CN106059705B - 一种中继物理层安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种中继物理层安全传输方法，属于通信领域。本发明的中继节点工作在全双工模式下，配备多根天线，采用解码转发协议。本发明设计了预编码矩阵作为人工噪声，让中继节点在每个时隙同时发送期望信号和人工噪声的混合信号到目的节点。窃听节点能够窃听到该混合信号。目的节点能够从混合信号中消除设计的人工噪声，从而解码出期望信号，而窃听节点无法做到这一点。本发明还推导获得系统的安全速率，获取了期望信号和人工噪声之间的最优功率分配策略。通过本发明方法，可以有效地对抗窃听行为，显著提升系统的安全性能。

Description

一种中继物理层安全传输方法

技术领域

本发明涉及通信领域，特别涉及一种中继物理层安全传输方法。

背景技术

物理层安全在无线通信中的应用近来引起了相当多的关注，因为从信息论的观点上看，不需要对上层数据加密也可以防止被窃听。随着对物理层安全研究的深入，其研究的模型也更加复杂，其中中继系统的物理层安全是近些年的热点之一。

协作中继通信是提高安全速率的有效方法之一。协作中继(cooperativerelaying，CR)能增强从源节点到目的节点的安全性能，而协作干扰(cooperativejamming，CJ)是通过人工噪声(artificial noise，AN)的方式对窃听节点进行干扰。而相关文献提出的混合CR和CJ的方案，并对CR和CJ之间的中继的功率分配来最大化安全速率[参考文件1：C.Wang,H.-M.Wang,and X.-G.Xia,“Hybrid opportunistic relaying andjamming with power allocation for secure cooperative networks,”IEEETrans.Wireless Commun.,vol.14,no.2,pp.589-605,Feb.2015]。然而，大多数现有的研究重点放在了半双工中继(half duplex relay，HDR)，很少触及全双工中继(full duplexrelay，FDR)，尤其是多天线全双工中继的情况。

传统的设备一般工作在半双工模式下，而全双工技术已经成为5G通信的关键技术之一。半双工是指在同一时隙下，设备只能进行发送或接收的功能，而全双工则是在同一时隙下，设备能同时进行发送和接收的功能，从而几乎是半双工频谱效率的两倍。FDR克服HDR固有的频谱效率的缺陷，但是全双工传输存在相对强的自干扰信号。现有相关的技术表明当自干扰被显著抑制时，FDR具有比HDR更好安全性能。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足，针对全双工中继，提供了一种中继物理层安全传输方法，用英文可描述为Full Duplex Hybrid Relaying-and-Jamming，简称为FDHRJ。本发明方法的中继工作在全双工模式下，配备多根天线，采用解码转发(decode-and-forward，DF)协议。

本发明的一种中继物理层安全传输方法，所应用的中继系统包含有一个单天线源节点S，一个M根天线中继节点R，一个单天线窃听节点E，以及一个单天线目的节点D。M为大于1的整数。设所有信道经历块衰落，即信道传输特性在固定个字符周期上保持不变，且相互独立服从均值为0，方差为1的复高斯分布。源节点S到中继节点R，源节点S到窃听节点E，中继节点R到目的节点D，中继节点R到窃听节点E的信道转移矩阵分别为 其中表示复数域。(·)^H,(·)^T,(·)^*,(·)^-1分别表示矩阵的共轭转置，转置，共轭，取逆运算。|·|和||·||分别表示复数的绝对值和矩阵的范数。det(·)表示矩阵的行列式。E(·)表示随机变量的数学期望。[x]⁺＝max(x,0)。具体步骤包括：

步骤1，在t时刻，单天线源节点S向中继节点R发送期望信号x_s(t)。

步骤2，在t时刻，中继节点R接收来自源节点S在t-1时刻发送的期望信号x_s(t-1)，同时因为中继节点采用解码转发的协议且工作在全双工模式，因此中继节点可以转发的信号为

其中，α∈(0,1)为期望信号与人工噪声之间的功率分配因子；w₂＝H_⊥为设计的人工噪声，其中H_⊥为矩阵h_rd零空间的正交基的列向量，可以得到h_rdw₂＝0

z(t)＝[z₁(t),z₂(t),...,z_M-1(t)]^T是系统噪声，其中z_m(t),m＝1,2,...,M-1是独立同分布的复高斯随机变量，均值为零，方差为噪声部分w₂z(t)发射的空间各向同性，不会干扰到目的节点D。x_s(t-1)同时与z(t)相互独立。

中继节点R可以接收到的信号y_r(t)为：

其中，表示中继节点R经过自干扰消除技术之后的残余自干扰，设h_rr是独立瑞利分布变量。P_s是源节点的发射功率。P_r是中继节点的发射功率。n_r(t)为t时刻中继节点处的加性噪声，矩阵中每一个元素是独立同分布的复高斯随机变量，均值为零，方差为

步骤3，在t时刻，目的节点D接收到信号y_d(t)为：

其中，n_d(t)为t时刻目的节点处的加性噪声，矩阵中每一个元素是独立同分布的复高斯随机变量，均值为零，方差为

步骤4，在t时刻，窃听节点E接收到信号y_e(t)为：

其中，n_e(t)为t时刻窃听节点处的加性噪声，矩阵中每一个元素是独立同分布的复高斯随机变量，均值为零，方差为

步骤5，获得源节点S到中继节点R的可达速率R_sr为：

获得中继节点R到目的节点D的可达速率R_rd为：

R_rd＝log₂(1+αP_r||h_rdw₁||²)

获得窃听信道的可达速率R_e为：

获得系统安全速率R_s为：

步骤6，利用二分法，得到系统安全速率的最优功率分配为

其中I为单位矩阵，根据α_opt进行期望信号与人工噪声之间的功率分配。

本发明的优点与积极效果在于：本发明方法在中继节点处设计了预编码矩阵作为人工干扰，在全双工模式下中继在每个时隙同时发送期望信号和人工干扰，目的节点可以解码出期望信号，并消除人工干扰的不利影响，而窃听节点无法做到这一点。本发明方法还推导获得系统的安全速率，获取了期望信号和人工噪声之间的最优功率分配策略。使用本发明方法可以有效地对抗窃听行为，显著提升系统的安全性能。

附图说明

图1为本发明实施例的中继系统物理层安全的模型示意图；

图2为当P_s/σ²＝20dB，P_r/σ²＝30dB时，FDHRJ采用最优功率分配，FDHRJ采用平均功率分配和不添加人工噪声三种方案随天线数变化的系统安全速率示意图；

图3为当P_s/σ²＝15dB，γ_se＝γ_re＝-25dB时，FDHRJ采用最优功率分配，FDHRJ采用平均功率分配和不添加人工噪声三种方案随中继功率变化的系统安全速率示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

图1是本发明实施例的中继系统物理层安全的模型图。所述中继系统包含有一个单天线源节点S，一个M根天线中继节点R，一个单天线窃听节点E，一个单天线目的节点D；M为大于1的整数。设所有信道经历块衰落，即信道传输特性在固定个字符周期上保持不变，且相互独立服从均值为0，方差为1的复高斯分布。源节点S到中继节点R，源节点S到窃听节点E，中继节点R到目的节点D，中继节点R到窃听节点E的信道转移矩阵分别表示为其中表示复数域。(·)^H,(·)^T,(·)^*,(·)^-1分别表示矩阵的共轭转置，转置，共轭，取逆运算。|·|和||·||分别表示复数的绝对值和矩阵的范数。det(·)表示矩阵的行列式。E(·)表示随机变量的数学期望。

本发明的中继物理层安全传输方法包括步骤1至步骤6。下面说明各实现步骤。

步骤1，在t时刻，单天线源节点S向中继节点R发送期望信号x_s(t)，此时窃听节点也可以窃听到该信号。

步骤2，在t时刻，多天线中继节点R会接收到来自源节点S在t-1时刻发送的期望信号x_s(t-1)，同时因为中继节点采用解码转发的协议且工作在全双工模式，因此中继节点在t时刻可以转发的信号为x_r(t)，表示为：

其中，α∈(0,1)为期望信号与人工噪声之间的功率分配因子；w₂＝H_⊥为本发明设计的人工噪声，其中H_⊥为矩阵h_rd零空间的正交基的列向量，可以得到h_rdw₂＝0。z(t)＝[z₁(t),z₂(t),...,z_M-1(t)]^T是系统噪声，其中z_m(t),m＝1,2,...,M-1是独立同分布的复高斯随机变量，均值为零，方差为I_M-1为M-1维的单位矩阵。噪声部分w₂z(t)发射的空间各向同性，不会干扰到目的节点D。x_s(t-1)同时与z(t)相互独立。中继节点R可以接收到的信号y_r(t)，表示为：

其中，表示中继节点R经过自干扰消除技术之后的残余自干扰，假设它是经过有效抑制，所以h_rr可以被认为是独立瑞利分布变量。P_s是源节点的发射功率。P_r是中继节点的发射功率。n_r(t)为中继节点处的加性噪声，矩阵中每一个元素是独立同分布的复高斯随机变量，均值为零，方差为

步骤3，在t时刻，目的节点接收到信号y_d(t)表示为：

其中，n_d(t)为t时刻目的节点处的加性噪声，矩阵n_d(t)中每一个元素是独立同分布的复高斯随机变量，均值为零，方差为

步骤4，在t时刻，窃听节点接收到信号y_e(t)为：

其中，n_e(t)为t时刻窃听节点E处的加性噪声，噪声矩阵n_e(t)中的每一个元素是独立同分布的复高斯随机变量，均值为零，方差为

步骤5，推导得到源节点S到中继节点R的可达速率R_sr、中继节点R到目的节点D的可达速率R_rd、窃听信道的可达速率R_e分别为：

R_rd＝log₂(1+αP_r||h_rdw₁||²) (6)

系统安全速率R_s为：

其中，[x]⁺＝max(x,0)，表示取0和x二者中的较大值。

步骤6，利用二分法，得到系统安全速率的最优功率分配α_opt为：

其中，I为单位矩阵。根据获得的αo_pt进行期望信号与人工噪声之间的功率分配，即在公式(1)中代入α＝α_opt来获得转发信号x_r(t)。

图2和图3是本发明方法的仿真结果。假设信道增益为γ_sr＝||h_sr||²,γ_rd＝||h_rd||²,γ_se＝|h_se|²,γ_re＝||h_re||²,γ_rr＝||h_rr||²,γ_se＝γ_re＝0dB,γ_rr＝-40dB，设噪声功率

图2是安全速率随中继天线数变化的结果。其中FDHRJ opt代表使用最优功率分配的FDHRJ策略，FDHRJ opt即本发明优选的中继物理层安全传输方法；FDHRJ ave代表使用平均功率分配的FDHRJ策略，No AN代表不采用FDHRJ策略。整体来看，安全速率随着中继天线数的增加而增加。当γ_se＝-25dB且γ_re＝-15dB，三种对比方案的安全速率增长幅度与γ_se＝γ_re＝-15dB的情况类似，但是当γ_se＝-15dB且γ_re＝-25dB，FDHRJ opt拥有最快的安全速率的增长幅度，FDHRJ ave也比No AN方案的性能好。综上所述，本发明所提出的FDHRJ方案是优于其他两种对比方案的。

图3显示系统的安全速率随中继的总发射功率先增后减。此时配置为M＝4，γ_se＝γ_re＝-25dB。由于中继信道的信道速率是取S→R和R→D中较小的信道速率，在信道一定的情况下，当P_r较小时，R→D的信噪比小于S→R的信噪比，此时中继信道速率由P_r决定，会随P_r的增大而增大；当P_r增大到与P_s相近时，中继信道的速率取决于S→R的这条链路。由于中继自干扰信道的存在，会导致中继信道速率随P_r的增大而减小；对于窃听信道而言，随着P_r的增加，既会增加窃听节点所接收的有用信号，也会增加其接收的干扰信号，因此总的来说不会随P_r的增加而产生较大变化。如图3所示，在信道状态稳定的情况下，当P_r较小时，FDHRJ在采用α_opt时与不添加人工噪声方案的效果一致，但当P_r增大到大约11dB以后，采用α_opt的FDHRJ方案要远好于其他两种对比方案。综上分析可知，系统的安全速率会随中继总发射功率的增加而先增后减，当不添加人工噪声时，窃听节点不会接收到中继发的干扰信号，这时其窃听信道速率会随着P_r的增加有明显的增大，因此在图3中，可以看到No AN这条曲线在后半段会比其他两条曲线下降的快得多。

综上所述，本发明实施例提供的中继系统物理层安全传输模型，采用本发明提出的FDHRJ方案，在中继节点处设计了预编码矩阵作为人工干扰，在全双工模式下中继在每个时隙同时发送期望信号和人工干扰，目的节点可以解码出期望信号，并消除人工干扰的不利影响，而窃听节点无法做到这一点。最后在该模型下，获得了系统的安全速率，研究了期望信号和人工噪声之间的最优功率分配策略，使用所提出方案能显著提升系统的安全性能。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (2)

1.一种中继物理层安全传输方法，其特征在于，所用中继系统模型包含有一个单天线源节点S，一个M根天线的中继节点R，一个单天线窃听节点E以及一个单天线目的节点D；M为大于1的整数；中继节点采用解码转发协议且工作在全双工模式；所有信道经历块衰落，信道传输特性在固定个字符周期上保持不变，且相互独立服从均值为0，方差为1的复高斯分布；设源节点S到中继节点R、源节点S到窃听节点E、中继节点R到目的节点D、以及中继节点R到窃听节点E的信道转移矩阵分别为 表示复数域；

所述的传输方法包括如下步骤：

步骤1，在t时刻，单天线源节点S向中继节点R发送期望信号x_s(t)；

步骤2，在t时刻，中继节点R接收到来自源节点S在t-1时刻发送的信号x_s(t-1)，中继节点转发的信号x_r(t)为：

其中，α为期望信号与人工噪声之间的功率分配因子，α∈(0,1)；w₁、w₂为设计的人工噪声，w₂＝H_⊥，H_⊥为矩阵h_rd零空间的正交基的列向量，h_rdw₂＝0；z(t)为系统噪声，z(t)＝[z₁(t),z₂(t),...,z_M-1(t)]^T，x_s(t-1)与z(t)相互独立；噪声部分w₂z(t)发射的空间各向同性，不会干扰到目的节点D；(·)^H、(·)^T分别表示矩阵的共轭转置、转置，||·||表示矩阵的范数；

中继节点R在t时刻接收到的信号y_r(t)为：

其中，表示中继节点R经过自干扰消除技术之后的残余自干扰，设h_rr是独立瑞利分布变量；P_s是源节点S的发射功率，P_r是中继节点R的发射功率；n_r(t)为t时刻中继节点处的加性噪声，噪声矩阵n_r(t)中每一个元素是独立同分布的复高斯随机变量，均值为零，方差为

步骤3，在t时刻，目的节点D接收到信号y_d(t)为：

其中，n_d(t)为t时刻目的节点处的加性噪声，矩阵n_d(t)中每一个元素是独立同分布的复高斯随机变量；

步骤4，在t时刻，窃听节点E接收到信号y_e(t)为：

其中，n_e(t)为t时刻窃听节点E处的加性噪声，噪声矩阵n_e(t)中的每一个元素是独立同分布的复高斯随机变量；

步骤5，获得源节点S到中继节点R的速率R_sr为：

其中，(·)^-1表示矩阵的取逆运算；

获得中继节点R到目的节点D的速率R_rd为：

R_rd＝log₂(1+αP_r||h_rdw₁||²)；

获得窃听信道的速率R_e为：

其中，|·|表示求复数的绝对值；

获得系统安全速率R_s为：

步骤6，利用二分法，得到系统安全速率的最优功率分配α_opt为：

其中I为单位矩阵，根据α_opt进行期望信号与人工噪声之间的功率分配。

2.根据权利要求1所述的一种中继物理层安全传输方法，其特征在于，所述的系统噪声z(t)中的元素z_m(t),m＝1,2,...,M-1，是独立同分布的复高斯随机变量，其均值为零，方差为E(·)表示随机变量的数学期望，I_M-1为M-1维的单位矩阵。