CN108631825A

CN108631825A - 增强双向af中继协作无线通信系统物理层安全传输方法

Info

Publication number: CN108631825A
Application number: CN201810479047.9A
Authority: CN
Inventors: 王宁; 陆彦辉; 马宗浩; 朱政宇; 王忠勇
Original assignee: Zhengzhou University
Current assignee: Zhengzhou University
Priority date: 2018-05-18
Filing date: 2018-05-18
Publication date: 2018-10-09
Anticipated expiration: 2038-05-18
Also published as: CN108631825B

Abstract

本发明提供了一种增强双向AF中继协作无线通信系统物理层安全传输的方法，包括：获取系统中各节点的信道估计矩阵；确定双向AF中继协作无线通信系统信息传输方案；以保密容量作为性能指标，推导系统保密容量表达式；根据推导出的保密容量表达式，确定优化问题；转变优化函数，由非凸优化问题转化为二阶凸锥规划问题；利用CVX工具箱，解决凸优化问题，获得最佳波束赋形矩阵。本发明在通信系统中利用合法双方辅助发送阻塞干扰和中继处构造两个波束赋形矩阵转发信息，解决在部分信道信息条件下系统复杂度高和信息传输时延大的问题，并且达到增强系统安全性的目的。

Description

增强双向AF中继协作无线通信系统物理层安全传输方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及增强双向AF中继协作无线通信系统物理层安全传输的方法。

背景技术

协作无线通信系统中，每个节点至少拥有一个协作节点，协作节点间有责任帮助其他节点传递信息，这样，各单天线节点之间通过共享彼此的传输天线，构成虚拟的多输入多输出系统(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)，获得空间分集增益。合法的通信双方在中继的帮助下互换信息，可以大大增加通信范围；协作无线通信中继节点可以利用网络编码技术，合理利用时间自由度，节约时间成本，节约能源等。协作无线通信技术由于其对抗无线信道的衰落，扩大信号传输范围等优点，近几年受到学术界的广泛关注和研究。

在无线通信系统中，由于无线通信媒介具有开放的基本特性，在保证信息安全方面比有线通信系统更具挑战性。协作无线通信系统中，传输信息被合法通信双方以外的不受合法通信双方严格监管的第三方节点接收，并且对信息处理和转发，引入的额外威胁会造成协作无线通信系统的安全问题更加复杂。

传统基于密码系统的加密手段存在于分层模型的上层，其安全性主要依靠计算上的复杂度，随着拥有无限计算能力的量子计算机技术的发展及应用，传统加密体制的安全性能会遇到严峻的挑战，当拥有足够强的计算能力时，一旦窃听者接收到明文信息，将通过密码分析手段在短时间内获取密文，信息安全将无法得到保障。

无线物理层安全技术利用无线信道的广播性、信道衰落性和多普勒效应等不利因素，从信息论角度出发，解决无线通信安全问题，无线系统物理层安全设计的目标是提升系统保密容量，而保密容量提升的实质就是使合法用户信道的接收信干噪比尽可能优于窃听信道的接收信干噪比，使得窃听者对于所传保密信息的模糊度尽可能提高，所以，对于保密容量的提升可以从两方面考虑，一方面是改善合法用户的接收，二是通过积极的干扰阻塞方案恶化窃听者接收，增加其接收到信息的模糊性。

为了增大窃听者接收信号的模糊性，采用专门的干扰节点，或者在多中继或多天线系统选出几个中继或者天线作为干扰节点去发送阻塞信号，一方面降低多中继或者多天线带来的复用增益，另一方面选出中继或者天线发送的阻塞信号会对其他中继节点或者合法的接收方产生干扰，为了减少干扰需要知道中继之间的完整信道状态信息，这样就大大增加了系统的复杂度和信息处理的时延。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种增强双向AF中继协作无线通信系统物理层安全的方法，在系统中利用合法双方辅助发送阻塞干扰和中继处构造两个波束赋形矩阵转发信息，解决在部分信道信息条件下系统复杂度高和信息传输时延大的问题。

本发明的目的是这样实现的：一种增强双向AF中继协作无线通信系统物理层安全的方法，它包括以下步骤：

S1：获取系统中各节点的信道估计矩阵；

S2：确定双向AF中继协作无线通信系统信息传输方案；

S3：以保密容量作为性能指标，获得系统保密容量表达式；

S4：根据推导出的保密容量表达式，确定优化问题；

S5：转变优化思想，由非凸优化问题转化为二阶凸锥规划问题；

S6：利用CVX工具箱，解决凸优化问题，获得最佳波束赋形矩阵。

优选地，所述步骤S1具体包括：

通过系统的信道互惠性，获取系统中各用户的信道估计矩阵。

优选地，所述步骤S2具体包括：

第一时隙：合法终端A广播信息，合法终端B广播阻塞信息；第二时隙：合法终端A阻塞信息，合法终端B广播信息；第三时隙：中继节点处理前两个时隙接收到信息，然后转发出去。

优选地，所述步骤S3具体包括：

系统总的保密容量为：

其中为合法终端B接收合法终端A广播信息的信噪比；为合法终端A接收合法终端B广播信息的信噪比；为窃听者E接收合法终端A广播信息的信干噪比；为窃听者E接收合法终端B广播信息的信干噪比。

优选地，所述步骤S4具体包括：

其中为中继节点传输信息的总功率，其大小不会超过中继节点最大的发送功率，为中继节点的最大发送功率，该优化问题为非凸问题；由于窃听信道的不可知性，将所述问题转化为：

利用公式拆分法，将所述（P2）式转化为：

其中。

优选地，步骤S5具体包括：

转换优化思路，非凸优化问题转化为二阶凸锥规划问题：

其中为给定的的一个特定值。

优选地，所述步骤S6具体包括：

利用CVX工具箱，解决上述二阶凸锥规划问题。

本发明的有益效果：通过本发明提供的增强双向AF中继协作无线通信系统物理层安全传输的方法，通过利用合法的通信节点辅助发送干扰信息和构建两个波束赋形矩阵，解决在部分信道信息条件下系统复杂度高和信息传输时延大的问题。

附图说明

图1是协作无线通信系统的结构示意图。

图2是所述双向AF中继协作通信信息传输方案。

图3是本发明一实施例提供的利用系统的信道互惠性获取信道估计矩阵的示意图。

图4是本发明提供的增强协作无线通信物理层安全传输构造方法的流程示意图。

图5是在中继天线个数不同的条件下，本发明与该系统中无阻塞干扰的仿真对比图，同时与系统无阻塞干扰无波束赋形的情况进行了对比。

图6是在中继天线个数不同的条件下，本发明中系统保密容量随源节点利用不同的功率发送阻塞干扰变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他的实施例，都属于本发明保护的范围。

如图4所示，为本发明一实施例提供的增强双向AF中继协作通信系统物理层安全传输方法，该方法包括如下步骤：

S1：获取系统中各节点的信道估计矩阵；

S2：确定双向AF中继协作无线通信系统信息传输方案；

S3：以保密容量作为性能指标，获得系统保密容量表达式；

S4：根据推导出的保密容量表达式，确定优化问题；

本实施例中，步骤S1具体过程如下：

如图1所示，本实施例所述的方法应用于双向AF中继协作无线通信系统，其中包括1个中继R、合法的通信双方和1个窃听者，中继有N根天线，合法的通信双方和窃听者有1根天线，合法用户到中继的发射数据符号是独立同分布零均值1方差的复高斯循环对称（circularly symmetric complex Gaussian，CSCG）随机变量，表示为。

本实施例中，步骤S1具体过程如下：

需要说明的是，时分双工(Time Division Duplexing，TDD)双向AF中继协作无线通信系统系统采用系统的信道互惠性获取信道估计矩阵。

如图2所示的本发明另一实施例提供的系统模型图，通过该系统，基站端利用TDD系统的上下行信道互惠性获取信道估计矩阵，具体步骤如下：

基站端利用用户所上传的上行导频符号信息进行信道估计得到时刻等效信道估计结果；把该结果作为时刻的下行链路的等效信道估计矩阵。

本实施例中，如图3所示，步骤S2具体包括：

S21：信息传输阶段的第一时隙，由源节点A广播信息，源节点B广播阻塞干扰，中继节点R和窃听者E接收信号。

具体来说，第一时隙源节点A广播信息给中继节点R，与此同时源节点B广播阻塞信号，此过程中，中继节点R只接收信息，不对接收的信息进行任何处理，中继节点R接收的信号可以表示为：

（1）

其中，，，为第一时隙源节点A和B到中继R的信道增益向量，表示中继节点R接收到的加性高斯噪声向量；由于无线信号的广播性，窃听者E同样可以接收到源节点A广播的信号和B的阻塞信号，则窃听者E接收的信号表示为：

（2）

其中为第一时隙源节点A和B到窃听者E的信道增益。表示窃听节点接收到加性高斯噪声。

S22：信息传输阶段的第二时隙，由源节点B广播信息，源节点A广播阻塞干扰，中继节点R和窃听者E接收信号。

具体来说，第二时隙，源节点A和源节点B角色互换，此时终端节点B广播信息，A为干扰节点发送阻塞信息，中继节点R和窃听者E收到的信息分别为：

（3）

（4）

其中，，，为第二时隙源节点A和B到中继R的信道增益，为第二时隙源节点A和B到窃听者E的信道增益，和表示中继节点R和窃听者E接收到加性高斯噪声，中继在第二时隙只接收信息，不处理数据。

S23：信息传输阶段的第三时隙，中继节点处理前两个时隙接收到的信息，并且进行波束赋形矩阵的优化，然后将信号广播出去。

具体来说，第三时隙中继节点利用网络编码技术处理前两个时隙接收到的信息，与其他人所作工作不同的是中继节点采用两个波束赋形矩阵协作放大转发信号，其转发信号可以表示为：

（5）

其中，为信号加权矩阵，表示复数的共轭。

第三时隙经过中继的放大转发后，源节点A和B接收到的信号分别为：

（6）

（7）

其中，分别是第三时隙，源节点A和B至中继节点的信道增益，,分别表示源节点A和B接收到的加性高斯噪声， ;，，，和分别表示向量的转置和共轭转置。

同样的，窃听者E接收到的信号可以表示为：

（8）

其中为中继节点到窃听节点的信道状态信息，为窃听者的接收到的加性高斯噪声，其中，；；。

S24：将波束赋形矩阵进行部分优化，便于合法的收发方消除自身干扰信号。

具体来说，中继转发的信号包含源节点A发送的信号和源节点B发送的干扰噪声是源节点A不需要的信息，同理，是对源节点B无益的；对于合法终端A来说，其发送的干扰信息会干扰其处理信号，相似的，合法终端发送的干扰信息也会干扰他自身准确处理信号。

综合以上考虑，让位于[,]的零空间，位于[,]的零空间，其中，，和为任意N-2为列向量，其元素组成为零均值单位方差的独立同分布高斯随机变量。

经过以上的处理，可以得到源节点A和B最终接收到的信息：

（9）

（10）

本实施例中，步骤S3具体包括：

S31：计算源节点B收到源节点A发送信号的信噪比。

具体来说，源节点B收到源节点A发送信号的信噪比为：

（11）

其中，。

S32：计算源节点A收到源节点B发送信号的信噪比。

具体来说，源节点A收到源节点B发送信号的信噪比表示为：

（12）

其中，。

S33：计算窃听者E接收到的信号的信干噪比。

具体来说，窃听者E接收信号包含两部分，一部分接收的是源节点A直接广播的信息（A→E），另一部分是经过中继放大转发接收到的信息（A→R→E）。

（13）

其中，，，

。

S34：计算窃听者E接收到的信号的信干噪比。

具体来说，窃听者E接收信号也包含两部分，一部分接收的是源节点B直接广播的信息（B→E），另一部分是经过中继放大转发接收到的信息（B→R→E）。

（14）

S35：根据保密容量的定义，可以得到在该模型下保密容量的表达式。

具体来说，系统的保密容量可以表示为：

（15）

本实施例中，步骤S4具体包括：

S41：由式（15）确定优化的目标。

具体来说，观察式（15）发现其中有两个变量和，优化的目的就是找到合适的和，使得保密容量取得最大值，即：

（16）

其中为中继节点传输信息的总功率，其大小不会超过中继节点最大的发送功率，为中继节点的最大发送功率。

S42：由于窃听者信道状态信息不可知，将保密容量最大化转化为求解收发方吞吐量最大化。

具体来说，窃听者只是被动的接收信号，不对合法的通信双方和中继产生干扰，由于他不会主动发送信号，所以不能知道其准确的位置，从而无法得到窃听者的完美的信道状态信息。因为窃听者的位置不确定，只能考虑尽可能的增大收发方信道的吞吐量，即：

（17）

本实施例中，步骤S5具体包括：

S51：采用速率拆分法运用在式（17），为解决非凸的问题做准备。

具体来说，将系统总的信道容量在两个目的节点之间做拆分，每个目的节点的信道容量都有一定的门限值，即：

（18）

其中，对于给定的值，前两个约束条件在两个终端之间进行和速率拆分，需要解决上面的优化问题来得到对应的和速率，然后通过一维搜索的方法，找到最优的值，从而找到对应的最优的拆分方案。

S52：将中继节点的发送功率受限情况下，目标函数为合法通信双方吞吐量最大化的问题等效为在合法通信双方信道容量固定的条件下，中继发送功率最小化的问题。

具体来说，观察上式，得到式（18）是中继节点的发送功率受限情况下，目标函数为合法通信双方吞吐量最大化的问题，反过来，其可以等效为在合法通信双方信道容量固定的条件下，中继发送功率最小化的问题，即在给定了拆分方案和的特定值的情况下，可以求解一个这样的问题：

（19）

通过解决上式，可以获得在给定的拆分方案情况下，得到给定的信息速率所需要的最小功率。如果优化后得到的最小功率小于中继最大的功率约束，表明刚才设定的不是系统可以达到的最大值，可以进一步增大的值，否则的话需要降低的值，重新设定好以后（用表示）继续求解上面的公式，得到达到新的通信容量所需的最小功率，再次与中继最大的功率约束进行比较，通过上述的迭代过程，最终会得到在给定的拆分方案情况下，满足中继最大功率约束的最优的值。

上述过程是求解中继最大功率约束下，合法通信双方可达的最大吞吐量问题，其具体算法如下表所示：

上表中初值的取值：可以将双向的中继信道考虑成两个分开的单向中继信道，得到每个单向中继信道的信道容量，把其中最大值的2倍作为的初值。

本实施例中，步骤S6具体包括：

求解上面公式（19）的具体的方法，其优化问题可以写成：

（20）

上式中。

根据前边的设定，可以看到上式中和均为常数。则可以写成：

（21）

其中，。将和表达式代入后，经过整理后可得：

（22）

上式中，，，。

将式（4.22）进一步变化为：

（23）

式（23）中所有的均为对*的对角元素的开方。注意这里的约束条件是基于欧式向量范数，所以对和整体上移乘以任意相移不影响和的大小，因此在求解过程中将其设定为一个实数。

上式为一个二阶的凸锥规划问题，可得最优解为全局最优（式（23）可以用CVX工具箱求解），利用求解出来最优的和，求解出和，将其带入（13）和（14），最后利用式（15）求解出最后的保密容量数值。

由此可见，本实施例提出的一种增强双向AF中继协作无线通信物理层安全传输的方法，利用合法双方辅助发送阻塞干扰和中继处构造两个波束赋形矩阵转发信息，对于任何满足该模型的系统均适用，通过上述方法，在第一、二时隙，分别由合法收发方辅助广播干扰信息，不再引入专门的干扰节点，从而降低系统复杂性，在第三时隙，在中继放大转发接收到的组合信息中，引入两个波束赋形矩阵，根据实际情况优化每个波束赋形矩阵，获得合法通信双方最大的吞吐量，从而达到提升系统安全性能的目的。

图5给出了中继节点装配6,8,10根天线情况下，合法的通信双方装配1根天线，窃听者装配一根天线，合法的通信双方的发送信号和阻塞干扰的功率均为54dBm，每个节点具有相同的信道估计误差的范数界，从发射端到中继和窃听者的路径衰落40dB。本章所提方案与源节点不发送阻塞干扰方案的对比图，同时和单纯的协作无线通信系统进行了对比，图中AN表示阻塞干扰信号，BF表示波束赋形矩阵。由仿真结果可以看到，采用本发明实施例提供的技术方案后，协作无线通信系统的安全性能可以得到显著提升，并且观察到随着中继天线个数的增加，保密容量逐渐增强，随着中继节点发送功率的增加，保密容量逐渐增加，但是逐渐趋于平缓，因此实际运用的时候，将中继节点控制在一定的范围，避免功率的损失。

图6给出了中继节点装配6,8,10根天线情况下，合法的通信双方装配1根天线，窃听者装配一根天线，中继的发送功率固定为64dBm，合法的通信双方的发送信号为54dBm，每个节点具有相同的信道估计误差的范数界，从发射端到中继和窃听者的路径衰落40dB。本方法中保密容量随源节点发送阻塞干扰信号功率的变化图，由仿真图可得在45-60dBm范围内，系统的保密容量随着源节点发送信阻塞干扰的增大而逐渐增加。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但是，本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替代，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种增强双向AF中继协作无线通信系统物理层安全的方法，其特征在于，它包括以下步骤：

S1：获取系统中各节点的信道估计矩阵；

S2：确定双向AF中继协作无线通信系统信息传输方案；

S3：以保密容量作为性能指标，获得系统保密容量表达式；

S4：根据推导出的保密容量表达式，确定优化问题；

2.根据权利要求1所述的一种增强双向AF中继协作无线通信系统物理层安全的方法，其特征在于，所述的步骤S1具体包括：

3.根据权利要求1所述一种增强双向AF中继协作无线通信系统物理层安全的方法，其特征在于，所述的步骤S2具体包括：

4.根据权利要求3所述的一种增强双向AF中继协作无线通信系统物理层安全的方法，其特征在于，所述的步骤S3具体包括：

系统总的保密容量为：

5.根据权利要求1所述的一种增强双向AF中继协作无线通信系统物理层安全的方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：

其中为中继节点传输信息的总功率，其大小不会超过中继节点最大的发送功率，为中继节点的最大发送功率，该优化问题为非凸问题，由于窃听信道的不可知性，将所述问题转化为：

利用公式拆分法，将所述（P2）式转化为：

其中。

6.根据权利要求1所述的一种增强双向AF中继协作无线通信系统物理层安全的方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：

转换优化思路，非凸优化问题转化为二阶凸锥规划问题：

其中为给定的的一个特定值。

7.根据权利要求1所述的一种增强双向AF中继协作无线通信系统物理层安全的方法，其特征在于，步骤S6中所述具体包括：利用CVX工具箱，解决上述二阶凸锥规划问题。