CN110381503B - 毫米波蜂窝网络上行安全传输的干扰阻塞方案切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种毫米波蜂窝网络上行安全传输的干扰阻塞方案切换方法，具体包括以下步骤：步骤1，取K‑1个协作用户中最优协作用户进行干扰阻塞和该基站全双工干扰阻塞分别作为干扰阻塞方案；步骤2，计算步骤1中的K‑1个协作用户干扰时通信链路的安全吞吐量，并将最大安全吞吐量对应的协作用户作为干扰阻塞方案的干扰节点；同时，计算步骤1中基站全双工干扰时的安全吞吐量；步骤3，将步骤2中得到的通信链路安全吞吐量和基站干扰时通信链路吞吐量对比，并将最大安全吞吐量对应的干扰阻塞方案作为当前时隙的干扰阻塞方案；本发明以安全吞吐量为评估指标，通过利用用户位置信息，在上述两种干扰阻塞方案之间进行高效、灵活的切换，使系统始终工作在安全吞吐量最优的环境下。

Description

毫米波蜂窝网络上行安全传输的干扰阻塞方案切换方法

技术领域

本发明涉及无线通信物理层安全传输问题，特别涉及一种毫米波蜂窝网络上行安全传输的干扰阻塞方案切换方法。

背景技术

无线通信给人们生活带来了极大的便利，目前已经被广泛应用到人们生活的方方面面。但是人们对流量和网速需求的不断扩张，以及在网人数的急剧增加使得微波频段资源分配日益紧张，开发更高频的毫米波波段势在必行。毫米波通信能够提供30GHz-300GHz的超宽频段，并且波长减小使得天线尺寸小型化成为可能，毫米波可以支持大规模天线构成天线阵，提供超高的阵列增益。基于以上优势，毫米波通信技术已经成为第五代移动通信系统的关键技术，将被广泛应用于诸多通信场景。

另一方面，无线通信的安全性一直是人们关注的焦点话题，而随着无线网络的大规模化和节点部署的动态化以及超级计算机的普及化，传统基于密码学加密的高层安全协议正在面临密钥分发、维护和管理上的困难，以及被暴力破解的安全隐患。物理层安全为研究学者开辟了一条新思路，它通过利用无线传输的信道特征，借助信道编码和信号处理技术，直接在物理层上实现信号的安全传输。物理层安全无需借助密钥，不依赖于计算复杂度，而且可以依托已有的信道编码和信号处理技术，这使得其实现具有低复杂度和延迟、高可扩展性和灵活性等优点，近年来物理层安全也得到了学术界和工业界的广泛关注与研究。

最近，已有研究学者开展了毫米波蜂窝通信系统中的物理层安全方面的研究工作。研究表明，虽然毫米波传播衰减严重，但是这也正好降低了非法窃听方的信号接收质量；此外，通过使用大规模天线阵列提供高阵列增益和波束指向性，既可以延长通信距离，提高通信可靠性，又可以减小信息泄露的可能性，保证通信的保密性。所以，通过合理利用毫米波的传播特性可以有效提升物理层安全传输性能。然而，目前关于毫米波物理层安全的研究工作主要集中于下行传输，通过设计基站端的保密信号发射技术和传输策略提升安全传输性能，而上行传输方面的研究仍相当匮乏。在上行传输中，终端用户受体积成本等限制，往往无法配备大量发射天线，所以不具备足够的自由度实现可靠保密的信息传输。由此可见，上行安全传输的问题相对于下行而言更为严峻和棘手，寻求一种可行的上行安全传输策略用以保障通信的安全性是一项值得研究的重要课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种毫米波蜂窝网络上行安全传输的干扰阻塞方案切换方法，解决了现有的毫米波蜂窝网络上行传输的安全性存在问题。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的一种毫米波蜂窝网络上行安全传输的干扰阻塞方案切换方法，设定K个用户通过TDMA方式接入同一个基站，该基站配备N_b根天线，同时，该基站存在随机分布的窃听方，其中，每个用户和每个窃听方均配备单根天线，具体包括以下步骤：

步骤1，当前时隙某一通信用户接入基站，该基站通过信道训练获得该通信用户的信道状态信息，同时，采用时分双工且假设信道慢变，将其余K-1个用户充当协作用户，且设定该协作用户的位置信息为已知；

步骤2，取步骤1中所述的K-1个协作用户中最佳协作用户发射干扰和由全双工基站发射干扰分别作为干扰阻塞方案；

步骤3，分别计算步骤2中的K-1个协作用户干扰下通信链路的安全吞吐量，并将最大安全吞吐量对应的协作用户作为干扰阻塞方案的干扰节点；同时，计算步骤2中基站全双工干扰下通信链路的安全吞吐量；

步骤4，将步骤3中得到的协作用户干扰下通信链路安全吞吐量和基站全双工干扰下的通信链路安全吞吐量对比，并将最大安全吞吐量对应的干扰阻塞方案作为当前时隙的干扰阻塞方案。

优选地，步骤3中，计算步骤2中的K-1个协作用户干扰下通信链路的安全吞吐量，具体包括以下步骤：

S1，设定K-1个协作用户为该基站旁瓣覆盖区域的用户；设定该基站的位置为b处，通信用户的位置记为u₀，协作用户的位置记为u_k，其中，k＝1,…,K-1；同时，设定窃听方的位置集合为Φ_E；

S2，计算当协作用户u_k被选中发射人工噪声时的基站的接收信干噪比，以及计算位于e_i处窃听方的信干噪比；

S3，根据S2中得到的基站的接收信干噪比计算通信链路的连接中断概率；根据窃听方的信干噪比计算通信链路的保密中断概率；

S4，根据S3中得到的连接中断概率和保密中断概率计算协作用户干扰时通信链路的安全吞吐量T_k；以安全吞吐量最优为准则选取最优协作用户，记序号为k^*，则有

优选地，S2中，基站的接收信干噪比的表达式为：

S2中，位于e_i处窃听方的信干噪比表达式为：

其中，P_t为通信用户的发射功率；P_c为协作用户的发射功率；G_M和g_M分别为以M根天线接收信号时，基站端波束形成的主瓣和旁瓣增益；h_x,y代表位于x和y处节点间的信道衰落系数，假设其服从Nakagami-m信道衰落；r_x,y为位于x和y处两节点间的距离；α和α_j均为路径衰落指数；

为终端噪声功率。

优选地，S3，协作用户干扰下通信链路的连接中断概率的表示式：

S3中，通信链路的保密中断概率的表达式为：

式中，β_b为连接中断的信干噪比阈值；q_j(r_x,y)表示收发节点距离为r_x,y时视距传输或非视距传输发生的概率；j∈{L,N}表示毫米波通信中存在的视距传输和非视距传输方式。

优选地，S4中，协作用户干扰下通信链路的安全吞吐量T_k表征为可靠保密传输的概率，其表达式为：

T_k＝(1-p_co,k)×(1-p_so,k)。

优选地，计算步骤2中基站全双工干扰下通信链路的安全吞吐量，其中，设定该基站任意选取一根天线发射人工噪声，而其余天线用于接收有用信号，同时利用迫零接收方式抵消自干扰；设定窃听方的位置集合为Φ_E；具体方法包括：

S1，计算基站的接收信噪比；同时，计算位于e_i处窃听方的信干噪比；

S2，计算基站干扰下通信链路的连接中断概率；同时，计算通信链路保密中断概率；

S3，计算基站全双工干扰下通信链路的安全吞吐量。

优选地，S1中，基站的接收信噪比的表达式为：

S1中，位于e_i处窃听方的信干噪比表达式为：

其中，P_t为通信用户的发射功率；G_M为以M根天线接收信号时，基站端波束形成的主瓣收益；h_x,y代表位于x和y处节点间的信道衰落系数，假设其服从Nakagami-m信道衰落；r_x,y为位于x和y处两节点间的距离；α_j均为路径衰落指数；

为终端噪声功率；j∈{L,N}表示毫米波通信中存在的视距传输和非视距传输方式。

优选地，S2中，计算基站干扰时通信链路的连接中断概率的表达式为：

计算通信链路保密中断概率的表达式为：

其中，

为窃听者密度；β_b为连接中断的信干噪比阈值；

为保密中断的信干噪比阈值；

表示位于e_i处窃听方的信干噪比；b为设定基站的位置；θ为协作用户到通信用户与窃听者到通信用户之间的夹角；P_t为通信用户的发射功率；P_c为协作用户发射功率。

优选地，S3中，计算基站干扰下通信链路的安全吞吐量的表达式为：

T_b＝(1-p_co,b)×(1-p_so,b)。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种毫米波蜂窝网络上行安全传输的干扰阻塞方案切换方法，采用非通信用户干扰阻塞的思路，为上行安全传输额外增加了对抗窃听方的自由度，在保证合法通信用户传输可靠性的同时，有效地提升了信息传输的保密性；

采用的协作用户干扰阻塞方案充分地发挥了当前时隙空闲用户在安全传输方面的作用，空闲用户充当人工干扰源，有效地减轻了基站端的负担，使得基站无需发射干扰信号而只需接收有用信号，从而提高了基站端的功率利用率。此外，协作用户干扰阻塞方案中最优协作用户的选取只需利用空闲用户的位置信息而无需瞬时信道状态信息，这极大地降低了系统开销，使得该方案具有较低的实现复杂度；

通过在协作用户干扰阻塞和基站全双工干扰阻塞两种方案中智能切换，系统得以始终运行在最优安全吞吐量的环境下。而不同时隙的干扰阻塞方案均会根据用户与基站间相对位置的变化而动态改变，使得窃听端所接收信号的统计特性时刻发生变化，这无疑进一步增加了窃听端破解私密信息的难度，提升了信号传输的安全性能。

进一步的，在协作用户干扰阻塞方案中，基站仅接收有用信号，并且选择最优协作用户发射人工噪声对抗窃听方。

进一步的，在基站全双工干扰阻塞方案中，基站同时接收有用信号并发送人工噪声干扰窃听方，并且在空域实现自干扰抵消。

综上所述，本发明以安全吞吐量为评估指标，通过利用用户位置信息，在上述两种干扰阻塞方案之间进行高效、灵活的切换，使系统始终工作在安全吞吐量最优的环境下。仿真实验证明，本发明能够合理而灵活地利用基站和用户资源，相比于采用单一干扰阻塞方案，显著提升了系统安全吞吐量，从而增强了毫米波蜂窝网络TDMA上行链路的安全性。

附图说明

图1是本发明所涉及的无线安全传输模型；

图2是对比无阻塞通信、协作用户干扰阻塞方案与全双工基站干扰阻塞方案以及采用本发明切换下随干扰功率变化的安全吞吐量仿真图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进一步详细说明。

本发明针对毫米波蜂窝网络上行链路的安全传输问题，提出了一种基于协作用户干扰阻塞和基站全双工干扰阻塞相互切换的物理层安全传输方法。本发明利用协作用户或基站发射人工噪声干扰窃听方，来弥补上行传输中通信用户对抗窃听的不足，通过智能切换协作用户干扰阻塞和基站全双工干扰阻塞模式，使系统始终处于安全性能最优的工作环境。

如图1所示，本发明提供的一种毫米波蜂窝网络上行安全传输的干扰阻塞方案切换方法，K个用户通过TDMA方式接入基站，同时存在随机分布的窃听方试图截获用户传输的信息。基站配备N_b根天线，用户和窃听方均配备单根天线；包括以下步骤：

第一步，当前时隙某一通信用户接入基站，该基站通过信道训练获得该通信用户的信道状态信息，设定时分双工且信道慢变，认为信道互易，此时，将其余K-1个用户充当协作用户，且设定该协作用户的位置信息为已知；

该协作用户的位置信息是基站通过在非当前时隙与协作用户的信息交互获得。

第二步，计算上述中的K-1个协作用户干扰阻塞下通信链路的安全吞吐量，并将最大安全吞吐量对应的协作用户作为干扰阻塞方案；具体为：

S1，设定K-1个协作用户为该基站旁瓣覆盖区域的用户；设定该基站的位置为b处，通信用户的位置记为u₀，协作用户的位置记为u_k，其中，k＝1,…,K-1；同时，设定窃听方的位置集合为Φ_E；窃听者的位置分布建模为二维平面上的泊松点过程，且所有窃听者为被动窃听，即，不主动发射信号；

S2，当协作用户u_k被选中发射人工噪声时，基站的接收信干噪比可以表示为：

其中，P_t与P_c分别为通信用户和协作用户的发射功率；G_M和g_M分别为以M根天线接收信号时，基站端波束形成的主瓣和旁瓣增益；h_x,y代表位于x和y处节点间的信道衰落系数，假设其服从Nakagami-m信道衰落，r_x,y为相应的距离；α，α_j为路径衰落指数；

为终端噪声功率；

其中，基站端的波束形成增益采用扇形天线模型，其主瓣与旁瓣增益如下：

式中，φ为用户与基站波束形成主瓣中线的夹角，G_M为主瓣增益，g_M为旁瓣增益，θ_b为半主瓣角；且波瓣增益与天线数有如下关系：

g_M＝xG_M

式中，x为旁瓣与主瓣增益比值，M为用以波束成形天线数；协作用户干扰阻塞方案中，M为N_b；基站干扰阻塞方案中假定基站对干扰已知，且可以空域消除干扰，实际接收天线数为N_b-2；

S3，计算通信链路的连接中断概率，其定义如下：

式中，β_b为连接中断的信干噪比阈值，q_j(r_x,y)表示收发节点距离为r_x,y时视距传输或非视距传输发生的概率；j∈{L,N}表示毫米波通信中存在的视距传输和非视距传输方式。

其中，毫米波视距传输的概率定义为q_L(r)＝e^-βr，r为收发端之间的距离；非视距传输概率定义为q_N(r)＝1-q_L(r)；

经过计算整理可得：

式中，

S4，计算位于e_i处窃听方的信干噪比的表达式为：

S5，计算通信链路的保密中断概率，其定义为：

式中，

为保密中断的信干噪比阈值；

经计算整理可得：

式中，

为窃听者密度，θ为协作用户到通信用户与窃听者到通信用户之间的夹角；

S6，计算通信链路的安全吞吐量，其表征为可靠保密传输的概率，定义如下：

T_k＝(1-p_co,k)×(1-p_so,k) (7)

S7，以安全吞吐量最优为准则选取最优协作用户，记序号为k^*，则有

同时得到最优安全吞吐量为

。

第三步，考察基站全双工干扰阻塞方案，计算相应的安全吞吐量，设定基站任意选取一根天线发射人工噪声而用其余天线接收有用信号，同时利用迫零接收方式抵消自干扰；具体包括以下步骤：

S1，基站的接收信噪比可以表示为：

其中，P_t为通信用户的发射功率；G_M为以M根天线接收信号时，基站端波束形成的主瓣收益；h_x,y代表位于x和y处节点间的信道衰落系数，假设其服从Nakagami-m信道衰落；r_x,y为位于x和y处两节点间的距离；α_j均为路径衰落指数；

为终端噪声功率；j∈{L,N}表示毫米波通信中存在的视距传输和非视距传输方式；

S2，计算通信链路的连接中断概率的表达式为：

式中，β_b为连接中断的信干噪比阈值，q_j(r_x,y)表示收发节点距离为r_x,y时视距传输或非视距传输发生的概率；

经整理得：

式中，

S3，位于e_i处窃听方的信干噪比可以表示为：

S4，下面计算通信链路的保密中断概率，利用式(5)计算可得：

S5，计算通信链路的安全吞吐量，定义如下：

T_b＝(1-p_co,b)×(1-p_so,b) (12)

第四步，从上述两种方案中，选取安全吞吐量较大的方案作为当前时隙的干扰阻塞方案。其余时隙的干扰阻塞方案仍然采用上述方法进行选取。

最后，切换算法结束。

实施例

仿真实验验证了本专利切换方案的有效性和可实现性。本实施例中使用的发射功率P_t＝30dBm，噪声功率σ²＝-100dBm，基站天线数N_b＝3，路径衰落指数α_L＝2.1，α_N＝3.5，基站波束形成旁瓣与主瓣增益比值x＝0.2。数值仿真中每次生成k(k＝4)个用户随机分布，并对每组干扰噪声功率进行1000次实现。

图2给出了对本发明方法进行计算机仿真结果，并与无阻塞通信、仅协作用户干扰阻塞和全双工基站干扰阻塞方案进行了比较。此四种方法下仿真参数完全相同，图中横坐标表示干扰噪声功率(协作用户发射或基站发射)。从图中可见，本发明方法在干扰噪声适中的情况下明显优于另外三种场景；在低干扰噪声和极高干扰噪声时，由于两种阻塞策略吞吐量明显受连接中断或保密中断的影响，本方案会倾向于使用其中某一阻塞策略。

Claims (7)

1.一种毫米波蜂窝网络上行安全传输的干扰阻塞方案切换方法，其特征在于，设定K个用户通过TDMA方式接入同一个基站，该基站配备N_b根天线，同时，该基站存在随机分布的窃听方，其中，每个用户和每个窃听方均配备单根天线，具体包括以下步骤：

步骤1，当前时隙某一通信用户接入基站，该基站通过信道训练获得该通信用户的信道状态信息，同时，采用时分双工且假设信道慢变，将其余K-1个用户充当协作用户，且设定该协作用户的位置信息为已知；

步骤2，取步骤1中所述的K-1个协作用户中最佳协作用户发射干扰和由全双工基站发射干扰分别作为干扰阻塞方案；

步骤3，分别计算步骤2中的K-1个协作用户干扰下通信链路的安全吞吐量，并将最大安全吞吐量对应的协作用户作为干扰阻塞方案的干扰节点；同时，计算步骤2中全双工基站干扰下通信链路的安全吞吐量；

步骤4，将步骤3中得到的协作用户干扰下通信链路的安全吞吐量和全双工基站干扰下的通信链路安全吞吐量对比，并将最大安全吞吐量对应的干扰阻塞方案作为当前时隙的干扰阻塞方案；

其中，步骤3中，计算步骤2中的K-1个协作用户干扰下通信链路的安全吞吐量，具体包括以下步骤：

S1，设定K-1个协作用户为该基站旁瓣覆盖区域的用户；设定该基站的位置为b处，通信用户的位置记为u₀，协作用户的位置记为u_k，其中，k＝1,…,K-1；同时，设定窃听方的位置集合为Φ_E；

S2，计算当协作用户u_k被选中发射人工噪声时的基站的接收信干噪比，以及计算位于e_i处窃听方的信干噪比；

S3，根据S2中得到的基站的接收信干噪比计算连接中断概率；根据窃听方的信干噪比计算保密中断概率；

S4，根据S3中得到的连接中断概率和保密中断概率计算协作用户干扰时通信链路的安全吞吐量T_k；以安全吞吐量最优为准则选取最优协作用户，记序号为k^*，则有

S3，协作用户干扰下通信链路的连接中断概率的表示式：

S3中，通信链路的保密中断概率的表达式为：

式中，β_b为连接中断的信干噪比阈值；q_j(r_x,y)表示收发节点距离为r_x,y时视距传输或非视距传输发生的概率；j∈{L,N}表示毫米波通信中存在的视距传输和非视距传输方式；

表示当协作用户u_k被选中发射人工噪声时，基站的接收信干噪比；

表示位于e_i处窃听方的信干噪比。

2.根据权利要求1中所述的一种毫米波蜂窝网络上行安全传输的干扰阻塞方案切换方法，其特征在于，S2中，基站的接收信干噪比的表达式为：

j∈{L,N}表示毫米波通信中存在的视距传输和非视距传输方式；

S2中，位于e_i处窃听方的信干噪比表达式为：

其中，P_t为通信用户的发射功率；P_c为协作用户的发射功率；G_M和g_M分别为以M根天线接收信号时，基站端波束形成的主瓣和旁瓣增益；h_x,y代表位于x和y处节点间的信道衰落系数，假设其服从Nakagami-m信道衰落；r_x,y为位于x和y处两节点间的距离；α和α_j均为路径衰落指数；

为终端噪声功率。

3.根据权利要求1中所述的一种毫米波蜂窝网络上行安全传输的干扰阻塞方案切换方法，其特征在于，S4中，协作用户干扰下通信链路的安全吞吐量T_k表征为可靠保密传输的概率，其表达式为：

T_k＝(1-p_co,k)×(1-p_so,k)

其中，p_co,k表示使用协作用户干扰时通信链路的连接中断概率；p_so,k表示使用协作用户干扰时通信链路的保密中断概率。

4.根据权利要求1中所述的一种毫米波蜂窝网络上行安全传输的干扰阻塞方案切换方法，其特征在于，计算步骤2中基站全双工干扰下通信链路的安全吞吐量，其中，设定该基站任意选取一根天线发射人工噪声，而其余天线用于接收有用信号，同时利用迫零接收方式抵消自干扰；设定窃听方的位置集合为Φ_E；具体方法包括：

S1，计算基站的接收信噪比；同时，计算位于e_i处窃听方的信干噪比；

S2，计算基站干扰下通信链路连接中断概率；同时，计算保密中断概率；

S3，计算基站全双工干扰下通信链路的安全吞吐量。

5.根据权利要求4中所述的一种毫米波蜂窝网络上行安全传输的干扰阻塞方案切换方法，其特征在于，S1中，基站的接收信噪比的表达式为：

S1中，位于e_i处窃听方的信干噪比表达式为：

其中，P_t为通信用户的发射功率；G_M为以M根天线接收信号时，基站端波束形成的主瓣收益；h_x,y代表位于x和y处节点间的信道衰落系数，假设其服从Nakagami-m信道衰落；r_x,y为位于x和y处两节点间的距离；和α_j均为路径衰落指数；

为终端噪声功率；j∈{L,N}表示毫米波通信中存在的视距传输和非视距传输方式；b为设定基站的位置。

6.根据权利要求5中所述的一种毫米波蜂窝网络上行安全传输的干扰阻塞方案切换方法，其特征在于，S2中，计算基站干扰下通信链路的连接中断概率的表达式为：

计算保密中断概率的表达式为：

其中，

为窃听者密度；β_b为连接中断的信干噪比阈值；

为保密中断的信干噪比阈值；

表示位于e_i处窃听方的信干噪比；b为设定基站的位置；θ为协作用户到通信用户与窃听者到通信用户之间的夹角；P_t为通信用户的发射功率；P_c为协作用户发射功率。

7.根据权利要求5中所述的一种毫米波蜂窝网络上行安全传输的干扰阻塞方案切换方法，其特征在于，S3中，计算基站干扰下通信链路的安全吞吐量的表达式为：

T_b＝(1-p_co,b)×(1-p_so,b)

其中，p_so,b表示使用基站干扰时通信链路的连接中断概率；p_co,b表示使用基站干扰时通信链路的保密中断概率。

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