CN109039411B - 一种单向全双工mimo中继天线选择安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单向全双工MIMO中继天线选择安全传输方法，所述全双MIMO中继系统包括信源、中继、目的端和窃听者，所述信源、中继、目的端节点和窃听者均配置多天线，信息的传输在一个时隙内完成，包括：获取信源的发送天线数和中继的接收天线数；获取中继的发送天线数；基于所述信源的发送天线数、中继的接收天线数和中继的发送天线数，获取目的端的接收信噪比和窃听者的接收信干噪比；基于所述目的端接收信噪比和窃听者的接收信干噪比，获取所述全双工MIMO中继系统的瞬时安全容量。本发明方法通过选择最优发送和接收天线，在优化中继接收信噪比的同时，兼顾到弱化窃听者的接收信干噪比，有效提升了整个系统的安全容量。

Description

一种单向全双工MIMO中继天线选择安全传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信和物理层安全领域，特别涉及一种单向全双工MIMO(多输入多输出)中继天线选择安全传输方法。

背景技术

在无线通信技术的发展历程中，各种安全通信技术也随之发展。而其中的物理层安全基于香农理论的信道编码技术，利用无线信道复杂的空间特性和时变特性实现信息的安全传输。Wyner原创性的提出物理层安全的概念及其相关指标^[1]。随后，物理层安全技术快速发展，尤其是中继协作通信技术和天线选择技术正越来越多的用于保障信息安全传输。

相较与传统无线通信系统，中继协作通信技术正越来越多的受到研究者的关注，它不但能扩大系统覆盖范围，提高通信传输质量，而且能够有效提高安全传输性能，文献[2][3]指出协作中继传输方法能够改善无线通信的安全性能。中继根据工作方式可以分为半双工中继和全双工中继，如文献[4]中的中继半双工和全双工方案的性能对比，凸显出全双工的优势，这是由于半双工中继只能单独实现接收或发射信息的功能，而全双工中继可以同时实现收发信息的功能，从而能够提高通信传输效率。

为提升系统(系统)性能，研究者们提出多种传输策略，诸如协作干扰^[5][6]和天线选择^[7]-[9]等策略，而天线选择技术作为多天线节点系统中重要的安全传输技术，具有较低的计算复杂度和设计成本，通常从多根天线中选择一根信道条件最好的天线，选取准则以最大化安全性能为主。如文献[10]采用目的节点天线选择的方案，通过文中设计的天线选择方案针对多天线目的端选取不同的发射天线和接收天线，达到提升系统安全性能的作用。

但现有研究很少将两种技术相结合，通常单方面使用中继协作通信技术或者天线选择技术，只能有限提升系统的安全性能，如文献[9]中无中继模型，天线选择方案只考虑多天线发送节点和多天线接收节点的天线选择，虽然提升了目的端的接收信噪比，但窃听者的接收信干噪比无影响，对整个系统的安全性能提升有限。传统的中继协作通信技术为提高系统安全性能，往往会发送人工噪声干扰窃听者，通常采用预编码方案，使得系统复杂度高，操作繁琐，如文献[6]利用人工噪声预编码方案通过中继发送人工噪声干扰窃听者，虽然能提升系统安全性能，但相较于天线选择方案，系统复杂度高，不便分析；传统天线技术诸如波束成形技术，如文献[5]其中的波束成形方案，通过对多天线中继接收到的信号进行加权合成，形成所需的理想信号，虽然能改善系统性能，但相较于天线选择方案要求系统具有很强的信号处理能力，会大大增加设备使用成本和功耗，这些缺陷都对提升通信系统的性能带来了挑战。

附录文献：

[1]Wyner A D.The wire-tap channel[J].The bell system technicaljournal,1975,54(8):1355-1387.

[2]Dong L,Han Z,Petropulu A P,et al.Improving wireless physical layersecurity via cooperating relays[J].IEEE Transactions on Signal Processing,2010,58(3):1875-1888.

[3]Laneman J N,Tse D N C,Wornell G W.Cooperative diversity inwireless networks:Efficient protocols and outage behavior[J].IEEETransactions on Information theory,2004,50(12):3062-3080.

[4]Gaojie Chen,Yu Gong,Jonathon A C.Physical layer network securityin the full-duplex relay system[J].IEEE Transactions on Information Forensicsand Security,2015,10(3):574-583.

[5]Rui Zhao,Yongming Huang,Wei Wang,et al.Ergodic achievable secrecyrate of multiple-Antenna relay systems with cooperative jamming[J].IEEETransactions on Wireless Communications,2016,15(4):2537-2551.

[6]Yuanjian Li,Rui Zhao,Xing Tan,et al.Secrecy performance analysisof artificial noise aided precoding in full-duplex relay systems[C].IEEEGlobal Communications Conference,Singapore,2017.

[7]Yang K,Cui H,Song L,et al.Efficient full-duplex relaying withjoint antenna-relay selection and self-interference suppression[J].IEEETransactions on Wireless Communications,2015,14(7):3991-4005.

[8]Zhou Z,Peng M,Zhao Z,et al.Joint power splitting and antennaselection in energy harvesting relay channels[J].IEEE Signal ProcessingLetters,2015,22(7):823-827.

[9]Wang L,Elkashlan M,Huang J,et al.Secure transmission with antennaselection in MIMO nakagami-fading channels[J].IEEE Transactions on WirelessCommunications,2014,13(11):6054-6067.

[10]Lingxiang Li,Zhi Chen,Duo Zhang,et al.A full-duplex Bob in the MIMOgaussian channel:scheme and performance[J].IEEE Signal Processing Letters,2016,23(1):107-111.

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种单向全双工MIMO中继天线选择安全传输方法，设计了一种综合考虑窃听者的统计信道状态信息(CSI)的天线选择准则，最大化中继接收信噪比和目的端接收信噪比，并弱化窃听者的接收信干噪比，分析不同信源和中继天线数的设置对系统安全性能的影响，从而提升系统安全传输性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种单向全双工MIMO中继天线选择安全传输方法，所述全双工MIMO中继系统包括信源、中继、目的端和窃听者，所述信源、中继、目的端节点和窃听者均配置多天线，信息的传输在一个时隙内完成，具体包括：

获取信源的发送天线i和中继的接收天线j；其中，i＝1,..,N_S，N_S表示信源的天线数；j＝1,...,N_R，N_R表示中继的天线数；

获取中继的发送天线k；其中，k＝1,...,N_R-1；

基于所述信源的发送天线i、中继的接收天线j和中继的发送天线k，获取目的端的接收信噪比和窃听者的接收信干噪比；

基于目的端的接收信噪比和窃听者的接收信干噪比，获取所述全双工MIMO中继系统的瞬时安全容量。

优选的，所述获取信源的发送天线i和中继的接收天线j，包括：

基于已知的信源到窃听者链路及信源到中继链路的平均CSI，以最大化中继接收信干噪比为原则，设计信源的发送天线i和中继的接收天线j的选择准则，如下：

其中，h_SR,i,j表示信源到中继的信道参数；g_SE,i表示信源到窃听者的信道参数；

表示对X求均值；

信源将信息广播至中继和窃听者，中继的接收信号的表达式为

其中，P_S＝αP表示信源的发送功率，P表示总功率，α为功率分配因子，且0<α<1；x_S[n]表示单位方差信源信号；n_R[n]表示中继上接收到的方差为σ²的加性白高斯噪声；由于中继在解码转发信息的时候会产生一定的时延，n表示当前时刻。

优选的，所述获取中继的发送天线k，包括：

设计中继的发送天线k的选择准则，如下：

其中，h_RD,k表示中继到目的端的信道参数；g_RE,k表示中继到窃听者的信道参数；

中继将解码后的信息转发至目的端，目的端的接收信号表达式如下：

其中，P_R＝(1-α)P表示中继的发送功率；n_D[n]表示目的端接收到的方差为σ²的加性白高斯噪声，向量阶数为N_D×1，N_D表示目的端的天线数；x_R[n+1]为中继向外广播的信号，由于中继解码转发需要时间，故目的端接收到的中继发出的信息存在延时，n+1表示时延后的下一时刻。

优选的，所述获取目的端的接收信噪比和窃听者的接收信干噪比，包括：

中继采用固定解码转发协议，目的端的接收信噪比表达式如下：

窃听者的接收信号表达式如下：

其中，x_S[n]表示单位方差信源信号；x_R[n+1]表示中继向外广播的信号，由于中继解码转发需要时间，故窃听者接收到的中继发出的信息存在延时；n_E[n]表示窃听者接收到的方差为σ²的加性白高斯噪声，向量阶数为N_E×1，N_E表示窃听者的天线数；

由于窃听者只能窃听到由信源发出的信息，中继解码转发的信息对于窃听者而言为干扰信号，则窃听者的接收信干噪比表达式如下：

优选的，所述获取所述全双工MIMO中继系统的瞬时安全容量，包括：

所述瞬时安全容量的表达式如下：

其中，合法信道的信道容量C_D＝log₂(1+γ_D)，窃听信道的信道容量C_E＝log₂(1+γ_E)；

[x]⁺＝max{0,x}。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明将全双工多天线中继协作通信技术与天线选择方案相结合，选择能使系统安全容量获得最大值的最优发送和接收天线，增大合法信道的信道容量，在优化中继接收信噪比的同时，兼顾到弱化窃听者的接收信噪比，有效提升了整个系统的安全容量；本发明对信源和中继不同天线数对系统安全性能影响的分析表明，只需适当增加中继的天线数就能很好的提升系统的安全性能；

(2)本发明所有信源S、中继R、目的端D和窃听者E均配置多天线，从而能够以低复杂度实现信息的安全传输；

(3)现有的波束成形技术，虽然能改善系统性能，但要求系统具有很强的信号处理能力，会大大增加设备使用成本和功耗；而传统最优预编码方案，计算复杂度高，操作繁琐；本发明复杂度低，便于操作，而且无需获知窃听信道的瞬时CSI，只需要窃听信道的统计CSI。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种单向全双工MIMO中继天线选择安全传输方法不局限于实施例。

附图说明

图1为本发明的系统结构模型图；

图2为本发明的天线选择方法与其它天线选择方法的性能对比图；

图3为本发明的天线选择方法设置不同信源和中继天线数对系统安全性能影响对比图。

具体实施方式

参见图1所示，本发明提出一种单向全双工MIMO中继天线选择安全传输方法，所述全双工MIMO中继系统包括信源S、中继R、目的端D和窃听者E，所述信源S、中继R、目的端节点D和窃听者E均配置多天线(节点S、D、R和E的天线数分别为N_S、N_D、N_R和N_E)，信息的传输在一个时隙内完成。信源针对中继和窃听者采用发送天线选择技术(图1中的箭头指向外的天线表示所选择的发送天线)，中继针对信源、目的端和窃听者采用收发天线选择技术(图1中的箭头指向内的天线表示所选择的接收天线)，系统中各个信道建模考虑准静态平坦的瑞利衰落信道，所有信道相互独立，S到R，R到D，S到E，R到E的信道参数分别表示为h_SR,i,j，

其中i(i＝1,..,N_S)，j(j＝1,...,N_R)，k(k＝1,...,N_R-1)分别表示信源的任一发送天线、中继的任一接收天线和中继的任一发送天线的编号。中继通过导频信号进行信道估计，并将估计出的CSI反馈给信源，以便于各节点进行天线选择。假设信源和中继仅获知窃听节点的统计CSI，即平均CSI。同时假设信源与目的端之间距离较远，不存在直达路径。本发明的安全传输方法具体包括：

步骤1：设总功率为P，信源S发送信息的功率为P_S＝αP，中继发送功率为P_R＝(1-α)P，其中α为功率分配因子，且0<α<1。假设信源和中继分别已知S到E链路和R到E链路的平均CSI，天线选择准则需要考虑到在最大化中继接收信噪比的同时，又能尽量减小窃听者的接收信干噪比，信源的发送天线i和中继的接收天线j的选择准则设计为：

其中，

表示对X求均值。

信源将信息广播至中继和窃听者，中继的接收信号的表达式为：

其中，P_S为信源的发送功率，x_S[n]为单位方差信源信号，n_R[n]表示中继上接收到的方差为σ²的加性白高斯噪声，中继在解码转发信息的时候会产生一定的时延，n表示当前时刻，后面的n+1表示时延后的下一时刻。

步骤2：根据中继的天线分布，可将中继的发送天线k的选择准则设计为：

中继将解码后的信息转发至目的端，则目的端的接收信号表达式为：

其中，P_R为中继的发送功率，n_D[n]表示目的端接收到的方差为σ²的加性白高斯噪声，n代表当前时刻，向量阶数为N_D×1，x_R[n+1]为中继向外广播的信号，由于中继解码转发需要时间，故目的端接收到的中继发来的信息存在延时，n+1代表时延后的下一时刻。

由于中继采用固定解码转发协议，所以目的端的接收信噪比可表示为：

窃听者的接收信号表达式为：

其中，x_S[n]为单位方差信源信号，x_R[n+1]表示中继向外广播的信号，由于中继解码转发需要时间，故窃听者接收到的中继发出的信息存在延时，n_E[n]表示窃听者接收到的方差为σ²的加性白高斯噪声，向量阶数为N_E×1。

由于窃听者只能窃听到由信源发出的信息，中继解码转发的信息对于窃听者而言为干扰信号，则窃听者的接收信干噪比可表示为：

步骤3：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。本实施例中，合法信道的信道容量表示为C_D＝log₂(1+γ_D)，窃听信道的信道容量表示为C_E＝log₂(1+γ_E)，则系统的瞬时安全容量可以表示为：

其中，[x]⁺＝max{0,x}。

以下对所述传输系统的安全性能指标进行仿真分析验证，其中仿真次数为一百万次，各个信道平均信道增益均为1，各节点接收噪声方差均归一化。

参见图2所示为本发明的天线选择方法与其它方法的性能对比。本发明的天线选择方法和随机天线选择方法设置N_S＝N_R＝N_E＝N_D分别为3,5,8，而中继半双工方案设置N_S＝N_R＝N_E＝N_D＝3，α＝0.5。由图2可知，本发明的天线选择方法和随机天线选择方法的系统安全容量都随着信源发送功率的增加而增加，但本发明的天线选择方法的系统安全容量始终大于随机天线选择方法，突显出本发明方法的性能优越性。而与传统半双工方法相比，本发明方法的安全吞吐量有更大的提升，传统半双工方案的遍历安全容量随着信源发送功率的增加没有明显变化，由于窃听者的窃听不受干扰，遍历安全容量较小。此外本发明的天线选择方法随着各节点天线数的增加，系统安全容量也随之增加，而随机天线选择方法的系统安全容量不发生变化。

参见图3所示，为本发明的天线选择方法设置不同信源和中继天线数对系统安全性能影响对比。设置N_E＝N_D＝3,α＝0.5，N_S，N_R的设置情况如图示所示。由图可知，随着N_R的增加，系统的安全容量随之增加，但随着N_S的增加，系统的安全容量会随之略微减小，这是由于随着N_S的增加，窃听者的接收信干噪比和中继的接收信噪比都会增加，但中继采用解码转发协议，目的端的接收信噪比受限于信源到中继和中继到目的端中信噪比较小的一跳，而随着N_R的增加，中继到窃听者链路的信干噪比增加，但该链路的信息对于窃听者而言为干扰信息，会增大对窃听者的干扰，故能提高整个系统的安全容量。因此在系统设计时适当提高中继的天线数能够很有效的提升整个系统的安全性能。

需要说明的是，本发明中涉及的信干噪比表示有用信号与噪声信号和干扰信号的比值，简称接收信干噪比，窃听者因为会收到干扰信号，故为接收信干噪比，而中继和目的端因为不存在干扰信号，故为接收信噪比。

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 (1)

1.一种单向全双工MIMO中继天线选择安全传输方法，其特征在于，全双工MIMO中继系统包括信源、中继、目的端和窃听者，所述信源、中继、目的端和窃听者均配置多天线，信息的传输在一个时隙内完成，具体包括：

获取信源的发送天线i和中继的接收天线j；其中，i＝1,..,N_S，N_S表示信源的天线数；j＝1,...,N_R，N_R表示中继的天线数；

获取中继的发送天线k；其中，k＝1,...,N_R-1；

基于所述信源的发送天线i、中继的接收天线j和中继的发送天线k，获取目的端的接收信噪比和窃听者的接收信干噪比；

基于目的端的接收信噪比和窃听者的接收信干噪比，获取所述全双工MIMO中继系统的瞬时安全容量；

所述获取信源的发送天线i和中继的接收天线j，包括：

基于已知的信源到窃听者链路及信源到中继链路的平均CSI，以最大化中继接收信干噪比为原则，设计信源的发送天线i和中继的接收天线j的选择准则，如下：

其中，h_SR,i,j表示信源到中继的信道参数；g_SE,i表示信源到窃听者的信道参数；

表示对X求均值；i^*表示按照天线选择准则选择出来的信源的发送天线；j^*表示按照天线选择准则选择出来的中继的接收天线；

信源将信息广播至中继和窃听者，中继的接收信号的表达式为

其中，P_S＝αP表示信源的发送功率，P表示总功率，α为功率分配因子，且0<α<1；x_S[n]表示单位方差信源信号；n_R[n]表示中继上接收到的方差为σ²的加性白高斯噪声；由于中继在解码转发信息的时候会产生一定的时延，n表示当前时刻；

所述获取中继的发送天线k，包括：

设计中继的发送天线k的选择准则，如下：

其中，h_RD,k表示中继到目的端的信道参数；g_RE,k表示中继到窃听者的信道参数；k^*表示按照天线选择准则选择出来的中继的发送天线；

中继将解码后的信息转发至目的端，目的端的接收信号表达式如下：

其中，P_R＝(1-α)P表示中继的发送功率；n_D[n]表示目的端接收到的方差为σ²的加性白高斯噪声，向量阶数为N_D×1，N_D表示目的端的天线数；x_R[n+1]为中继向外广播的信号，由于中继解码转发需要时间，故目的端接收到的中继发出的信息存在延时，n+1表示时延后的下一时刻；

所述获取目的端的接收信噪比和窃听者的接收信干噪比，包括：

中继采用固定解码转发协议，目的端的接收信噪比表达式如下：

窃听者的接收信号表达式如下：

其中，x_S[n]表示单位方差信源信号；x_R[n+1]表示中继向外广播的信号，由于中继解码转发需要时间，故窃听者接收到的中继发出的信息存在延时；n_E[n]表示窃听者接收到的方差为σ²的加性白高斯噪声，向量阶数为N_E×1，N_E表示窃听者的天线数；

由于窃听者只能窃听到由信源发出的信息，中继解码转发的信息对于窃听者而言为干扰信号，则窃听者的接收信干噪比表达式如下：

所述获取所述全双工MIMO中继系统的瞬时安全容量，包括：

所述瞬时安全容量的表达式如下：

其中，合法信道的信道容量C_D＝log₂(1+γ_D)，窃听信道的信道容量C_E＝log₂(1+γ_E)；

[x]⁺＝max{0,x}。

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