CN106992803A - 一种全双工中继系统的人工噪声预编码安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全双工中继系统的人工噪声预编码安全传输方法，包括：信源采用人工噪声预编码方案同时广播有用信号和人工噪声信号；中继对信源广播的信号和中继处自干扰进行接收，窃听者对信源广播的信号和中继发射的重编码信号进行接收；中继节点采用自干扰消除技术来减小自干扰带来的影响；信宿采用最大比合并策略接收中继重编码后的发射信号；获取信源到中继链路及中继到信宿链路的信干噪比，并计算出信宿和窃听者处的接收信干噪比；根据信宿和窃听者处的接收信干噪比获取所述系统的瞬时安全速率，并计算出平均安全速率。本发明方法在提升合法信道传输速率的同时，能有效降低窃听信道容量。

Description

一种全双工中继系统的人工噪声预编码安全传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信和物理层安全领域，特别涉及一种全双工中继系统的人工噪声预编码安全传输方法。

背景技术

随着无线通信技术的迅猛发展所带来的用户对服务质量的进一步要求，通信安全成为一个重要的关注点。在无线通信中，射频信号的广播特性导致信源广播的信息容易被窃听者截获。窃听问题已成为无线通信系统面临的日益严峻的挑战。传统的加密措施是在物理层的上层采用加密编码方案，从而提升系统的安全传输性能。但是，加密编码方案的有效性是建立在窃听端计算能力有限的假设基础之上的。在现代处理器计算能力飞速提升的背景下，传统的上层加密编码方案变得越来越不可靠。此外，现阶段中继传输系统中，中继多工作在半双工模式，不能充分利用无线资源(时间和频率)，造成了无线资源的浪费。更进一步的，对传统三节点(信源、中继和信宿)窃听模型的现有研究发现，正安全速率不一定总是存在，这将导致无线通信系统的传输速率受限。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种全双工中继系统的人工噪声预编码安全传输方法，采用人工噪声预编码方案同时传输合法信息和人工噪声，在提升合法信道传输速率的同时，能有效降低窃听信道容量；通过采用全双工中继，使无线资源利用率大大提升；通过采用多天线技术，显著提升无线通信系统的传输速率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种全双工中继系统的人工噪声预编码安全传输方法，应用在包括信源、中继、信宿和窃听者四个节点的无线通信系统中，所述信源、中继和信宿均配置若干根天线，方法包括：

步骤a，信源采用人工噪声预编码方案同时广播有用信号和人工噪声信号；

步骤b，中继对信源广播的信号和中继处自干扰进行接收，窃听者对信源广播的信号和中继发射的重编码信号进行接收；

步骤c，中继节点采用自干扰消除技术来减小自干扰带来的影响；

步骤d，信宿采用最大比合并策略接收中继重编码后的发射信号；

步骤e，获取信源到中继链路及中继到信宿链路的信干噪比，并计算出信宿和窃听者处的接收信干噪比；

步骤f，根据信宿和窃听者处的接收信干噪比获取所述系统的瞬时安全速率，并计算出平均安全速率。

进一步的，步骤a中，信源采用人工噪声预编码方案广播的信号表示为：

x_S[i]＝w₁x[i]+W₂v

其中，x[i]表示第i个时隙的合法信号，满足 表示求数学期望符号，α表示功率分配因子，0＜α＜1，P_S表示信源发送功率；v表示人工噪声向量，中的每一个元素都服从独立同分布的均值为零方差为的复高斯分布，功率在N_S-1个人工噪声元素间均匀分配，有w1表示波束形成向量，h_SR为1×N_S维向量，表示信源到中继信道参数向量，N_S表示信源端天线数，||h_SR||表示对向量求2-范数；W₂是信道参数h_SR零空间的正交基矩阵，W2＝null(hSR)，C为复数集合符号，表示(N_S-1)×1维复数向量，表示N_S×(N_S-1)维复数向量。

进一步的，步骤b中，中继接收的信号表示为：

y_R[i]＝h_SRx_S[i]+f_RRt[i]+n_R[i]

＝||h_SR||x[i]+f_RRt[i]+n_R[i]

窃听者接收的信号表示为：

y_E[i]＝g_SEx_S[i]+g_REt[i]+n_E[i]

＝g_SEw₁x[i]+g_SEW₂v+g_REt[i]+n_E[i]

其中，t[i]表示中继重编码后的发送信号，满足P_R表示中继的发送功率；f_RR表示中继处的自干扰信道参数；g_SE为1×N_S维向量，表示信源到窃听节点的信道参数向量；g_RE中继到窃听节点的信道参数；n_R[i]和n_E[i]分别表示中继和窃听节点处的零均值单位方差加性白高斯噪声；上标H表示共轭转置。

进一步的，步骤c中，不完全自干扰消除后中继的接收信号表示：

其中，建模为不完全的自干扰消除信道，是一个衡量自干扰消除程度的关键指标，其服从均值为1/K的指数分布，K表示自干扰消除程度；中继工作在解码转发模式下，其转发信号可以表示为：τ表示中继在解码处理接收信号时产生的延时。

进一步的，步骤d中，信宿接收的信号表示为：

其中，h_RD为N_D×1维向量，表示中继到信宿的信道参数向量；n_D[i]代表信宿处的零均值单位方差加性白高斯噪声；N_D表示信宿端天线数。

进一步的，步骤e中，信源到中继链路的信干噪比表示为：

中继到信宿链路的信干噪比表示为：

γ_RD＝P_R||h_RD||²

中继节点采用固定解码转发协议，信宿的接收信干噪比表示为：

γ_D＝min{γ_SR,γ_RD}

窃听者处的接收信干噪比表示为：

其中，γ₂＝||g_SEW₂||²、γ₃＝|g_RE|²、

进一步的，步骤f中，系统的瞬时安全速率表示为：

C_S＝max{C_D-C_E,0}

其中，C_D＝log₂(1+γ_D)，C_E＝log₂(1+γ_E)；

对C_S求数学期望获为平均安全速率，表示为：

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明方法采用人工噪声预编码方案同时传输合法信息和人工噪声，在提升合法信道传输速率的同时，有效降低窃听信道容量，正安全容量总是存在；

(2)本发明方法采用全双工中继，大大提升了无线资源的利用率；

(3)本发明方法采用多天线技术，可有效提升系统可达安全速率。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种全双工中继系统的人工噪声预编码安全传输方法不局限于实施例。

附图说明

图1为本发明方法所应用的系统模型图；

图2为本发明方法的流程图；

图3为本发明方法所提及全双工中继无线通信系统和传统半双工中继无线通信系统在不同信源发射功率情况下的遍历可达安全速率对比图；

图4为本发明方法所提及全双工中继无线通信系统遍历可达安全速率随不同信源天线根数的变化曲线图。

具体实施方式

如图1所示，一种全双工中继系统的人工噪声预编码安全传输方法，应用在包括信源S、中继R、信宿D和窃听者E四个节点的无线通信系统中，所述信源S、中继R和信宿D均配置若干根天线。

如图2所示，本发明提供的一种全双工中继系统的人工噪声预编码安全传输方法，具体包括如下步骤：

步骤201，信源采用人工噪声预编码方案同时广播有用信号和人工噪声信号。

具体的，信源发射信号可表示为：

x_S[i]＝w₁x[i]+W₂v

其中，x[i]表示第i个时隙的合法信号，满足 表示求数学期望符号，α表示功率分配因子，0＜α＜1，P_S表示信源发送功率；v表示人工噪声向量，中的每一个元素都服从独立同分布的均值为零方差为的复高斯分布，由于功率在N_S-1个人工噪声元素间均匀分配，有w₁表示波束形成向量，用来匹配合法信道参数h_SR，以最大化中继的接收信干噪比，即h_SR为1×N_S维向量，表示信源到中继信道参数向量，N_S表示信源端天线数，||h_SR||表示对向量求2-范数；W₂是信道参数h_SR零空间的正交基矩阵，即W₂＝null(h_SR)，C为复数集合符号，表示(N_S-1)×1维复数向量，表示N_S×(N_S-1)维复数向量。

步骤202，中继对信源广播的信号和中继处自干扰进行接收，窃听者对信源广播的信号和中继发射的重编码信号进行接收。

具体的，中继对步骤201中信源广播的信号和中继处自干扰进行接收，窃听者对步骤201中信源广播的信号和中继发射的重编码信号进行接收，中继接收的信号表示为：

y_R[i]＝h_SRx_S[i]+f_RRt[i]+n_R[i]

＝||h_SR||x[i]+f_RRt[i]+n_R[i]

窃听者接收的信号表示为：

y_E[i]＝g_SEx_S[i]+g_REt[i]+n_E[i]

＝g_SEw₁x[i]+g_SEW₂v+g_REt[i]+n_E[i]

其中，t[i]表示中继重编码后的发送信号，满足P_R表示中继的发送功率；f_RR表示中继处的自干扰信道参数；g_SE为1×N_S维向量，表示信源到窃听节点的信道参数向量；g_RE中继到窃听节点的信道参数；n_R[i]和n_E[i]分别表示中继和窃听节点处的零均值单位方差加性白高斯噪声；上标H表示共轭转置。

步骤203，中继节点采用自干扰消除技术来减小自干扰带来的影响。

具体的，基于步骤202，中继节点确知自己的解码转发信号，因此可采用自干扰消除技术来减小自干扰带来的影响。不完全自干扰消除后中继的接收信号表达式为：

其中，建模为不完全的自干扰消除信道，是一个衡量自干扰消除程度的关键指标，其服从均值为1/K的指数分布，K表示自干扰消除程度；中继工作在解码转发模式下，其转发信号可以表示为：τ表示中继在解码处理接收信号时产生的延时。

步骤204，信宿采用最大比合并策略接收中继重编码后的发射信号。

具体的，基于步骤202，信宿采用最大比合并策略接收中继重编码后的发射信号，接收信号可表示为：

其中，h_RD为N_D×1维向量，表示中继到信宿的信道参数向量；n_D[i]代表信宿处的零均值单位方差加性白高斯噪声；N_D表示信宿端天线数。

步骤205，获取信源到中继链路及中继到信宿链路的信干噪比，并计算出信宿和窃听者处的接收信干噪比。

具体的，基于步骤202、步骤203和步骤204，信源到中继链路的信干噪比表示为：

中继到信宿链路的信干噪比表示为：

γ_RD＝P_R||h_RD||²

中继节点采用固定解码转发协议，信宿的接收信干噪比表示为：

γ_D＝min{γ_SR,γ_RD}

窃听者处的接收信干噪比表示为：

其中，γ₂＝||g_SEW₂||²、γ₃＝|g_RE|²、

步骤206，根据信宿和窃听者处的接收信干噪比获取所述系统的瞬时安全速率，并计算出平均安全速率。

具体的，基于步骤205，系统的瞬时安全速率为C_S＝max{C_D-C_E,0}，其中，C_D＝log₂(1+γ_D)，C_E＝log₂(1+γ_E)，对C_S求数学期望即为平均安全速率：

如图3所示为本发明所提及全双工中继无线通信系统和传统半双工中继无线通信系统在不同信源发射功率情况下的遍历可达安全速率对比图。其中，信源和信宿端天线个数为N_S＝N_D＝4，信源端功率分配因子α＝0.5，中继发射功率为P_R＝20dB，自干扰消除程度为K＝-20dB。

如图4所示为本发明所提及全双工中继无线通信系统遍历可达安全速率随不同信源天线根数的变化曲线图。其中，信宿端天线个数为N_D＝5，信源端功率分配因子α＝0.5，信源发射功率为P_S＝30dB，中继发射功率为P_R＝20dB，自干扰消除程度为K＝-20dB。

以上仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种全双工中继系统的人工噪声预编码安全传输方法，应用在包括信源、中继、信宿和窃听者四个节点的无线通信系统中，其特征在于，所述信源、中继和信宿均配置若干根天线，方法包括：

步骤a，信源采用人工噪声预编码方案同时广播有用信号和人工噪声信号；

步骤b，中继对信源广播的信号和中继处自干扰进行接收，窃听者对信源广播的信号和中继发射的重编码信号进行接收；

步骤c，中继节点采用自干扰消除技术来减小自干扰带来的影响；

步骤d，信宿采用最大比合并策略接收中继重编码后的发射信号；

步骤e，获取信源到中继链路及中继到信宿链路的信干噪比，并计算出信宿和窃听者处的接收信干噪比；

步骤f，根据信宿和窃听者处的接收信干噪比获取所述系统的瞬时安全速率，并计算出平均安全速率。

2.根据权利要求1所述的全双工中继系统的人工噪声预编码安全传输方法，其特征在于，步骤a中，信源采用人工噪声预编码方案广播的信号表示为：

x_S[i]＝w₁x[i]+W₂v

其中，x[i]表示第i个时隙的合法信号，满足 表示求数学期望符号，α表示功率分配因子，0＜α＜1，P_S表示信源发送功率；v表示人工噪声向量，中的每一个元素都服从独立同分布的均值为零方差为的复高斯分布，功率在N_S-1个人工噪声元素间均匀分配，有w₁表示波束形成向量，h_SR为1×N_S维向量，表示信源到中继信道参数向量，N_S表示信源端天线数，||h_SR||表示对向量求2-范数；W₂是信道参数h_SR零空间的正交基矩阵，W₂＝null(h_SR)，C为复数集合符号，表示(N_S-1)×1维复数向量，表示N_S×(N_S-1)维复数向量。

3.根据权利要求2所述的全双工中继系统的人工噪声预编码安全传输方法，其特征在于，步骤b中，中继接收的信号表示为：

y_R[i]＝h_SRx_S[i]+f_RRt[i]+n_R[i]

＝||h_SR||x[i]+f_RRt[i]+n_R[i]

窃听者接收的信号表示为：

y_E[i]＝g_SEx_S[i]+g_REt[i]+n_E[i]

＝g_SEw₁x[i]+g_SEW₂v+g_REt[i]+n_E[i]

其中，t[i]表示中继重编码后的发送信号，满足P_R表示中继的发送功率；f_RR表示中继处的自干扰信道参数；g_SE为1×N_S维向量，表示信源到窃听节点的信道参数向量；g_RE为中继到窃听节点的信道参数；n_R[i]和n_E[i]分别表示中继和窃听节点处的零均值单位方差加性白高斯噪声；上标H表示共轭转置。

4.根据权利要求3所述的全双工中继系统的人工噪声预编码安全传输方法，其特征在于，步骤c中，不完全自干扰消除后中继的接收信号表示：

$\begin{array}{c}{\hat{y}}_R\[i\]=h_{SR}{x}_S\[i\]+{\hat{f}}_{RR}t\[i\]+n_R\[i\]\\ =\left|\right|h_{SR}\left|\right|x\[i\]+{\hat{f}}_{RR}t\[i\]+n_R\[i\]\end{array}$

其中，建模为不完全的自干扰消除信道，是一个衡量自干扰消除程度的关键指标，其服从均值为1/K的指数分布，K表示自干扰消除程度因子；中继工作在解码转发模式下，其转发信号可以表示为：τ表示中继在解码处理接收信号时产生的延时。

5.根据权利要求4所述的全双工中继系统的人工噪声预编码安全传输方法，其特征在于，步骤d中，信宿接收的信号表示为：

$\begin{array}{c}{y}_D\[i\]=h_{RD}^H\frac{h_{RD}}{\left|\right|h_{RD}\left|\right|}t\[i\]+n_D\[i\]\\ =\left|\right|h_{RD}\left|\right|t\[i\]+n_D\[i\]\end{array}$

其中，h_RD为N_D×1维向量，表示中继到信宿的信道参数向量；n_D[i]代表信宿处的零均值单位方差加性白高斯噪声；N_D表示信宿端天线数。

6.根据权利要求5所述的全双工中继系统的人工噪声预编码安全传输方法，其特征在于，步骤e中，信源到中继链路的信干噪比表示为：

${\mathrm{\γ}}_{SR}=\frac{{\mathrm{\αP}}_S\left|\right|h_{SR}|{|}^2}{{\left|{\hat{f}}_{RR}\right|}^2{P}_R+1}$

中继到信宿链路的信干噪比表示为：

γ_RD＝P_R||h_RD||²

中继节点采用固定解码转发协议，信宿的接收信干噪比表示为：

γ_D＝min{γ_SR,γ_RD}

窃听者处的接收信干噪比表示为：

${\mathrm{\γ}}_E=\frac{{\mathrm{\αP}}_S{\mathrm{\γ}}_1}{{\mathrm{a\γ}}_2+{\mathrm{\γ}}_3{P}_R+1}$

其中，γ₂＝||g_SEW₂||²、γ₃＝|g_RE|²、

7.根据权利要求6所述的全双工中继系统的人工噪声预编码安全传输方法，其特征在于，步骤f中，系统的瞬时安全速率表示为：

C_S＝max{C_D-C_E,0}

其中，C_D＝log₂(1+γ_D)，C_E＝log₂(1+γ_E)；

对C_S求数学期望获为平均安全速率，表示为：