CN107124215B - 基于最优天线选择的全双工多天线目的节点干扰传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于最优天线选择的全双工多天线目的节点干扰传输方法，包括：目的端根据导频信息估计信道，获取信道状态信息；目的端利用信道状态信息，从目的端配置的N根天线中选出一组安全容量最大的收发天线；第一时隙中，信源发送信息给中继和目的端，目的端接收信源信息同时向中继发送干扰信号；第二时隙中，中继采用放大转发协议将第一时隙内接收的信号放大后转发至目的端，目的端进行自干扰消除；目的端将第一时隙和第二时隙接收到的信息进行最大比合并，计算安全容量；根据安全容量，获取最优功率分配因子。本发明采用全双工多天线目的节点干扰与天线选择方法相结合，通过选择能使系统安全速率获得最大值的最优发送和接收天线对。

Description

基于最优天线选择的全双工多天线目的节点干扰传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信和物理层安全领域，特别涉及一种基于最优天线选择的全双工多天线目的节点干扰传输方法。

背景技术

随着网络技术的快速发展，越来越复杂的网络结构使得信息的安全传输更容易受到威胁。基于密钥体制的高层安全协议和加密算法等方法虽然可以在一定程度上提升信息安全性，但无法克服无线信道的广播特性和迅速提升的计算能力对信息安全产生的不利影响。物理层安全技术通过充分利用无线信道复杂的空间特性和时变特性，直接从物理层保障信息传输的安全性。

近些年，相比与传统无线通信网络，无线网络中协同中继技术的研究受到了广泛关注，协作中继通信能够扩大网络覆盖范围，并能确保更高的吞吐量和服务质量。协作中继传输方法能够改善无线通信的安全性能。

在衰落信道中，大多数研究者采用的中继节点为可信中继，协作中继安全传输中除了友好的中继节点外，也可能存在非可信的中继节点。然而当中继为非可信中继时，对系统的安全性能有非常大的影响。当非可信中继采用解码转发协议传输时，中继节点将比目的节点接收到更准确的信息，会导致无法获得系统正安全容量。因此，非可信中继通信系统一般采用放大转发协议进行信息转发，但系统的安全容量也不会有太大的提升。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于最优天线选择的全双工多天线目的节点干扰传输方法，目的节点采用全双工工作方式，对中继节点发送干扰噪声，干扰中继的窃听，目的节点同时会接收到信源直接发送的信息；通过对信源和目的节点发送功率的最优分配，以及对多天线全双工目的节点的收发天线的最优选择合理分配，使得系统的安全容量最大化，从而使本发明方法的传输安全性能达到最优。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于最优天线选择的全双工多天线目的节点干扰传输方法，应用在包括信源S、中继R和目的端D三个节点的无线通信系统中，所述中继为非可信中继；其特征在于，所述目的节点配置N根天线且工作于全双工模式下，且目的节点的收发天线随机分配，其余节点配置单根天线，所述无线通信系统信息的传输过程分为两个时隙完成，所述全双工多天线目的节点干扰传输方法包括：

目的端获知信源端和中继端发送的导频信息，根据导频信息估计信道，获取信道状态信息；

目的端利用信道状态信息，从目的端配置的N根天线中选出一组安全容量最大的收发天线；

第一时隙中，信源发送信息给中继和目的端，目的端接收信源信息同时向中继发送干扰信号；

第二时隙中，中继采用放大转发协议将第一时隙内接收的信号放大后转发至目的端，目的端进行自干扰消除；

目的端将第一时隙和第二时隙接收到的信息进行最大比合并，并计算最大系统安全容量；

根据最大系统安全容量，获取最优功率分配因子。

所述两个时隙的每个时隙总功率为P，信源发送信息的功率为P_S＝αP，目的端发送干扰信号的功率为P_D＝(1-α)P，其中α∈(0,1)为功率分配因子，中继发送功率为P_R＝P。

所述目的端利用信道状态信息，从目的端配置的N根天线中选出一组安全容量最大的收发天线，包括：

从

根天线中选择一根天线使得R→D链路的信道参数最大，并同时从

根天线中选择一根天线使得S→D链路的信道参数最大，其中天线数

和

服从

将目的节点发送天线和接收天线的选择序号分别标记为：

当

时，采用天线选择方法可获得系统安全容量为

当

时，可获得系统安全容量为

为最大化系统安全容量，最优发送和接收天线选择表述为：

其中，h_RD,i表示中继与目的端第i根天线之间的信道参数，h_SD,j表示信源到目的端第j根天线之间的信道参数。

所述第一时隙中，信源发送信息给中继和目的端，目的端接收信源信息同时向中继发送干扰信号，包括获得中继和目的端在第一时隙内的接收信噪比，如下：

信源S将信息广播至中继R和目的端D，与此同时，目的端发送人工噪声信号到中继节点来防止中继窃听；中继接收信号的表达式为

其中h_SR为信源至中继的信道参数，h_DR为目的端至中继的信道参数，x_S为单位方差信源信号，x_D为单位方差目的端人工噪声信号，n_R表示中继的方差为σ²的加性白高斯噪声；同时，目的端在第一时隙内接收信号的表达式可表示为

其中，h_SD为直达路径信源到目的端的信道参数，取值h_SD,j，h_LI为目的端收发天线间的自干扰信道参数，n_D1表示目的端的方差为σ²的加性白高斯噪声；在第一时隙中，根据上述表达式，求得中继和目的端在第一时隙内的接收信噪比表达式分别为：

其中γ_SR＝ρ|h_SR|²，γ_RD＝ρ|h_RD|²，γ_SD＝ρ|h_SD|²，γ_LI＝ρ|h_LI|²，ρ＝P/N₀为系统发送信噪比，h_RD表示中继与目的端之间的信道参数，由于信道互易性，h_DR＝h_RD，取值h_RD,i。

所述中继采用放大转发协议将第一时隙内接收的信号放大后转发至目的端，目的端进行自干扰消除，包括获得目的端在第二时隙中的接收信噪比，如下：

在第二时隙中，中继采用放大转发协议将信源信息进行转发，目的端接收信号表示为

其中n_D2表示目的端的方差为σ²的加性白高斯噪声，中继发送的信号x_R表示为x_R＝βy_R；其中β是放大转发中继节点的功率放大因子，表示为β²＝1/(P_S|h_SR|²+P_D|h_DR|²+σ²)；由y_R的表达式得到

由上可得在第二时隙中，目的端的接收信噪比为

所述目的端将第一时隙和第二时隙接收到的信息进行最大比合并，包括获得目的端D的接收信噪比γ_D：

信源S和中继R通过正交信道传输信息到目的端D，故目的端D采用最大比合并技术接收两路信号；可得目的端D的接收信噪比γ_D可以表示为：

在中高信噪比区域，上式可进一步近似为：

计算最大系统安全容量

如下：

窃听信道的信道容量表示为

合法信道的信道容量表示为

则系统的瞬时安全容量可以表示为

其中[x]⁺＝max{0,x}；

将中继的接收信噪比γ_R和目的端的接收信噪比γ_D代入上式，得到系统的瞬时安全容量为：

则最大系统安全容量

表示为：

其中，

根据最大系统安全容量，获取最优功率分配因子，表示为

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明通过目的节点发送干扰噪声到中继节点，而且目的节点在接收中继的转发信息时，可以把自身发送干扰噪声消除，从而不受自身发送的干扰噪声的影响；

(2)本发明的信源端和目的节点的发送功率最优分配方案，既能使信源高效地发送信息到目的节点，又能使目的节点有效地干扰中继节点接收有用信息，从而让系统的安全性能最大化；

(3)本发明的多天线目的节点的收发天线的最优选择方案以提升系统安全性能，即目的节点采用哪根天线发送干扰噪声，采用哪根天线接收信源和中继的有用信息。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种基于最优天线选择的全双工多天线目的节点干扰传输方法不局限于实施例。

附图说明

图1为本发明无线通信系统的结构框图；

图2为本发明方法的流程图；

图3为本发明的传输方法与传统的半双工方法在有无天线选择下的性能对比；

图4为本发明的传输方法随着功率分配因子的变化平均安全速率的变化情况；

图5为本发明的传输方法随着目的节点天线数目的变化曲线图。

具体实施方式

参见图1所示，一种基于最优天线选择的全双工多天线目的节点干扰传输方法，应用在包括信源S、中继R和目的端D三个节点的无线通信系统中，其中中继为非可信放大转发中继，即中继在接收信源有用信息的同时也在窃听信源信息。本发明使用一种目的节点发送人工噪声的方法，用于干扰中继窃听。目的节点配置N根天线且工作于全双工模式下，且目的节点的收发天线随机分配，其余节点配置单根天线。考虑信源到目的节点之间存在直达路径，系统中的各个信道均服从瑞利衰落信道。本发明中，信息的整个传输过程分为两个时隙完成，在第一个时隙，信源将有用信息广播至中继和目的节点，中继节点在接收信源的有用信息的同时也会窃听信息，为了防止中继窃听，全双工目的节点在接收信源信息的同时将会发送人工噪声干扰中继的窃听；在第二时隙中，中继将接收到的信息通过放大转发的方式转发到目的节点，在这个时隙内，目的节点只接收信息。目的节点在第一时隙内为全双工工作模式，由于目的节点已知自身发送的干扰信号，可实施自干扰消除。本发明中的非可信中继在实际通信环境中是经常存在的，比如在信息安全传输的过程中往往会遇到一些不可靠的因素，比如中继为伪基站，在辅助转发信息的同时实际上是在窃听信息。

参见图2所示，一种基于最优天线选择的全双工多天线目的节点干扰传输方法，步骤包括：

步骤201，目的端获知信源端和中继端发送的导频信息，根据导频信息估计信道，获取信道状态信息；

步骤202，目的端利用信道状态信息，从目的端配置的N根天线中选出一组系统安全容量最大的收发天线；

步骤203，第一时隙中，信源发送信息给中继和目的端，目的端接收信源信息同时向中继发送干扰信号；

步骤204，第二时隙中，中继采用放大转发协议将第一时隙内接收的信号放大后转发至目的端，目的端进行自干扰消除；

步骤205，目的端将第一时隙和第二时隙接收到的信息进行最大比合并，并计算最大系统安全容量；

步骤206，根据最大系统安全容量，获取最优功率分配因子。

具体的，在本发明方法中，信息传输分两个时隙完成，设每个时隙的总功率为P，信源发送信息的功率为P_S＝αP，目的节点发送干扰信号的功率为P_D＝(1-α)P，其中α∈(0,1)为功率分配因子，中继发送功率为P_R＝P。在第一时隙中，信源S将信息广播至中继R和目的端D，与此同时，D发送人工噪声信号到中继节点来防止中继窃听。R接收信号的表达式为

其中P_S为S的发送功率，P_D为D的发送功率，h_SR为S至R的信道参数，h_DR为D至R的信道参数(h_RD表示中继与目的端之间的信道参数，由于信道互易性，h_DR＝h_RD)，x_S为单位方差信源信号，x_D为单位方差目的端人工噪声信号，n_R表示R的方差为σ²的加性白高斯噪声；同时，D在第一时隙内接收信号的表达式可表示为

h_SD为直达路径S到D的信道参数，h_LI为D收发天线间的自干扰信道参数，n_D1表示D的方差为σ²的加性白高斯噪声。在第一时隙中，根据上述表达式，可以求得R和D在第一时隙内的接收信噪比表达式分别为：

其中γ_SR＝ρ|h_SR|²，γ_RD＝ρ|h_RD|²，γ_SD＝ρ|h_SD|²，γ_LI＝ρ|h_LI|²，ρ＝P/N₀为系统发送信噪比。

基于上述步骤，由于中继采用了放大转发协议，将第一时隙内中继接收的信号进行放大再转发给D。因此，R发送的信号可以表示为x_R＝βy_R，其中β是放大转发中继节点的功率放大因子，它可以表示为β²＝1/(P_S|h_SR|²+P_D|h_DR|²+σ²)，其中P_S为S的发送功率，P_D为D的发送功率，h_SR为S至R的信道参数，h_DR为D至R的信道参数。

基于上述步骤，在第二时隙中，R将信源信息进行转发。由此可知第二时隙中，D接收信号表达式为

h_RD表示R与D之间的信道参数，n_D2均表示D的方差为σ²的加性白高斯噪声，P_R表示中继在第二时隙的发送功率，x_R表示R发送信号，且根据上述步骤它可以表示为

x_D为单位方差目的端人工噪声信号，D在接收中继信号能够正确解码出人工噪声信号。由此可得在第二时隙中，D的接收信噪比为

基于上述步骤，由于目的节点已知自身发送的干扰信号，可实施自干扰消除。S和R通过正交信道传输信息到D，故D可采用最大比合并技术接收两路信号。由上述步骤可得D的接收信噪比γ_D可以表示为

基于当前技术，可将自干扰信道的干扰信号抑制到噪声的水平。当系统在中高的发送信噪比下，可以认为剩余的自干扰信号对接收信噪比影响非常小，可以忽略不计，便于数学分析并得出诸多有意义的结论。在中高信噪比(大于5dB)区域，上式可进一步近似为：

高斯窃听信道的信道容量表示为合法信道的信道容量与窃听信道的信道容量之差。针对本文模型，窃听信道的信道容量可表示为

合法信道的信道容量可表示为

系统的瞬时安全容量可以表示为

其中[x]⁺＝max{0,x}。

在本发明方法中，全双工目的节点自由配置N根天线(每根天线都可用于发送或接收无线电信号)，目的端自由选择发送和接收天线。在全双工系统中，从

根天线中选择一根使得R→D链路的信道参数最大，并同时从

根天线中选择一根天线使得S→D链路的信道参数最大，其中天线数

和

服从

将目的节点发送天线和接收天线的选择序号分别标记为：

当

时，采用天线选择方法可获得系统安全容量为

当

时，可获得系统安全容量为

为最大化系统安全容量，最优发送和接收天线选择表述为：

则本模型的安全容量可表示为：

基于上述步骤，通过本模型的瞬时信道安全容量，通过凸优化理论来判断其凹凸性，从而判断其最优α^*的存在性，并通过二分法对表达式进行穷举搜索和MATLAB仿真，最终得到最优功率分配因子，其中

根据上述安全容量模型，当目的节点的天线数非常大时，根据大数定律及极限性质可得，安全容量表达式可表示为：

其中当天线数N→∞时，

和

如图3所示为本发明的传输方法与传统的半双工方法在有无天线选择下的性能对比。设置各个信道的平均信道增益分别为Ω_SR＝Ω_RD＝10和Ω_SD＝9，α＝0.5，N＝6。由图可知，传统的半双工方法随着发送信噪比的增加，平均安全速率趋于常数，而本模型的传输性能随着信噪比的增加平均安全速率迅速增加，凸显出本模型传输方法的性能优越性。从图3中看出，天线选择方法对本模型的性能有显著提升。

图4为本发明的传输方法随着功率分配因子的变化，平均安全速率的变化情况。设置各个信道的平均信道增益分别为Ω_SR＝Ω_RD＝10，Ω_SD＝9，N＝6。首先是随着发送信噪比的增加，平均安全速率显著增加；其次是最优功率分配因子与前面分析的式子基本吻合，证明了前面分析的准确性。

图5为本发明的传输方法随着目的节点天线数目的变化曲线图，设置各信道增益为Ω_SR＝Ω_RD＝1，Ω_SD＝1，功率分配因子α＝0.5。从图中可看出随着天线数目的增加，平均安全速率迅速增加；当天线数达到100根左右时，平均安全速率缓慢增加。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于最优天线选择的全双工多天线目的节点干扰传输方法，应用在包括信源S、中继R和目的端D三个节点的无线通信系统中，所述中继为非可信中继；其特征在于，所述目的节点配置N根天线且工作于全双工模式下，其余节点配置单根天线，所述无线通信系统信息的传输过程分为两个时隙完成，所述全双工多天线目的节点干扰传输方法包括：

目的端获知信源端和中继端发送的导频信息，根据导频信息估计信道，获取信道状态信息；

目的端利用信道状态信息，从目的端配置的N根天线中选出一组系统安全容量最大的收发天线；

第一时隙中，信源发送信息给中继和目的端，目的端接收信源信息同时向中继发送干扰信号；

第二时隙中，中继采用放大转发协议将第一时隙内接收的信号放大后转发至目的端，目的端进行自干扰消除；

目的端将第一时隙和第二时隙接收到的信息进行最大比合并，并计算最大系统安全容量；

根据最大系统安全容量，获取最优功率分配因子；

所述两个时隙的每个时隙总功率为P，信源发送信息的功率为P_S＝αP，目的端发送干扰信号的功率为P_D＝(1-α)P，其中α∈(0,1)为功率分配因子，中继发送功率为P_R＝P；

所述目的端利用信道状态信息，从目的端配置的N根天线中选出一组安全容量最大的收发天线，包括：

从

根天线中选择一根天线使得R→D链路的信道参数最大，并同时从

根天线中选择一根天线使得S→D链路的信道参数最大，其中天线数

和

服从

将目的节点发送天线和接收天线的选择序号分别标记为：

当

时，采用天线选择方法可获得系统安全容量为

当

时，可获得系统安全容量为

为最大化系统安全容量，最优发送和接收天线选择表述为：

其中，h_RD,i表示中继与目的端第i根天线之间的信道参数，h_SD,j表示信源到目的端第j根天线之间的信道参数；

所述第一时隙中，信源发送信息给中继和目的端，目的端接收信源信息同时向中继发送干扰信号，包括获得中继和目的端在第一时隙内的接收信噪比，如下：

信源S将信息广播至中继R和目的端D，与此同时，目的端发送人工噪声信号到中继节点来防止中继窃听；中继接收信号的表达式为

其中h_SR为信源至中继的信道参数，h_DR为目的端至中继的信道参数，x_S为单位方差信源信号，x_D为单位方差目的端人工噪声信号，n_R表示中继的方差为σ²的加性白高斯噪声；同时，目的端在第一时隙内接收信号的表达式可表示为

其中，h_SD为直达路径信源到目的端的信道参数，取值h_SD,j，h_LI为目的端收发天线间的自干扰信道参数，n_D1表示目的端的方差为σ²的加性白高斯噪声；在第一时隙中，根据上述表达式，求得中继和目的端在第一时隙内的接收信噪比表达式分别为：

其中γ_SR＝ρ|h_SR|²，γ_RD＝ρ|h_RD|²，γ_SD＝ρ|h_SD|²，γ_LI＝ρ|h_LI|²，ρ＝P/N₀为系统发送信噪比，h_RD表示中继与目的端之间的信道参数，由于信道互易性，h_DR＝h_RD，取值h_RD,i；

所述中继采用放大转发协议将第一时隙内接收的信号放大后转发至目的端，目的端进行自干扰消除，包括获得目的端在第二时隙中的接收信噪比，如下：

在第二时隙中，中继采用放大转发协议将信源信息进行转发，目的端接收信号表示为

其中n_D2表示目的端的方差为σ²的加性白高斯噪声，中继发送的信号x_R表示为x_R＝βy_R；其中β是放大转发中继节点的功率放大因子，表示为β²＝1/(P_S|h_SR|²+P_D|h_DR|²+σ²)；由y_R的表达式得到

由上可得在第二时隙中，目的端的接收信噪比为

所述目的端将第一时隙和第二时隙接收到的信息进行最大比合并，包括获得目的端D的接收信噪比γ_D：

信源S和中继R通过正交信道传输信息到目的端D，故目的端D采用最大比合并技术接收两路信号；可得目的端D的接收信噪比γ_D可以表示为：

在大于5dB的信噪比区域，上式可进一步近似为：

计算最大系统安全容量

如下：

窃听信道的信道容量表示为

合法信道的信道容量表示为

则系统的瞬时安全容量可以表示为

其中[x]⁺＝max{0,x}；

将中继的接收信噪比γ_R和目的端的接收信噪比γ_D代入上式，得到系统的瞬时安全容量为：

则最大系统安全容量

表示为：

其中，

根据最大系统安全容量，获取最优功率分配因子，表示为

Images