CN106533516A - 一种多天线多中继认知窃听网络的物理层安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多天线多中继认知窃听系统的物理层安全传输方法，该方法主要步骤：首先次用户发射机根据导频信号反馈的链路信噪比选取协助传输数据的次用户中继节点；次用户中继节点选定后，次用户系统分两时隙进行数据传输，第一时隙次用户发射机向次用户中继节点发送数据，第二时隙次用户中继节点经迫零波束赋形处理后向次用户接收机转发数据；在数据传输时，窃听用户会窃听次用户系统传输的数据信息。与传统的次用户中继节点参与转发方式相比，本方法能够合理利用次用户中继节点多天线的优势，对到主用户接收机的干扰链路和到窃听用户的窃听链路同时迫零，从而提升系统物理层安全性能。

Description

一种多天线多中继认知窃听网络的物理层安全传输方法

技术领域

本发明针对多天线多中继的认知窃听网络的物理层安全传输方法设计问题，设计了一种新的最大比合并/迫零波束赋形(Maximum Ratio Combining/Zero-ForcingBeamforming,MRC/ZFB)方法，具体是针对配置多天线的次用户中继节点进行预编码方案设计来提升认知窃听网络物理层安全传输性能的方法，属于多天线认知窃听系统物理层安全技术领域。

背景技术

认知无线网络中频谱共享机制的引入，使得认知无线网络信息交互更加频繁，物理层安全传输问题是不可回避的。实际传输过程中，由于大尺度衰落的影响使得次用户发射机的覆盖范围有限，因此有必要借助其他技术方法提升认知网络的物理层安全性能。研究表明，协同中继技术，能够通过中继节点的协助来扩展发射机的覆盖范围，从而提升次用户系统主链路的传输性能。鉴于协同通信技术可以用来抵抗无线信道的大尺度衰落，已被广泛用于认知网络物理层安全研究中。另一方面，多天线技术通过先进的信号处理技术，可以在不增加发送功率和带宽的情况下大大改善无线网络传输性能，是移动通信系统的关键技术之一。因此，针对多天线条件下认知无线网络的物理层安全的信号处理方法研究具有重要的理论意义与应用价值。认知无线网络中多天线技术的引入在原有的时域、频谱和码域的三维资源上增加了空间维度，其核心问题是：如何在提升多天线协同认知窃听网络频谱利用率的同时，改善网络的安全传输性能。目前，关于多天线协同认知窃听网络物理层安全的研究面临着传输方法设计多元化、优化空间大、系统安全性能评估复杂度高等技术挑战。因此，如何在多天线协同无线网络中设计更有效的物理层安全传输方法，以提升多天线协同认知窃听系统的物理层安全传输性能已成为研究热点。

目前，关于多天线协同认知窃听网络的物理层安全传输方法主要有以下两种：

第一种方法中次用户中继节点采用选择合并/发送天线选择(SelectionCombining/Transmit Antenna Selection,SC/TAS)方法,其主要步骤：第一时隙，次用户发射机(Alice)向次用户中继节点(Relay)发送数据，次用户中继节点(Relay)采用选择合并的方法选取最好的一根接收天线来接收次用户发射机(Alice)发送的数据；第二时隙，次用户中继节点(Relay)选取最好的一根发射天线向次用户接收机(Bob)转发数据信息。此外，窃听用户(Eve)会同时窃听次用户发射机(Alice)和次用户中继节点(Relay)发送的数据。

这种方法的优点是仅选择最好的一根天线来接收和发送数据，降低了对接收信号处理的复杂度，在低复杂度要求的情况下可有效提升系统的物理层安全性能。然而，考虑到次用户中继节点在协助次用户发射机传输数据的同时，也会给主用户接收机带来干扰，以及为窃听用户带来了更多的窃听机会，影响了系统物理层安全性能的提升，所以这种方法还存在很大的改进空间。

第二种方法中次用户中继节点采用最大比合并/最大比发送(Maximum RatioCombining/Maximum Ratio Transmitting,MRC/MRT)方法,其主要步骤：第一时隙，次用户发射机(Alice)向次用户中继节点(Relay)发送数据，次用户中继节点(Relay)采用最大比合并方法来处理次用户发射机(Alice)发送的数据；第二时隙，次用户中继节点(Relay)采用最大比发送方法向次用户接收机(Bob)转发信号。与第一种方法相同，窃听用户(Eve)也会同时窃听次用户发射机(Alice)和次用户中继节点(Relay)发送的数据。

这种方法的优点是次用户中继节点所有天线都参与接收和发送数据，充分地发挥了多天线的优势。相较于选择合并/发送天线选择(SC/TAS)方法，可以获得更多的安全编码增益。与选择合并/发送天线选择方法类似，考虑到次用户中继节点在协助次用户发射机传输数据的同时，会给主用户接收机带来干扰，以及为窃听用户提供了更多的窃听机会，所以亟需设计新的安全传输方法来提升系统的物理层安全性能。

在这两种物理层安全传输方法中，只有一个次用户中继节点参与转发，所以系统无法获得中继选择带来的更优系统物理层安全性能。

发明内容

本发明目的在于针对现有多天线协同认知窃听系统中物理层安全传输策略的不足，考虑次用户中继节点的引入会给主用户接收机带来干扰的同时，也为窃听用户提供了更多的窃听机会的情况下，提出了一种基于迫零波束赋形的安全传输方法，以克服次用户中继节点对主用户接收机的干扰，同时避免窃听用户对次用户接收机的窃听。

本发明的技术方案是：

一种多天线多中继认知窃听网络的物理层安全传输方法，其特征在于包括以下步骤

(1)、次用户发射机向M个多天线次用户中继节点发送导频信号，次用户中继节点采用最大比合并方法接收该导频信号；

(2)、各次用户中继节点分别计算次用户发射机到其链路的瞬时接收信噪比其中m表示次用户中继节点的序号，1≤m≤M，并将计算结果反馈给次用户发射机；

(3)、次用户发射机从M个瞬时接收信噪比中，选择最大瞬时接收信噪比γ_AR所对应的最优次用户中继节点m*来协助传输，

(4)、被选中的最优次用户中继节点m*通过译码转发协议向次用户接收机转发信号，同时最优次用户中继节点m*处采用迫零波束赋形方法对转发信号进行预编码，使得主用户接收机与窃听用户分别位于转发信号对应零空间的同时，最大化次用户接收机接收信号的信噪比；

(5)、次用户接收机计算最优次用户中继节点m*到其链路的瞬时接收信噪比γ_RB。

本发明的有益效果：

1、次用户中继节点接收数据时采用了最大比合并方法，最大化地发挥了多天线的技术优势。

2、次用户中继节点采用迫零波束赋形方法向次用户接收机转发信号，克服了次用户中继节点对主用户接收机的干扰，同时避免了窃听用户对次用户中继节点的窃听。

3、针对多天线多中继认知窃听网络，所提中继选择方法可提升系统的物理层安全传输性能。

4、与传统的次用户中继节点参与转发方式相比，本方法能够合理利用次用户中继节点多天线的优势，对到主用户接收机的干扰链路和到窃听用户的窃听链路同时迫零，从而提升系统物理层安全性能。

附图说明

图1是多天线多中继认知窃听系统模型。

图2是本发明的中继选择和最大比合并/迫零波束赋形方法流程图。

图3是瑞利衰落信道条件下不同物理层安全传输方法的安全中断性能曲线。

图4是本发明所提MRC/ZFB方法随中继节点数目M变化的安全中断概率曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明的研究环境是有M个中继的多天线协同认知窃听系统。该系统中主用户接收机、次用户发射机(Alice)、次用户接收机(Bob)和窃听用户(Eve)分别配置了N_P,1，1和N_E根天线。为了便于分析，令M个中继都配置N_R根天线。分析时运用以下三点假设：1)系统中的所有信道均为瑞利平坦衰落信道；2)由于大尺度衰落和遮挡物的影响，次用户发射机不能向次用户接收机直接发送信息；3)被选中的次用户中继节点可以获得其与窃听用户间链路的信道状态信息。本发明采用如图2所示的方法流程，该流程主要由以下三个基本部分组成：

⑴信道估计阶段：发送数据前，次用户发射机(Alice)向M个次用户中继节点(Relay)发送导频信号，M为正整数，次用户中继节点采用最大比合并方案接收信号，并估计得到相应的信噪比。假设第m(1≤m≤M)个次用户中继节点处Alice→Relay链路瞬时接收信噪比为

其中表示次用户发射机与第m个次用户中继节点之间的1×N_R维信道向量，N_R为次用户中继节点配置的天线数量，的均值λ_AR为给定常数。为第m个次用户中继节点处的噪声功率；为了保证主用户接收机的通信服务质量，次用户发射机的发射功率P_S需满足：

其中h_AP表示次用户发射机与主用户接收机之间的1×N_P维信道向量，N_P为主用户接收机配置的天线数量，Q为主用户接收机处预设的干扰门限值，P_t为次用户发射机的最大发射功率限制，||h_AP||²的均值E[||h_AP||²]＝λ_AP，λ_AP为给定常数。。

⑵次用户系统数据传输阶段：次用户的数据传输环节可以分为两个时隙，第一时隙：次用户发射机从M个次用户中继节点中选择瞬时信噪比最大的节点(最优次用户中继节点m*)来协助传输数据。此时，次用户发射机和被选中的次用户中继节点之间的瞬时信噪比表示为

第二时隙：被选中的最优中继节点m*通过译码转发协议向次用户接收机转发信号，为了避免窃听用户的窃听和克服对主用户接收机的干扰，在次用户中继节点处应用迫零波束赋形方法，即将主用户接收机与窃听用户分别对应到转发信号零空间的同时，最大化次用户接收机接收信号的信噪比。基于上述分析，被选中的最优次用户中继节点m*和次用户接收机之间的瞬时信噪比表示为

其中表示最优次用户中继节点m*与次用户接收机之间的N_R×1维信道向量，N_R为次用户中继节点配置的天线数量，的均值λ_RB为给定常数。为次用户接收机处的噪声功率；次用户中继节点的发射功率P_Z不受主用户干扰门限的约束，依据自身发射功率约束自行调节。

预编码向量w_ZF满足如下条件：

其中表示最优次用户中继节点m*与次用户接收机之间的N_R×1维信道向量，为向量的共轭转置，||·||_F为Frobenius范数，H_RZ是N_R×(N_P+N_E)维信道向量H_RZ＝[H_RP,H_RE]，其中H_RP表示次用户中继节点与主用户接收机之间的N_R×N_P维信道向量，H_RE表示次用户中继节点与窃听用户之间的N_R×N_E维信道向量；N_R为次用户中继节点配置的天线数量，N_P为主用户接收机配置的天线数量，N_E为窃听用户配置的天线数量，为了将主用户接收机和窃听用户对应到转发信号的零空间内，最优次用户中继节点m*处预编码向量w_ZF设计为

其中表示秩为N_R-(N_P+N_E)-1的矩阵。

依据上述分析，多中继场景下基于译码转发协议的次用户传输链路的瞬时信噪比可以表示为

γ_B＝min(γ_AR,γ_RB)

⑶窃听用户窃听阶段：第一时隙中窃听用户为了最大化其窃听到的次用户发射机的信息也应用了最大比合并方法。由此，次用户发射机和窃听用户之间的瞬时信噪比为

其中h_AE表示次用户发射机与窃听用户之间的1×N_E维信道向量，N_E为窃听用户配置的天线数量，||h_AE||²的均值E[||h_AE||²]＝λ_AE，λ_AE为给定常数。为窃听用户处的噪声功率，P_S为次用户发射机的发射功率。

第二时隙，被选中的最优次用户中继节点采用了迫零波束赋形编码方法，对窃听用户进行了迫零波束赋形处理，窃听用户无法窃听被选中的次用户中继节点向次用户接收机转发的数据。因此，两时隙中窃听用户窃听到的数据等同于第一时隙窃听到的次用户发射机的传输数据。

以下结合附图提供具体的实例

在一个多天线多中继认知窃听系统中，设定安全速率门限R_s＝2，发送信噪比定义为噪声方差链路的方差归一化为1。图中MRC/ZFB表示本发明所提最大比合并/迫零波束赋形方法，SC/TAS和MRC/MRT分别表示选择合并/发送天线选择方法和最大比合并/最大比发送方法。

图3给出了瑞利衰落信道条件下不同物理层安全传输方法的安全中断性能曲线。横轴表示系统发送信噪比P_t/σ²，纵轴表示系统安全中断概率(Secrecy OutageProbability)。仿真时假定：N_R＝8,N_P＝2,N_E＝2和Q＝10dB。由图中我们可以看到基于本发明所提最大比合并/迫零波束赋形方法的系统安全中断性能优于选择合并/发送天线选择方法，在发送信噪比超过3dB时基于所提发明方法的系统安全中断性能开始优于最大比合并/最大比发送方法。此外，在高信噪比条件下本发明所提最大比合并/迫零波束赋形方法的系统安全性能明显优于选择合并/发送天线选择方法和最大比合并/最大比发送方法的系统安全性能，这是因为本发明所提最大比合并/迫零波束赋形方法在第二跳传输时对窃听用户的窃听链路进行了迫零，使窃听用户窃听到的次用户传输数据减少。

图4给出了瑞利衰落信道条件下本发明所提最大比合并/迫零波束赋形方法随次用户中继节点数目M变化时系统的安全中断概率曲线。横轴表示次用户中继节点数目M，纵轴表示系统安全中断概率(Secrecy Outage Probability)。仿真时假定：N_R＝5,N_P＝2,N_E＝2和P_t＝45dB。由图中我们可以看到本发明所设计的最大比合并/迫零波束赋形方法的安全中断性能随次用户中继节点数目M的增加而提升，并且这种趋势在不同的干扰温度约束Q下大致相同。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种多天线多中继认知窃听网络的物理层安全传输方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)、次用户发射机向M个多天线次用户中继节点发送导频信号，各次用户中继节点采用最大比合并方法接收该导频信号；

(2)、各次用户中继节点分别计算次用户发射机到其链路的瞬时接收信噪比其中m表示次用户中继节点的序号，1≤m≤M，并将计算结果反馈给次用户发射机；

(3)、次用户发射机从M个瞬时接收信噪比中，选择最大瞬时接收信噪比γ_AR所对应的最优次用户中继节点m*来协助传输，

(4)、被选中的最优次用户中继节点m*通过译码转发协议向次用户接收机转发信号，同时最优次用户中继节点m*处采用迫零波束赋形方法对转发信号进行预编码，使得主用户接收机与窃听用户分别位于转发信号对应零空间的同时，最大化次用户接收机接收信号的信噪比；

(5)、次用户接收机计算最优次用户中继节点m*到其链路的瞬时接收信噪比γ_RB。

2.根据权利要求1所述的一种多天线多中继认知窃听网络的物理层安全传输方法，其特征在于步骤(2)具体包括：第m个次用户中继节点采用下述公式计算次用户发射机到其链路的瞬时接收信噪比

${\mathrm{\γ}}_{AR}^m=\frac{P_S}{{\mathrm{\σ}}_R^2}\left|\right|h_{AR}^m|{|}^2$

其中表示次用户发射机与第m个次用户中继节点之间的1×N_R维信道向量，N_R为次用户中继节点配置的天线数量，为第m个次用户中继节点处的噪声功率；为了保证主用户接收机的通信服务质量，次用户发射机的发射功率P_S需满足：

$P_S=min(\frac{Q}{\left|\right|h_{AP}|{|}^2},P_t)$

其中h_AP表示次用户发射机与主用户接收机之间的1×N_P维信道向量，N_P为主用户接收机配置的天线数量，Q为主用户接收机处预设的干扰门限值，P_t为次用户发射机的最大发射功率限制。

3.根据权利要求1所述的一种多天线多中继认知窃听网络物的理层安全传输方法，其特征在于步骤(4)具体包括：最优次用户中继节点m*处预编码向量w_ZF满足如下条件：

其中表示最优次用户中继节点m*与次用户接收机之间的N_R×1维信道向量，为向量的共轭转置，||·||_F为Frobenius范数，H_RZ是N_R×(N_P+N_E)维信道向量H_RZ＝[H_RP,H_RE]，其中H_RP表示次用户中继节点与主用户接收机之间的N_R×N_P维信道向量，H_RE表示次用户中继节点与窃听用户之间的N_R×N_E维信道向量；N_R为次用户中继节点配置的天线数量，N_P为主用户接收机配置的天线数量，N_E为窃听用户配置的天线数量，为了将主用户接收机和窃听用户对应到转发信号的零空间内，最优次用户中继节点m*处预编码向量w_ZF设计为

$w_{ZF}=\frac{T^{\⊥}{h}_{RB}^{m*}}{\left|\right|T^{\⊥}{h}_{RB}^{m*}\left|\right|}$

其中表示秩为N_R-(N_P+N_E)-1的矩阵。

4.根据权利要求1所述的一种多天线多中继认知窃听网络的物理层安全传输方法，其特征在于步骤(5)具体包括：最优次用户中继节点m*和次用户接收机之间链路的瞬时接收信噪比表示为

${\mathrm{\γ}}_{RB}=\frac{P_Z}{{\mathrm{\σ}}_B^2}\left|\right|h_{RB}^{m*}{w}_{ZF}|{|}^2$

其中表示最优次用户中继节点m*与次用户接收机之间的N_R×1维信道向量，N_R为次用户中继节点配置的天线数量，为次用户接收机处的噪声功率；次用户中继节点的发射功率P_Z不受主用户干扰门限的约束，依据自身发射功率约束自行调节。

5.根据权利要求1所述的一种多天线多中继认知窃听网络的物理层安全传输方法，其特征在于多中继场景下基于译码转发协议的次用户传输链路的瞬时信噪比表示为

γ_B＝min(γ_AR,γ_RB)。

6.根据权利要求1所述的一种多天线多中继认知窃听网络的物理层安全传输方法，其特征在于步骤(5)之后还包括窃听用户窃听次用户传输数据的步骤，次用户系统数据传输分两个时隙完成，窃听用户的窃听也包括两个时隙：

第一时隙：窃听用户窃听次用户发射机发送数据，为了最大化窃听到次用户发射机的发送数据，窃听用户处应用最大比合并方法；由此，第一时隙中次用户发射机和窃听用户之间的瞬时信噪比为

${\mathrm{\γ}}_E=\frac{P_S}{{\mathrm{\σ}}_E^2}\left|\right|h_{AE}|{|}^2$

其中h_AE表示次用户发射机与窃听用户之间的1×N_E维信道向量，N_E为窃听用户配置的天线数量，为窃听用户处的噪声功率，P_S为次用户发射机的发射功率；

第二时隙：窃听用户窃听最优次用户中继节点m*转发数据，由于最优次用户中继节点m*处采用了迫零波束赋形方法，窃听用户无法窃听最优次用户中继节点m*转发数据，因此，窃听用户仅在第一时隙窃听到了次用户发射机发送的数据信息。