：

$R_p=min\{R_p^1,R_p^2\}---\left(3\right)$

$R_s=\frac{1}{2}(1-b)R_4---\left(4\right)$

和分别表示主系统在不同时隙所获得的安全速率：

$R_p^1=\frac{1}{2}{R}_2-R_E---\left(5\right)$

$R_p^2=\frac{1}{2}{\mathrm{bR}}_3+\frac{1}{2}(1-b)R_d-R_E---\left(6\right)$

其中：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_2=w{\log }_2(1+\frac{{\mathrm{p\&alpha;\&gamma;}}_2}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})\\ R_3=w{\log }_2(1+\frac{p_s{\mathrm{\&gamma;}}_3}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{{\mathrm{p\&alpha;\&gamma;}}_1}{p(1-\mathrm{\&alpha;})u_1^2{\mathrm{\&gamma;}}_1+{\mathrm{\&sigma;}}^2})\\ R_4=w{\log }_2(1+\frac{\frac{1}{2}{p}_s{\mathrm{\&gamma;}}_4}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})\\ R_E=\frac{1}{2}w{\log }_2\left(\frac{p\mathrm{\&alpha;}|h_5{|}^2}{{\mathrm{\&sigma;}}^2+p(1-\mathrm{\&alpha;})|u_1{h}_5+u_2{h}_6{|}^2}\right)\\ R_d=w{\log }_2(1+\frac{{\mathrm{p\&alpha;\&gamma;}}_1}{p(1-\mathrm{\&alpha;})u_1^2{\mathrm{\&gamma;}}_1+{\mathrm{\&sigma;}}^2})\end{array}\right.---\left(7\right)$

w表示主用户的带宽，p表示主系统发射功率，p_s表示次级用户的发射功率，σ²表示噪声功率谱密度，γ₁表示主系统发送端到主系统接收端信道增益，γ₂表示主系统发送端到次级用户发送端的信道增益，γ₃表示次级用户发送端到主系统接收端的信道增益，γ₄表示次级用户发送端到次级用户接收端的信道增益，h₅和h₆表示主系统发送端和接收端到窃听者的信道系数，u₁和u₂分别表示主系统发送端和接收端设计的人工噪声中的权重系数，满足|u₁|²+|u₂|²＝1；

通过数学优化获得最优的带宽b分配为：

$b^{*}=\frac{2(R_T+R_E)-R_d}{R_3-R_d}---\left(8\right).$

2.如权利要求1所述的一种基于带宽和功率分配的防窃听抗干扰频谱接入方法，其特征在于：最优的功率分配通过二分法得到。

3.如权利要求1或2所述的一种基于带宽和功率分配的防窃听抗干扰频谱接入方法，其特征在于所述步骤4)中，次级用户通过两个时隙解码转发协作方式接入主用户的频谱：

第一个时隙中，占用1/2的传输时间，为了防止窃听者窃听自己的信息，主系统发送端使用全部授权带宽w和一部分功率发送人工噪声，使用剩余的功率发送信号，同时主系统接收端发送人工噪声，使得次级用户发送端在接收主系统信号时不被人工噪声影响；窃听者对主系统发出的信息进行窃听；主系统发送端到次级用户发送端的链路安全速率为

第二个时隙中，占用1/2的传输时间，次级用户以协作方式接入授权频谱，次级用户接收到主用户的信息后，利用bw带宽帮助转发主用户信息，主系统接收端使用最大合并比技术所能达到的安全速率为次级用户利用剩余的(1-b)w带宽发送自己的信息，所以次级用户的速率为R_s。