CN111245498B

CN111245498B - 一种中继辅助的非正交多址接入协作网络安全通信方法

Info

Publication number: CN111245498B
Application number: CN202010029419.5A
Authority: CN
Inventors: 李冬冬; 赵楠; 邹德岳; 李轩衡
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Hunan Hongchuan Technology Co ltd
Priority date: 2020-01-13
Filing date: 2020-01-13
Publication date: 2021-07-16
Anticipated expiration: 2040-01-13
Also published as: CN111245498A

Abstract

一种中继辅助的非正交多址接入协作网络安全通信方法，属于网络安全领域。该方法以中继R为信息转发节点，将这段通信过程分为两个阶段，第一阶段为两个信源T₁和T₂到中继R的过程，第二阶段为信息从中继R下行传输到目的用户U₁和U₂的过程，在第二阶段引入人工噪声，干扰窃听者的窃听过程，保障信息传输的安全性。两个信源T₁和T₂信源继续发送下一信息，其通信过程仍分为两段进行传输，由中继R转发传输。本发明一方面建立了协作中继构成的NOMA网络的信息传输链路，另一方面利用物理层安全技术引入了人工噪声，提高了通信系统的安全性，降低了安全中断概率，为NOMA网络的安全性能设计提供了重要的技术参考。

Description

一种中继辅助的非正交多址接入协作网络安全通信方法

技术领域

本发明涉及非正交多址接入(NOMA)网络的安全领域，更具体地，涉及一种全双工解码转发中继辅助并有人工噪声协作的NOMA网络的安全通信。

背景技术

在即将商用的第五代(5G)移动通信中，传统的正交多址接入技术不仅受到有限的频谱效率的约束，还面临复杂的正交资源调度带来的限制。为了使系统容纳更多的系统接入量和业务种类，同时也为了满足超低的延时和海量的用户这些关键指标，NOMA便是一种面向5G移动通信网络特点的非正交多址接入技术。这种技术在基站处区分出用户的各个信道的优劣，并基于此对不一样质量的用户给予不一样的发射功率，然后将各个用户信号在相同的时域和频域上进行叠加传输。而在接收端，NOMA是采用连续干扰消除(SIC)技术对各用户信息进行分离，且当多用户接收信号的等效信噪比之间差别越大时，SIC的接收机性能就越好。协作通信也是一种应用在无线通信许多领域的技术，将协作通信与NOMA技术相结合，可以很大程度上提升无线通信网络的性能。一种方法是近距离用户可以作为中继，利用冗余信息对远距离用户的信号进行解码和转发。另一种是使用专用中继辅助来协助建立通信链路，提高传输效率，也是增强合作NOMA网络性能的关键措施。

而信息传输的安全性是通信系统的一个重要问题。由于无线信道里的用户可以在无线信号能够到达的任何地方交流与互动，极大地拓展了通信的空间范围，但在面临恶意攻击时，其空中接口对合法用户和非法用户都是开放可访问的。因此，提高系统的反窃听性能、解决无线信道的安全漏洞，并确保数据的安全传输成为一个关键问题。传统方法是在利用密钥对信息加密，但这种技术是否安全很大程度取决于密钥产生的数学算法的技巧性和复杂性，如果窃听者利用有效的数学方法破解密匙，信息将会被完全暴露。而物理层安全的提出为反窃听技术的研究指引了新方向。物理层安全是指为了提高系统的安全保障，可以利用无线信道本身固有的物理方面的属性，以相对简单的操作降低信息泄露的风险。此外，物理层安全可以用经过恰当的编码和信号处理实现，并不需要消耗很多通信资源，同样也并不需要局限于密钥分享的设施。所以可以从物理层安全的角度，在多天线网络中利用预编码、人工噪声等物理层技术对抗窃听者。本发明中正是利用人工噪声来抑制窃听，提高NOMA网络的安全性能，不仅建立了协作中继构成的NOMA网络的信息传输链路，还利用物理层安全技术引入了人工噪声，大大提高了通信系统的安全性，降低了安全中断概率，为NOMA网络的安全性能设计提供了重要的技术参考。

发明内容

本发明提供了一种中继辅助的NOMA网络中安全通信方法。在双信原双信宿的NOMA通信网络中，一方面建立了中继构成的NOMA网络的信息传输链路，其中所述的中继为全双工解码转发多天线中继，另一方面利用物理层安全技术引入了人工噪声，提高了通信系统的安全性，降低了安全中断概率(SOP)，为NOMA网络的安全性能设计提供了重要的技术参考。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种中继辅助的非正交多址接入协作网络安全通信方法，包括以下步骤：

步骤1：以中继R为信息转发节点，将这段通信过程分为两个阶段，每一信息均被分为从信源T₁和T₂广播到中继R，和从中继R转发到目的用户U₁和U₂两个阶段进行传输；所述中继R处理信息的过程中会产生的极小的延时τ。所述的中继R为全双工解码转发多天线中继，共有M根天线。

步骤2：第一阶段为两个信源T₁和T₂到中继R的过程。

中继R以其中一根天线接收信息，根据NOMA的工作原理，中继R采用SIC将两个信源用户T₁和T₂在上行阶段发送的信息s₁(t)和s₂(t)分别解调，第一阶段结束。所述两个信源T₁和T₂的总发射功率为P_s，功率分配系数分别为α₁和α₂。

采用以下方法确定功率分配系数分别为α₁和α₂：以中继R处的解调顺序分配发射功率，根据先被解调用户的发射功率大于后被解调用户的发射功率，此处假定α₁＞α₂。

步骤3：第二阶段为信息从中继R下行传输到目的用户U₁和U₂的过程。

3.1)由于中继R处理信息的过程中能够产生的极小的延时τ，所以中继R采用剩余M-1根天线发送NOMA信息s₁(t-τ)、s₂(t-τ)，并添加人工噪声，总发射功率为P_R，s₁(t-τ)、s₂(t-τ)的功率分配系数分别为α₃和α₄，人工噪声的功率分配系数为α₅，令α₃+α₄+α₅＝1。添加人工噪声的目的是干扰窃听者的窃听过程，保障信息传输的安全性。

采用以下方法确定最佳的功率分配系数α₅：

使除α₅之外的系统相关系数保持不变，让α₅从0至1变化，绘出α₅与系统的SOP之间的关系，发现其为凸函数，有唯一极值点，此极值点处的α₅使系统的SOP达到最小值，即此时α₅为最佳的人工噪声功率分配系数。

3.2)根据中继R与两个目的用户U₁和U₂之间的信道状态分配发射功率，弱信道远用户被分配更大的发射功率。采用多天线预编码的迫零方法，消除中继R处的自干扰，以及中继R所发射的人工噪声对目的用户U₁和U₂的干扰。

所述的多天线预编码方法中的迫零条件如下：

其中，h_RR为中继R处自干扰信道增益；

为中继R到目的用户U₁的信道增益；

为中继R到目的用户U₂的信道增益；ω₁为合法信息s₁(t)的预编码矢量；ω₂为合法信息s₂(t)的预编码矢量；ω_a为人工噪声的预编码矢量。

3.3)在接收端，目的用户U₁和U₂分别采用SIC解调接收信息s₁(t-τ)和s₂(t-τ)。一方面，人工噪声在合法接收端的迫零使目的用户U₁和U₂正常解调，另一方面，会对窃听者产生干扰，保障信息传输的安全性。

步骤4：两个信源T₁和T₂信源继续发送下一信息，其通信过程仍根据步骤1分为第一阶段和第二阶段进行传输，由中继R转发传输。

为了保障网络的安全性能，人工噪声与NOMA信息同时在中继R处产生，经过以上多天线预编码设计，本发明可以实现既不影响合法用户通信，又能够抑制窃听者的窃听。在此基础上，测评出人工噪声最佳功率分配系数α₅，实现SOP的最小化和有效保密吞吐量(EST)最大化。

本发明的有益效果为：NOMA网络中安全协作通信新方法，一方面建立了协作中继构成的NOMA网络的信息传输链路，另一方面利用物理层安全技术引入了人工噪声，提高了通信系统的安全性，降低了安全中断概率，为NOMA网络的安全性能设计提供了重要的技术参考。

附图说明

图1全双工解码转发中继辅助的NOMA无线协作通信网络示意图；其中，1为两个信源用户，2为全双工解码转发中继，3为远近两个目的用户，4为窃听者。

图2本发明中随发射功率P_s的变化，s₁(t)和s₂(t)的安全中断概率的比较；

图3本发明中不同η情况下，s₁(t)的安全中断概率的比较，其中所述系数

图4本发明中不同η情况下，s₂(t)的安全中断概率的比较；

图5本发明中不同功率分配系数的情况下，s₁(t)的安全中断概率收敛值比较。

图6本发明中随着人工噪声功率分配系数α₅的变化，安全中断概率的比较；

图7本发明中随着s₂(t)的安全速率门限r₂的变化，有效保密吞吐量EST的比较。

具体实施方式

在本发明中，提出一种中继辅助的NOMA网络中安全通信方法，具体方案的示意图见图1。在该方法中，建立双信原双信宿的NOMA通信网络，通过中继构成的传输链路进行信息传输。此外，利用物理层安全技术引入了人工噪声，对中继处编解码矩阵进行重新设计消除对合法节点的干扰，提高了通信系统的安全性，降低了系统的SOP，为NOMA网络的安全性能设计提供了重要的技术参考。为了更好的理解上述发明与方案，下面将结合此说明书的附图与具体的实施举例，说明详细的实验结果。

实施例1

一种中继辅助的非正交多址接入协作网络安全通信方法的实施，首先在一个双信原双信宿的NOMA网络中，以中继R为信息转发节点，将信息传输分成从信源T₁和T₂广播到中继R，和从中继R转发到目的用户U₁和U₂两个阶段传输。各信息的保密速率门限为r₁＝r₂＝0.5，假设系统的每个节点之间的信道都受到瑞利衰落的影响。设置两个信息发射端到中继处路径的长度为12m和20m，窃听者距离他们分别为20m和12m，中继处到目的用户U₁、U₂，以及窃听者的距离分别为80m，20m和16m。中继R以其中一根天线接收信息，根据NOMA的工作原理，中继R采用SIC将两个信源用户T₁和T₂在上行阶段发送的信息s₁(t)和s₂(t)先后解调，这个过程中产生了极小的延时τ，第一阶段结束。所述两个信源T₁和T₂的总发射功率为P_s在-30dBmW到10dBmW之间的变化，功率分配系数分别为α₁＝0.9和α₂＝0.1。接下来中继R采用剩余M-1根天线发送NOMA信息s₁(t-τ)、s₂(t-τ)，并添加人工噪声，总发射功率为P_R，令系数

s₁(t-τ)、s₂(t-τ)的功率分配系数分别为α₃＝0.36和α₄＝0.04，远用户U₂被分配更大的发射功率，人工噪声的功率分配系数为α₅＝0.6。并采用多天线预编码的迫零方法，消除中继R处的自干扰，以及中继R所发射的人工噪声对目的用户U₁和U₂的干扰。在接收端，目的用户U₁和U₂分别采用SIC解调接收信息s₁(t-τ)和s₂(t-τ)。

首先对s₁(t)和s₂(t)的安全中断概率随信源用户T₁和T₂总发射功率P_s变化进行分析，并令η＝20，见图2。显然仿真结果与分析结果非常吻合。并且s₁的安全中断概率随着发射功率而减小，最终趋于0.04，体现了反窃听方案的有效性。对于s₂，当P_s较高时，其安全中断概率变小并趋于0，进一步证实了该发明的安全性能。

接下来，在图3和图4中，对不同η取值下对两信号的安全中断概率进行比较。从实验结果可知，基于此发明的优势，随着发射功率的增加，信息的安全中断概率变小并且能趋于很小的值，特别是s₂的SOP能趋于零。此外，s₁和s₂的SOP随η的增加而降低，特别是对于s₁，当η增大时，其信息被窃听的过程会受到更有效的干扰。还可以观察到，η从1增加到10会显着降低SOP，这是因为此时人工噪声的功率增加，会对窃听者产生很大干扰。然而，当η继续增加到25和50时，由于中继的发射功率非常大，信息变得更容易被窃听。若窃听者采用选择合并方式进行窃听，则窃听率不会显著降低，因此用户的保密性能不再得到很大提高。

然后，在图5中，分析了功率分配系数对本发明中s₁的SOP性能的影响。设置η为15，而P_s从-25dBm到30dBm变化。可以看到s₁的SOP总是趋于稳定值。通过更改s₁和s₂的功率分配比例，本发明可以减小此收敛值，即详细地做法是，首先让α₁＝0.8，α₂＝0.2，α₃＝0.65，α₄＝0.15，s₁的SOP趋于0.15。当保持α₅＝0.2并同时增加α₁/α₂和α₃/α₄时，s₁的SOP的稳定值逐渐减小。当令α₁＝0.9，α₂＝0.1，α₃＝0.75，α₄＝0.05时，s₁的SOP可以降低到0.10。然后，当本发明保持α₁/α₂和α₃/α₄不变，并增加人工噪声的功率分配系数α₅从0.2变为0.8时，s₁的SOP将进一步降低并接近0.02。通过调节功率分配系数，方案进一步提高了系统保密性。

实施例2

本发明提供的用户无线网络中协作通信的新方法，可以得到人工噪声的最佳功率分配系数α₅，使系统达到最低的SOP，因此可以实现高EST传输，可应用于高保密吞吐量的第五代移动通信系统网络中，提升此类系统传输安全性。

具体实施为，以中继R为信息转发节点，将信息传输从信源T₁和T₂广播到中继R，再从中继R转发到目的用户U₁和U₂。系统各个节点之间的信道都受到瑞利衰落的影响，设置T₁和T₂到中继处路径长度12m和20m，窃听者距离T₁和T₂分别为20m和12m，中继R到目的用户U₁、U₂，以及窃听者的距离分别为80m，20m和16m。各信息的保密速率门限为r₁＝r₂＝0.5。两个信源T₁和T₂的总发射功率为P_s为1dBmW，令α₁＝0.9和α₂＝0.1。中继R以其中一根天线接收信源信息，采用SIC将两个信源用户T₁和T₂在上行阶段发送的信息s₁(t)和s₂(t)先后解调，这个过程中产生了极小的延时τ。接下来中继R采用剩余M-1根天线发送NOMA信息s₁(t-τ)、s₂(t-τ)，并添加人工噪声。中继R总发射功率P_R，η分别取值为2，5和10，令s₁(t-τ)、s₂(t-τ)的功率分配系数α₃和α₄的比例保持9∶1不变，观察α₅变化对系统的影响，并采用多天线预编码的迫零技术，消除中继R处的自干扰，以及中继R所发射的人工噪声对目的用户U₁和U₂的干扰。在接收端，目的用户U₁和U₂分别采用SIC解调接收信息s₁(t-τ)和s₂(t-τ)。在图6中可以看到，当α₅从0.1逐步增加为0.9时，系统的SOP先降低，然后缓慢增加。这是因为在α₅开始增加时，人工噪声功率的增加有效地干扰了窃听者，但当α₅太大时，合法信号的传输功率大大降低，会影响整个系统的保密率。这表明用户的信号与人为干扰之间存在功率折衷，而发明通过分析在系统安全性和传输可靠性之间取得平衡，找出此时唯一的、最佳的人工噪声功率分配系数α₅，达到系统最低的SOP。

为了更全面地计算该发明对系统保密吞吐量的影响，采用图7来描述信号的传输性能。它是机密信息速率和最大安全传输概率的乘积，定义为EST＝(r₁+r₂)(1-P^*SOP)，其中P^*SOP是通过图6得到最佳α₅获得的最小SOP。可以看出，随着η变大，在此发明中EST也变高，选取r₂可以实现最高EST。此时，提出的发明可以为用户达到最大的安全传输速率。另外，当r₂从1增加至5以上时，此发明的方案仍然满足较高的安全性能，具有1以上的EST，因此，本发明具有重要的实用价值。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种中继辅助的非正交多址接入协作网络安全通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：以中继R作为信息转发节点，将这段通信过程分为上行和下行两个阶段，中继R处理信息的过程中产生的极小的延时τ；所述的中继R为全双工解码转发多天线中继，共有M根天线；

步骤2：上行阶段为第一阶段，是两个信源T₁和T₂到中继R的过程；

所述中继R以其中一根天线接收信息，根据非正交多址接入的工作原理，采用连续干扰消除技术将两个信源用户T₁和T₂在上行阶段发送的信息s₁(t)和s₂(t)分别解调，第一阶段结束；所述两个信源T₁和T₂的总发射功率为P_s，功率分配系数分别为α₁和α₂；以中继R处的解调顺序分配发射功率，根据先被解调用户的发射功率大于后被解调用户的发射功率；

步骤3：下行阶段为第二阶段，是信息从中继R下行传输到目的用户U₁和U₂的过程；

3.1)中继R采用剩余M-1根天线发送非正交多址接入信息s₁(t-τ)、s₂(t-τ)，并添加人工噪声，总发射功率为P_R，s₁(t-τ)、s₂(t-τ)的功率分配系数分别为α₃和α₄，人工噪声的功率分配系数为α₅，令α₃+α₄+α₅＝1；

3.2)根据中继R与两个目的用户U₁和U₂之间的信道状态分配发射功率，弱信道远用户被分配更大的发射功率；采用多天线预编码的迫零方法，消除中继R处的自干扰，以及中继R所发射的人工噪声对目的用户U₁和U₂的干扰；

所述的多天线预编码方法中的迫零条件如下：

其中，h_RR为中继R处自干扰信道增益；

为中继R到目的用户U₁的信道增益；

为中继R到目的用户U₂的信道增益；ω₁为合法信息s₁(t)的预编码矢量；ω₂为合法信息s₂(t)的预编码矢量；ω_a为人工噪声的预编码矢量；

3.3)在接收端，目的用户U₁和U₂分别采用连续干扰消除技术解调接收信息s₁(t-τ)和s₂(t-τ)；

2.根据权利要求1所述的一种中继辅助的非正交多址接入协作网络安全通信方法，其特征在于，所述的步骤3.1)中采用以下方法确定最佳的功率分配系数α₅：

使除α₅之外的系统相关系数保持不变，让α₅从0至1变化，绘出α₅与系统的安全中断概率之间的关系，其为凸函数，有唯一极值点，此极值点处的α₅使系统的安全中断概率达到最小值，即此时α₅为最佳的人工噪声功率分配系数。