CN111148203B - 异构网络中人工噪声辅助的抗主动窃听者的鲁棒安全传输方法 - Google Patents

异构网络中人工噪声辅助的抗主动窃听者的鲁棒安全传输方法 Download PDF

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CN111148203B CN201911325150.9A CN201911325150A CN111148203B CN 111148203 B CN111148203 B CN 111148203B CN 201911325150 A CN201911325150 A CN 201911325150A CN 111148203 B CN111148203 B CN 111148203B
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Abstract

本发明属于通信技术领域，公开一种异构网络中人工噪声辅助的抗主动窃听者的鲁棒安全传输方法，包括：网络中的MU、FU发送上行导频训练序列；MBS、FBS分别对其与所有合法用户的信道进行估计；MBS在获知与所有合法用户的CSI后，分别对下行需要发送的信号和人工噪声进行预编码，并确定最优的发送功率分配；FBS在获知与所有合法用户的CSI后，对下行发送信号进行预编码，并确定最优的发送功率分配。本发明基于对网络中Eve进行主动窃听且装备多天线的情形，利用波束成形及人工噪声提升系统安全性与鲁棒性，具有很强的适应性和实用性。

Description

异构网络中人工噪声辅助的抗主动窃听者的鲁棒安全传输 方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种异构网络中人工噪声辅助的抗主动窃听者的鲁棒安全传输方法。
背景技术
随着无线设备数量的增加及对数据流量需求的不断提高，促使5G通信网络向异构化方向不断演进。异构网络通过在宏基站覆盖范围内密集部署小基站，为网络容量及频谱利用率的提升带来益处。然而，与传统单层网络相比，异构网络的架构更加开放，包含的节点类型更加多样，使窃听者更容易混入到网络中对信息进行窃听。作为对传统高层加密手段的补充，无线物理层安全传输技术近年来越来越受到业界的广泛关注。物理层安全传输技术通过利用无线信道特征的显著差异设计与位置强关联的信号传输和处理机制，生成私密的传输管道，从而达到无线通信“物理隔离”的效果(T.Zheng,H.Wang,and J.Yan.:‘Secure and energy-efficient transmissions in cache-enabled heterogeneouscellular networks:Performance analysis and optimization’,IEEE Transactions onCommunications,2018,66,(11),pp.5554-5567.)。波束成形与人工干扰噪声是常见的两类提升物理层安全传输性能的技术，利用其可以分别提升合法接收者性能及降低窃听者接收性能，从而保证系统安全性(T.Zhao,G.Li,and G.Lv.:‘Secure communications withuntrusted relays:a multi-pair two way relaying approach’,IET Communications,2018,12,(20),pp.2552-2560.)。
然而，需要注意的是，无论是波束成形还是人工噪声方法均需要发送端事先获取合法收发端通信之间的信道状态信息(Channel state information,CSI)，即发送方根据接收到的接收方发送的导频信号进行信道估计。当窃听者采取主动窃听方式时，其可以在获取网络中传输的导频信号后，在合法接收方发送导频信号的同时发送导频信号，干扰合法收发端之间的信道估计过程；同时，窃听者也可在发送方的下行发送信号过程中发送干扰信号从而恶化合法接收方的接收性能，从而影响了信息的安全传输。因此，考虑异构网络的特点，提出一种可以抗主动窃听者的鲁棒安全传输方法，具有十分重要的意义。
发明内容
为了解决异构网络中窃听者进行主动窃听时的信息安全传输问题，本发明提出一种异构网络中人工噪声辅助的抗主动窃听者的鲁棒安全传输方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种异构网络中人工噪声辅助的抗主动窃听者的鲁棒安全传输方法，包括：
网络中的宏基站用户和微基站用户发送上行导频训练序列；
网络中的宏基站根据接收的宏基站用户和微基站用户发送的上行导频训练序列对宏基站与所有宏基站用户和微基站用户的信道进行估计，得到第一信道状态信息；
网络中的微基站根据接收的微基站用户发送的上行导频训练序列对微基站与所有微基站用户的信道进行估计，得到第二信道状态信息；
宏基站在获知第一信道状态信息后，分别对下行发送信号和人工噪声进行预编码，得到第一下行预编码矩阵及人工噪声预编码矩阵，并确定最优的宏基站发送功率分配；
微基站在获知与所有微基站用户的信道状态信息后，对需发送的下行信号进行预编码，得到第二下行预编码矩阵，并确定最优的微基站发送功率分配；
宏基站利用第一下行预编码矩阵及宏基站发送功率发送下行信号；
微基站利用第一下行预编码矩阵及微基站发送功率发送下行信号。
进一步地，所述上行导频训练序列为公开序列。
进一步地，利用线性最小均方误差算法对信道进行估计，得到估计的宏基站与宏基站用户的上行信道信息
Figure BDA0002328194550000021
宏基站与微基站用户的上行信道信息
Figure BDA0002328194550000022
进一步地，利用线性最小均方误差算法对信道进行估计，得到估计的微基站与微基站用户的上行信道信息
Figure BDA0002328194550000023
进一步地，所述宏基站在获知第一信道状态信息后，分别对下行发送信号和人工噪声进行预编码，得到第一下行预编码矩阵及人工噪声预编码矩阵，并确定最优的宏基站发送功率分配包括：
步骤a1，宏基站根据
Figure BDA0002328194550000031
通过下式获得互易的下行信道信息
Figure BDA0002328194550000032
Figure BDA0002328194550000033
其中
Figure BDA0002328194550000034
为估计的宏基站与宏基站用户的下行信道信息；
Figure BDA0002328194550000035
为估计的宏基站与微基站用户的下行信道信息；
步骤a2，宏基站根据获得的下行信道信息分别得出第一下行预编码矩阵WM和人工噪声预编码矩阵W'M：
将
Figure BDA0002328194550000036
进行合并，获得新的信道矩阵
Figure BDA0002328194550000037
对新的信道矩阵进行奇异值分解，令新的信道矩阵的右奇异向量组为WM、令新的信道矩阵的零空间向量组为W'M；
步骤a3，宏基站根据WM、W'M确定最优的下行信号发送功率Psig、人工噪声信号发送功率PAN：
宏基站根据对应的总发送功率PM及下行信号发送功率分配的均匀采样点数目M根据下式确定采样间隔
Figure BDA0002328194550000039
Figure BDA0002328194550000038
宏基站根据对应的总发送天线数目NM分别确定用于发送下行信号、人工噪声信号的天线数目d、NM-d；
宏基站遍历求出每个均匀采样点对应的系统安全速率值，并进行对比取其中最大值对应的Psig值为最优的宏基站下行信号发送功率；
宏基站根据PM及最优的下行信号发送功率按照下式确定最优的人工噪声信号发送功率PAN：
PAN＝PM-Psig。
进一步地，所述微基站在获知与所有微基站用户的信道状态信息后，对需发送的下行信号进行预编码，得到第二下行预编码矩阵，并确定最优的微基站发送功率分配包括：
步骤b1，微基站根据
Figure BDA0002328194550000041
通过下式获得互易的下行信道信息
Figure BDA0002328194550000042
Figure BDA0002328194550000043
其中
Figure BDA0002328194550000044
为估计的微基站与微基站用户的下行信道信息；
步骤b2，微基站对
Figure BDA0002328194550000045
进行奇异值分解，令
Figure BDA0002328194550000046
的右奇异向量组为第二预编码矩阵WF；
步骤b3，微基站用对应的总发送功率PF发送下行信号。
进一步地，所述宏基站利用第一下行预编码矩阵及宏基站发送功率发送信号包括：
步骤c1，宏基站选择发送天线数目；
步骤c2，宏基站利用第一下行预编码矩阵对需发送的下行信号进行预编码，通过最优的宏基站下行信号发送功率发送下行信号。
进一步地，所述微基站利用第一下行预编码矩阵及微基站发送功率发送信号包括：
步骤d1，微基站选择发送天线数目；
步骤d2，微基站利用第二下行预编码矩阵对需发送的下行信号进行预编码，通过最优的微基站下行信号发送功率发送下行信号。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
1、本发明基于人工噪声技术干扰窃听者提升系统安全性与可靠性；
2、本发明基于网络中窃听者进行主动窃听的情形，提出一种可以抗主动窃听者的鲁棒安全传输方法，具有抵抗主动窃听的鲁棒性；
3、本发明基于对窃听者装备多天线的假设，具有很强的适应性和实用性。
附图说明
图1为本发明实施例一种异构网络中人工噪声辅助的抗主动窃听者的鲁棒安全传输方法的基本流程图；
图2为本发明实施例一种异构网络中人工噪声辅助的抗主动窃听者的鲁棒安全传输方法在实际通信场景中的应用示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的解释说明：
图1、图2分别示出了本实施例提供的一种异构网络中人工噪声辅助的抗主动窃听者的鲁棒安全传输方法的流程图，及本实施例提供的一种异构网络中人工噪声辅助的抗主动窃听者的鲁棒安全传输方法在实际通信场景中的应用示意图。如图2所示，图中给出的是一个两层MIMO异构网络物理层安全模型。首先，网络中的宏基站用户(Macrocell user,MU)和微基站用户(Femtocell user,FU)发送上行导频训练序列给基站侧进行上行信道估计，而后基站根据估计的信道分别向其传输下行信息。同时，网络中存在一个窃听者(Eavesdropper,Eve)试图窃听MU的下行信息。为提升其窃听性能，Eve在MU发送上行导频训练序列的同时也发送上行导频干扰信号，从而降低其信道估计的准确性，导致MBS在发送下行信号时泄露更多的私密信息。本发明在Eve进行主动窃听情形下，将波束成形与人工噪声技术结合，从而保障通信的安全性和可靠性。
如图1所示，一种异构网络中人工噪声辅助的抗主动窃听者的鲁棒安全传输方法，包括：
步骤S101：网络中的宏基站用户(Macrocell user,MU)和微基站用户(Femtocelluser,FU)发送上行导频训练序列；
步骤S102：网络中的宏基站(Macro base station,MBS)根据接收的宏基站用户和微基站用户发送的上行导频训练序列对宏基站与所有宏基站用户和微基站用户的信道进行估计，得到第一信道状态信息；
网络中的微基站(Femto base station,FBS)根据接收的微基站用户发送的上行导频训练序列对微基站与所有微基站用户的信道进行估计，得到第二信道状态信息；
步骤S103：宏基站在获知第一信道状态信息后，分别对下行发送信号和人工噪声(AN)进行预编码，得到第一下行预编码矩阵及人工噪声预编码矩阵，并确定最优的宏基站发送功率分配；
微基站在获知与所有微基站用户的信道状态信息后，对需发送的下行信号进行预编码，得到第二下行预编码矩阵，并确定最优的微基站发送功率分配；
步骤S104：宏基站利用第一下行预编码矩阵及宏基站发送功率发送下行信号；
微基站利用第一下行预编码矩阵及微基站发送功率发送下行信号。
具体地，所述上行导频训练序列为公开序列，如802.11a中的4种导频信号的一种。
具体地，MBS可以获知MU、FU的上行发送功率和接收信号的总功率，利用线性最小均方误差(Minimum mean square error,MMSE)算法对信道进行估计，得到估计的宏基站与宏基站用户的上行信道信息
Figure BDA0002328194550000061
宏基站与微基站用户的上行信道信息
Figure BDA0002328194550000062
具体地，FBS可以获知FU的上行发送功率和接收信号的总功率，利用线性最小均方误差算法对信道进行估计，得到估计的微基站与微基站用户的上行信道信息
Figure BDA0002328194550000063
具体地，所述宏基站在获知第一信道状态信息后，分别对下行发送信号和人工噪声进行预编码，得到第一下行预编码矩阵及人工噪声预编码矩阵，并确定最优的宏基站发送功率分配包括：
步骤S103a.1，宏基站根据
Figure BDA0002328194550000064
通过下式获得互易的下行信道信息
Figure BDA0002328194550000065
Figure BDA0002328194550000066
其中
Figure BDA0002328194550000067
为估计的宏基站与宏基站用户的下行信道信息；
Figure BDA0002328194550000068
为估计的宏基站与微基站用户的下行信道信息；
步骤S103a.2，宏基站根据获得的下行信道信息分别得出第一下行预编码矩阵WM和人工噪声预编码矩阵W'M：
将
Figure BDA0002328194550000071
进行合并，获得新的信道矩阵
Figure BDA0002328194550000072
对新的信道矩阵进行奇异值分解，令新的信道矩阵的右奇异向量组为WM、令新的信道矩阵的零空间向量组为W'M；
步骤S103a.3，宏基站根据WM、W'M确定最优的下行信号发送功率Psig、人工噪声信号发送功率PAN：
宏基站根据对应的总发送功率PM及下行信号发送功率分配的均匀采样点数目M根据下式确定采样间隔
Figure BDA0002328194550000073
Figure BDA0002328194550000074
宏基站根据对应的总发送天线数目NM分别确定用于发送下行信号、人工噪声信号的天线数目d、NM-d；
宏基站遍历求出每个均匀采样点对应的系统安全速率值，并进行对比取其中最大值对应的Psig值为最优的宏基站下行信号发送功率；具体地，通过以下公式计算系统安全速率值RS：
Figure BDA0002328194550000075
其中，
Figure BDA0002328194550000076
表示一个NM×NM维的单位矩阵；βMMU、βME分别为MBS至MU、Eve的大尺度衰落；HMMU、HME分别为MBS至MU、Eve的下行信道信息；TM、TE分别为
Figure BDA0002328194550000077
HME的子空间向量组；
Figure BDA0002328194550000078
为相应的基变换矩阵
Figure BDA0002328194550000079
的上分块矩阵，CE为HME相应的基变换矩阵；系统安全速率值RS中的KM和KE分别表示为：
Figure BDA0002328194550000081
Figure BDA0002328194550000082
其中，
Figure BDA0002328194550000083
为相应的基变换矩阵
Figure BDA0002328194550000084
的下分块矩阵，PF为FBS下行信号发送功率，βFMU为FBS至MU的大尺度衰落，HFMU为FBS至MU的下行信道信息(小尺度衰落)，TF为HFFU的子空间向量组，
Figure BDA0002328194550000085
为相应的基变换矩阵
Figure BDA0002328194550000086
的上分块矩阵，
Figure BDA0002328194550000087
为MU处的热噪声功率。
宏基站根据PM及最优的下行信号发送功率按照下式确定最优的人工噪声信号发送功率PAN：
PAN＝PM-Psig。
具体地，所述微基站在获知与所有微基站用户的信道状态信息后，对需发送的下行信号进行预编码，得到第二下行预编码矩阵，并确定最优的微基站发送功率分配包括：
步骤S103b.1，微基站根据
Figure BDA0002328194550000088
通过下式获得互易的下行信道信息
Figure BDA0002328194550000089
Figure BDA00023281945500000810
其中
Figure BDA00023281945500000811
为估计的微基站与微基站用户的下行信道信息；
步骤S103b.2，微基站对
Figure BDA00023281945500000812
进行奇异值分解，令
Figure BDA00023281945500000813
的右奇异向量组为第二预编码矩阵WF；
步骤S103b.3，微基站用对应的总发送功率PF发送下行信号。
具体地，所述宏基站利用第一下行预编码矩阵及宏基站发送功率发送信号包括：
步骤S104c.1，宏基站选择发送天线数目；
步骤S104c.2，宏基站利用第一下行预编码矩阵对需发送的下行信号进行预编码，通过最优的宏基站下行信号发送功率发送下行信号。
具体地，所述微基站利用第一下行预编码矩阵及微基站发送功率发送信号包括：
步骤S104d.1，微基站选择发送天线数目；
步骤S104d.2，微基站利用第二下行预编码矩阵对需发送的下行信号进行预编码，通过最优的微基站下行信号发送功率发送下行信号。
本发明基于人工噪声技术干扰窃听者提升系统安全性与可靠性；基于网络中窃听者进行主动窃听的情形，提出一种可以抗主动窃听者的鲁棒安全传输方法，具有抵抗主动窃听的鲁棒性；且基于对窃听者装备多天线的假设，具有很强的适应性和实用性。
以上所示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为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种异构网络中人工噪声辅助的抗主动窃听者的鲁棒安全传输方法，其特征在于，包括：
网络中的宏基站用户和微基站用户发送上行导频训练序列；
网络中的宏基站根据接收的宏基站用户和微基站用户发送的上行导频训练序列对宏基站与所有宏基站用户和微基站用户的信道进行估计，得到第一信道状态信息；包括：利用线性最小均方误差算法对信道进行估计，得到估计的宏基站与宏基站用户的上行信道信息
Figure FDA0003956989540000011
宏基站与微基站用户的上行信道信息
Figure FDA0003956989540000012
网络中的微基站根据接收的微基站用户发送的上行导频训练序列对微基站与所有微基站用户的信道进行估计，得到第二信道状态信息；包括：利用线性最小均方误差算法对信道进行估计，得到估计的微基站与微基站用户的上行信道信息
Figure FDA0003956989540000013
宏基站在获知第一信道状态信息后，分别对下行发送信号和人工噪声进行预编码，得到第一下行预编码矩阵及人工噪声预编码矩阵，并确定最优的宏基站发送功率分配；
微基站在获知与所有微基站用户的信道状态信息后，对需发送的下行信号进行预编码，得到第二下行预编码矩阵，并确定最优的微基站发送功率分配；
宏基站利用第一下行预编码矩阵及宏基站发送功率发送下行信号；
微基站利用第一下行预编码矩阵及微基站发送功率发送下行信号；
所述宏基站在获知第一信道状态信息后，分别对下行发送信号和人工噪声进行预编码，得到第一下行预编码矩阵及人工噪声预编码矩阵，并确定最优的宏基站发送功率分配包括：
步骤a1，宏基站根据
Figure FDA0003956989540000014
通过下式获得互易的下行信道信息
Figure FDA0003956989540000015
Figure FDA0003956989540000016
其中
Figure FDA0003956989540000017
为估计的宏基站与宏基站用户的下行信道信息；
Figure FDA0003956989540000018
为估计的宏基站与微基站用户的下行信道信息；
步骤a2，宏基站根据获得的下行信道信息分别得出第一下行预编码矩阵WM和人工噪声预编码矩阵W′M：
将
Figure FDA0003956989540000021
进行合并，获得新的信道矩阵
Figure FDA0003956989540000022
对新的信道矩阵进行奇异值分解，令新的信道矩阵的右奇异向量组为WM、令新的信道矩阵的零空间向量组为W′M；
步骤a3，宏基站根据WM、W′M确定最优的下行信号发送功率Psig、人工噪声信号发送功率PAN：
宏基站根据对应的总发送功率PM及下行信号发送功率分配的均匀采样点数目M根据下式确定采样间隔
Figure FDA0003956989540000023
Figure FDA0003956989540000024
宏基站根据对应的总发送天线数目NM分别确定用于发送下行信号、人工噪声信号的天线数目d、NM-d；
宏基站遍历求出每个均匀采样点对应的系统安全速率值，并进行对比取其中最大值对应的Psig值为最优的宏基站下行信号发送功率；
宏基站根据PM及最优的下行信号发送功率按照下式确定最优的人工噪声信号发送功率PAN：
PAN＝PM-Psig；
所述微基站在获知与所有微基站用户的信道状态信息后，对需发送的下行信号进行预编码，得到第二下行预编码矩阵，并确定最优的微基站发送功率分配包括：
步骤b1，微基站根据
Figure FDA0003956989540000025
通过下式获得互易的下行信道信息
Figure FDA0003956989540000026
Figure FDA0003956989540000027
其中
Figure FDA0003956989540000031
为估计的微基站与微基站用户的下行信道信息；
步骤b2，微基站对
Figure FDA0003956989540000032
进行奇异值分解，令
Figure FDA0003956989540000033
的右奇异向量组为第二预编码矩阵WF；
步骤b3，微基站用对应的总发送功率PF发送下行信号。
2.根据权利要求1所述的异构网络中人工噪声辅助的抗主动窃听者的鲁棒安全传输方法，其特征在于，所述上行导频训练序列为公开序列。
3.根据权利要求1所述的异构网络中人工噪声辅助的抗主动窃听者的鲁棒安全传输方法，其特征在于，所述宏基站利用第一下行预编码矩阵及宏基站发送功率发送信号包括：
步骤c1，宏基站选择发送天线数目；
步骤c2，宏基站利用第一下行预编码矩阵对需发送的下行信号进行预编码，通过最优的宏基站下行信号发送功率发送下行信号。
4.根据权利要求1所述的异构网络中人工噪声辅助的抗主动窃听者的鲁棒安全传输方法，其特征在于，所述微基站利用第一下行预编码矩阵及微基站发送功率发送信号包括：
步骤d1，微基站选择发送天线数目；
步骤d2，微基站利用第二下行预编码矩阵对需发送的下行信号进行预编码，通过最优的微基站下行信号发送功率发送下行信号。
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