CN110611545B

CN110611545B - 一种提高射频-激光通信系统安全性的天线选择策略

Info

Publication number: CN110611545B
Application number: CN201910878988.4A
Authority: CN
Inventors: 雷宏江; 高锐; 罗浩伦; 雷维嘉; 任智; 徐鹏
Original assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Current assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority date: 2019-09-18
Filing date: 2019-09-18
Publication date: 2022-12-27
Anticipated expiration: 2039-09-18
Also published as: CN110611545A

Abstract

本发明提出一种提高射频‑激光通信系统安全性的天线选择策略；传输系统包括源节点、中继节点、窃听节点和目的节点；本发明中，整个通信过程分为四个阶段：准备阶段、天线选择阶段、信息传递阶段和信息解码阶段；系统通信中的发送天线选择依据分两种情况：第一种情况，信源S未知窃听链路的信道状态信息，此时发送天线选择使主链路信道增益最大的，记作b₁；第二种情况，信源S已知窃听链路的信道状态信息，在这种情况下，根据平均信噪比

和

三者之间的三种大小关系，确定发送天线选择的标准为b₁或者b₂(选择的发送天线使窃听信道增益最小)；在所提出的自适应发送天线选择策略下，可以有效降低系统硬件设备复杂度，节约成本，提升系统的安全性能。

Description

一种提高射频-激光通信系统安全性的天线选择策略

技术领域

本发明属于无线通信网络技术领域，尤其涉及一种提高射频-激光通信系统安全性的自适应发送天线选择策略，本发明属于物理层安全通信领域。

背景技术

近年来，移动通信技术经历飞跃式发展，使得互联网接入服务随处可见，极大地提高了人们的工作效率。但是，在信息传播过程中，由于无线信道的开放性、终端设备的移动性、用户分布的随机性等诸多因素的影响，用户在获得高效、便捷的沟通服务的同时，也将面临更多的安全风险。无线射频通信可远距离传输，但是射频信道具有广播性，使得通信存在很大的安全隐患。激光通信是一种以激光为载体，在自由的空间中传递信息的通信技术，它具有不需要频率许可证、成本低廉、协议透明、安全性高、带宽高、链路部署快速、抗电磁干扰组网方便灵活等优点，但是会受到各种外界条件的干扰，尤其是天气情况的不确定性，它们在一定程度吸收激光的能量，引起光功率的衰减，对激光通信质量产生影响。同时，光束偏移也是影响激光通信的主要原因之一，这使得激光通信系统无法远距离传输。混合射频-激光通信系统因其有效地利用了两种信道的优点而备受业界和学术界的广泛关注。物理层安全以信息论为理论依据，波束赋形、协作通信等技术作为支撑，扩大合法用户和窃听用户之间的差距，利用无线信道的时变性确保信号安全可靠传输，是通信领域非常有前景的加密方式。

协作通信是指在点对点通信的基础上，在不考虑改变终端设备大小和发射功率的前提下，利用中继协作的方法，将信息发送到一个或者多个中继节点，然后中继节点通过相关解调方式转发给目的节点，提高了系统的稳定性和频谱利用率。(参见文献[1]：J.N.Laneman,D.N.C. Tse,and G.W.Wornell,“Cooperative diversity in wirelessnetworks:Efficient protocols and outage behavior,”IEEE Transactions onInformation Theory,vol.50,no.12,pp.3062-3080,2004.)。为了克服激光通信传播距离短的问题，将传统的无线射频通信与激光通信相结合，构成了混合射频 -激光通信系统。这种混合系统不仅能扩大通信距离，节约频谱资源，同时能够有效地抑制光衰落引起的系统性能下降问题。

一个典型的混合射频-激光通信网络模型如附图1所示。与单一的射频通信网络或者激光通信网络相比，混合射频-激光通信系统网络取长补短，不仅扩大了通信距离，节约频谱资源，同时能够有效地抑制光衰落引起的系统性能下降问题，提高系统带宽利用率。

物理层安全是利用无线信道的时变性，结合信道编码等技术保证信息不被窃听者破译。C. E.Shannon于1945年在经典文献(参见文献[2]：Shannon C E.Communicationtheory of secrecy systems[J].The Bell System Technical Journal,1949,28(4):656-715.)中从信息论的角度证明：要实现消息的绝对安全，通信过程必须使用“一次一密”的加密方法，即一比特数据应有一比特密钥。该条件过于严苛，在工程领域很难应用。A.Wyner于1975年在Shannon研究的基础上首次建立含噪声的窃听信道模型(参见文献[3]：Wyner A D.The wire-tap channel[J].The Bell System Technical Journal,1975,54(8):1355-1387.)，如附图2所示。Wyner证明：当主信道的信道状况优于窃听信道的信道状况时，信源和合法接收端进行信息传输时，一定存在一种编码方式，可使传递信息错误的概率达到任意小，此时窃听端无法获知任何有用信息，系统达到绝对安全。经过几十年的发展，物理层安全理论逐渐成熟。采用物理层安全实现无线通信系统的安全传输越来越成为学术界和业界研究的热点。无线系统物理层安全的衡量指标主要有遍历安全容量和安全中断概率等，其中，安全中断概率指系统的瞬时安全容量小于给定门限值的概率，数学表达式为：

P_out＝Pr{C_s＜R_s}

式中，C_s表示系统的瞬时安全容量，R_s表示安全速率阈值。

多天线技术引入了空间复用和空间分集技术，可以显著提高了系统的增益(参见文献[4]： E.Telatar,“Capacity of Multi-antenna Gaussian channels,”vol.10,no.6,pp.585-595,1999.)。由于天线数量的增加，传统的多输入多输出系统(如最大比率传输或时空传播)成本高，硬件设施复杂(参见文献[5]：A.Mohammadi and F.M.Ghannouchi,“Single RF front-end MIMO transceivers,”IEEE Communications Magazine,vol.49,no.12,pp.104-109,2011.)。而本发明提出的发送天线选择策略通过权衡空间复用、多天线的分集增益和多个射频链路的高昂成本，是一种获得完全安全分集阶数的低复杂度、低功耗的策略，有效解决了上述传统多输入多输出系统的缺点。

发明内容

(一)本发明解决的问题

针对混合射频-激光通信系统的安全问题，本发明提供了一种自适应的发送天线选择策略，在有效降低系统的复杂度和成本的同时，充分利用多天线系统资源，改善系统的安全性能。

(二)本发明的技术方案

如附图3所示，本发明实施例所述通信系统共包含射频和激光通信两个部分，考虑射频信道服从立同分布的Nakagami-m衰落，激光信道服从具有普适性的Málaga信道衰落。此外系统还包含源节点S，目的节点D，窃听节点E。发射节点S通过中继节点R发送信息给目的节点D，同时窃听节点E窃听信息。S、R和E分别配备N_i(i∈{S,R,E})根天线，在发射节点S处采用发送天线选择策略来提高混合系统的安全性能。中继节点R与窃听节点E均采取最大比合并来提高接收信噪比。

本发明实施例基于物理层安全通信，考虑混合射频-激光通信系统中存在窃听端的情况，提出了一种发送天线选择策略，该策略的核心在于考虑主链路和窃听链路的平均信噪比之间的大小关系，发送天线选择的详细逻辑请见附图4，该策略具体实施步骤如下：

步骤S1：系统初始化。源节点先向下行混合射频-激光通信系统广播训练序列。本步骤有两个目的：(1)估计主信道的信道状态信息，包括S_i-R_j，R_j-D，i∈{1:N_s},j∈{1:N_R}的各路信道状态信息；(2)估计窃听信道的信道状态信息。即S_i-E_j,i∈{1:N_s},j∈{1:N_E}信道的信道状态信息。各链路信道状态信息的获取可通过监测各端口的传输或采用一些复杂的信道估计算法实现，具体方法(参见相关文献[6]Zou Y,Zhu J,Wang X,etal.Improving physical-layer security in wireless communications usingdiversity techniques[J].IEEE Network,2015,29(1):42- 48.)文中不再赘述；

步骤S2：判断源节点S是否可以获得窃听链路S-E的信道状态信息：如果源节点S无法获得窃听链路的信道状态信息，则从所有的发送天线中选择使得主链路信道增益最大的，记作

如果源节点S可以获得窃听链路S-E的信道状态信息，则转向步骤S3；

步骤S3：判断S_i-R_j的平均信噪比

是否大于激光通信链路R_j-D的平均信噪比

如果满足条件，则从发送天线中选择使得窃听信道增益最小的，记为

否则转向步骤S4；

步骤S4：判断射频链路的信噪比

是否大于窃听链路的信噪比

如果

则发送天线选择的标准为b₂，反之，则发送天线选择的标准为b₁；

步骤S5：在中继节点R的协作下，选择的发送天线将信息传递给目的节点D；

步骤S6：目的节点D解码信息。

下面给出本发明实施例系统的安全性能。

系统的安全中断概率SOP下界为：

当发送天线选择标准为b₁时，系统的安全中断概率SOP的下界为

其中

τ_E＝m_EN_E，

φ₁＝υ_RΘ+λ_E，

K₁＝[Δ(r,1),Δ(2,1-t-τ_E)],

m_E是Nakagami-m链路的参数，

则是S-E链路的平均信噪比；

当发送天线选择标准为b₂时，系统的安全中断概率SOP的下界为

其中

代表非负整数集，

φ₃＝Θλ_R+υ_E，K₃＝[Δ(r,1),Δ(2,1-i-q-τ_E)]，

(三)本发明的有益效果

本发明的有益效果主要是：考虑非完美信道状态信息下，混合射频-激光通信系统的物理层安全性能，考虑自适应的发送天线选择策略，分析了非完美信道状态信息下的Málaga链路的分布规律，在源节点、中继节点和窃听节点采用多天线，在源节点采用自适应的发送天线选择方案，有效的避免了传统多输入多输出系统成本高和硬件设施复杂的缺点，为以后的混合信道的物理层安全性能研究提供理论依据。

本发明的有益效果具体来自以下三个方面：

(1)采用混合射频-激光通信系统。射频频谱资源稀缺且传输信道本身所具有的广播特性，使得增加射频链路时容易产生干扰及安全问题，这些都可能使系统性能严重下降。自由空间光通信以激光为传输媒介，具有很高的安全系数和方向性，能量集中，不受频率和相邻频段带来的干扰，但是受环境因素影响显著，且不适合长远距离通信。为互补两种通信，混合射频-激光通信被提出。它不仅可以节约资源，避免不必要的设备移动，而且也可以利用激光通信的优越性能，提高宽带利用率。

(2)采用多天线技术。采用多天线技术，可以获得功率增益、阵列增益、空间分集增益、干扰抑制增益以及空间复用增益，从而改善接收信号质量以及数据吞吐量和传输速率，抑制干扰信号等。

(3)采用发送天线选择策略。发送天线选择策略可以在有效降低系统的复杂度的同时，改善系统安全性能，有效的避免了传统多输入多输出系统成本高和硬件设施复杂的缺点。此外，根据发射节点S是否已知窃听链路的信道状态信息，本发明考虑了自适应的发送天线选择策略，选择使系统安全性能更加优越的发送天线。

附图说明

附图1：一般混合射频-激光通信系统的模型。图中S为源节点，R为中继，D为目的节点。源节点S到中继节点R之间为射频链路，中继节点R到目的节点D之间为激光通信链路，该链路受到指向误差和大气湍流的影响。

附图2：Wyner窃听信道模型。该窃听模型是对Shannon模型的改进，在该模型中Wyner 指出当主信道的信道状况优于窃听信道的信道状况时，信源和合法接收端进行信息传输时，一定存在一种编码方式，可使传递信息错误的概率达到任意小，此时窃听端无法获知任何有用信息，系统达到绝对安全。并从信息论的角度，利用信源熵定义了物理层安全。

附图3：多天线混合射频-激光通信系统模型。本发明考虑在射频链路采用多输入多输出的混合系统。其中，发射节点S通过中继节点R发送信息给目的节点D，同时窃听节点E窃听信息。S、R和E分别配备N_i(i∈{S,R,E})根天线，目的节点配备单天线。

附图4：多天线混合射频-激光通信系统天线选择流程图。主要分为三个阶段：第一个阶段是系统的准备阶段，获得所需的信道状态信息CSI；第二个阶段，根据能否获得窃听端的信道状态信息以及平均信噪比

和

三者之间的大小，进行b₁和b₂两种不同标准下的天线选择；第三个阶段，在中继节点R的协作下，选择的发送天线将信息传递给目的节点D。

附图5：说明书摘要附图。本发明提出的发送天线选择策略根据源节点S是否已知窃听链路S-E的信道状态信息、主链路和窃听链路平均信噪比的权重关系，自适应地选择发送天线。

具体实施方式

(一)系统预设

本发明实施例所述混合射频-激光通信系统共包含4个部分，分别是发射节点S，中继节点 R，目的节点D与窃听节点E。发射节点S通过中继节点R发送信息给目的节点D，同时窃听节点E窃听信息。假设S、R和E分别配备N_i(i∈{S,R,E})根天线，在发射节点S处使用多种发送天线选择策略来充分提升多输入多输出系统的性能。中继节点R与窃听节点E均采取最大比合并来提高接收信噪比。所有链路均考虑非完美信道状态信息，假设射频信道服从 Nakagami-m衰落，激光信道服从Málaga衰落。

(二)实施流程

本发明的具体实施流程如附图4所示。本发明实施流程共分为以下五个步骤：

步骤S1：系统初始化。源节点先向下行混合射频-激光通信系统广播训练序列。通过信道估计算法，得到射频链路S_i-R_j的信道增益

窃听链路的信道状态信息能否得到要根据实际情况，若可以得到该信道状态信息，则令窃听链路S_i-E_j,j∈{1:N_E}的信道增益为

如果源节点S可以获得窃听链路S-E的信道状态信息，则转向步骤 S3；