CN106712823B - 一种可实现物理层安全传输的波束成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现物理层安全传输的波束成型方法，根据网络规划的要求，为源节点S分配K个中继节点；源节点S分别估计S→D链路和S→R_k链路的信道衰落矢量；源节点S根据S→R_k链路的信道增益选择一个最佳的中继节点R^*；源节点S对发送的比特信息进行星座映射；源节点S对发送信号进行波束成型并向中继节点R^*和目的节点D广播；中继节点R^*将接收信号进行放大并转发至目的节点D；目的节点D对源节点S和中继节点R^*发送的信号进行合并检测和判决。本发明提出的波束成型方案可以实现源节点和目的节点之间的信息不被中继节点窃取的前提下，获得中继节点参与协作转发带来的空间分集增益，从而提升目的节点接收检测的误比特率性能。

Description

一种可实现物理层安全传输的波束成型方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种可实现物理层安全传输的波束成型方法。

背景技术

目前，无线信道的开放性、通信的广播特性、终端的移动性、网络拓扑结构的多样性及无线传输的不稳定性等因素使得移动通信网络面临者更多的安全威胁，比如窃听和假冒。传统通信系统的安全机制是建立在物理层之上，并且假设物理层能够提供一条无差错的数据传输链路，通过合法用户之间的密钥共享来实现保密通信。然而目前大量出现的分布式通信系统，如移动Ad-hoc网络、用户直连通信系统，由于其成本低、功能简单，使得传统的加密技术无法实施。因此，建立物理层的安全机制，利用物理层的编码、调制和传输设计来保证信息传输的安全性已得到研究人员的广泛关注。协作通信技术作为一种多天线技术的扩展，目前已成为4G移动通信系统的关键技术之一，并且已经在LTE规范第8版本得到了实际的部署。协作通信技术的核心思想是利用中继节点的协作传输，在源节点和目的节点之间引入多条传输路径，从而有效抵抗无线信道的衰落，提高通信系统的频谱利用率。协作通信系统的信号传输通常分为两个阶段：在广播阶段，源节点将信号广播至中继节点和目的节点；在协作阶段，中继节点按照一定的中继协议对接收信号进行再处理，然后转发至目的节点。目前，中继节点采用中继协议主要包括，放大转发协议、译码转发协议等等。由于协作通信系统通常是一个分布式的通信系统，参与协作通信的各个节点有可能具有不同的安全级别，这就会导致中继节点在转发源节点的机密信息时会造成机密信息的泄露。所以，针对协作通信系统中如何实现物理层的安全传输成为一个急需解决的问题。目前，针对该问题现有的研究成果主要是从信息论的角度出发，利用人工加噪，协作干扰等技术设计源节点和目的节点之间的安全传输策略，具体可参考文献S.Goel and R.Negi,“Guaranteeingsecrecy using artificial noise,”IEEE Trans.Wireless Commun.,vol.7,no.6,pp.2180–2189,June 2008.和文献J.Huang,A.Mukherjee,and A.L.Swindlehurst,“Securecommunication via an untrusted non-regenerative relay in fading channels,”IEEE Trans.Signal Process.,vol.61,no.5,pp.2536–2550,May 2013等。不过我们需要指出，上述这些方法都是建立在信息论理想假设的基础之上，即要求源节点的输入信号服从连续分布，比如高斯分布，同时要求源节点的信道编码为码长足够长的“好码”。然而实际的协作通信系统通常无法满足上述理想假设，因为源节点的输入信号往往是离散信号而不是连续信号，而且源节点的信道编码长度通常也非常有限，所以，当协作通信系统采用现有的物理层安全传输方案时，目的节点接收检测的误比特率(BER)性能往往会比较差。

综上所述，现有的物理层安全传输方案中目的节点接收检测的BER性能比较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可实现物理层安全传输的波束成型方法，旨在解决现有的物理层安全传输方案中目的节点接收检测的BER性能比较差的问题。

本发明是这样实现的，一种可实现物理层安全传输的波束成型方法，所述可实现物理层安全传输的波束成型方法包括以下步骤：

步骤一，根据网络规划的要求，为源节点S分配K个中继节点；

步骤二，源节点S分别估计S→D直传链路和S→R_k中继链路的信道衰落矢量；

步骤三，源节点S根据S→R_k中继链路的信道增益选择一个最佳的中继节点R^*；

步骤四，源节点S对发送的比特信息进行星座映射；

步骤五，源节点S对发送信号进行波束成型并向中继节点R^*和目的节点D广播；

步骤六，中继节点R^*将接收信号进行放大并转发至目的节点D；

步骤七，目的节点D对源节点S和中继节点R^*发送的信号进行合并检测和判决。

进一步，根据网络规划的要求，为源节点S分配K个中继节点与目的节点D进行协作通信，其中，K个中继节点构成集合R＝{R₁,…,R_k,…,R_K}且k＝1,2,…K。

进一步，根据衰落信道的互易性，源节点S利用目的节点D和中继节点R_k的反馈信号，分别估计S→D直传链路的信道衰落矢量h_SD和S→R_k中继链路的信道衰落矢量

其中k＝1,2,…K。

进一步，所述步骤三具体包括：

第一步，源节点S计算S→R_k中继链路的信道增益

其中|| ||表示求向量的长度且k＝1,2,…K；

第二步，源节点S比较K个中继节点的信道增益Γ_k，从中继集合R中选择信道增益最大的一个，将该中继节点和相应的中继链路的信道衰落矢量分别标记为R^*和

进一步，所述步骤五具体包括：

第一步，利用得到的h_SD和

源节点S计算发送信号的波束成形矢量，即

其中，()^H表示求矩阵或向量的共轭转置，()^⊥表示求向量的正交向量，P_S为源节点的发射功率；

第二步，源节点S将发送信号分解为实部和虚部，然后分别进行波束成形，即x_S＝ω_Rs_R+jω_Is_I，其中，s_R和s_I分别是发送信号的实部和虚部。

进一步，所述步骤六具体包括：

第一步，中继节点R^*计算接收信号的功率归一化因子，即

其中，

为中继节点R^*的接收信号，

为中继点R^*的发射功率，Re{}表示取复信号的实部；

第二步，中继节点R^*利用β对发送信号进行功率归一化，然后将信号放大转发至目的节点，所以中继节点R^*的发送信号为

进一步，所述步骤七具体包括：

第一步，目的节点D将接收信号写成向量的形式，即y_D＝[y_D1,y_D2]^T，其中y_D1和y_D2分别表示目的节点D对S→D链路和R^*→D链路的接收信号；

第二步，目的节点D计算S→D链路和S→R^*→D链路联合的等效信道矩阵，即：

第三步，利用最小均方误差准则，目的节点D对接收信号进行合并检测，合并检测的输出信号为：

其中，

和

表示目的节点D对源节点S发送信号的实部和虚部的估计，

表示R^*→D链路的信道衰落系数，N₀表示目的节点D的接收高斯白噪声的方差，| |表示求复数的模，()^-1表示求矩阵的逆；

第四步，目的节点D对合并检测的输出结果进行判决从而得到源节点S发送的比特信息。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述可实现物理层安全传输的波束成型方法的分布式通信系统。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述可实现物理层安全传输的波束成型方法的移动Ad-hoc网络。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述可实现物理层安全传输的波束成型方法的用户直连通信系统。

本发明提供的可实现物理层安全传输的波束成型方法，提出的波束成型方案可以实现源节点和目的节点之间的信息不被中继节点窃取的前提下，获得中继节点参与协作转发带来的空间分集增益，从而提升目的节点接收检测的BER性能。针对采用本发明提出的波束成形方案的多中继协作通信系统，利用计算机对目的节点和中继节点的误比特率进行了比较，采用本发明提出的波束成型方案，目的节点接收检测的BER性能明显要比现有的人工加噪方案和协作干扰方案的性能要更优。采用本发明提出的波束成型方案，在整个信噪比范围内，中继节点的BER始终保持在0.5，而采用人工加噪方案和协作干扰方案，中继节点的BER基本保持在0.1到0.4之间。以上仿真结果说明，协作通信系统采用本发明提出的波束成型方案可以在收发节点之间的安全通信与接收节点的接收检测这两方面都可以获得更好的性能。

附图说明

图1是本发明实施例提供的可实现物理层安全传输的波束成型方法流程图。

图2是本发明实施例提供的多中继协作通信系统的模型示意图。

图3是本发明实施例提供的实施例1的实现流程图。

图4是本发明实施例提供的多中继协作通信系统采用QPSK调制时的星座映射集合示意图。

图5是本发明实施例提供的多中继协作通信系统采用8PSK调制时的星座映射集合示意图。

图6是本发明实施例提供的多中继协作通信系统采用16QAM调制时的星座映射集合示意图。

图7是本发明实施例提供的多中继协作通信系统采用本发明的波束成型方案和现有的人工加噪方案和协作干扰方案，目的节点的误比特率曲线示意图。

图8是本发明实施例提供的多中继协作通信系统采用本发明的波束成型方案和现有的人工加噪方案和协作干扰方案，中继节点的误比特率曲线示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的源节点根据直传链路和中继链路的信道状态信息对发送信号的实部和虚部分别进行波束成型，而且虚部的波束成型矢量与中继链路的信道衰落矢量满足正交的关系，这使得中继节点只能对接收信号进行放大转发却无法正确接收解调。而对于目的节点，它可以从源节点和中继节点发送的信号中获取完整的信号，从而可以正确地接收解调。所以，本发明提出的波束成型方案可以保证源节点和目的节点之间的信息不被中继节点窃取的前提下，获得中继节点参与协作转发带来的空间分集增益。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的可实现物理层安全传输的波束成型方法包括以下步骤：

S101：根据网络规划的要求，为源节点分配中继节点；

S102：源节点分别估计直传链路和中继链路的信道衰落矢量；

S103：源节点根据中继链路的信道增益选择一个最佳的中继节点；

S104：源节点对发送的比特信息进行星座映射；

S105：源节点对发送信号进行波束成型并向中继节点和目的节点广播；

S106：中继节将接收信号进行放大并转发至目的节点；

S107：目的节点对源节点和中继节点发送的信号进行合并检测和判决。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。

实施例1：

本发明实施例采用的多中继协作通信系统的模型如图2所示，其中S为源节点，R₁,…,R^*,…,R_K为中继节点集合，D为目的节点。源节点配备N个发射天线，而目的节点和每个中继节点都只配备一个天线，所有节点都工作在时分双工模式。在广播阶段，源节点S发射信号，目的节点D和中继节点R^*接收信号；在协作阶段，中继节点R^*发射信号，目的节点D接收信号，而源节点保持静止。

如图3所示，本发明实施例的实现步骤如下：

步骤1，根据网络规划的要求，为源节点S分配K个中继节点与目的节点D进行协作通信，其中，K个中继节点构成集合R＝{R₁,…,R_k,…,R_K}且k＝1,2,…K。

步骤2，根据衰落信道的互易性，源节点S利用目的节点D和中继节点R_k的反馈信号，分别估计S→D直传链路的信道衰落矢量h_SD和S→R_k中继链路的信道衰落矢量

其中k＝1,2,…K。

步骤3，源节点S根据S→R_k中继链路的信道增益选择一个最佳的中继节点R^*，具体步骤如下：

3a)源节点S计算S→R_k中继链路的信道增益

其中|| ||表示求向量的长度且k＝1,2,…K；

3b)源节点S比较K个中继节点的信道增益Γ_k，从中继集合R中选择信道增益最大的一个，将该中继节点和相应的中继链路的信道衰落矢量分别标记为R^*和

步骤4，源节点S对比特信息进行星座映射，根据调制阶数的不同需要选择不同的星座集合来进行映射，具体的对应关系如下：

当采用QPSK调制时，星座集合如图4所示。

当采用8PSK调制时，星座集合如图5所示。

当采用16QAM调制时，星座集合如图6所示。

对于更高阶的调制，比如64QAM和256QAM，星座映射可以参考以下文献给出的星座集合：S.Pfletschinger and F.Sanzi,“Error floor removal for bit-interleavedcoded modulation with iterative detection,”IEEE Trans.Wireless Commun.,vol.5,no.9,pp.3174–3181,Sep.2006；D.Torrieri and M.Valenti,“Constellation labelingmaps for low error floors,”IEEE Trans.Wireless Commun.,vol.7,pp.5401–5407,Dec.2008。

步骤5，源节点S对发送信号进行波束成型，然后将信号发送至中继节点R^*和目的节点D，具体步骤如下：

5a)利用步骤2和3得到的h_SD和

源节点S计算发送信号的波束成形矢量，即

和

其中，()^H表示求矩阵或向量的共轭转置，()^⊥表示求向量的正交向量，P_S为源节点的发射功率；

5b)源节点S将发送信号分解为实部和虚部，然后分别进行波束成形，即x_S＝ω_Rs_R+jω_Is_I，其中，s_R和s_I分别是发送信号的实部和虚部。

步骤6，中继节点R^*将步骤3中的接收信号进行放大，然后转发至目的节点，具体步骤如下：

6a)中继节点R^*计算接收信号的功率归一化因子，即

其中，

为中继节点R^*在步骤5中的接收信号，

为中继点R^*的发射功率，Re{}表示取复信号的实部；

6b)中继节点R^*利用β对发送信号进行功率归一化，然后将信号放大转发至目的节点，所以中继节点R^*的发送信号为

步骤7，目的节点D利用最小均方误差准则对接收信号进行合并检测和判决，从而获得源节点S发送的比特信息，具体步骤如下：

7a)目的节点D将接收信号写成向量的形式，即y_D＝[y_D1,y_D2]^T，其中y_D1和y_D2分别表示目的节点D在步骤5和6中的接收信号；

7b)目的节点D计算S→D链路和S→R^*→D链路联合的等效信道矩阵，即：

7c)利用最小均方误差准则，目的节点D对接收信号进行合并检测，合并检测的输出信号为：

其中，

和

表示目的节点D对源节点S发送信号的实部和虚部的估计，

表示R^*→D链路的信道衰落系数，N₀表示目的节点D的接收高斯白噪声的方差,| |表示求复数的模，()^-1表示求矩阵的逆。

7d)目的节点D对合并检测的输出结果进行判决从而得到源节点S发送的比特信息。

下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。

1)仿真条件：

假设本发明采用的多中继协作通信系统中，中继节点的个数为K＝4，源节点S的天线数为N＝4，所有中继节点和目的节点都采用单天线。假设所有链路的信道衰落系数都是相互独立且服从瑞利分布。源节点S采用的调制方式是16QAM，具体的星座映射集合如图6所示。假设源节点S的发送功率P_S和中继节点R^*的发送功率相等且都为P，即

中继节点R^*和目的节点D的接收噪声为加性高斯白噪声且均值为零，方差为N₀。仿真结果中的横坐标为信噪比，定义为10log₁₀(P/N₀)。

2)仿真内容与结果：

针对多中继协作通信系统分别采用本发明提出的波束成形方案和和现有的人工加噪方案和协作干扰方案，利用计算机对目的节点和中继节点的BER进行了比较，仿真结果分别如图7和图8所示。从图7可以看出，采用本发明提出的波束成型方案，目的节点接收检测的BER性能明显要比现有的人工加噪方案和协作干扰方案的BER性能更优。另外，从图8可以看出，采用本发明提出的波束成型方案，在整个信噪比范围内，中继节点的BER始终保持在0.5，而采用现有的人工加噪方案和协作干扰方案，中继节点的BER保持在0.1到0.4之间。所以，以上仿真结果的比较说明，本发明提出的波束成型方案可以保证协作通信系统的收发节点之间实现安全通信的前提下，接收节点的接收检测具有更好的BER性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种可实现物理层安全传输的波束成型方法，其特征在于，所述可实现物理层安全传输的波束成型方法包括以下步骤：

步骤一，根据网络规划的要求，为源节点S分配K个中继节点；

步骤二，源节点S分别估计源节点到目的节点S→D直传链路和源节点到中继节点S→R_k中继链路的信道衰落矢量；

步骤三，源节点S根据S→R_k中继链路的信道增益选择一个最佳的中继节点R^*；

步骤四，源节点S对发送的比特信息进行星座映射；

步骤五，源节点S对发送信号进行波束成型并向中继节点R^*和目的节点D广播；

步骤六，中继节点R^*将接收信号进行放大并转发至目的节点D；

步骤七，目的节点D对源节点S和中继节点R^*发送的信号进行合并检测和判决；

根据网络规划的要求，为源节点S分配K个中继节点与目的节点D进行协作通信，其中，K个中继节点构成集合R＝{R₁,…,R_k,…,R_K}且k＝1,2,…K；

根据衰落信道的互易性，源节点S利用目的节点D和中继节点R_k的反馈信号，分别估计S→D直传链路的信道衰落矢量h_SD和S→R_k中继链路的信道衰落矢量

其中k＝1,2,…K。

2.如权利要求1所述的可实现物理层安全传输的波束成型方法，其特征在于，所述步骤三具体包括：

第一步，源节点S计算S→R_k中继链路的信道增益

其中|| ||表示求向量的长度且k＝1,2,…K；

第二步，源节点S比较K个中继节点的信道增益Γ_k，从中继集合R中选择信道增益最大的一个中继节点，将该选择的中继节点和相应的中继链路的信道衰落矢量分别标记为R^*和

3.如权利要求2所述的可实现物理层安全传输的波束成型方法，其特征在于，所述步骤五具体包括：

第一步，利用得到的h_SD和

源节点S计算发送信号的波束成形矢量，即

和

其中，()^H表示求矩阵或向量的共轭转置，()^⊥表示求向量的正交向量，P_S为源节点的发射功率；

第二步，源节点S将发送信号分解为实部和虚部，然后分别进行波束成形，即x_S＝ω_Rs_R+jω_Is_I，其中，s_R和s_I分别是发送信号的实部和虚部。

4.如权利要求3所述的可实现物理层安全传输的波束成型方法，其特征在于，所述步骤六具体包括：

第一步，中继节点R^*计算接收信号的功率归一化因子，即

其中，

为中继节点R^*的接收信号，

为中继节点R^*的发射功率，Re{}表示取复信号的实部；

第二步，中继节点R^*利用β对发送信号进行功率归一化，然后将信号放大转发至目的节点，所以中继节点R^*的发送信号为

5.如权利要求4所述的可实现物理层安全传输的波束成型方法，其特征在于，所述步骤七具体包括：

第一步，目的节点D将接收信号写成向量的形式，即y_D＝[y_D1,y_D2]^T，其中y_D1和y_D2分别表示目的节点D对S→D链路和R^*→D链路的接收信号；

第二步，目的节点D计算S→D链路和S→R^*→D链路联合的等效信道矩阵，即：

第三步，利用最小均方误差准则，目的节点D对接收信号进行合并检测，合并检测的输出信号为：

其中，

和

表示目的节点D对源节点S发送信号的实部和虚部的估计，

表示R^*→D链路的信道衰落系数，N₀表示目的节点D的接收高斯白噪声的方差，| |表示求复数的模，()^-1表示求矩阵的逆；

第四步，目的节点D对合并检测的输出结果进行判决从而得到源节点S发送的比特信息。

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