CN109714095B - 一种基于全双工的认知无线网络物理层安全传输方法 - Google Patents

一种基于全双工的认知无线网络物理层安全传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于全双工的认知无线网络物理层安全传输方法，主用户与认知用户之间通过相互合作，提升主用户信息的传输安全和认知用户信息的传输吞吐量；认知用户按设计协助主用户进行信息转发，同时利用全双工技术和波束成形技术发送认知用户信号作为噪声，改善主用户信息传输的安全性能，与传统的Overlay传输技术相比，本发明能够有效提升主用户信息的传输安全和认知用户信息吞吐量，还可以提升网络的频谱利用率和系统能量效率。

Description

一种基于全双工的认知无线网络物理层安全传输方法
技术领域
本发明涉及认知无线电通信中的物理层安全传输领域，尤其涉及一种基于全双工的认知无线网络物理层安全传输方法。
背景技术
随着无线通信技术的迅速发展，频谱资源短缺问题日益凸显出来。认知无线电技术作为一种有效缓解频谱资源短缺问题的方法得到越来越多的重视和研究。认知无线电技术旨在保证授权用户服务质量的基础上使非授权用户可以共享授权用户的频谱资源，从而提升频谱的利用效率。协作式频谱共享(Overlay)是一种常用的认知无线电技术，在协作式频谱共享网络中，非授权用户可以通过协助授权用户进行信息传输来换取频谱资源。
认知无线电技术的推广使用可以有效提升现有频谱资源的利用率，但其动态开放的频谱特性也使其更易受到恶意节点的窃听，面临更大的安全威胁。物理层安全技术是一种新兴的无线信息安全技术，其核心思想是从信息论的角度出发，利用无线信道之间物理层特性的差异来提升无线信号传输的安全性能。其中，人工噪声协助机制是一种非常重要的物理层安全技术，其通过设计特殊的噪声信号干扰窃听用户的窃听，从而提升信息传输的安全性能。然而，传统的人工噪声信号往往是无用的，单纯为保护授权用户信息传输而设计，这会消耗部分能量，降低系统的能量利用效率，是不经济的。协作式频谱共享技术旨在通过授权用户与非授权用户之间的合作来达到协作共赢的目的。因此，结合人工噪声协助机制的理念，本发明提出一种基于全双工的协作式认知无线网络物理层安全传输方法，以此来同时提升主用户的信息传输安全和认知用户的信息传输效率，并进一步提升频谱的利用率和系统能量使用效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于全双工的认知无线网络物理层安全传输方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于全双工的认知无线网络物理层安全传输方法，包括如下步骤：
S1、主用户发射机和认知用户发射机分别广播导频信号，并获取所述认知用户发射机和认知用户接收机反馈的信道状态信息、选择信道状态最优的天线作为发射天线；
S2、主用户发射机和认知用户发射机利用所述发射天线分别发送第一主用户信号和第一认知用户信号；同时，所述认知用户发射机利用剩余的天线通过最大比合并机制接收所述第一主用户信号；
S3、认知用户接收机接收掺杂有所述第一主用户信号的所述第一认知用户信号；多个窃听用户窃听掺杂有所述第一认知用户信号的所述第一主用户信号，并利用最大比合并机制将其窃听所得的所述第一认知用户信号和所述第一主用户信号合并；
S4、认知用户发射机通过随机译码转发机制转发其接收到的所述第一主用户信号，并利用交互式迫零波束成形方法同时发送第二主用户信号和第二认知用户信号；
S5、主用户接收机和认知用户接收机分别接收所述第二主用户信号和所述第二认知用户信号；多个窃听用户窃听掺杂有所述第二认知用户信号的所述第二主用户信号，并利用最大比合并机制将其窃听所得的所述第二认知用户信号和所述第二主用户信号合并；
S6、根据认知用户发射机接收所述第一主用户信号和主用户接收机接收所述第二主用户信号的瞬时信干噪比评估主用户信息传输的安全中断概率；根据认知用户接收机接收所述第一认知用户信号和所述第二认知用户信号的瞬时信干噪比评估认知用户信息传输的有效吞吐量。
优选的，步骤S1中，所述主用户发射机和所述认知用户发射机均采用导频估计法分别广播导频信号。
优选的，步骤S1中，所述主用户发射机和认知用户发射机选择的信道状态最优的天线i*和j*的选择公式如下
其中，为所述主用户发射机的第i根天线与所述认知用户发射机之间的信道增益；为所述认知用户发射机的第j根天线与认知用户接收机之间的信道增益；为定义符号，表示所述主用户发射机的最优发射天线i*和所述认知用户发射机的最优发射天线j*根据此公式选择；NP和NS分别为所述主用户发射机和所述认知用户发射机配备的天线数目。
优选的，步骤S2中，所述认知用户发射机接收第一主用户信号的瞬时信干噪比为
其中，P为全局发射总功率；μ1为功率分配因子；为主用户发射机选择的最优发射天线i*与认知用户发射机之间的信道增益；σ2为噪声方差。
优选的，步骤S3中，所述认知用户接收机接收第一认知用户信号的瞬时信干噪比为
其中，为所述认知用户发射机选择的最优发射天线j*与所述认知用户接收机之间的信道增益；为所述主用户发射机选择的最优发射天线i*与所述认知用户接收机之间的信道增益。
优选的，步骤S3中，经最大比合并后，所述窃听用户窃听所述第一主用户信号的瞬时信干噪比为
其中，和分别为窃听用户接收所述第一主用户信号和所述第一认知用户信号所对应的信道向量。
优选的，步骤S4中，所述认知用户发射机利用交互式迫零波束成形方法设计的天线权值向量为
其中，hSD为所述认知用户发射机上用于发送所述第二主用户信号的L根天线与所述主用户接收机之间的L×1二维信道向量；hSU为所述认知用户发射机上用于发送所述第二认知用户信号的剩余NS-L根天线与所述认知用户接收机之间的(NS-L)×1二维信道向量；μ2为功率分配因子；和为投影幂等矩阵；I为单位矩阵。
优选的，步骤S5中，所述主用户接收机接收所述第二主用户信号的瞬时信干噪比为
其中，表示矩阵的转置；
认知用户接收机接收所述第二认知用户信号的瞬时信噪比为
经最大比合并后，窃听用户窃听所述第二主用户信号的瞬时信干噪比为
其中，和分别为窃听用户接收所述第二主用户信号和所述第二认知用户信号的复合信道向量。
优选的，步骤S6中，所述主用户信息传输的安全中断概率为
其中，Rs为预设安全中断速率门限，Pr(·)表示概率函数；
认知用户信息传输的有效吞吐量为
其中，Rt为预设连接中断速率门限。
本发明的有益效果是：1、认知用户发射机实现全时段传输，可以有效提升认知用户的信息传输吞吐量，从而提升频谱的利用效率。2、认知用户发射机发送的信号可作为噪声保护主用户的信息传输，有效改善主用户的信息传输安全，同时减少了不必要的能量耗费，提升了系统能量使用效率。
附图说明
图1是本发明实施例中认知无线网络系统示意图；
图2是本发明实施例中认知无线网络信息传递示意图；
图3是本发明实施例中传输方法的流程图；
图4是本发明实施例中主用户信息安全中断概率随功率分配因子变化的三维分析图；
图5是本发明实施例中基于全双工的物理层安全传输方法和传统Overlay传输方法之间的性能对比示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
全双工是在微处理器与外围设备之间采用发送线和接收线各自独行的方法，可以使数据在两个方向上同时进行操作。指在发送数据的同时也能够接收数据，两者同步进行。
如图1所示，所述认知无线网络系统中，所述无线网络系统为实现传输方法的载体，包括一对主用户收发机(P和D)，和一对认知用户收发机(S和U)，以及M个窃听用户(el，l∈{1，…，M})，其中主用户发射机P配备NP根天线，认知用户发射机S配备NS根天线，各窃听用户均配备单根天线。
本实施例中，分析时运用一下四点假设：1、系统中所有的信道均为瑞利平坦衰落信道；2、由于大尺度衰落和遮挡的影响，主用户收发机之间不存在直传链路，需要认知用户的协助；3、窃听用户可以同时窃听主用户发射机和认知用户发射机发射的信号，但只对主用户信息感兴趣，窃听用户之间是相互合作的，可以将窃听的信号进行合并处理，窃听用户采取被动窃听方式，因此主用户发射机、认知用户发射机与窃听用户之间的信道状态信息是未知的；4、为降低对于毗邻网络的干扰，系统的全局总发射功率限制为P。
本实施例中，所述由传输系统进行实现的、基于全双工的认知无线网络物理层安全传输方法，包括如下步骤，如图2和图3所示：
S1、主用户发射机和认知用户发射机分别广播导频信号，并分别获取认知用户发射机和认知用户接收机反馈的信道状态信息量，选择信道状态最优的天线i*和j*作为发射天线，选择方式为：
其中，为主用户发射机的第i根天线与认知用户发射机之间的信道增益；为认知用户发射机的第j根天线与认知用户接收机之间的信道增益；为定义符号，表示主用户发射机的最优发射天线i*和认知用户发射机的最优发射天线j*根据此公式选择；NP和NS分别为主用户发射机和认知用户发射机配备的天线数目。
步骤S2、主用户发射机和认知用户发射机利用步骤S1中选择的天线分别发送第一主用户信号和第一认知用户信号，同时认知用户发射机利用剩余的天线通过最大比合并机制接收主用户发射机发射的第一主用户信号，此时，认知用户发射机接收第一主用户信号的瞬时信干噪比为：
其中，P为全局总发射功率；μ1为功率分配因子；为主用户发射机选择的最优发射天线i*与认知用户发射机之间的信道增益；σ2为噪声方差。
步骤S3、认知用户接收机接收第一认知用户信号的瞬时信干噪比为：
其中，为认知用户发射机选择的最优发射天线j*与认知用户接收机之间的信道增益；为主用户发射机选择的最优发射天线i*与认知用户接收机之间的信道增益。
经过最大比合并后，此阶段窃听用户窃听第一主用户信号的瞬时信干噪比为：
其中，和分别为主用户发射机P的最优发射天线i*和认知用户发射机S的最优发射天线j*与M个窃听用户之间的复合信道向量。
综合以上分析，依据香农定理可知，此阶段主用户信息传输的安全容量为：
认知用户信息传输的信息速率为：
香农定理给出了信道信息传送速率的上限和信道信噪比及宽带的关系，香农定理可以解释现代各种无线制式由于宽带不同，所支持的单载波最大吞吐量不同。
步骤S4，认知用户发射机通过随机译码转发机制转发其接收的主用户发射机发射的第一主用户信号，并同时发送第二主用户信号和第二认知用户信号(发射第二主用户信号的天线数为L，发射第二认知用户信号的天线数为NS-L)。为消除第二主用户信号和第二认知用户信号在接收端之间的相互干扰，认知用户发射机采用一种新的交互式迫零波束成形机制对天线矩阵进行系数加权，其权值矩阵满足：
受全局总发射功率P的限制，结合上式分析可得最优权值向量为：
其中，hSD为认知用户发射机上发送第二主用户信号的L根天线与主用户接收机之间的L×1二维信道向量；hSU为认知用户发射机上用于发送第二认知用户信号的NS-L根天线与认知用户接收机之间的(NS-L)×1二维信道向量；μ2为功率分配因子；和为投影幂等矩阵；I为单位矩阵。
步骤S5、此阶段，主用户接收机接收第二主用户信号的瞬时信干噪比为：
认知用户接收机接收第二认知用户信号的瞬时信干噪比为：
经最大比合并后，此阶段，窃听用户窃听第二主用户信号的瞬时信干噪比为：
其中，和分别为窃听用户接收第二主用户信号和第二认知用户信号的复合信道向量。
因此根据香农定理，此阶段的用户信息传输的安全容量为：
认知用户信息传输的信息速率为：
步骤S6、结合上述步骤S4和S5，由于认知用户发射机采用被随机译码转发机制转发第一主用户信号，窃听用户无法将两阶段所得的信号进行合并，因此为确保主用户信息的传输安全，主用户信息传输的两个阶段必须保证安全。由此可知，主用户信息传输的安全中断概率可表示为：
Pout(Rs)＝1-Pr(Cs1＞Rs)Pr(Cs2＞Rs)
其中，Rs为预设的主用户信息安全中断速率门限。
认知用户信息在整个传输过程中的有效吞吐量可表示为：
ξ＝Rt×[Pr(I1＞Rt)+Pr(I2＞Rt)]
其中，Rt为预设的连接中断速率。
本实施例中，在图1所示的认知无线窃听网络系统模型中，设定安全速率门限为Rs＝1bit/s/Hz，噪声方差为σ2＝1，信息传输信道的信道增益均值为λPS＝λSD＝λSU＝2，窃听信道和干扰信道的信道增益均值为λSe＝λPe＝1，全局发射总功率P＝10dB。系统仿真采用Matlab软件。
本实施例中，图4给出了按照本发明所涉及的基于全双工技术的物理层安全传输方法、计算出的主用户信息传输安全中断概率随功率分配因子变化的三维图，并与窃听用户非合作的模式进行了性能对比。仿真假定，主用户发射机配备4根天线；认知用户发射机配备6根天线，其中4根用于主用户信息的转发；窃听用户数为4。从图中可以看出，针对不同窃听用户数目，总存在最优的功率分配因子μ1和μ2使得系统安全性能最佳，且最优功率分配因子均小于0.5，这意味着认知用户在协助主用户信息传输时，能够得到更多的功率来进行自身信息的传输，有利于提升认知用户的吞吐量。此外从图中还可以看出，相同窃听用户数量下，合作窃听用户之间的合作已无法有效提升窃听效果。
本实施例中，如图5所示，传统的Overlay传输，即在整个时隙中，认知用户首先协助主用户进行信息传输，传输时间在总传输时间中占比为α，然后认知用户利用剩余的(1-α)的时间进行自身数据的传输。仿真假定，认知用户发射机配备6根天线；从图中可以看出，即使在最差的情况下，(认知用户发射机有4根天线用于主用户信息传输，2根天线用于认知用户信息传输)，本发明所提及的物理层安全传输方法所获取的认知用户信息吞吐量仍高于α＝0.6时传统Overlay传输的认知用户吞吐量。事实上，在传统的Overlay传输中，为保证用户信息传输的效率，其传输时间占比通常是高于α＝0.6，由此可知，本发明所提出的基于全双工的认知无线网络物理层安全传输方法，可以能有效的提升认知用户的吞吐量，从而提升频谱利用率。此外，认知用户无需额外的功率制造人工噪声保护主用户信息传输，因此进一步提升了系统能量的使用效率。
通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：
本发明通过提供一种基于全双工的认知无线网络物理层安全传输方法，利用主用户和认知用户之间通过相互合作来同时提升主用户信息的传输安全和认知用户信息的传输吞吐量；认知用户发射机实现全时段传输，可以有效提升认知用户的信息传输吞吐量，从而提升频谱的利用效率；认知用户发射机发送的信号可作为噪声保护主用户的信息传输，有效改善主用户的信息传输安全，同时减少了不必要的能量耗费，提升系统能量的使用效率。
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和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于全双工的认知无线网络物理层安全传输方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、主用户发射机和认知用户发射机分别广播导频信号，并分别获取所述认知用户发射机和认知用户接收机反馈的信道状态信息，从所述认知用户发射机和认知用户接收机反馈的信道状态信息中选择信道状态最优的天线分别作为主用户发射机和认知用户发射机的发射天线；
S2、主用户发射机和认知用户发射机利用所述发射天线分别发送第一主用户信号和第一认知用户信号；同时，所述认知用户发射机利用剩余的天线通过最大比合并机制接收所述第一主用户信号；
S3、认知用户接收机接收掺杂有所述第一主用户信号的所述第一认知用户信号；多个窃听用户窃听掺杂有所述第一认知用户信号的所述第一主用户信号，并利用最大比合并机制将其窃听所得的所述第一认知用户信号和所述第一主用户信号合并；
S4、认知用户发射机通过随机译码转发机制转发其接收到的所述第一主用户信号，并利用交互式迫零波束成形方法同时发送第二主用户信号和第二认知用户信号；
S5、主用户接收机和认知用户接收机分别接收所述第二主用户信号和所述第二认知用户信号；多个窃听用户窃听掺杂有所述第二认知用户信号的所述第二主用户信号，并利用最大比合并机制将其窃听所得的所述第二认知用户信号和所述第二主用户信号合并；
S6、根据认知用户发射机接收所述第一主用户信号和主用户接收机接收所述第二主用户信号的瞬时信干噪比评估主用户信息传输的安全中断概率；根据认知用户接收机接收所述第一认知用户信号和所述第二认知用户信号的瞬时信干噪比评估认知用户信息传输的有效吞吐量。
2.根据权利要求1所述的基于全双工的认知无线网络物理层安全传输方法，其特征在于：步骤S1中，所述主用户发射机和所述认知用户发射机均采用导频估计法分别广播导频信号。
3.根据权利要求1所述的基于全双工的认知无线网络物理层安全传输方法，其特征在于：步骤S1中，所述主用户发射机和认知用户发射机选择的信道状态最优的天线i*和j*的选择公式如下
其中，为所述主用户发射机的第i根天线与所述认知用户发射机之间的信道增益；为所述认知用户发射机的第j根天线与认知用户接收机之间的信道增益；为定义符号，表示所述主用户发射机的最优发射天线i*和所述认知用户发射机的最优发射天线j*根据此公式选择；NP和NS分别为所述主用户发射机和所述认知用户发射机配备的天线数目。
4.根据权利要求1所述的基于全双工的认知无线网络物理层安全传输方法，其特征在于：步骤S2中，所述认知用户发射机接收第一主用户信号的瞬时信干噪比为
其中，P为全局发射总功率；μ1为功率分配因子；为主用户发射机选择的最优发射天线i*与认知用户发射机之间的信道增益；σ2为噪声方差。
5.根据权利要求1所述的基于全双工的认知无线网络物理层安全传输方法，其特征在于：步骤S3中，所述认知用户接收机接收第一认知用户信号的瞬时信干噪比为
其中，为所述认知用户发射机选择的最优发射天线j*与所述认知用户接收机之间的信道增益；为所述主用户发射机选择的最优发射天线i*与所述认知用户接收机之间的信道增益；P为全局总发射功率；μ1为功率分配因子；σ2为噪声方差。
6.根据权利要求1所述的基于全双工的认知无线网络物理层安全传输方法，其特征在于：步骤S3中，经最大比合并后，所述窃听用户窃听所述第一主用户信号的瞬时信干噪比为
其中，和分别为窃听用户接收所述第一主用户信号和所述第一认知用户信号所对应的信道向量；P为全局总发射功率；μ1为功率分配因子；σ2为噪声方差。
7.根据权利要求1所述的基于全双工的认知无线网络物理层安全传输方法，其特征在于：步骤S4中，所述认知用户发射机利用交互式迫零波束成形方法设计的天线权值向量为
其中，hSD为所述认知用户发射机上用于发送所述第二主用户信号的L根天线与所述主用户接收机之间的L×1二维信道向量；hSU为所述认知用户发射机上用于发送所述第二认知用户信号的剩余NS-L根天线与所述认知用户接收机之间的(NS-L)×1二维信道向量；μ2为功率分配因子；和为投影幂等矩阵；I为单位矩阵；wZF1和wZF2为权值向量；表示矩阵的转置，为hSD的转置；为hSU的转置。
8.根据权利要求1所述的基于全双工的认知无线网络物理层安全传输方法，其特征在于：步骤S5中，所述主用户接收机接收所述第二主用户信号的瞬时信干噪比为
其中，表示矩阵的转置；
认知用户接收机接收所述第二认知用户信号的瞬时信噪比为
经最大比合并后，窃听用户窃听所述第二主用户信号的瞬时信干噪比为
其中，和分别为窃听用户接收所述第二主用户信号和所述第二认知用户信号的复合信道向量；wZF1和wZF2为权值向量；表示矩阵的转置，为hSD的转置；为hSU的转置；P为全局发射总功率；σ2为噪声方差。
9.根据权利要求1所述的基于全双工的认知无线网络物理层安全传输方法，其特征在于：步骤S6中，所述主用户信息传输的安全中断概率为
其中，Rs为预设安全中断速率门限，Pr(·)表示概率函数；
认知用户信息传输的有效吞吐量为
其中，Rt为预设连接中断速率门限；γS为认知用户发射机接收第一主用户信号的瞬时信干噪比；为认知用户接收机接收第一认知用户信号的瞬时信干噪比；γE1为经最大比合并后，所述窃听用户窃听所述第一主用户信号的瞬时信干噪比；γD为主用户接收机接收所述第二主用户信号的瞬时信干噪比；为认知用户接收机接收所述第二认知用户信号的瞬时信噪比；γE2为经最大比合并后，窃听用户窃听所述第二主用户信号的瞬时信干噪比。
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