CN110266415B - 一种基于认知无线网络的鲁棒主动监听系统的建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于认知无线网络的鲁棒主动监听系统的建立方法。具体步骤是：建立主动监听系统传输模型；得到模型中可疑连接的最大鲁棒传输速率；得到监听速率；得到优化后的次级发送机ST端的鲁棒传输功率；得到最大化的监听速率。本发明通过引入人工干扰向量实现对认知无线网络中次级用户间可疑连接的主动监听；另外，在主、次接收机的信道状态信息无法被完全知晓的无线信道中加入人为干扰，利用一个全双工合法监听器通过优化发送波束向量来最大化监听速率，以监听在认知无线网络中次级收发机之间建立的可疑连接；保证了认知无线网络的通信安全性，适用于无法完全获得信道状态信息的认知无线网络，增强了通信安全性。

Description

一种基于认知无线网络的鲁棒主动监听系统的建立方法

技术领域：

本发明涉及在在认知无线网络中对主动监听的鲁棒波束成形，属于通信技术领域。

背景技术：

随着认知无线电技术的体系结构不断完善，认知无线网络(Cognitive RadioNetwork,CRNs)这一概念被提出。与传统网络不同，认知无线网络中主网络与次网络共存。其中，主网络中的用户，即主用户(Primary User，PU)指具有高级优先级或授权使用某一指定频段的用户；相应地，次网络中的用户(Secondary User，SU)是指较低优先级使用指定频段的用户和非授权的用户，次用户在不影响授权的主用户通信质量的前提下接入被授权的频段，与主用户共同授权的频段，实现频谱资源的高效利用。这使认知无线网络不受时间、地域等因素限制为设备提供可靠的通信服务。

在认知无线网络中设计波束成形时通常需要获得完美的信道状态信息(ChannelState Information,CSI),然而实际通信过程中主、次用户之间的合作有限，以及信道估计误差等因素的影响，系统获得的CSI通常含有误差。考虑到当CSI非完美时会造成系统性能下降，为对抗信道误差对系统性能带来的影响，考虑采用鲁棒波束成形设计，降低信道误差对系统性能带来的影响。

由于无线信道的广播特性，使得无线网络中传输的信号很容易被窃听，严重威胁了网络的安全性。特别在认知无线网络中主、次用户共同使用同一频谱资源，网络环境更加复杂，因此面临更加严峻的安全威胁。在带有环路通道的多天线的无线合法监视系统大多为带有可疑部分和合法监视器的三点系统。在认知网络中，主动监听还未被研究，通过引入人为干扰向量来进行主动监听，从而达到对认知无线网络中的可疑通信连接进行监听。

发明内容

本发明的目的是在主、次接收机的信道状态信息无法被完全知晓的无线信道中加入人为干扰，利用一个全双工合法监听器通过优化发送波束向量来最大化监听速率，以监听在认知无线网络中次级收发机之间建立的可疑连接。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种基于认知无线网络的鲁棒主动监听系统的建立方法，包括以下步骤：

步骤一：设有一个合法监听器E和两个用户的主动监听系统，建立主动监听系统传输模型；

其中，所述两个用户包括主接收机PR和次级发送机ST及次级接收机SR；

所述合法监听器E配备有单个接收天线和多个发送天线，所述的次级发送机ST配备有一个单独的发送天线，次级接收机SR配备有一个单独的接收天线，

所述合法监听器E在全双工模式下收发相互独立，且相互之间无自干扰现象；

步骤二：根据步骤一中建立的主动监听系统传输模型，分别得到在次级发送机ST端的鲁棒传输速率和鲁棒传输功率，通过上述两个变量得到模型中可疑连接的最大鲁棒传输速率；由次级发送机ST端的鲁棒传输功率得到从次级发送机ST端到合法监听器E端的信道容量；

步骤三：根据步骤二中的次级发送机ST端到合法监听器E端的信道容量和鲁棒传输速率之间的关系得到监听速率R_ev(w)；优化合法监听器E的波束成形向量w来使监听速率R_ev(w)最大化；

步骤四：所述监听速率R_ev(w)受到鲁棒传输速率和次级发送机ST端到合法监听器E端的信道容量之间的关系的约束，将求解最大化的监听速率R_ev(w)的原问题变成一个可以通过有限个约束得到分析解的问题，得到优化后的次级发送机ST端的鲁棒传输功率；

步骤五：根据步骤四中得到的优化后的次级发送机ST端的鲁棒传输功率，提出三个与求解最大化监听速率R_ev(w)的原问题有相同优化解的子问题来优化原问题，同时通过优化人工干扰线性向量，得到最大化的监听速率R_ev(w)。

所述的次级发送机ST和合法监听器E之间的信道h₂的信息被合法监听器E完全获得；

所述的次级发送机ST和次级接收机SR之间的信道h₁，合法监听器E和SR之间的信道g₁，次级发送机ST和主接收机PR之间的信道h₃，合法监听器E和主接收机PR之间的信道g₂由于信道估计误差被合法监听器E获得部分的信道状态信息；

假设合法监听器E对于所述信道状态信息的了解局限于下述子集：

其中，ε_ei，ε_aj为信道估计质量的决定因子，

为估计值Δg_i，Δh_j为信道估计误差；η_ei表示信道g的集合；η_aj表示信道h的集合。

为了确保对次级接收机SR的可靠监听，所述次级发送机ST采用自适应速率传输，设次级发送机ST的传输功率P_s，满足P_s≤P_t，合法监听器E的监督向量w满足||w||²≤P_e，对于每个固定的w，次级发送机ST上的鲁棒传输速率为：

其中，h₁表示信道；η_e1表示合法监听器E和SR之间的信道状态信息，η_a1表示次级发送机ST和次级接收机SR之间的信道状态信息，

P_e表示监听器E的最大可用发送功率，P_t表示次级发送机ST最大可用发送功率，σ²表示高斯噪声方差，

同时得到次级发送机ST上的鲁棒传输功率为：

其中；Γ表示主接收机PR上能最大容忍的平均干扰，P表示设置的固定阈值，η_e2表示合法监听器E和主接收机PR之间的信道状态信息，η_a3表示次级发送机ST和主接收机PR之间的信道状态信息；

对于可疑连接的最大鲁棒传输速率，会随着次级发送机ST的传输功率P_S的增大而增大，得出至少一个约束对于可疑连接的最大鲁棒传输速率是有效的，得到了可疑连接的最大鲁棒传输速率：

其中，

定义次级发送机ST到合法监听器E的监听信道容量为：

假设合法监听器E成功监听可疑通信，则合法监听器E能够用任意小的错误概率来解码次级发送机ST发送的信息，此时R_E(w)≥R_S(w)，要获得有效监听速率时

其中，当R_E(w)＜R_S(w)时，合法监听器E无法解码次级发送机ST发送的全部信息，则此时的监听速率R_ev(w)＝0，得到有效的监听速率为：

进一步的，通过优化合法监听器E的波束成形向量w来使监听速率R_ev(w)最大化，所述波束成形向量

其中p为优化传输功率满足p≤P_e，||v||²＝1，通过增添一个新的约束R_E(v,p)≥R_S(v,p)使得R_ev(w)最大化，此目标函数被R_S(v,p)改写为：

其中，

由于速率和信干噪比的对数转换，所得的函数与目标函数等价；其中，P_S表示次级发送机ST上的鲁棒传输功率。

进一步的，

和

有相同的相位，即

则

和

之间的夹角为

此时目标函数受到多个问题的约束，将原问题变成一个可以通过有限个约束得到分析解的问题；得出目标函数和下式有相同的优化解：

此时，次级发送机ST的传输功率可以被转换为：

其中；P_S表示次级发送机ST的传输功率，σ表示噪声功率，

表示g₁的估计量，

表示g₂的估计量，h₁₀表示次级发送机ST和次级接收机SR之间的信道状态信息，g₁₁表示合法监听器E和SR之间的信道状态信息，h₃₁表示次级发送机ST和主接收机PR之间的信道状态信息。

进一步的，根据提出的三个与求解最大化监听速率R_ev(w)的原问题有相同优化解的子问题来优化原问题，计算优化后的v，p：

求解子问题得到相应的优化解:

其中，v为优化线束向量，β₂表示f₂(β)的优化解，β₃表示v₃的优化解，通过优化人工干扰线性向量，得到使可获得的监听率达到最大值，进而达到主动监听的目的。

本发明的有益效果在于，与现有的无线认知网络中的监听相比，可以通过优化发送波束向量来最大化监听速率，以主动监听在认知无线网络中次级收发机之间建立的可疑连接；另一方面，在监听者无法获取完全信道状态信息时，通过引入人工干扰向量实现对认知无线网络中次级用户间可疑连接的主动监听。

附图说明

图1为本发明的基于认知无线网络的主动监听鲁棒波束成形设计模型图；

图2为本发明中由

和

所构成的二维空间；

图3为主接收机上的监听速率和干扰临时约束的关系图；

图4为合法监听器E上的监听速率和最大传输功率的关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1，本实施例中提供了一种基于认知无线网络的鲁棒主动监听系统的建立方法，所述系统包括以下步骤：

步骤一：在所述系统中，设有一个合法监听器E和两个用户的主动监听系统，建立主动监听系统传输模型；

其中，所述两个用户包括主接收机PR和次级发送机ST及次级接收机SR；

所述合法监听器E配备有单个接收天线和多个发送天线，所述的次级发送机ST配备有一个单独的发送天线，次级接收机SR配备有一个单独的接收天线，

所述合法监听器E在全双工模式下收发相互独立，且相互之间无自干扰现象；

步骤二：根据步骤一中建立的主动监听系统传输模型，分别得到在次级发送机ST端的鲁棒传输速率和鲁棒传输功率，通过上述两个变量得到模型中可疑连接的最大鲁棒传输速率；由次级发送机ST端的鲁棒传输功率得到从次级发送机ST端到合法监听器E端的信道容量；

步骤三：根据步骤二中的次级发送机ST端到合法监听器E端的信道容量和鲁棒传输速率之间的关系得到监听速率R_ev(w)；优化合法监听器E的波束成形向量w来使监听速率R_ev(w)最大化；

步骤四：所述监听速率R_ev(w)受到鲁棒传输速率和次级发送机ST端到合法监听器E端的信道容量之间的关系的约束，将求解最大化的监听速率R_ev(w)的原问题变成一个可以通过有限个约束得到分析解的问题，得到优化后的次级发送机ST端的鲁棒传输功率；

步骤五：根据步骤四中得到的优化后的次级发送机ST端的鲁棒传输功率，提出三个与求解最大化的监听速率R_ev(w)的原问题有相同优化解的子问题来优化原问题，同时通过优化人工干扰线性向量，得到最大化的监听速率R_ev(w)。

进一步的，对于合法监听器E，无法获得所有信道的全部的信道状态信息，对于次级发送机ST和合法监听器E之间的信道h₂的信息可以被完全获得，而次级发送机ST和次级接收机SR之间的信道h₁，合法监听器E和SR之间的信道g₁，次级发送机ST和主接收机PR之间的信道h₃，合法监听器E和主接收机PR之间的信道g₂由于信道估计误差而不能被完全知晓；假设合法监听器E对于这些信道状态信息的了解局限于以下不确定的子集：

其中，ε_ei，ε_aj为信道估计质量的决定因子，

为估计值Δg_i，Δh_j为信道估计误差；η_ei表示信道g的集合；η_aj表示信道h的集合。

进一步，为了确保对次级接收机SR的可靠监听，次级发送机ST采用自适应速率传输，设次级发送机ST以功率P_S传播，满足P_S≤P_t，合法监听器E的监督向量w满足||w||²≤P_e，由可疑传播和合法监听器E发出的人工干扰信号对主接收机PR产生的干扰表示为：

对于每个固定的w，次级发送机ST上的鲁棒传输速率为：

其中，h₁表示信道；η_e1表示合法监听器E和SR之间的信道状态信息，η_a1表示次级发送机ST和次级接收机SR之间的信道状态信息，

P_e表示监听器E的最大可用发送功率，P_t表示次级发送机ST最大可用发送功率，σ²表示高斯噪声方差，

同时得到次级发送机ST上的鲁棒传输功率为：

其中：Γ表示主接收机PR上能最大容忍的平均干扰，P表示设置的固定阈值，η_e2表示合法监听器E和主接收机PR之间的信道状态信息，η_a3表示次级发送机ST和主接收机PR之间的信道状态信息；

对于可疑连接的最大鲁棒传输速率，会随着次级发送机ST的传输功率P_S的增大而增大，得出至少一个约束对于可疑连接的最大鲁棒传输速率是有效的，得到了可疑连接的最大鲁棒传输速率：

其中，

设次级发送机ST到合法监听器E的监听信道容量为：

假设合法监听器E能够成功监听可疑通信，则合法监听器E能够用任意小的错误概率来解码次级发送机ST发送的信息，此时R_E(w)≥R_S(w)，要获得有效监听速率时R_E(w)＝R_S(w)；

其中，当R_E(w)＜R_S(w)时，合法监听器E无法解码次级发送机ST发送的信息，则此时的监听速率R_ev(w)＝0，得到有效的监听速率为：

进一步的，为了达到更好的监听效果，通过优化合法监听器E的波束成形向量w来监听速率R_ev(w)最大化，即：

其中，

所述波束成形向量

其中p为优化传输功率满足p≤P_e，||v||²＝1，通过增添一个新的约束R_E(v,p)≥R_S(v,p)使得R_ev(w)最大化，此目标函数被R_S(v,p)改写为：

其中，

P_S(v,p)||h₃||²+p||g₂v||²≤Γ，

h₃∈η_a3,p≤P_e,

由于速率和信干噪比的对数转换，所得的式(9)与问题(8)等价。

步骤4：设

和

有相同的相位，即

则

和

之间的夹角为

此时目标函数受到多个问题的约束，将原问题变成一个可以通过有限个约束得到分析解的问题。

假设||h_j1||²＝argmax||h_j||²,||h_j0||²＝argmin||h_j||²,j∈{1,3},h_j∈η_aj，得到：

通过式(9)和式(12)有相同的优化解：

此时，次级发送机ST的传输功率可以被转换为：

其中；P_S表示次级发送机ST的传输功率，σ表示噪声功率，

表示g₁的估计量，

表示g₂的估计量，h₁₀表示次级发送机ST和次级接收机SR之间的信道状态信息，g₁₁表示合法监听器E和SR之间的信道状态信息，h₃₁表示次级发送机ST和主接收机PR之间的信道状态信息。

进一步的，当式(13)是等式时，提出的三个与求解最大化的监听速率R_ev(w)的原问题有相同优化解的子问题来优化原问题，以求得优化的v，p：

其中，对于式(16)，p≤P_e,

才能满足优化条件，对于式(18)，

才能满足优化条件；所述{v₁,p₁}为式(16)的优化解，满足

设{v₂,p₂}为式(17)的优化解，满足

设{v₃,p₃}为式(16)的优化解，满足

通过运用以上三角不等式，将约束条件转化为：

将问题(16)变为：

将问题转化为将下式最小化的问题：

得到式(16)的优化解:

将问题(17)变为：

将问题转化为将下式最小化的问题:

得到优化线束向量v的形式是

其中，

图二是由

和

所构成的二维空间，在图二中可以得到：

将式(27)带入式(26)，得到问题(17)的优化解：

对于子问题(18)，提出：

通过联立式(29)，式(30)可以得到问题(18)的优化解：

其中，v为优化线束向量，β₂表示f₂(β)的优化解，β₃表示v₃的优化解，通过优化人工干扰线性向量，得到使可获得的监听率达到最大值，进而达到主动监听的目的。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

本发明与现有的无线认知网络中的监听相比，可以通过优化发送波束向量来最大化监听速率，以主动监听在认知无线网络中次级收发机之间建立的可疑连接；另一方面，在监听者无法获取完全信道状态信息时，通过引入人工干扰向量实现对认知无线网络中次级用户间可疑连接的主动监听。

Claims (1)

1.一种基于认知无线网络的鲁棒主动监听系统的建立方法，其特征在于，具体操作步骤如下：

步骤一：设有一个合法监听器E和两个用户的主动监听系统，建立主动监听系统传输模型；

其中，所述两个用户包括主接收机PR和次级发送机ST及次级接收机SR；

所述合法监听器E配备有单个接收天线和多个发送天线，所述的次级发送机ST配备有一个单独的发送天线，次级接收机SR配备有一个单独的接收天线，

所述合法监听器E在全双工模式下收发相互独立，且相互之间无自干扰现象；

步骤二：根据步骤一中建立的主动监听系统传输模型，分别得到在次级发送机ST端的鲁棒传输速率和鲁棒传输功率，通过上述两个变量得到模型中可疑连接的最大鲁棒传输速率；由次级发送机ST端的鲁棒传输功率得到从次级发送机ST端到合法监听器E端的信道容量；

步骤三：根据步骤二中的次级发送机ST端到合法监听器E端的信道容量和鲁棒传输速率之间的关系得到监听速率R_ev(w)；优化合法监听器E的波束成形向量w来使监听速率R_ev(w)最大化；

步骤四：所述监听速率R_ev(w)受到鲁棒传输速率和次级发送机ST端到合法监听器E端的信道容量之间的关系的约束，将求解最大化的监听速率R_ev(w)的原问题变成一个可以通过有限个约束得到分析解的问题，得到优化后的次级发送机ST端的鲁棒传输功率；

步骤五：根据步骤四中得到的优化后的次级发送机ST端的鲁棒传输功率，提出三个与求解最大化的监听速率R_ev(w)的原问题有相同优化解的子问题来优化原问题，同时通过优化人工干扰线性向量，得到最大化的监听速率R_ev(w)；

所述的次级发送机ST和合法监听器E之间的信道h₂的信息被合法监听器E完全获得；

所述的次级发送机ST和次级接收机SR之间的信道h₁，合法监听器E和SR之间的信道g₁，次级发送机ST和主接收机PR之间的信道h₃，合法监听器E和主接收机PR之间的信道g₂由于信道估计误差被合法监听器E获得部分的信道状态信息；假设合法监听器E对于所述信道状态信息的了解局限于下述子集：

其中，ε_ei，ε_aj为信道估计质量的决定因子，

为估计值Δg_i，Δh_j为信道估计误差；η_ei表示信道g的集合；η_aj表示信道h的集合；

所述次级发送机ST采用自适应速率传输，设次级发送机ST的传输功率P_s，满足P_s≤P_t，合法监听器E的监督向量w满足||w||²≤P_e，对于每个固定的w，次级发送机ST上的鲁棒传输速率为：

其中，h₁表示信道；η_e1表示合法监听器E和SR之间的信道状态信息，η_a1表示次级发送机ST和次级接收机SR之间的信道状态信息，

P_e表示监听器E的最大可用发送功率，P_t表示次级发送机ST最大可用发送功率，σ²表示高斯噪声方差，

同时得到次级发送机ST上的鲁棒传输功率为：

其中；Γ表示主接收机PR上能最大容忍的平均干扰，P表示设置的固定阈值，η_e2表示合法监听器E和主接收机PR之间的信道状态信息，η_a3表示次级发送机ST和主接收机PR之间的信道状态信息；

对于可疑连接的最大鲁棒传输速率，会随着次级发送机ST的传输功率P_S的增大而增大，得出至少一个约束对于可疑连接的最大鲁棒传输速率是有效的，得到了可疑连接的最大鲁棒传输速率：

其中，

设次级发送机ST到合法监听器E的监听信道容量为：

假设合法监听器E成功监听可疑通信，则合法监听器E能够用任意小的错误概率来解码次级发送机ST发送的信息，此时R_E(w)≥R_S(w)，要获得有效监听速率时

其中，当R_E(w)＜R_S(w)时，合法监听器E无法解码次级发送机ST发送的全部信息，则此时的监听速率R_ev(w)＝0，得到有效的监听速率R_ev(w)为：

通过优化合法监听器E的波束成形向量w来使监听速率R_ev(w)最大化，所述波束成形向量

其中p为优化传输功率满足p≤P_e，||v||²＝1，通过增添一个新的约束R_E(v,p)≥R_S(v,p)使得监听速率R_ev(w)最大化，此目标函数被R_S(v,p)改写为：

其中，

由于速率和信干噪比的对数转换，所得的函数与目标函数等价；其中，P_S表示次级发送机ST上的鲁棒传输功率；

设

和

有相同的相位，即

则

和

之间的夹角为

此时目标函数受到多个问题的约束，将求解最大化的监听速率R_ev(w)的原问题变成一个可以通过有限个约束得到分析解的问题；得出目标函数和下式有相同的优化解：

此时，次级发送机ST的传输功率可以被转换为：

其中；P_S表示次级发送机ST的传输功率，σ表示噪声功率，

表示g₁的估计量，

表示g₂的估计量，h₁₀表示次级发送机ST和次级接收机SR之间的信道状态信息，g₁₁表示合法监听器E和SR之间的信道状态信息，h₃₁表示次级发送机ST和主接收机PR之间的信道状态信息；

根据提出的三个与求解最大化的监听速率R_ev(w)的原问题有相同优化解的子问题来优化原问题，计算优化后的v，p：

求解子问题得到相应的优化解:

其中，v为优化线束向量，β₂表示f₂(β)的优化解，β₃表示v₃的优化解，通过优化人工干扰线性向量，得到使可获得的监听率达到最大值，进而达到主动监听的目的。

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