CN111181610B - 结合信宿迫零加扰的非可信中继全双工传输方法和系统 - Google Patents

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Abstract

结合信宿迫零加扰的非可信中继全双工传输方法和系统，信源A发送保密信号x至全双工中继R，信宿B同时发送人工噪声干扰信号v至全双工中继R；全双工中继R接收到yR，并采用放大转发协议转发信号xR＝βyR至信宿B，β为放大转发因子；信宿B采用最大比接收策略设计接收向量r＝gB，接收信号为yB＝rH(gBxR+nB)，nB为信宿B的NBr×1维加性白高斯噪声向量，NBr为接收天线数量。本发明提升了传输效率且有效地降低了窃听节点对保密信号的接收效果。

Description

结合信宿迫零加扰的非可信中继全双工传输方法和系统
技术领域
本发明涉及通信系统领域，特别是指一种结合信宿迫零加扰的非可信中继全双工传输方法和系统。
背景技术
在非可信中继通信系统中，中继在辅助信源传输信息的同时，也窃听信息，为降低中继的窃听速率，通常会采用信宿加扰的方法，即在信源发送保密信息时，信宿发送干扰信号，然后在第二时隙中继采用放大转发协议转发接收的信息，信宿在收到信息后将自身发送的干扰信号消除掉，因此干扰信号不会降低接收信干噪比。
然而，现有方案采用的是半双工模式，需要在两个时隙内完成传输过程，影响了系统安全速率的提升。此外，还有方案采用多天线技术增强传输性能，多天线技术也分为两种：1)波束赋形技术，以最优化系统速率为目标设计最优波束形成向量或矩阵，但该方案的信号处理复杂度较大，且增加了信道状态信息获取的难度；2)天线选择技术，通过某种天线选择准则，选择发送或接收天线中的一根或多根天线，优化系统性能，该方案的实现复杂度较低，但相比于未加扰方案而言性能提升不显著。
另外，也有方案采用一个或多个外部友好加扰节点，通过发送友好干扰信号降低非可信中继的窃听效果，该友好干扰信号对合法节点是事先已知的，所以可以从接收信号中消除，但该方案依赖外部节点的协助，需要节点间交换的信息量较大，缺乏灵活性和自主性。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种结合信宿迫零加扰的非可信中继全双工传输方法和系统，显著提升系统的安全传输性能。
本发明采用如下技术方案：
一种结合信宿迫零加扰的非可信中继全双工传输方法，其特征在于，信源A发送保密信号x至全双工中继R，信宿B同时发送人工噪声干扰信号v至全双工中继R；全双工中继R接收到yR，并采用放大转发协议转发信号xR＝βyR至信宿B，β为放大转发因子；信宿B采用最大比接收策略设计接收向量r＝gB，接收信号为yB＝rH(gBxR+nB)，nB为信宿B的NBr×1维加性白高斯噪声向量，NBr为接收天线数量,gB为全双工中继R至信宿B的NBr×1维信道向量。
优选的，所述全双工中继R接收信号yR表示为：
Figure BDA0002308644860000021
其中：PA为信源A的发送功率，PB为信宿B的发送功率，nR为中继端的加性白高斯噪声，hA为信源A至全双工中继R的NA×1维信道向量，hB为信宿B至全双工中继R的NBt×1维信道向量，(·)H为共轭转置标号，t为信源A的发送波束形成向量，W为信宿B的发送预编码矩阵。
优选的，所述人工噪声干扰信号
Figure BDA0002308644860000022
其中每个元素为单位方差复高斯随机变量。
优选的，所述放大转发因子
Figure BDA0002308644860000023
其中PR为全双工中继R的发送功率。
优选的，所述信宿B已知人工噪声干扰信号v，则接收信号yB表示为：
Figure BDA0002308644860000024
一种结合信宿迫零加扰的非可信中继全双工传输系统，其特征在于：包括信源A，配置多根天线,发送保密信号x至全双工中继R；
全双工中继R，配置一根发射天线和接收天线，接收到yR，并采用放大转发协议转发信号xR＝βyR至信宿B；
信宿B,配置多根天线，发送人工噪声干扰信号v至全双工中继R，及采用最大比接收策略设计接收向量r＝gB，接收信号为yB＝rH(gBxR+nB)，nB为信宿B的NBr×1维加性白高斯噪声向量，NBr为接收天线数量。
优选的，所述信宿将B将发射天线用于发送信号，接收天线用于接收信号，发送时采用迫零加扰传输方案。
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明方法在中继和信宿节点都采用了全双工传输方案，提升了传输效率；通过向窃听节点发送人工噪声干扰，有效地降低了窃听节点对保密信号的接收效果。
2、本发明方法中，信宿采用迫零加扰预编码发送方案，在降低窃听速率的同时，也消除了自干扰的不利影响，同时采用最大比接收方案用以最大化有用信号的接收信噪比。
3、本发明与现有采用最优波束形成的方案相比，具有复杂度低的优势，最优波束形成方案需要利用凸优化工具采用迭代算法计算出发送波束形成向量或矩阵，而本方案仅需要设计线性预编码矩阵，且无需获知窃听节点的CSI。
4、本发明与现有的单纯的人工噪声预编码方案相比，在信宿端设计了能消除全双工多天线自干扰的迫零预编码矩阵，在发送干扰的同时能接收有用信号，从而提升了安全速率。
5、本发明方法能显著提升系统的安全传输性能。
附图说明
图1为本发明的系统模型图；
图2为不同传输方案下系统安全速率随发送信噪比的变化关系。
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。
参见图1，一种结合信宿迫零加扰的非可信中继全双工传输系统，包括信源A、全双工中继R和信宿B三节点的安全无线通信系统。信源A需借助非可信中继即全双工中继R的帮助传输信息至信宿B，中继R既是信息传输的辅助者，同时也是信息的窃听者E。
信源A和信宿B均配置多根天线，全双工中继R配置1根发送天线和1根接收天线，B配置NBt根发送天线和NBr根接收天线，且满足NBt＞NBr。为了提升传输效率，全双工中继R和信宿B均工作在全双工模式，所以整个传输过程在一个传输时隙内完成。
为干扰中继的正常接收，信宿将一部分天线用于发送信号，另一部分天线用于接收信号，发送时采用迫零加扰传输方案，即将发送的干扰信号映射到信宿自干扰信道的零空间上，使得信宿发送的干扰信号既能有效地干扰中继接收，也能消除干扰信号对信宿本身的不良影响。
中继在接收信号的同时也在转发信号。信宿接收时采用最大比合并技术。本方案将全双工技术与迫零加扰传输方案相结合，有效地降低了非可信中继对有用信号的窃听效果，且实现复杂度不高，相比于传统方案能获得较大的安全性能的提升。
本发明还提出一种结合信宿迫零加扰的非可信中继全双工传输方法，假设中继的发送天线和接收天线间的自干扰已消除。信源A发送保密信号x至全双工中继R，为了抑制全双工中继R窃听保密信息，信宿B同时发送人工噪声干扰信号v至全双工中继R。于是全双工中继R的接收信号可表示为：
Figure BDA0002308644860000051
其中，PA为A的发送功率，PB为B的发送功率，nR为中继端的加性白高斯噪声，hA为A至R的NA×1维信道向量，hB为B至R的NBt×1维信道向量，(·)H为共轭转置标号，t为A的发送波束形成向量。
为了增大有用信号的传输功率，t设计为如下形式：t＝hA，A可通过信道状态信息(CSI)反馈获知hA的信息。人工噪声干扰信号
Figure BDA0002308644860000052
其中每个元素为单位方差复高斯随机变量。W为B的发送预编码矩阵，设计为
Figure BDA0002308644860000053
的零空间的正交基，即：W＝null(HBB)，其中HBB为B的发送天线至接收天线的自干扰信道，为NBr×NBt的矩阵，这样设计的目的是使得干扰信号v不会对B的接收信号造成干扰。
全双工中继R在接收到yR后采用放大转发协议转发接收到的信号，放大转发因子β为：
Figure BDA0002308644860000054
其中PR为R的发送功率。于是中继R的发送信号为：xR＝βyR。为了最大化接收信噪比，B采用最大比接收策略设计接收向量r，即：r＝gB，则B的接收信号为：
Figure BDA0002308644860000055
其中，nB为B的NBr×1维加性白高斯噪声向量，gB为全双工中继R至信宿B的NBr×1维信道向量。由于B已知自己发送的人工噪声干扰信号v，于是B可以在接收信号中消除干扰项
Figure BDA0002308644860000061
则式(2)可简化为以下形式：
Figure BDA0002308644860000062
基于(3)，可得到B的接收信噪比表达式为：
Figure BDA0002308644860000063
基于(1)，可得R的接收信噪比表达式为：
Figure BDA0002308644860000064
综合式(4)和(5)，可得系统的安全速率为：
CS＝log2(1+γB)-log2(1+γR)。
如图2所示为三种传输方案的系统安全速率随发送信噪比的变化对比图。两种对比方案分别为传统的“无自干扰消除的方案”和“两时隙传输方案”。所谓无自干扰消除的方案是指，目的端在发送干扰信号时不采用迫零方案消除自干扰；两时隙传输方案是指，整个传输过程在两个时隙内完成，即中继和目的端均工作在半双工模式，第一时隙，信源发送有用信号，同时目的端发送人工干扰噪声，第二时隙，中继转发信号。其中，假设各信道均服从瑞利衰落分布，信源和信宿的天线数分别为NA＝NB＝6，中继的发送和接收天线数分别为：NRt＝4，NRr＝2。横坐标发送信噪比即发送功率，PA＝PB＝PR。由图2可知本发明所提出的目的端迫零加扰方案与两种传统方案相比，可有效提升系统安全速率性能。
本发明中的中继和信宿均工作在全双工模式，为增强有用信息的发送信噪比，信源采用最大比发送方案发送有用信号。由于采用全双工技术，上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (4)

1.一种结合信宿迫零加扰的非可信中继全双工传输方法，其特征在于，信宿B工作在全双工模式且发送时采用迫零加扰传输方案，信源A发送保密信号x至全双工中继R，信宿B同时发送人工噪声干扰信号v至全双工中继R；全双工中继R接收到yR，并采用放大转发协议转发信号xR＝βyR至信宿B，β为放大转发因子；所述全双工中继R接收信号yR表示为：
Figure FDA0003236885220000011
其中：PA为信源A的发送功率，PB为信宿B的发送功率，nR为中继端的加性白高斯噪声，hA为信源A至全双工中继R的NA×1维信道向量，hB为信宿B至全双工中继R的NBt×1维信道向量，NBt为发射天线数量，
Figure FDA0003236885220000012
为共轭转置标号，t为信源A的发送波束形成向量，W为信宿B的发送预编码矩阵；
所述放大转发因子
Figure FDA0003236885220000013
其中PR为全双工中继R的发送功率；
信宿B采用最大比接收策略设计接收向量r＝gB，接收信号为yB＝rH(gBxR+nB)，nB为信宿B的NBr×1维加性白高斯噪声向量，NBr为接收天线数量,gB为全双工中继R至信宿B的NBr×1维信道向量；所述信宿B已知人工噪声干扰信号v，则接收信号yB表示为：
Figure FDA0003236885220000014
2.如权利要求1所述的一种结合信宿迫零加扰的非可信中继全双工传输方法，其特征在于：所述人工噪声干扰信号
Figure FDA0003236885220000015
其中每个元素为单位方差复高斯随机变量。
3.一种结合信宿迫零加扰的非可信中继全双工传输系统，其特征在于：包括
信源A，配置多根天线,发送保密信号x至全双工中继R；
全双工中继R，配置一根发射天线和接收天线，接收到yR，并采用放大转发协议转发信号xR＝βyR至信宿B，所述全双工中继R接收信号yR表示为：
Figure FDA0003236885220000021
其中：PA为信源A的发送功率，PB为信宿B的发送功率，nR为中继端的加性白高斯噪声，hA为信源A至全双工中继R的NA×1维信道向量，hB为信宿B至全双工中继R的NBt×1维信道向量，NBt为发射天线数量，
Figure FDA0003236885220000022
为共轭转置标号，t为信源A的发送波束形成向量，W为信宿B的发送预编码矩阵；所述放大转发因子
Figure FDA0003236885220000023
其中PR为全双工中继R的发送功率；
信宿B,配置多根天线，工作在全双工模式且发送时采用迫零加扰传输方案，其发送人工噪声干扰信号v至全双工中继R，及采用最大比接收策略设计接收向量r＝gB，接收信号为yB＝rH(gBxR+nB)，nB为信宿B的NBr×1维加性白高斯噪声向量，NBr为接收天线数量；所述信宿B已知人工噪声干扰信号v，则接收信号yB表示为：
Figure FDA0003236885220000024
4.如权利要求3所述的一种结合信宿迫零加扰的非可信中继全双工传输系统，其特征在于：所述信宿将B将发射天线用于发送信号，接收天线用于接收信号，发送时采用迫零加扰传输方案。
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