CN110166096A - 一种基于人工噪声辅助和协作干扰的物理层安全传输 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于人工噪声辅助和协作干扰的物理层安全传输，包括基于AN辅助的安全传输技术的系统模型和协作干扰安全传输技术的通信系统。本发明的有益效果是：本发明的基于人工噪声辅助和协作干扰的物理层安全传输通过设计位于合法用户信道零空间的AN向量，在降低合法用户干扰的同时，增大窃听者的干扰，从而增强系统的安全性，增加窃听者的干扰使其接收到的有用信息恶化，与此同时尽量减少对合法用户的影响，通过连接中断概率随着源节点天线数的增多而降低，并且分集增益为源节点的天线数N_S，保密中断概率随着SNR的增大趋于一个恒定的常数，且也随着源节点的天线数的增大而减小，这是因为提供了更多的空间自由度。

Description

一种基于人工噪声辅助和协作干扰的物理层安全传输

技术领域

本发明涉及物理层安全传输技术领域，具体为一种基于人工噪声辅助和协作干扰的物理层安全传输。

背景技术

由于无线通信的广播特性，无线通信安全极易受到威胁，而窃听是最主要的一种安全问题，随着多天线技术、信号处理技术和编码技术的发展，在物理层实现信息的安全传输成为可能，多天线波束赋形和人工噪声技术是实现物理层安全的重要技术手段。

现有的无线通信系统中配置多天线，但利用多天线发射干扰信号的能力较弱，从而影响合法用户信道增益或损害窃听用户的信道，进而影响系统的安全性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于人工噪声辅助和协作干扰的物理层安全传输，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于人工噪声辅助和协作干扰的物理层安全传输，包括基于AN辅助的安全传输技术的系统模型和协作干扰安全传输技术的通信系统。

优选的，所述基于AN辅助的安全传输是同时发送AN和有用信号的叠加信号，可以通过合理地设计AN使得合法接收端的信号质量增强，或者使其衰减小于窃听者处的信号质量，达到增大二者之间的互信息差的目的，也达到增强系统安全性能的目的。

优选的，所述协作干扰安全传输技术的通信系统是系统里的空闲节点、友好节点或私有节点都可以充当协作节点，发送干扰信号。

与现有技术相比，具备以下有益效果：本发明的基于人工噪声辅助和协作干扰的物理层安全传输通过设计位于合法用户信道零空间的AN向量，在降低合法用户干扰的同时，增大窃听者的干扰，从而增强系统的安全性，增加窃听者的干扰使其接收到的有用信息恶化，与此同时尽量减少对合法用户的影响，通过连接中断概率随着源节点天线数的增多而降低，并且分集增益为源节点的天线数N_S，保密中断概率随着SNR的增大趋于一个恒定的常数，且也随着源节点的天线数的增大而减小，这是因为提供了更多的空间自由度，因此，基于AN辅助的安全传输系统中，增大源节点的天线数可以提高系统的可靠性和安全性，通过天线数目的增多，其所获得的增益逐渐变小，因此，基于AN辅助的安全传输系统中，增大源节点的天线数可以提高系统的遍历可达保密速率。

附图说明

图1为本发明中连接中断概率和保密中断概率随着SNR变化的曲线结构示意图；

图2为本发明中连接中断概率-保密中断概率折中性能界随源节点天线数变化曲线结构示意图；

图3为本发明中遍历可达保密速率与SNR的曲线结构示意图；

图4为本发明中连接中断概率和保密中断概率与功率分配因子φ的关系结构示意图；

图5为本发明中遍历保密速率和遍历可达保密速率随着功率分配因子φ的变化曲线结构示意图；

图6为本发明中连接中断概率和保密中断概率随着SNR变化的曲线结构示意图；

图7为本发明中连接中断概率-保密中断概率折中性能界随节点天线数变化曲线结构示意图；

图8为本发明中遍历可达保密速率与SNR的曲线结构示意图；

图9为本发明中连接中断概率和保密中断概率与功率分配因子α和φ的关系结构示意图；

图10为本发明中遍历可达保密速率(EASR)与功率分配因子α和φ的关系结构示意图。

具体实施方式

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、完整地描述，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种技术方案：一种基于人工噪声辅助和协作干扰的物理层安全传输，包括基于AN辅助的安全传输技术的系统模型和协作干扰安全传输技术的通信系统。

进一步的，基于AN辅助的安全传输是同时发送AN和有用信号的叠加信号，可以通过合理地设计AN使得合法接收端的信号质量增强，或者使其衰减小于窃听者处的信号质量，达到增大二者之间的互信息差的目的，也达到增强系统安全性能的目的。

进一步的，协作干扰安全传输技术的通信系统是系统里的空闲节点、友好节点或私有节点都可以充当协作节点，发送干扰信号。

实施例1

窃听者Eve配置单天线，即MISOSE场景，这里假设源节点Alice具有天线数N_S，其余节点都采用单天线。假设信道都是准静态的Rayleigh信道，即在每一个传输块内信道CSI不变，不同传输块间信道CSI是独立变化的。Alice 可以获得理想的合法用户信道CSI，由于窃听者Eve是被动窃听用户，Alice 到窃听者Eve处的信道CSI未知。

Alice发送保密信号和AN的叠加信号给Bob，则合法用户的接收信号y_b和窃听者Eve处的接收信号可以分别表示为

其中表示合法信道系数向量，表示窃听信道系数向量， h_ab和h_ae的各元素分别是服从零均值方差为λ₁独立同分布(i.i.d)的复高斯随机变量，n_b,n_e分别是是合法用户Bob和窃听者Eve接收机处均值为0方差为N₀的AWGN信号。为Alice发送的信息，可以写为

其中x～CN(0,1)和相互独立分别表示目的节点数据符号和 AN高斯噪声向量。P_S为源节点Alice的发送功率，式右边第一项表示信息符号，发送信息的波束向量v＝h_ab/||h_sd||是源节点S的单位范数波束赋形向量，φ∈[0,1]表示P_S中分配给信号部分的比例。第二项表示源节点S发射的AN，是h_ab的零空间null(h_ab)的正交基，这样可以保证发送的AN不对Bob 产生影响，同时可以恶化Eve的接收性能。由于Alice未知窃听信道CSI，AN 的发射功率平均分布在h_ab的零空间。需要注意的是，AN虽然可以降低窃听者Eve处的信号接收质量，但与此同时减少了合法信息的发送功率。因此，需要精心设计和优化信号和AN发送功率的分配因子以达到增强安全性同时尽量减少对系统性能的影响。将上式代入可得Bob和Eve处的接收信号分别为

由于V＝null(h_ab)，从而可得目的节点Bob和窃听节点Eve接收机处的信噪比(SNR)和信干噪比(SINR)分别为

根据安全编码理论，保密信息首先经过编码后再进行传输。定义保密信息速率为R_s，发送的码字速率为R_t。源节点以恒定的速率发送信息给合法用户，由于信道的随机性，无法保证完全正确的传输；当合法信道的容量低于R_t时，发生连接中断(Connection Outage，CO)，其概率定义为连接中断概率(COP)。类似地，当窃听信道的容量大于R_e＝R_t-R_s时，不能保证完全的保密性，此时Eve可以截获所需传输的保密信息，这一概率定义为保密中断概率(Secrecy Outage Probability，SOP)。

下面计算系统的COP和SOP。||h_ab||²可看做是N_S个服从独立同分布指数的叠加，根据COP的定义，可知

令ρ_s＝φP_S,ρ_a＝(1-φ)P_S/N_S-1，向量v和矩阵V构成了的一组正交基，则服从指数分布Exp(λ₂)，服从Gamma分布，即 Y～Gamma(N_S-1,λ₂)，且X和Y相互独立。考虑最差的情形，忽略Eve处的噪声，从而系统的SOP可以计算为

其中

讨论：(1)由可以看出系统的连接中断概率和发送功率P_S有关，且随着 P_S的增大而减小，而保密中断概率与发送功率P_S无关，与功率分配因子φ有关。当给定φ时，保密中断概率趋近于常数。当P_S→∞时，系统的连接中断概率可写为

从而可得其分集阶数为d＝N_S，即发送天线数目。

(2)COP是关于φ的减函数，SOP是关于φ的增函数。若增大φ，系统的连接中断概率会降低，但抗窃听的能力会下降，即保密中断概率增大。从而可以控制和优化参数φ可以达到可靠性-安全性(COP-SOP)折中的目的。不妨设最大允许的SOP为ε，则有

可得φ的取值范围为

因此，满足SOP限制的使得COP最小的φ即为区间左端点，即同样地，可以求解满足给定COP限制条件的使得SOP 最小的最优φ值。

对于延时不敏感系统，假设信道是遍历块衰落，在信号传输和反馈的充足时隙内信道状态CSI不变，消息可以在在多个衰落块间编码传输。因此，可以采用自适应速率传输方法，源节点可以根据合法信道的实时CSI自适应调整编码器的速率，从而使连接中断事件避免。采用遍历保密速率作为系统安全性能的指标，其定义为R＝E{[R_D-R_E]⁺}＝E{[log₂(1+γ_D)-log₂(1+γ_E)]⁺}。应用Jensen不等式，可得遍历保密速率的下界

R＞{E[R_D]-E[R_E]}⁺＝R_EASR

R_EASR也称作遍历可达保密速率(EASR)，研究表明EASR与精确的遍历可达容量很接近，E[R_D]和E[R_E]分别表示合法用户和窃听者信道的遍历容量。因此，只需要分别计算E[R_D]和E[R_E]即可得到可达保密速率。由可知，E[R_D] 的解析式如下

其中E_k(·)表示广义指数积分。窃听者信道的遍历容量可以表示为

结合式和可得遍历可达保密速率为

在高SNR区域，即发送功率P_S→∞时，代入||h_ab||²的PDF，式可计算为

同样地，代入X和Y的PDF，式可写为

结合式和可得遍历可达保密速率为

由上式可知，当发送AN时，遍历可达保密速率随着P_S的增大呈对数增大；当无AN时，遍历可达保密速率趋于常值。

请参阅图1，推导的理论结果与实际仿真结果很好地吻合，同时渐进表达式在高SNR区域也与仿真结果一致，这验证了理论推导的正确性，连接中断概率随着源节点天线数的增多而降低，并且分集增益为源节点的天线数N_S；保密中断概率随着SNR的增大趋于一个恒定的常数，且也随着源节点的天线数的增大而减小，这是因为提供了更多的空间自由度。因此，基于AN辅助的安全传输系统中，增大源节点的天线数可以提高系统的可靠性和安全性。

请参阅图2，连接中断概率和保密中断概率存在折中关系：保密性能增强时，即保密中断概率减小，则连接中断概率增大，即系统的可靠性降低；而保密性能减弱时，即保密中断概率增大，则连接中断概率减小，即系统的可靠性增强。因此，系统存在可靠性-保密性的折中。同时，随着源节点天线数目增大，二者的数值同时减小。

请参阅图3，遍历可达保密速率随着源节点天线数的增多而增加，随着P_S的增大呈对数增大；随着天线数目的增多，其所获得的增益逐渐变小。因此，基于AN辅助的安全传输系统中，增大源节点的天线数可以提高系统的遍历可达保密速率。

请参阅图4，系统的连接中断概率和保密中断概率随着功率分配因子φ的变化曲线，其中SNR＝15dB。由图可以看出，随着功率分配因子φ的增大，连接中断概率减小，而保密中断概率增大；这是因为分配给信号的功率增强同时分配给AN的功率减小，可以根据给定的连接中断概率或者保密中断概率确定相应的最优的功率分配因子φ。

请参阅图5，系统的遍历保密速率和遍历可达保密速率随着功率分配因子φ的变化曲线，其中SNR＝15dB。由图可以看出，遍历可达保密速率是遍历保密速率的紧的下界。由图可以看出随着功率分配因子φ的增大，遍历可达保密速率和遍历保密速率先减小后增大，存在一个最优的功率分配因子φ使得遍历可达保密速率和遍历保密速率最大，且最优值φ约为0.5，即将一半的功率用于发送AN信号可获得较大的遍历可达保密速率。

实施例2

配置有N_S个天线的信源节点S，单天线合法用户D，N_J个天线的协作干扰节点FJ和单天线窃听节点E。这里考虑的是典型的干扰协作窃听模型，协作节点是源节点的友好节点或额外的私有节点，用以增强系统的抗窃听能力。协作节点可以是多个，这里为了计算和分析方便，单个的FJ可以看作是选择一个最优的FJ的结果的特殊情况。假设协作节点FJ不知道源节点S发送的保密信息，只是辅助源节点产生人工干扰来迷惑窃听者E。假设信道都是准静态的Rayleigh信道，即在每一个传输块内信道CSI不变，不同传输块间信道 CSI是独立变化的。源节点S已知合法用户的信道CSI，由于窃听者E是被动节点，其CSI未知。

源节点S发送的保密信息信号为向量是协作节点FJ发送的高斯干扰信号，则目的节点D和窃听者E接收机处的接收信号分别为

其中向量和向量分别表示源节点S和协作节点J到目的节点D的信道系数，向量和向量分别表示源节点S和协作节点J到窃听节点E的信道系数，所有信道相互独立且服从循环对称复高斯分布，即和n_d～CN(0,1)和n_e～CN(0,I)表示接收机处的AWGN。

为避免FJ发送的干扰信息对合法用户产生干扰，FJ节点采用迫零传输策略，即在h_jd的零空间上发送干扰信息，FJ发送的干扰信息可构造为

其中P_J是FJ的发送功率，是h_jd的零空间null(h_jd)的正交基，表示高斯噪声向量。与2.2类似，源节点S采用最大比合并传输以增强保密信息传输，同时也在合法用户信道的零空间上发送AN。因此，源节点S的发送信号s_a可构造为

其中x～CN(0,1)表示目的节点数据符号，P_S为源节点的发送功率，是源节点S的单位范数波束向量，φ∈[0,1]表示P_S中分配给信号部分的比例，是h_sd的零空间null(h_sd)的正交基。为比较的公平性，假设总功率一定，即P_T＝P_S+P_J，且

因此，将式和代入式和可得D和E处的接收信号为

由于V分别是h_sd的零空间的正交基，从而h_jd的CSI是理想的且已知，合法用户接收机处可以利用额外的空间自由度采用迫零方法来完全消除来自于协作节点的干扰，即而W与h_je是相互独立的，这就增加了窃听者的干扰信息。因此，可得目的节点D和窃听节点E处的SINR可以写为

γ_D＝ρ_S||h_sd||²

根据COP的定义，可知

向量v和矩阵V构成了的一组正交基，则服从指数分布，即 X～Exp(λ₃)，服从Gamma分布，即Y～Gamma(N_S-1,λ₃)，服从Gamma分布，即Z～Gamma(N_J-1,λ₄)，且变量之间相互独立。利用二项式展开定理，系统的SOP可以计算为

其中

讨论：(1)当给定功率分配因子时，由式以看出系统的COP和发送信号的功率ρ_S有关，且随着ρ_S的增大而减小。与2.2中基于AN传输系统的情形不同，SOP与发送信息的功率ρ_S无关，而与功率分配因子φ,α有关。当给定φ,α且 P_T→∞时，利用可知保密中断概率趋近于常数，且随着源节点和协作节点天线数目的增大而减小。当P_S→∞时，系统的连接中断概率可以写为

从而可得其分集阶数为d＝N_S，即发送天线数目，与协作节点天线数目无关。

(2)当分配给FJ的功率较小时，即α→1，式的第二项趋近于1，式退化为式，即仅有AN的情形。当分配给AN的功率较小时，即φ→1，式的第三项趋近于1，式退化为类似于AN的情形，此时协作节点充当了发送AN的作用。

(3)COP是关于α的减函数，SOP是关于α的增函数，从而控制和优化参数α可以达到可靠性-安全性(COP-SOP)的折中的目的。

同样地，推导系统的可达遍历保密速率。可知，E[R_D]的解析式如下

其中E_k(·)表示广义指数积分。窃听者信道的遍历容量可以近似表示为

在高SNR区域，即P_T→∞时，式可计算为

结合式和可得遍历可达保密速率为

由上式可知，当发送AN时，遍历可达保密速率随着P_T的增大呈对数增大；当无AN时，遍历可达保密速率趋于常值。

请参阅图6，基于AN和协作干扰的安全传输系统的连接中断概率和保密中断概率随着SNR变化的曲线。由图可以看出，推导的理论结果与实际仿真结果很好地吻合，同时渐进表达式在高SNR区域也与仿真结果一致，这验证了理论推导的正确性，连接中断概率随着源节点天线数的增多而降低，并且分集增益为源节点的天线数N_S；保密中断概率随着SNR的增大趋于一个恒定的常数，且随着源节点和协作节点的天线数的增大而减小，这是因为更多的天线数提供了更多的空间自由度。因此，可以通过增大源节点和协作节点的天线数提高系统的可靠性和安全性。

请参阅图7，系统的连接中断概率和保密中断概率随着源节点和协作节点发送天线数变化的性能界曲线。由图可以看出，连接中断概率和保密中断概率同样存在折中关系：保密性能增强时，即保密中断概率减小，则连接中断概率增大，即系统的可靠性降低；而保密性能减弱时，即保密中断概率增大，则连接中断概率减小，即系统的可靠性增强。因此，系统存在可靠性-保密性的折中。同时，随着源节点天线数目和协作节点增大，二者的数值同时减小，由于源节点的天线数对连接中断概率具有较大的影响，因此增大源节点天线数目可以获得更多的性能界增益，即曲线更靠近原点。

请参阅图8，系统的遍历可达保密速率随着SNR变化的曲线。由图可以看出，推导的理论结果与实际仿真结果很好地吻合，这验证了理论推导的正确性。遍历可达保密速率随着源节点和协作节点天线数的增多而增加，随着P_S的增大呈对数增大。因此，基于AN和协作干扰的安全传输系统中，增大源节点和协作节点的天线数可以提高系统的遍历可达保密速率。

请参阅图9，系统的连接中断概率和保密中断概率随着功率分配因子α和φ的变化曲线，其中SNR＝15dB。由图可以看出，随着功率分配因子α和φ的增大，连接中断概率减小，而保密中断概率增大；这是因为分配给发送信号的功率增强同时分配给AN和协作干扰信号的功率减小，因此，存在可靠性-安全性的折中，不能一味地追求可靠性或者安全性，可以根据给定的连接中断概率或者保密中断概率确定相应的功率分配因子。

请参阅图10，系统的遍历可达保密速率随着功率分配因子φ的变化曲线，其中SNR＝15dB。由图可以看出，随着功率分配因子α和φ的增大，遍历可达保密速率和遍历保密速率增大，且增大协作节点的功率可以获得更多的增益。由图可以看出当φ较大时，即分配给AN的功率较小时，遍历可达保密速率逐渐趋于常值。

本实施例的工作原理：该基于人工噪声辅助和协作干扰的物理层安全传输，首先通过设计的AN在降低合法用户干扰的同时，增大窃听者的干扰，从而增强系统的安全性，基于AN辅助的安全传输的本质是同时发送AN和有用信号的叠加信号，设计AN使得合法接收端的信号质量增强，或者使其衰减小于窃听者处的信号质量，达到增大二者之间的互信息差的目的，也达到增强系统安全性能的目的，在不同于源节点发送AN的方式，系统里的空闲节点、友好节点或私有节点都可以充当协作节点，发送干扰信号，其目的和本质也是增加窃听者的干扰使其接收到的有用信息恶化，与此同时尽量减少对合法用户的影响，通过连接中断概率随着源节点天线数的增多而降低，并且分集增益为源节点的天线数N_S，保密中断概率随着SNR的增大趋于一个恒定的常数，且也随着源节点的天线数的增大而减小，这是因为提供了更多的空间自由度，因此，基于AN辅助的安全传输系统中，增大源节点的天线数可以提高系统的可靠性和安全性，通过天线数目的增多，其所获得的增益逐渐变小，因此，基于AN辅助的安全传输系统中，增大源节点的天线数可以提高系统的遍历可达保密速率，因此，基本的协作干扰安全传输技术的通信系统，分析和研究了两种方法的连接中断概率(COP)和保密中断概率(SOP)，研究了可靠性-安全系的折中关系，进一步，针对时延容许情形，推导方案下的遍历可达保密速率，并研究了系统参数对性能指标的影响。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，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，均应包含在本明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于人工噪声辅助和协作干扰的物理层安全传输，其特征在于，包括基于AN辅助的安全传输技术的系统模型和协作干扰安全传输技术的通信系统。

2.根据权利要求1所述的一种基于人工噪声辅助和协作干扰的物理层安全传输，其特征在于：所述基于AN辅助的安全传输是同时发送AN和有用信号的叠加信号，可以通过合理地设计AN使得合法接收端的信号质量增强，或者使其衰减小于窃听者处的信号质量，达到增大二者之间的互信息差的目的，也达到增强系统安全性能的目的。

3.根据权利要求1所述的一种基于人工噪声辅助和协作干扰的物理层安全传输，其特征在于：所述协作干扰安全传输技术的通信系统是系统里的空闲节点、友好节点或私有节点都可以充当协作节点，发送干扰信号。