CN111404588B - 一种全双工认知窃听网络的物理层安全传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全双工认知窃听网络的物理层安全传输方法，属于多天线全双工窃听系统物理层安全传输技术领域。该方法首先次用户发射机配置最佳的天线向次用户中继节点发送信号，次用户中继节点采用最大比合并方法接收信号，同时全双工目的节点采用迫零波束赋形方式向窃听用户发射定向干扰信号；然后次用户中继节点采用最大比发送方式向全双工目的节点转发数据，全双工目的节点选择配置最佳的天线接收信号，同时全双工目的节点上剩余天线采用迫零波束赋形方式向窃听用户发射定向干扰信号。该方法有效地提升了全双工认知窃听网络的物理层安全传输性能，降低了整个网络系统被窃听的风险。

Description

一种全双工认知窃听网络的物理层安全传输方法
技术领域
本发明属于多天线全双工窃听系统物理层安全传输技术领域，具体涉及一种全双工认知窃听网络的物理层安全传输方法。
背景技术
随着无线通信数据量的爆发式增长，频谱资源变得尤为稀缺。然而，现有的固定式频谱分配政策使得大量的频谱资源处于空闲状态,导致频谱利用率低下，为此，认知无线电技术应运而生。此外，由于无线通信具有的广播特性，大量认知无线通信业务极易受到非法用户的窃听攻击，如医疗健康、智能家具和智能交通等，所以很多相关的隐私信息(如身份、位置、健康等个人隐私信息)也将随着业务的转移，从封闭的平台转移到开放的平台上，接触状态从线下变成线上，泄露的风险大大增加，因此有必要借助其他技术方法提升网络的物理层安全性能。
物理层安全作为一种新兴的抗窃听传输技术，通过利用无线信道的随机、互易和时变等物理特性，可望从根本上解决无线通信面临的安全问题。研究表明，多天线技术在认知无线电环境下，一方面，通过先进的信号处理技术，可以在不增加发送功率和带宽的情况下大大改善无线网络传输性能，是改善无线网络物理层安全传输方案常用技术之一；另一方面，中继辅助下目的节点采用全双工技术在接收信息的同时进行转发，可以提高频谱利用率和系统吞吐量且缓解了MAC资源调度带来的拥塞问题和多跳网络中虫孔交换(Wormhole Switching)带来的时延问题；因此，针对多天线的全双工目的节点网络的认知物理层安全传输方法研究具有重要意义。
然而中继节点辅助传输的全双工认知窃听网络中窃听用户可同时从次用户发射机和次用户中继节点窃收所需信息，窃听效率大幅提升。因此如何在多天线全双工认知窃听网络中设计更有效的物理层安全传输方法，以提升全双工认知网络的物理层安全传输性能已成为研究热点。
目前，关于中继节点辅助传输的认知窃听网络的物理层安全传输方法主要有以下两种：第一种方法是半双工模式下采用发射天线选择-最大比合并/发射天线选择-最大比合并(transmit antenna selection-maximum ratio combining/transmit antennaselection-maximum ratio combining，TAS-MRC/TAS-MRC)方法，其主要步骤：第一时隙，配置NA根天线的次用户发射机(Alice)选择配置最佳的一根天线向配置NR根天线的次用户中继节点(Relay)发送数据，同时次用户中继节点(Relay)以最大比合并方式接收来自次用户发射机(Alice)发送的数据；第二时隙，用户中继节点(Relay)选择配置最佳的一根天线向配置NB根天线的次用户目的节点(Bob)发送数据，配置NB根天线的次用户目的节点(Bob)采用最大比合并方式接收来自用户中继节点(Relay)转发的数据。此外，窃听用户(Eve)会窃听次用户发射机(Alice)发送的数据和次用户中继节点(Relay)向次用户目的节点(Bob)转发的数据。这种方法的优点是配置NA根天线的次用户发射机(Alice)，配置NR根天线的次用户中继节点(Relay)与配置NB根天线的次用户目的节点(Bob)都是通过多天线的优势进行发送与接收数据，有效提升系统的物理层安全性能。然而，由于两个时隙内完成信息的传输，窃听用户(Eve)两个时隙内都会窃听且没有设计应对窃听用户的物理层安全性能增强方法，从而影响了系统物理层安全性能，增加了整个系统网络被窃听的风险。
第二种方法是次用户中继节点全双工模式下采用最大比发送-选择合并-迫零波束赋形/发送天线选择-最大比合并(maximum ratio transmission-selectioncombining-zero forcing beamforming/transmit antenna selection-maximum ratiocombining,MRT-SC-ZFB/TAS-MRC)方法，其主要步骤：配置NA根天线的次用户发射机(Alice)采用最大比发送方法向配置NR根天线的次用户中继节点(Relay)发送数据，次用户中继节点(Relay)采用选择合并方式选取最优天线接收来自次用户发射机(Alice)发送的数据同时利用波束赋形方法向窃听用户(Eve)发送定向干扰信号；第二时隙，次用户中继节点(Relay)采用发送天线选择方法向配置NB根天线的全双工目的节点(Bob)发送信号，配置NB根天线的全双工目的节点(Bob)采用最大比合并方式接收来自次用户中继节点(Relay)转发的信息。此外，窃听用户(Eve)会同时窃听次用户发射机(Alice)和次用户中继节点(Relay)发送的数据。这种方法的优点是次用户中继节点(Relay)充分发挥了多天线的优势，在接收信号的同时向窃听用户(Eve)发送定向干扰信号，可在一定程度上提升系统的物理层安全性能。然而，由于信息的传输在两个时隙内完成，窃听用户对两个时隙内的信息都会窃听，上述方法没有考虑第二时隙内对窃听用户的定向干扰，从而影响了系统物理层安全性能，增加了整个网络系统被窃听的风险。对于第二种方法，次用户中继节点(Relay)在不仅要接收来自次用户发射机(Alice)的信号，同时还要向窃听用户(Eve)发射干扰，并且，还要向全双工目的节点(Bob)转发信息，系统网络中，信息数据传输的过程中，为了达到最佳的传输效率和效果，各网络节点都要选择合适的天线发射或接收，并且数据传输时，还要经过预编码等过程，因此非常复杂。如果在第二时隙，继续再利用全双工中继节点(Relay)向窃听用户(Eve)发射干扰信号，那么全双工中继节点(Relay)在进行数据转发的同时还要向窃听用户(Eve)发射干扰，因此，次用户中继节点(Relay)在工作过程中，数据处理量将非常巨大，从而极大地增加了次用户中继节点(Relay)的负担，影响数据的传输效率，并且，还会增加次用户中继节点(Relay)的硬件设备的需求，从而增加硬件成本。因此，目前本领域技术不会同时在两个时隙向窃听用户(Eve)发射干扰信号来提高系统的安全传输性能，导致全双工模式下的数据传输仍存在较大风险，也就意味着现有的多天线全双工认知窃听网络的物理层传输方法存在着系统物理层安全性能差、整个网络系统被窃听的风险高的问题。
发明内容
技术问题：本发明提供一种全双工认知窃听网络的物理层安全传输方法，该方法能够提升全双工认知窃听网络的物理层安全传输性能，降低整个网络系统被窃听的风险。
技术方案：本发明一种全双工认知窃听网络的物理层安全传输方法，次用户发射机配置NA根天线，次用户中继节点配置NR根天线，全双工目的节点配置NB根天线，网络通信过程包括信道估计阶段、系统数据传输阶段、窃听用户窃听阶段，具体为：
(1)信道估计阶段
次用户发射机向次用户中继节点发送广播导频信号，次用户中继节点以最大比合并方式接收导频信号，并计算次用户发射机到次用户中继节点的瞬时信噪比；
次用户中继节点采用最大比发送方式向全双工目的节点转发导频信号，全双工目的节点采用选择合并方式接收导频信号，并计算次用户中继节点到全双工目的节点的瞬时信噪比；
(2)系统数据传输阶段
第一时隙：次用户发射机选择NA根天线中配置最佳的天线i*向次用户中继节点发送信号，次用户中继节点以最大比合并方式接收信号，同时全双工目的节点采用迫零波束赋形方式向窃听用户发射定向干扰信号，干扰窃听用户的窃听；
第二时隙：次用户中继节点采用最大比发送方式向全双工目的节点转发数据，全双工目的节点选择NB根天线中配置最佳的天线j*接收信号，同时全双工目的节点上剩余的NB-1根天线采用迫零波束赋形方式向窃听用户发射定向干扰信号，干扰窃听用户的窃听；
(3)窃听用户窃听阶段
第一时隙：窃听用户窃听次用户发射机发射的信号，同时接收全双工目的节点发送的定向干扰信号；
第二时隙：窃听用户窃听次用户中继节点转发的信号，同时收到全双工目的节点转发的定向干扰信号。
进一步地，所述信道估计阶段中，次用户发射机的第i根天线到次用户中继节点的瞬时信噪比
Figure BDA0002394579160000041
为：
Figure BDA0002394579160000042
其中，
Figure BDA0002394579160000043
表示次用户发射机的第i根天线与次用户中继节点间1×NR维信道向量，i的范围为1≤i≤NR，
Figure BDA0002394579160000044
为次用户中继节点处的噪声功率，PS为次用户发射机的发射功率，且PS满足：
Figure BDA0002394579160000045
其中，
Figure BDA0002394579160000046
表示次用户发射机第i根天线与主用户之间的信道系数，Q为主用户处预定的干扰温度约束门限值，Pt为次用户发射机的最大发射功率限制。
进一步地，所述信道估计阶段，次用户中继节点到全双工目的节点的第j根天线处的瞬时信噪比
Figure BDA0002394579160000047
为：
Figure BDA0002394579160000048
其中，
Figure BDA0002394579160000049
表示次用户中继节点与全双工目的节点的第j根天线间NR×1维信道向量，
Figure BDA00023945791600000410
表示次用户目的节点处的噪声功率，PR表示次用户中继节点的发射功率，且PR满足：
Figure BDA0002394579160000051
其中，hRP表示次用户中继节点与主用户之间的NR×1维信道向量，Q为主用户处预定的干扰温度约束门限值，Pt为次用户中继节点的最大发射功率限制。
进一步地，所述的系统数据传输阶段的第一时隙，次用户发射机上配置最佳的天线i*到次用户中继节点处的瞬时信噪比γAR为：
Figure BDA0002394579160000052
其中，
Figure BDA0002394579160000053
表示次用户发射机的第i根天线与次用户中继节点间1×NR维信道向量，
Figure BDA0002394579160000054
为次用户中继节点处的噪声功率，PS为次用户发射机的发射功率。
进一步地，所述的系统数据传输阶段的第二时隙，次用户中继节点到全双工目的节点上最佳的天线j*处的瞬时信噪比γRB为：
Figure BDA0002394579160000055
其中，
Figure BDA0002394579160000056
表示次用户中继节点与全双工目的节点的第j根天线间NR×1维信道向量，
Figure BDA0002394579160000057
表示次用户目的节点处的噪声功率，PR表示次用户中继节点的发射功率。
进一步地，所述窃听用户窃听阶段的第一时隙中，窃听用户处的瞬时信干噪比γAE为：
Figure BDA0002394579160000058
其中，
Figure BDA0002394579160000059
表示次用户发射机最佳天线i*与窃听用户之间的信道系数，
Figure BDA00023945791600000510
表示次用户发射机配置最佳的天线i*的发射功率，且满足
Figure BDA00023945791600000511
表示次用户发射机配置最佳的天线i*与主用户之间的信道系数，PJ,1表示第一时隙全双工目的节点处发射干扰功率，
Figure BDA00023945791600000512
表示第一时隙窃听用户处的噪声功率，wZF,1表示全双工目的节点处预编码向量。
进一步地，所述的全双工目的节点处预编码向量wZF,1满足如下条件：
Figure BDA0002394579160000061
Figure BDA0002394579160000062
其中，
Figure BDA0002394579160000063
表示全双工目的节点与窃听用户之间的NB×1维信道矩阵，
Figure BDA0002394579160000064
表示向量的共轭转置，||·||F表示Frobenius范数，
Figure BDA0002394579160000065
表示NB×(1+NR)维信道矩阵，
Figure BDA0002394579160000066
表示全双工目的节点与主用户之间的NB×1维信道向量，
Figure BDA0002394579160000067
表示全双工目的节点与次用户中继节点之间的NB×NR维信道矩阵；
为将次用户中继节点与主用户对应到发射干扰信号的零空间内，全双工目的节点处预编码向量wZF,1为：
Figure BDA0002394579160000068
其中，
Figure BDA0002394579160000069
表示秩为NB-(NR+1)-1的矩阵，Ι1表示单位矩阵。
进一步地，所述窃听用户窃听阶段的第二时隙，窃听用户处的瞬时信干噪比γRE为：
Figure BDA00023945791600000610
其中，hRE表示次用户中继节点与窃听用户之间的NR×1维信道向量，PR表示次用户中继节点的发射功率，PJ,2表示第二时隙全双工目的节点处发射干扰功率，
Figure BDA00023945791600000611
为第二时隙窃听用户处的噪声功率，wZF,2表示全双工目的节点处预编码向量。
进一步地，所述全双工目的节点处预编码向量wZF,2满足如下条件：
Figure BDA00023945791600000612
Figure BDA00023945791600000613
其中，
Figure BDA00023945791600000614
表示全双工目的节点与窃听用户之间的(NB-1)×1维信道向量，
Figure BDA00023945791600000615
表示全双工目的节点处剩余的NB-1根天线与主用户之间的(NB-1)×1维信道向量；
为将主用户对应到发射干扰信号的零空间内，全双工目的节点处预编码向量wZF,2为：
Figure BDA0002394579160000071
其中，
Figure BDA0002394579160000072
表示秩为NB-3的矩阵，Ι2表示单位矩阵。
进一步地，所述系统数据传输阶段中，次用户中继节点采用随机译码转发协议信号，并计算全双工认知窃听网络的安全中断概率Pout，用以评估物理层的安全传输性能，所述安全中断概率Pout为：
Pout(Rs)＝1-Pr{CS,1＞Rs}Pr{CS,2＞Rs}
其中，Rs为系统设定的安全速率门限值，CS,1和CS,2分别为系统数据传输阶段第一时隙和第二时隙的瞬时安全容量。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)本发明全双工认知窃听网络的物理层安全传输方法，第一时隙次用户中继节点选择最佳天线向次用户中继节点发送数据，次用户中继节点以最大比合并方式接收数据，并且全双工目的节点采用波束赋形方式向窃听用户发射定向干扰信号；然后第二时隙次用户中继节点采用最大比发送方式向全双工目的节点转发数据，全双工目的节点选择最佳天线接收数据，并且剩余天线向采用波束赋形方式向窃听用户发射定向干扰信号；本发明的方法，综合发送天线选择、最大比合并、最大比发送、选择合并和迫零波束赋形等方法，构建了发送天线选择-最大比合并-迫零波束赋形/最大比发送-选择合并-迫零波束赋形的物理层安全传输方法，全双工目的节点在两个时隙均向窃听用户发射定向干扰信号，两个时隙全方位阻塞窃听用户的窃听，通过降低两时隙窃听用户处的信干噪比，有效地提高了全双工认知窃听网络的物理层安全传输性能，降低了整个网络系统被窃听的风险。
(2)本发明全双工认知窃听网络的物理层安全传输方法，全双工目的节点采用迫零波束赋形方法向窃听用户发送定向干扰信号，干扰信号通过波束赋形设计对准窃听用户，同时将主用户和次用户中继节点方向置于干扰信号的零空间，保证了主用户通信服务质量和次用户中继节点的接收信号质量。并且，在最大化多天线分集增益的同时利用空闲天线向窃听用户发送定向干扰信号，充分利用了多天线的优势，从而在既能保证整个网络通信质量的同时，提高了物理层安全传输性能，降低整个系统被窃听的风险。
附图说明
图1为本发明的全双工认知窃听网络的系统模型示意图；
图2为本发明全双工认知窃听网络的物理层安全传输方法的流程图；
图3为基于不同物理层安全传输方法的系统安全中断性能对比曲线图；
图4为本发明的物理层安全传输方法随全双工目的节点的天线数目NB变化时的安全中断概率的变化曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。
结合图1所示，本发明全双工认知窃听网络的物理层安全传输方法针对的系统模型是次用户目的节点全双工工作模式下的全双工认知窃听系统，该系统中包括次用户发射机(Alice)、次用户中继节点(Relay)、全双工目的节点(Bob)、窃听用户(Eve)和主用户(PU)，其中次用户发射机(Alice)配置NA(NA＞1)根天线，次用户中继节点(Relay)配置NR(NR＞1)根天线，全双工目的节点(Bob)配置NB(NB＞1)根天线，窃听用户(Eve)和主用户(PU)均配置单根天线。
在本发明的实施例中，作如下三点假设：1)系统中的所有信道均为平坦瑞利衰落信道；2)由于大尺度衰落和遮挡物的影响，次用户发射机不能向次用户目的节点直接发送信号；3)全双工目的节点可以获得其与窃听用户之间链路的信道状态信息。
本发明全双工认知窃听网络的物理层安全传输方法可以表示为：发送天线选择-最大比合并-迫零波束赋形/最大比发送-选择合并-迫零波束赋形(transmit antennaselection-maximum ratio combining-zero forcing beamforming/maximum ratiotransmission-selection combining-zero forcing beamforming,TAS-MRC-ZFB/MRT-SC-ZFB)，结合图2所示，对本发明的方法进行详细说明。
本发明全双工认知窃听网络的物理层安全传输方法，网络通信过程包括三个阶段，分别是信道估计阶段、系统数据传输阶段和窃听用户窃听阶段。
(1)信道估计阶段
次用户发射机向次用户中继节点发送广播导频信号，次用户中继节点以最大比合并方式接收导频信号。根据导频信号，可以计算出次用户发射机与次用户中继节点间的状态信息，即次用户发射机与次用户中继节点的瞬时信噪比，具体的，次用户发射机的第i根天线到次用户中继节点的瞬时信噪比
Figure BDA0002394579160000081
为：
Figure BDA0002394579160000091
公式(1)中，
Figure BDA0002394579160000092
表示次用户发射机的第i根天线与次用户中继节点间1×NR维信道向量，i的范围为1≤i≤NR，
Figure BDA0002394579160000093
为次用户中继节点处的噪声功率，PS为次用户发射机的发射功率，其中在本发明的实施例中，
Figure BDA0002394579160000094
的均值
Figure BDA0002394579160000095
λAR为给定常数，并且为了保证主用户的通信服务质量，PS满足：
Figure BDA0002394579160000096
公式(2)中，
Figure BDA0002394579160000097
表示次用户发射机第i根天线与主用户之间的信道系数，Q为主用户处预定的干扰温度约束门限值，Pt为次用户发射机的最大发射功率限制。
次用户中继节点采用最大比发送方式转发导频信号，全双工目的节点采用选择合并方式接收导频信号。根据导频信号，可计算次用户中继节点与全双工目的节点之间的信道状态信息，即次用户中继节点到全双工目的节点天线处的瞬时信噪比，具体的，次用户中继节点到全双工目的节点的第j根天线处的瞬时信噪比
Figure BDA0002394579160000098
为：
Figure BDA0002394579160000099
公式(3)中，
Figure BDA00023945791600000910
表示次用户中继节点与全双工目的节点的第j根天线间NR×1维信道向量，j的范围为1≤j≤NB，
Figure BDA00023945791600000911
表示次用户目的节点处的噪声功率，PR表示次用户中继节点的发射功率，其中，在本发明的实施例中，
Figure BDA00023945791600000912
的均值
Figure BDA00023945791600000913
λRB为给定常数，且为了保证主用户的通信服务质量，PR满足：
Figure BDA00023945791600000914
公式(4)中，hRP表示次用户中继节点与主用户之间的NR×1维信道向量，Q为主用户处预定的干扰温度约束门限值，Pt为次用户中继节点的最大发射功率限制。
(2)系统数据传输阶段
系统数据传输阶段分为两个时隙，第一时隙：次用户发射机选择NA根天线中配置最佳的天线i*向次用户中继节点发送信号，即发送天线选择，次用户中继节点以最大比合并方式接收信号，同时全双工目的节点采用迫零波束赋形方式向窃听用户发射定向干扰信号，干扰窃听用户的窃听。次用户发射机上配置最佳的天线i*到次用户中继节点处的瞬时信噪比γAR为：
Figure BDA0002394579160000101
公式(5)中，
Figure BDA0002394579160000102
表示次用户发射机的第i(1≤i≤NR)根天线与次用户中继节点间1×NR维信道向量，
Figure BDA0002394579160000103
为次用户中继节点处的噪声功率，PS为次用户发射机的发射功率，并且为了主用户的通信服务质量，PS满足公式(2)。在这一时隙中，全双工目的节点利用NB根天线对次用户中继节点和主用户方向迫零的同时向窃听用户发射定向干扰信号，在保证系统数据传输质量的同时，从而有效地提升了系统物理层安全性能，降低被窃听的风险。
第二时隙：次用户中继节点采用最大比发送方式向全双工目的节点转发数据，全双工目的节点选择NB根天线中配置最佳的天线j*接收信号，即选择合并，同时全双工目的节点上剩余的NB-1根天线采用迫零波束赋形方式向窃听用户发射定向干扰信号，干扰窃听用户的窃听。次用户中继节点到全双工目的节点上最佳的天线j*处的瞬时信噪比γRB为：
Figure BDA0002394579160000104
公式(6)中，
Figure BDA0002394579160000105
表示次用户中继节点与全双工目的节点的第j(1≤j≤NB)根天线间NR×1维信道向量，
Figure BDA0002394579160000106
表示次用户目的节点处的噪声功率，PR表示次用户中继节点的发射功率，并且为了主用户的通信服务质量，PR满足公式(4)。在这一时隙中，双工目的节点利用剩余NB-1根天线对主用户方向迫零的同时向窃听用户发射定向干扰信号，在保证系统数据传输质量的同时，从而有效地提升了系统物理层安全性能，降低被窃听的风险。
(3)窃听用户窃听阶段
窃听用户窃听阶段分为两个时隙：第一时隙：窃听用户窃听次用户发射机发射的信号，同时接收全双工目的节点发送的定向干扰信号。窃听用户处的瞬时信干噪比γAE为：
Figure BDA0002394579160000111
公式(7)中，
Figure BDA0002394579160000112
表示次用户发射机配置最佳的天线i*与窃听用户之间的信道系数，
Figure BDA0002394579160000113
表示次用户发射机配置最佳的天线i*的发射功率，且满足
Figure BDA0002394579160000114
Figure BDA0002394579160000115
表示次用户发射机配置最佳的天线i*与主用户之间的信道系数，PJ,1表示第一时隙全双工目的节点处发射干扰功率，
Figure BDA0002394579160000116
为第一时隙窃听用户处的噪声功率，wZF,1表示全双工目的节点处预编码向量。
全双工目的节点处预编码向量wZF,1满足如下条件：
Figure BDA0002394579160000117
公式(8)中，
Figure BDA0002394579160000118
表示全双工目的节点与窃听用户之间的NB×1维信道矩阵，
Figure BDA0002394579160000119
表示向量的共轭转置，||·||F表示Frobenius范数，
Figure BDA00023945791600001110
表示NB×(1+NR)维信道矩阵，
Figure BDA00023945791600001111
表示全双工目的节点与主用户之间的NB×1维信道向量，
Figure BDA00023945791600001112
表示全双工目的节点与次用户中继节点之间的NB×NR维信道矩阵。
为将次用户中继节点与主用户对应到发射干扰信号的零空间内，全双工目的节点处预编码向量wZF,1设计为：
Figure BDA00023945791600001113
公式(9)中，
Figure BDA00023945791600001114
表示秩为NB-(NR+1)-1的矩阵，Ι1表示单位矩阵。
第二时隙：窃听用户窃听次用户中继节点转发的信号，同时收到全双工目的节点转发的定向干扰信号。窃听用户处的瞬时信干噪比γRE为：
Figure BDA0002394579160000121
公式(10)中，hRE表示次用户中继节点与窃听用户之间的NR×1维信道向量，PR表示次用户中继节点的发射功率，PJ,2表示第二时隙全双工目的节点处发射干扰功率，
Figure BDA0002394579160000122
为第二时隙窃听用户处的噪声功率，wZF,2表示全双工目的节点处预编码向量。
全双工目的节点处预编码向量wZF,2满足如下条件：
Figure BDA0002394579160000123
公式(11)中，
Figure BDA0002394579160000124
表示全双工目的节点与窃听用户之间的(NB-1)×1维信道向量，
Figure BDA0002394579160000125
表示全双工目的节点处剩余的NB-1根天线与主用户之间的(NB-1)×1维信道向量；
为将主用户对应到发射干扰信号的零空间内，全双工目的节点处预编码向量wZF,2设计为：
Figure BDA0002394579160000126
公式(12)中，
Figure BDA0002394579160000127
表示秩为NB-3的矩阵，Ι2表示单位矩阵。
为了验证本发明的方法，在本发明的实施例中，系统数据传输阶段中，次用户中继节点采用随机译码转发协议信号，并计算全双工认知窃听网络的安全中断概率Pout，用以评估物理层安全传输性能，所述安全中断概率Pout为：
Pout(Rs)＝1-Pr{CS,1＞Rs}Pr{CS,2＞Rs} (13)
公式(13)中，Rs为系统设定的安全速率门限值，CS,1和CS,2分别为系统数据传输阶段第一时隙和第二时隙的瞬时安全容量，具体如下所示：
Figure BDA0002394579160000128
Figure BDA0002394579160000131
对于全双工认知窃听网络，安全中断概率Pout的值越大，说明物理层安全传输性能越差，网络系统被窃听的风险越高，反之，安全中断概率Pout的值越小，说明物理层安全传输性能越好，网络系统被窃听的风险越低。
为验证本发明的方法相对与现有技术具有较好的效果，将现有技术中的方法与本发明的方法进行对比验证，具体如下：
(1)半双工模式下采用发射天线选择-最大比合并/发射天线选择-最大比合并(transmit antenna selection-maximum ratio combining/transmit antennaselection-maximum ratio combining，TAS-MRC/TAS-MRC)方法。
(2)全双工模式下采用最大比发送-选择合并-迫零波束赋形/发送天线选择-最大比合并(maximum ratio transmission-selection combining-zero forcingbeamforming/transmit antenna selection-maximum ratio combining,MRT-SC-ZFB/TAS-MRC)方法。
(3)本发明的方法：全双工模式下采用发送天线选择-最大比合并-迫零波束赋形/最大比发送-选择合并-迫零波束赋形(transmit antenna selection-maximum ratiocombining-zero forcing beamforming/maximum ratio transmission-selectioncombining-zero forcing beamforming,TAS-MRC-ZFB/MRT-SC-ZFB)方法。
此外，为了更能突出本发明的方法的优点，在对比试验中，将本发明中系统数据传输阶段的第一时隙，假设全双工目的节点不向窃听用户发射定向干扰信号，故得到：
(4)全双工模式下采用发送天线选择-最大比合并/最大比发送-选择合并-迫零波束赋形(transmit antenna selection-maximum ratio combining/maximum ratiotransmission-selection combining-zero forcing beamforming,TAS-MRC/MRT-SC-ZFB)方法。
在一个全双工认知窃听系统中设定安全速率门限Rs＝2，系统内各节点处的噪声方差假定为
Figure BDA0002394579160000132
系统信噪比SNR定义为Pt/σ2，并假设,NA＝3，NR＝2，NB＝6，PJ,1＝PJ,2＝10dB，Q＝10dB，得到各方法的安全中断概率曲线图，如图3所示。由图3可以看到基于本发明的方法发送天线选择-最大比合并-迫零波束赋形/最大比发送-选择合并-迫零波束赋形(TAS-MRC-ZFB/MRT-SC-ZFB)方法，即方法(3)，在每个数值点，安全中断概率Pout的值均比方法(1)、(2)、和(4)的小，说明采用本发明的方法，系统物理层安全传输性能明显优于方法(1)、(2)和(4)。这是因为基于本发明的发送天线选择-最大比合并-迫零波束赋形/最大比发送-选择合并-迫零波束赋形方法，全双工目的节点在两个时隙都可向窃听用户发送定向干扰信号，全双工目的节点采用迫零波束赋形方法向窃听用户发送定向干扰信号，干扰信号通过波束赋形设计对准窃听用户的同时将主用户和次用户中继节点方向置于干扰信号的零空间，保证了主用户通信服务质量和次用户中继节点的接收信号质量，从而提升了全双工认知窃听网络物理层安全性能，降低了网络系统被窃听的风险。
在对本发明的方法进行仿真时，同时给出瑞利衰落信道条件下本发明的方法随全双工目的节点配置天线数目NB变化时系统的安全中断概率曲线变化图，如图4所示，横轴表示全双工目的节点配置天线数目NB，纵轴表示系统的安全中断概率。仿真时假定：Rs＝2，NA＝3，NR＝2，Q＝10dB，SNR分别为3dB、5dB和8dB，由图4可以看出基于本发明所设计的发送天线选择-最大比合并-迫零波束赋形/最大比发送-选择合并-迫零波束赋形(TAS-MRC-ZFB/MRT-SC-ZFB)方法，在SNR固定时的系统的安全中断性能随全双工目的节点天线数目NB的增加而提升；在NB固定时，系统安全中断概率随着SNR的增大而降低。
综上，本发明全双工认知窃听网络的物理层安全传输方法，即：发送天线选择-最大比合并-迫零波束赋形/最大比发送-选择合并-迫零波束赋形(TAS-MRC-ZFB/MRT-SC-ZFB)方法，能够有效地提高全双工认知窃听网络的物理层安全传输性能，降低了整个网络系统被窃听的风险。
上述实施例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等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种全双工认知窃听网络的物理层安全传输方法，其特征在于，次用户发射机配置NA根天线，次用户中继节点配置NR根天线，全双工目的节点配置NB根天线，网络通信过程包括信道估计阶段、系统数据传输阶段、窃听用户窃听阶段，具体为：
(1)信道估计阶段
次用户发射机向次用户中继节点发送广播导频信号，次用户中继节点以最大比合并方式接收导频信号，并计算次用户发射机到次用户中继节点的瞬时信噪比；
次用户中继节点采用最大比发送方式向全双工目的节点转发导频信号，全双工目的节点采用选择合并方式接收导频信号，并计算次用户中继节点到全双工目的节点的瞬时信噪比；
(2)系统数据传输阶段
第一时隙：次用户发射机选择NA根天线中配置最佳的天线i*向次用户中继节点发送信号，次用户中继节点以最大比合并方式接收信号，同时全双工目的节点采用迫零波束赋形方式向窃听用户发射定向干扰信号，干扰窃听用户的窃听；
第二时隙：次用户中继节点采用最大比发送方式向全双工目的节点转发数据，全双工目的节点选择NB根天线中配置最佳的天线j*接收信号，同时全双工目的节点上剩余的NB-1根天线采用迫零波束赋形方式向窃听用户发射定向干扰信号，干扰窃听用户的窃听；
(3)窃听用户窃听阶段
第一时隙：窃听用户窃听次用户发射机发射的信号，同时接收全双工目的节点发送的定向干扰信号；
第二时隙：窃听用户窃听次用户中继节点转发的信号，同时收到全双工目的节点转发的定向干扰信号。
2.根据权利要求1所述的一种全双工认知窃听网络的物理层安全传输方法，其特征在于，所述信道估计阶段中，次用户发射机的第i根天线到次用户中继节点的瞬时信噪比
Figure FDA0003792606050000011
为：
Figure FDA0003792606050000012
其中，
Figure FDA0003792606050000013
表示次用户发射机的第i根天线与次用户中继节点间1×NR维信道向量，i的范围为1≤i≤NR，
Figure FDA0003792606050000021
为次用户中继节点处的噪声功率，PS为次用户发射机的发射功率，且PS满足：
Figure FDA0003792606050000022
其中，
Figure FDA0003792606050000023
表示次用户发射机第i根天线与主用户之间的信道系数，Q为主用户处预定的干扰温度约束门限值，Pt为次用户发射机的最大发射功率限制。
3.根据权利要求1所述的一种全双工认知窃听网络的物理层安全传输方法，其特征在于，所述信道估计阶段，次用户中继节点到全双工目的节点的第j根天线处的瞬时信噪比
Figure FDA0003792606050000024
为：
Figure FDA0003792606050000025
其中，
Figure FDA0003792606050000026
表示次用户中继节点与全双工目的节点的第j根天线间NR×1维信道向量，j的范围为1≤j≤NB，
Figure FDA0003792606050000027
表示次用户目的节点处的噪声功率，PR表示次用户中继节点的发射功率，且PR满足：
Figure FDA0003792606050000028
其中，hRP表示次用户中继节点与主用户之间的NR×1维信道向量，Q为主用户处预定的干扰温度约束门限值，Pt为次用户中继节点的最大发射功率限制。
4.根据权利要求2所述的一种全双工认知窃听网络的物理层安全传输方法，其特征在于，所述系统数据传输阶段的第一时隙，次用户发射机上配置最佳的天线i*到次用户中继节点处的瞬时信噪比γAR为：
Figure FDA0003792606050000029
其中，
Figure FDA00037926060500000210
表示次用户发射机的第i根天线与次用户中继节点间1×NR维信道向量，
Figure FDA00037926060500000211
为次用户中继节点处的噪声功率，PS为次用户发射机的发射功率。
5.根据权利要求3所述的一种全双工认知窃听网络的物理层安全传输方法，其特征在于，所述的系统数据传输阶段的第二时隙，次用户中继节点到全双工目的节点上最佳的天线j*处的瞬时信噪比γRB为：
Figure FDA0003792606050000031
其中，
Figure FDA0003792606050000032
表示次用户中继节点与全双工目的节点的第j根天线间NR×1维信道向量，
Figure FDA0003792606050000033
表示次用户目的节点处的噪声功率，PR表示次用户中继节点的发射功率。
6.根据权利要求1所述的一种全双工认知窃听网络的物理层安全传输方法，其特征在于，所述窃听用户窃听阶段的第一时隙中，窃听用户处的瞬时信干噪比γAE为：
Figure FDA0003792606050000034
其中，
Figure FDA0003792606050000035
表示次用户发射机最佳天线i*与窃听用户之间的信道系数，PS*表示次用户发射机配置最佳的天线i*的发射功率，且满足
Figure FDA0003792606050000036
Figure FDA0003792606050000037
表示次用户发射机配置最佳的天线i*与主用户之间的信道系数，Q为主用户处预定的干扰温度约束门限值，Pt为次用户发射机的最大发射功率限制；PJ,1表示第一时隙全双工目的节点处发射干扰功率，
Figure FDA0003792606050000038
表示第一时隙窃听用户处的噪声功率，wZF,1表示全双工目的节点处预编码向量；hB1E表示全双工目的节点与窃听用户之间的NB×1维信道矩阵，
Figure FDA0003792606050000039
表示向量的共轭转置。
7.根据权利要求6所述的一种全双工认知窃听网络的物理层安全传输方法，其特征在于，所述的全双工目的节点处预编码向量wZF,1满足如下条件：
Figure FDA00037926060500000310
Figure FDA00037926060500000311
其中，
Figure FDA00037926060500000312
表示全双工目的节点与窃听用户之间的NB×1维信道矩阵，
Figure FDA00037926060500000313
表示向量的共轭转置，||·||F表示Frobenius范数，
Figure FDA00037926060500000314
表示NB×(1+NR)维信道矩阵，
Figure FDA00037926060500000315
表示全双工目的节点与主用户之间的NB×1维信道向量，
Figure FDA00037926060500000316
表示全双工目的节点与次用户中继节点之间的NB×NR维信道矩阵；
为将次用户中继节点与主用户对应到发射干扰信号的零空间内，全双工目的节点处预编码向量wZF,1为：
Figure FDA0003792606050000041
其中，
Figure FDA0003792606050000042
表示秩为NB-(NR+1)-1的矩阵，Ι1表示单位矩阵。
8.根据权利要求1所述的一种全双工认知窃听网络的物理层安全传输方法，其特征在于，所述窃听用户窃听阶段的第二时隙，窃听用户处的瞬时信干噪比γRE为：
Figure FDA0003792606050000043
其中hRE表示次用户中继节点与窃听用户之间的NR×1维信道向量，PR表示次用户中继节点的发射功率，PJ,2表示第二时隙全双工目的节点处发射干扰功率，
Figure FDA0003792606050000044
为第二时隙窃听用户处的噪声功率，wZF,2表示全双工目的节点处预编码向量，
Figure FDA0003792606050000045
表示全双工目的节点与窃听用户之间的(NB-1)×1维信道向量，
Figure FDA0003792606050000046
表示向量的共轭转置。
9.根据权利要求8所述的一种全双工认知窃听网络的物理层安全传输方法，其特征在于，所述全双工目的节点处预编码向量wZF,2满足如下条件：
Figure FDA0003792606050000047
Figure FDA0003792606050000048
其中，
Figure FDA0003792606050000049
表示全双工目的节点与窃听用户之间的(NB-1)×1维信道向量，
Figure FDA00037926060500000410
表示全双工目的节点处剩余的NB-1根天线与主用户之间的(NB-1)×1维信道向量；
为将主用户对应到发射干扰信号的零空间内，全双工目的节点处预编码向量wZF,2为：
Figure FDA00037926060500000411
其中，
Figure FDA00037926060500000412
表示秩为NB-3的矩阵，Ι2表示单位矩阵。
10.根据权利要求1～9任一项所述的一种全双工认知窃听网络的物理层安全传输方法，其特征在于，所述系统数据传输阶段中，次用户中继节点采用随机译码转发协议信号，并计算全双工认知窃听网络的安全中断概率Pout，用以评估物理层的安全传输性能，所述安全中断概率Pout为：
Pout(Rs)＝1-Pr{CS,1＞Rs}Pr{CS,2＞Rs}
其中，Rs为系统设定的安全速率门限值，CS,1和CS,2分别为系统数据传输阶段的第一时隙和第二时隙的瞬时安全容量。
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