CN107171775B - 一种认知中继网络中提升物理层安全的混合双工传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种认知中继网络中提升物理层安全的混合双工传输方法。所述内容包括：在存在非法窃听者的认知中继网络中，一对非授权用户在协作中继辅助和对主用户干扰限制下与授权用户共享频带资源，另外，中继在辅助解码转发信息同时还通过添加人为噪声扮演混淆非法窃听者的角色。半双工传输时，一个中继传输帧分成两个相等的时隙。全双工传输时，中继传输帧不划分时隙。当全双工自干扰功率低于阈值时，采用全双工传输，否则采用半双工传输。本方法根据全双工自干扰功率大小在半双工和全双工传输之间切换，从而利用半双工和全双工两种模式各自优点，最终通过提高认知中继网络总传输容量来提升认知中继网络的物理层安全。

Description

一种认知中继网络中提升物理层安全的混合双工传输方法

技术领域

本发明涉及认知无线电技术、信息安全技术领域，具体涉及一种认知中继网络中提升物理层安全的混合双工传输方法。

背景技术

现如今，随着无线移动通信业务量正在急剧增长，如何有效的提高频谱资源利用率和保证信息传输的可靠性等问题变得越来越重要。随着认知无线电技术不断深入发展，次用户在接入授权频带时只要保证对授权用户的干扰在主用户能够忍受的范围内，就可以在授权频带上传输自己的信息，这大大提高了无线频谱的利用率避免频谱资源的浪费，这一概念已然成为解决无线频谱资源匮乏等问题的重要途径。但由于无线通信自身的广播特性，通信信号很容易被非法用户窃听，这就不能保证用户端到端的安全通信。

目前，信息安全技术主要分为传统的加密技术和物理层安全技术，传统加密技术大多基于密码学，对密钥的分配和管理要求极高。然而在无线通信系统中，尤其是一些无中心节点和网络拓扑动态变化的网络中，这就使得传统的网络安全技术不再适用。物理层安全技术利用无线信道的噪声和随机衰落特性等，使发送端到合法接收端信息量最大，让所有窃听端窃听到的信息尽可能少。在窃听信道模型中，当主信道的信息量比窃听信道的信息量多时，系统就获得了保密容量，故不存在密钥管理问题，并且物理层安全技术还可以进一步提高网络的安全性。

在认知无线电网络中，协作中继技术的引入，在有效提高网络容量的同时还使得存在非法窃听用户网络的安全性得到提高。针对认知中继网络中物理层安全技术研究，多天线技术和人为噪声的添加被认为是提高物理层安全的两种主要技术。通过在协作中继协作传输消息时加入人为噪声干扰非法窃听者，被证明在提高物理层安全上有很大的作用，此外，将多天线技术应用到协作中继上，也使得系统的安全保密容量得到很大的提升。

在协作中继传输方式上，随着自我干扰消除技术的发展，全双工协作中继得到了广泛的研究，也被证明相比于半双工协作中继，其在传输容量上有很大的提高。研究表明，理论上全双工相比半双工的传输容量可以提高一倍，但是实际上自我干扰不能完全消除，传输容量达不到理论最高值。

目前，在认知中继网络下的物理层安全问题上，半双工和全双工协作中继得到了广泛的研究，并且证明其各自在特点条件下的优越性，但是很少有人考虑将两种双工模式的优点相结合起来，以此来提升物理层安全保密容量问题。

发明内容

针对现有的认知中继网络中物理层安全问题上只单独考虑协作中继的半双工、全双工传输情形，本发明提出一种认知中继网络中提升物理层安全的混合双工传输方法，根据全双工自我干扰功率在半双工传输和全双工传输之间切换，从而利用全双工的传输容量优势又弱化自我干扰对传输容量性能的不利影响。最终最大化认知中继网络中物理层安全保密容量。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

认知中继网络中提升物理层安全的混合双工传输方法，

该方法用于认知中继协作网络，该网络包含一对非授权用户发射机ST和接收机SR、一个协作中继R以及一个非法窃听端E，所有节点都是全双工的，协作中继R装有一根发射天线和一根接收天线，其它用户节点都只装有一根天线，非授权用户对在满足对授权用户干扰条件的限制下与授权用户共享频带资源，协作中继在提高信息传输的有效性同时还通过添加认为噪声扮演着混淆非法用户窃取信息的角色，以此提高信息的安全传输；

半双工传输时，一个中继传输帧分成两个相等的时隙，

在时隙1，非授权用户发射机ST以发射功率P_S(W)发送一个信号x_s(t)，系统其他节点进行监听；

在时隙2，协作中继R正确解码来自上个时隙ST的信号x_s(t)，并将x_s(t)与人工干扰噪声信号x_p(t)组合，得到组合信号

其中，a表示半双工时的功率分配因子，然后将该组合信号以发射功率P_r(W)转发给非授权用户接收机SR，同时非法窃听用户E接收到来自中继的转发信号，整个传输过程授权用户忍受的干扰功率为P_R(W)，非授权用户接收机SR根据时隙2接收到的信号解码x_s(t)，此时信息传输的安全保密容量为C_half；

全双工传输时，每个中继传输帧不划分时隙，

协作中继R将接收来自ST的解码信号x_s(t)后，立即和干扰人工噪声信号x_p(t)合并得到组合信号

其中，b表示全双工时的功率分配因子，并且立即以发射功率P_r(W)转发出去，产生自我干扰x_k(t)，非授权用户接收机SR和非法窃听用户E都将接收到转发信号，整个传输过程授权用户忍受的干扰功率为

非授权用户接收机SR根据时隙2接收的信号解码x_s(t)，此时信息传输的安全保密容量为C_full(bit/s)；

当自我干扰x_k(t)的功率P_rr(W)低于设定阈值Γ时，协作中继R就采用全双工模式传输；否则采用半双工传输，据此得到半双工/全双工混合传输下信息传输的安全保密容量C，

在中继节点R的发射功率约束和对授权用户干扰约束下最大化非授权用户信息传输的安全容量，建立优化问题如下，

其中I是授权用户接收机PR能忍受的最大干扰功率，P_S和P_r分别是非授权发射机ST和协作中继R的发射功率，a和b分别代表半双工和全双工传输时信号和人为噪声的功率分配因子，

对该优化问题求解，得到最优功率分配因子a和b，以及非授权发射机的发射功率P_S，如果它是凸的，采用交替迭代算法或者拉格朗日乘数法求解；如果它是非凸的，先利用分式规划或者对偶分解等方法将它转化为凸优化问题，再用交替迭代算法或者拉格朗日乘数法求解，得到最优功率分配因子a和b后，协作中继节点R对接收信号以及干扰人为噪声的处理完全确定，从而最大化系统的物理层安全保密容量。

本发明实现了以下有益技术效果：

1)本发明适用于认知中继网络中存在非法窃听用户场景下提高非授权用户物理层安全容量情形；

2)将协作中继的半双工和全双工传输模式相结合，在利用全双工的传输容量优势同时弱化了自我干扰对传输容量性能的不利影响，最大限度的提升保密容量。

本发明的优点为：本发明可用于认知中继网络中存在非法窃听用户场景下提高非授权用户在与授权用户共享频带时的物理层安全容量的情形，该方案具有较广的适用范围、低复杂度以及能够利用全双工的传输容量优势又弱化自我干扰对传输容量性能的不利影响等优点。

附图说明

图1为认知中继网络的物理层安全示意图；

图2为信息传输时隙图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。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。

实施例

一种认知中继网络中提升物理层安全的混合双工传输方法。

一种认知中继网络中提升物理层安全的混合双工传输方法，该方法用于认知中继协作网络，该网络包含一对非授权用户发射机ST和接收机SR、一个协作中继R以及一个非法窃听端E。所有节点都是全双工的，协作中继R装有一根发射天线和一根接收天线，其它用户节点都只装有一根天线，非授权用户对在满足对授权用户干扰条件的限制下与授权用户共享频带资源，协作中继在提高信息传输的有效性同时还通过添加认为噪声扮演着混淆非法用户窃取信息的角色，以此提高信息的安全传输。

本发明所涉及到的无线信道均为准静态的瑞利块衰落和加性高斯白噪声信道。为了简化分析，我们假设所有信道状态信息在一个时隙内是保持不变的，并且已知。h_t(t＝1.2.3.4.5.6)分别表示ST→R、ST→E、ST→PR、R→SR、R→E和R→PR的信道系数。

当中继端采用半双工传输时，如图2所示，一个中继传输帧分成两个相等的时隙，在时隙1，非授权用户发射机ST以发射功率P_S(W)发送一个信号x_s(t)，系统其他节点进行监听，则此时协作中继R以及窃听者E接收到的信号可以分别表示为

其中P_S是非授权用户发射机ST的发射功率，x_s(t)是非授权用户发射机ST的发送信号，它们的均值为0、方差归一化为1。n₁(t)、n₂(t)是均值为零、方差为σ²的加性高斯白噪声；

在时隙2，协作中继R正确解码来自上个时隙ST的信号x_s(t)，并将x_s(t)与人工干扰噪声信号x_p(t)组合，得到组合信号x_c(t)，然后将该组合信号以发射功率P_r(W)转发给非授权用户接收机SR，同时非法窃听用户E接收到来自中继的转发信号，整个传输过程授权用户忍受的干扰功率为P_R(W)，该转发组合信号x_c(t)表示为

其中a表示半双工时的功率分配因子，非授权用户接收机SR和窃听者E的接收信号分别表示为

其中P_r是协作中继R的发射功率。v₁(t)和v₃(t)是均值为零、方差为σ²的加性高斯白噪声。

两个时隙授权用户接收机PR忍受的最大干扰功率为

P_R(W)＝max{P_S|h₃ ²,P_r|h₆ ²} (7)

非授权用户接收机SR根据时隙2接收的信号正确解码x_s(t)，信息传输速率表示为:

窃听者E根据两个时隙接收到的信号解码x_s(t)，信息传输速率表示为：

由此可以得到半双工时系统可以获得的安全保密容量为

C_half＝[R_SR,half-R_E,half]⁺ (10)

其中[x]⁺表示max(0,x)；

全双工传输时，每个中继传输帧不划分时隙，协作中继R将接收来自ST的解码信号x_s(t)后，立即和干扰人工噪声信号x_p(t)合并得到组合信号

(其中，b表示全双工时的功率分配因子)，并且立即以发射功率P_r(W)转发出去，产生自我干扰x_k(t)，非授权用户接收机SR和非法窃听用户E都将接收到转发信号。该转发组合信号

表示为

其中b表示全双工时的功率分配因子，非授权用户接收机SR和窃听者E的接收信号分别表示为

其中P_rr是干扰消除后的残留自我干扰功率，h_rr是协作中继R发射端到接收端的信道系数，自我干扰建模为

授权用户接收机PR忍受的干扰功率为

非授权用户接收机SR根据时隙2接收的信号正确解码x_s(t)，得到的信息传输速率表示为

窃听者E根据两个时隙接收到的信号解码x_s(t)，信息传输速率表示为

由此可以得到全双工时系统的安全保密容量为

C_full＝[R_SR,full-R_E,full]⁺ (17)

当自我干扰x_k(t)的功率P_k低于阈值Γ时，采用全双工传输；否则采用半双工传输。因此半双工/全双工混合传输的信息传输速率为

C＝P(P_rr＜Γ)C_full+P(P_rr≥Γ)C_half (18)

其中P(P_rr＜Γ)是P_rr低于Γ的概率。优化问题建立为

其中I是授权用户接收机PR能忍受的最大干扰功率。参数P_S,max、P_r,max、I、Γ是给定的，参数h_i(i＝1,2,3,4,5,6)、h_rr以及σ²可以通过测量获得。参数P_rr取决于全双工使用的干扰消除方法。给定某种干扰消除方法，一个传输帧的P_rr值是固定的，可以根据很多个传输帧的P_rr值变化统计概率P(P_rr＜Γ)和P(P_rr＜Γ)，从而得到式(18)所示的C，代入式(19)对优化问题进行求解。该优化问题的约束函数并非都是凸的，使得对该优化问题直接解变得很困难。所以我们首先优化问题变量中的一个，使另一个变量固定，此时针对该子优化问题：如果它是凸的，采用拉格朗日乘数法求解；如果它是非凸的，先将它转化为凸优化问题，再用拉格朗日乘数法或者内点法求解。对另一变量重复上述优化步骤。最后针对分别优化的约束变量，运用一维搜索优化方法或交替迭代优化方法得到最优功率分配因子a和b以及最优发射功率P_S，协作中继节点R对接收信号以及干扰人为噪声的处理完全确定。实际应用时在每个传输帧只要P_rr低于阈值Γ时，就采用全双工模式传输；否则采用半双工模式传输，这样看来在整个信息传输过程就实现了半/全双工混合传输。

Claims (1)

1.一种认知中继网络中提升物理层安全的混合双工传输方法，其特征在于：

一种认知中继网络中提升物理层安全的混合双工传输方法，该方法用于认知中继协作网络，该网络包含一对非授权用户发射机ST和接收机SR、一个协作中继R以及一个非法窃听端E，所有节点都是全双工的，协作中继R装有一根发射天线和一根接收天线，其它用户节点都只装有一根天线，非授权用户对在满足对授权用户干扰条件的限制下与授权用户共享频带资源，协作中继在通过解码转发信息以提高信息传输的有效性同时还通过添加人为噪声扮演混淆非法窃听者的角色；

半双工传输时，一个中继传输帧分成两个相等的时隙，

在时隙1，非授权用户发射机ST以发射功率P_S(W)发送一个信号x_s(t)，系统其他节点进行监听；

在时隙2，协作中继R正确解码来自上个时隙ST的信号x_s(t)，并将x_s(t)与人工干扰噪声信号x_p(t)组合，然后将该组合信号以发射功率P_r(W)转发给非授权用户接收机SR，同时非法窃听用户E接收到来自中继的转发信号，整个传输过程授权用户忍受的干扰功率为P_R(W)，非授权用户接收机SR根据时隙2接收到的信号解码x_s(t)，此时信息传输的安全保密容量为C_half；

全双工传输时，每个中继传输帧不划分时隙，

协作中继R将接收来自ST的解码信号x_s(t)后，立即和人工干扰噪声信号x_p(t)合并得到组合信号，并且立即以发射功率P_r(W)转发出去，产生自我干扰x_k(t)，非授权用户接收机SR和非法窃听用户E都将接收到转发信号，整个传输过程授权用户忍受的干扰功率为

非授权用户接收机SR根据接收的信号解码x_s(t)，此时信息传输的安全保密容量为C_full(bit/s)；

当自我干扰x_k(t)的功率P_rr(W)低于设定阈值Γ时，协作中继R就采用全双工模式传输，否则采用半双工传输，据此得到半双工/全双工混合传输下信息传输的安全保密容量C，

在中继节点R的发射功率约束和对授权用户干扰约束下最大化非授权用户信息传输的安全容量，建立优化问题如下，

其中Ι是授权用户接收机PR能忍受的最大干扰功率，P_S和P_r分别是非授权发射机ST和协作中继R的发射功率，

对该优化问题求解，以期望得到最优功率分配因子a和b，以及最优非授权发射机的发射功率P_S，

如果它是凸的，采用交替迭代算法或者拉格朗日乘数法求解，

如果它是非凸的，先利用分式规划或者对偶分解方法将它转化为凸优化问题，再用交替迭代算法或者拉格朗日乘数法求解，

最终得到最优功率分配因子a和b后，以及P_S后，协作中继节点R对接收到的解码信号以及人工干扰噪声的处理完全确定，从而最大化非授权系统的物理层安全保密容量；

具体方法为：

当中继端采用半双工传输时，一个中继传输帧分成两个相等的时隙，在时隙1，则此时协作中继R以及窃听者E接收到的信号可以分别表示为

其中P_S是非授权用户发射机ST的发射功率，x_s(t)是非授权用户发射机ST的发送信号，它们的均值为0、方差归一化为1；n₁(t)、n₂(t)是均值为零、方差为σ²的加性高斯白噪声；

在时隙2，该转发组合信号x_c(t)表示为

其中a表示半双工时的功率分配因子，非授权用户接收机SR和窃听者E的接收信号分别表示为

其中P_r是协作中继R的发射功率；v₁(t)和v₃(t)是均值为零、方差为σ²的加性高斯白噪声；

两个时隙授权用户接收机PR忍受的最大干扰功率为

P_R(W)＝max{P_S|h₃|²,P_r|h₆|²}

非授权用户接收机SR根据时隙2接收的信号正确解码x_s(t)，信息传输速率表示为:

窃听者E根据两个时隙接收到的信号解码x_s(t)，信息传输速率表示为：

由此可以得到半双工时系统可以获得的安全保密容量为

C_half＝[R_SR,half-R_E,half]⁺

其中[x]⁺表示max(0,x)；

全双工传输时，该转发组合信号

表示为

其中b表示全双工时的功率分配因子，非授权用户接收机SR和窃听者E的接收信号分别表示为

其中P_rr是干扰消除后的残留自我干扰功率，h_rr是协作中继R发射端到接收端的信道系数，自我干扰建模为

授权用户接收机PR忍受的干扰功率为

非授权用户接收机SR根据接收的信号正确解码x_s(t)，得到的信息传输速率表示为

窃听者E根据接收到的信号解码x_s(t)，信息传输速率表示为

由此可以得到全双工时系统的安全保密容量为

C_full＝[R_SR,full-R_E,full]⁺，

P_S,max、P_r,max的定义为，非授权发射机ST和协作中继R实际所允许的最大的发射功率；

h_i(i＝1,2,3,4,5,6)的定义为，在所有信道状态信息在一个时隙内是保持不变的情况下，并且已知，h_i(i＝1,2,3,4,5,6)分别表示ST→R、ST→E、ST→PR、R→SR、R→E和R→PR的信道系数。

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